摘 要 目前孔板流量計(jì)仍然在天然氣計(jì)量中占主導(dǎo)地位。隨著計(jì)算機(jī)、變送器和通訊等技術(shù)的發(fā)展,充分利用先進(jìn)技術(shù),使孔板流量計(jì)發(fā)揮其標(biāo)準(zhǔn)化程度高、研究深入的技術(shù)優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)天然氣流量的自動(dòng)計(jì)量是孔板流量計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。根據(jù)目前孔板流量計(jì)實(shí)現(xiàn)天然氣自動(dòng)計(jì)量的多種模式,通過(guò)分析、比較,提出了選擇最佳自動(dòng)計(jì)量模式的6項(xiàng)原則:數(shù)據(jù)的安全性原則;計(jì)量回路的獨(dú)立性原則;使用操作的簡(jiǎn)單、可靠原則;兼顧發(fā)展的原則;計(jì)算方法和計(jì)算軟件的合法性原則;技術(shù)先進(jìn)、成熟的原則。并通過(guò)應(yīng)用實(shí)例,說(shuō)明了利用多變量變送器,采用一體化自成系統(tǒng)的計(jì)量?jī)x表,利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),通過(guò)數(shù)字信號(hào)傳輸,實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償,組成真正意義上的集散控制系統(tǒng),是科學(xué)、準(zhǔn)確計(jì)量天然氣流量的最佳方式。
一、孔板流量計(jì)自動(dòng)計(jì)量概況
目前在天然氣流量計(jì)量領(lǐng)域中,孔板流量計(jì)仍占主導(dǎo)地位,這主要是由于其發(fā)展歷史悠久、研究深入、標(biāo)準(zhǔn)化程度高和簡(jiǎn)單易于制造等特點(diǎn)決定的。由于歷史原因和技術(shù)限制,在天然氣集輸企業(yè)中孔板流量計(jì)一直以機(jī)械式差壓計(jì)為主要記錄儀表,輔以人工錄取參數(shù)和手工計(jì)算,使得天然氣流量測(cè)量存在著環(huán)節(jié)多、精度低和信息反饋滯后等缺點(diǎn)。為此,要對(duì)天然氣流量實(shí)行快速、準(zhǔn)確、及時(shí)的信息反饋,以提高企業(yè)的經(jīng)營(yíng)效率和集輸管理水平,就需要討論天然氣流量的自動(dòng)計(jì)量問(wèn)題。
二、孔板流量計(jì)的測(cè)量原理
充滿管道的流體,當(dāng)它流經(jīng)管道內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)孔板時(shí),如圖1所示,流速將在標(biāo)準(zhǔn)孔板處形成局部收縮,從而使流速增加,靜壓力降低,這樣在標(biāo)準(zhǔn)孔板前后便產(chǎn)生了壓差。流體流量愈大,產(chǎn)生的壓差愈大,因此可依據(jù)壓差來(lái)衡量流量的大小。這種測(cè)量方法是以流動(dòng)連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎(chǔ)的。壓差的大小不僅與流量還與其他許多因素有關(guān),例如當(dāng)節(jié)流裝置形式或管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)(密度、黏度)不同時(shí),在同樣的流量下產(chǎn)生的壓差也是不同的。
三、自動(dòng)計(jì)量的實(shí)現(xiàn)模式
所謂自動(dòng)計(jì)量,就是利用變送器實(shí)時(shí)檢測(cè)天然氣流量計(jì)量中所涉及到的溫度、壓力、差壓等參數(shù),通過(guò)計(jì)算機(jī)中的流量計(jì)算軟件,實(shí)現(xiàn)整個(gè)流量測(cè)量環(huán)節(jié)中無(wú)人工參與的天然氣流量測(cè)量。隨著計(jì)量技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)運(yùn)用的普及,實(shí)現(xiàn)孔板流量計(jì)自動(dòng)計(jì)量的方案已有多種,目前主要有以下4種模式。
1.單變量變送器+流量計(jì)算機(jī)(或工控機(jī))
利用3臺(tái)單變量模擬變送器分別檢測(cè)溫度、壓力、差壓,并將各參數(shù)檢測(cè)到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～ 20 mA模擬信號(hào),送入流量計(jì)算機(jī)(或工控機(jī))的數(shù)據(jù)采集板卡,通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字量,在流量計(jì)算機(jī)(或工控機(jī))上通過(guò)流量計(jì)算軟件按要求計(jì)算出天然氣的瞬時(shí)流量、累積流量及實(shí)現(xiàn)其他輔助功能。
此方式是傳統(tǒng)的自動(dòng)計(jì)量模式,所采集、傳輸?shù)亩际悄M信號(hào),抗干擾能力比較差,由于存在信號(hào)轉(zhuǎn)換等問(wèn)題,計(jì)量精度難以提高,而且硬件連接較復(fù)雜、中間環(huán)節(jié)較多、可靠性較差�？蓴U(kuò)展為:單變量變送器+流量計(jì)算機(jī)+工控機(jī),從而實(shí)現(xiàn)流量計(jì)算與顯示分開,提高系統(tǒng)的可靠性和可視性。
2.多變量變送器+流量計(jì)算機(jī)(或工控機(jī))
利用1臺(tái)多變量智能變送器同時(shí)檢測(cè)溫度、壓力、差壓等,采用現(xiàn)場(chǎng)總線制,通過(guò)數(shù)字信號(hào)傳輸,送入流量計(jì)算機(jī)(或工控機(jī))的數(shù)據(jù)采集板卡,在流量計(jì)算機(jī)(或工控機(jī))上通過(guò)流量計(jì)算軟件按要求計(jì)算出天然氣的瞬時(shí)流量、累積流量及實(shí)現(xiàn)其他輔助功能。此方式是隨變送器技術(shù)發(fā)展而來(lái)的,由原來(lái)的測(cè)量1個(gè)參數(shù)需要1臺(tái)變送器,改為測(cè)量多個(gè)參數(shù)只需要1臺(tái)變送器,并在數(shù)據(jù)傳輸中采用數(shù)字信號(hào),使得在系統(tǒng)硬件連接上簡(jiǎn)化了許多,提高了系統(tǒng)的可靠性和測(cè)量精度。但由于變送器只是檢測(cè)測(cè)量信號(hào),不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,因此在校準(zhǔn)時(shí)必須和流量計(jì)算機(jī)一起實(shí)行聯(lián)校。
采用流量計(jì)算機(jī)或工控機(jī),主要區(qū)別在于流量計(jì)算部分。流量計(jì)算機(jī)是專用的固化軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ),比較穩(wěn)定可靠,可信任度較高,用戶易接受;工控機(jī)上軟件計(jì)算一般主要是自主開發(fā),便于軟件升級(jí)和系統(tǒng)維護(hù),由于計(jì)算量大,特別是多路計(jì)量時(shí),可靠性稍差些。
為了增加系統(tǒng)的可靠性和操作界面的直觀化,這種方式也可擴(kuò)展為:多變量變送器+流量計(jì)算機(jī)+工控機(jī),即將流量計(jì)算和顯示部分分開實(shí)行在流量計(jì)算機(jī)中計(jì)算,在工控機(jī)上顯示。
3.多變量智能變送器+工控機(jī)
此方式與模式2比較,主要區(qū)別是變送器內(nèi)固化了流量處理軟件,使得變送器可以就地顯示瞬時(shí)測(cè)量參數(shù)和計(jì)算瞬時(shí)流量,并通過(guò)數(shù)字信號(hào)傳輸,送入工控機(jī)上顯示和實(shí)現(xiàn)其他輔助功能。由于變送器顯示的只是瞬時(shí)流量,無(wú)累積功能,也不能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。因此,所測(cè)量的流量值必須在工控機(jī)上進(jìn)行二次處理,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的累積和存儲(chǔ)功能。
采用這種方式,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化,變送器可實(shí)現(xiàn)單校也可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)校,易于維護(hù),但由于必須在工控機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)流量的累積和存儲(chǔ)。因此,可靠性較差,一旦工控機(jī)出現(xiàn)故障或電力故障,將無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存和累積,易造成數(shù)據(jù)丟失。
4.一體化智能儀表+工控機(jī)
此方式與模式3的區(qū)別主要也是在變送器上,即一體化智能儀表實(shí)現(xiàn)了變送器與流量計(jì)算機(jī)的一體化,不僅自帶數(shù)據(jù)庫(kù),可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)參數(shù)及流量的顯示,還可實(shí)現(xiàn)累積流量和歷史數(shù)據(jù)的再現(xiàn);而且在儀表的運(yùn)行方面,采取了多種電源保障方式:內(nèi)電池、內(nèi)電池組、太陽(yáng)能和外接電源等,實(shí)現(xiàn)了在無(wú)電力供應(yīng)的情況下,可以獨(dú)立自成計(jì)量系統(tǒng),就地顯示天然氣的瞬時(shí)流量、累積流量和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、再現(xiàn)等;正常情況下可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線和上位機(jī)連接,實(shí)行數(shù)字信號(hào)傳輸,送入工控機(jī)上顯示,也可以在工控機(jī)上實(shí)行二次數(shù)據(jù)處理,組成的計(jì)量系統(tǒng)更加靈活、可靠。
采用這種方式,實(shí)現(xiàn)了計(jì)量數(shù)據(jù)的無(wú)憂化,使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、操作更簡(jiǎn)便、更可靠、更易維護(hù);不僅可以單校也可以聯(lián)校;采用獨(dú)立的計(jì)量回路,減少了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的干擾,提高了計(jì)量的精度。
四、自動(dòng)計(jì)量方案選擇的原則
天然氣的流量計(jì)量是流量測(cè)量中的難點(diǎn)之一,這主要是由于天然氣流量計(jì)量是一種間接的、多參數(shù)的、動(dòng)態(tài)的、不可再現(xiàn)的測(cè)量。因此,如何充分考慮天然氣流量計(jì)量的特殊性,確保天然氣自動(dòng)計(jì)量的可靠性和正確率是天然氣集輸企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。針對(duì)實(shí)現(xiàn)方案的多樣性,在選擇具體方案時(shí),應(yīng)著重考慮系統(tǒng)的可靠性、正確率和先進(jìn)性。判定方案的可靠性和先進(jìn)性,主要遵從以下原則。
1.數(shù)據(jù)的安全性原則
所謂數(shù)據(jù)的安全性,就是在非儀表故障的情況下,計(jì)量系統(tǒng)能夠提供準(zhǔn)確的計(jì)量數(shù)據(jù),以實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管網(wǎng)的有效監(jiān)控,并保證數(shù)據(jù)的可靠性,以維護(hù)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)利益;尤其是構(gòu)筑在自動(dòng)計(jì)量基礎(chǔ)之上的企業(yè)信息系統(tǒng)更是企業(yè)管理、經(jīng)營(yíng)、指揮、協(xié)調(diào)的重要依據(jù)。計(jì)量是信息系統(tǒng)重要的數(shù)據(jù)源,如果數(shù)據(jù)源一旦出現(xiàn)問(wèn)題,將給企業(yè)帶來(lái)不可估量的損失。因此,對(duì)數(shù)據(jù)源的要求就是準(zhǔn)確、齊全、完整、可靠,為此在選擇方案時(shí),首要的問(wèn)題就是考慮計(jì)量數(shù)據(jù)的安全性。由于天然氣集輸企業(yè)一般都在偏遠(yuǎn)的地方、站場(chǎng)比較分散,各種環(huán)境因素比較惡劣,因而要充分考慮計(jì)算機(jī)故障、電力供應(yīng)不足等實(shí)際情況,做好預(yù)案,避免由此而引起的數(shù)據(jù)丟失。
2.計(jì)量回路的獨(dú)立性原則
獨(dú)立性原則,主要是為了保證在計(jì)量系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),盡量減少故障的影響面,降低故障的影響程度,從而維護(hù)企業(yè)的安全平穩(wěn)運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。
3.使用操作的簡(jiǎn)單、可靠原則
由于天然氣集輸企業(yè)的站、場(chǎng)一般都比較分散,專業(yè)人員相對(duì)較少。因此,在選擇、設(shè)計(jì)方案時(shí)要充分考慮操作、維護(hù)的簡(jiǎn)便性,做到簡(jiǎn)單易用、高可靠、低維護(hù),從而確保計(jì)量系統(tǒng)的長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行。
4.兼顧發(fā)展的原則
由于天然氣貿(mào)易的發(fā)展和要求,用戶對(duì)天然氣計(jì)量的精度和計(jì)量方式的要求也越來(lái)越高。在選擇時(shí)要考慮天然氣計(jì)量交接方式的可能改變和實(shí)時(shí)計(jì)量補(bǔ)償?shù)目赡?如在線色譜分析、實(shí)時(shí)補(bǔ)償、能量計(jì)量等。如果要在企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,建立以企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)為紐帶的站控系統(tǒng),則應(yīng)考慮實(shí)現(xiàn)計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程組態(tài)。
5.計(jì)算方法和計(jì)算軟件的合法性原則
計(jì)量,就是計(jì)“錢”。由于利益的因素,在天然氣貿(mào)易計(jì)量中要充分考慮到計(jì)算方法和計(jì)算軟件的合法性問(wèn)題,以避免因使用計(jì)算方法不合適、計(jì)算軟件缺乏權(quán)威性而引起不必要的計(jì)量糾紛。由于天然氣計(jì)量方法的多樣性,應(yīng)考慮計(jì)算軟件的獨(dú)立化,這樣才便于流量計(jì)算軟件的升級(jí)。在具體的計(jì)量系統(tǒng)中應(yīng)采用用戶認(rèn)可的特定計(jì)算方法或是以合同、協(xié)議的方式規(guī)定計(jì)算方法,這方面要和用戶充分溝通。
6.技術(shù)先進(jìn)、成熟的原則
現(xiàn)代計(jì)量逐步發(fā)展成為一門綜合性很強(qiáng)的專業(yè)技術(shù),它是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、儀表制造技術(shù)、微功耗技術(shù)為一體的技術(shù)結(jié)晶。由于各個(gè)儀表廠家技術(shù)水平的不平衡,在選擇方案時(shí)一定要有預(yù)見性,選擇技術(shù)先進(jìn)、成熟的廠家,以減少系統(tǒng)的維護(hù)量。當(dāng)然,在具體方案的選擇時(shí),還要綜合考慮到其他一些因素如資金、成本、氣質(zhì)特點(diǎn)等。
五、應(yīng)用實(shí)例
根據(jù)上述的6項(xiàng)原則,構(gòu)建了現(xiàn)場(chǎng)利用Flo-Boss103實(shí)現(xiàn)一體化自動(dòng)計(jì)量的結(jié)構(gòu)圖(圖2)。
該方案采用與孔板配套的FloBoss103流量管理器進(jìn)行單回路計(jì)量。FloBoss103流量管理器是費(fèi)希爾—羅斯蒙特專門為天然氣行業(yè)在測(cè)量和控制應(yīng)用場(chǎng)合精心設(shè)計(jì)的。它配帶的雙變量變送器檢測(cè)流體的壓力和差壓,溫度由鉑熱電阻檢測(cè),信號(hào)直接進(jìn)FloBoss103,流量管理器根據(jù)采集的信號(hào)計(jì)算天然氣的流量,共5路,通過(guò)RS485總線,采用MODBUS通訊協(xié)議將計(jì)量參數(shù)(差壓、壓力、溫度、瞬時(shí)流量、累積流量等)傳到上位機(jī)進(jìn)行管理。該方案有以下特點(diǎn)。
(1)該系統(tǒng)采用的FloBoss103流量管理器是集多變量變送器和流量管理器為一體的(并內(nèi)置電池)。這種一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得該系統(tǒng)可以在無(wú)外部電源的情況下,依靠FloBoss103本身的內(nèi)置電池就可正常工作,從而保證了計(jì)量系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性,特別適用于電力供應(yīng)不正常的地區(qū)。
(2)FloBoss103流量管理器本身自帶數(shù)據(jù)庫(kù),可保存240個(gè)事件、240個(gè)報(bào)警記錄和15個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)35天的1 h記錄或4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)30天的10 min記錄。
(3)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)補(bǔ)錄。一旦長(zhǎng)時(shí)間電力供應(yīng)不正常,上位機(jī)不能正常工作,該系統(tǒng)可利用Flo-Boss103流量管理器本身自備的電池維持正常計(jì)量工作。當(dāng)電力恢復(fù)正常上位機(jī)開始工作后,利用流量管理器本身自帶的數(shù)據(jù)庫(kù),自動(dòng)將數(shù)據(jù)下載到上位機(jī)進(jìn)行管理,并通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)上傳到管理層,保證了數(shù)據(jù)的完整性。
(4)獨(dú)立的計(jì)量系統(tǒng)。通過(guò)MODBUS數(shù)字傳輸技術(shù),采用總線制結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)化了系統(tǒng)組成,提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
(5)真正實(shí)現(xiàn)在線設(shè)備診斷和維護(hù)。FloBoss103作為遠(yuǎn)程測(cè)量?jī)x器和現(xiàn)場(chǎng)控制中心可以與主機(jī)相連,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的、全天候的監(jiān)控、測(cè)量、累積、報(bào)警、通訊和控制,可通過(guò)常用的通訊方式同主機(jī)進(jìn)行通訊,實(shí)現(xiàn)了對(duì)儀表進(jìn)行在線技術(shù)診斷和維護(hù)。
(6)由于FloBoss103流量管理器是一個(gè)獨(dú)立的計(jì)量單元,不受電力等條件的約束,在特殊情況下,可以將其作為特殊的檢測(cè)儀表供管理人員使用,如對(duì)比核查等,以診斷其他計(jì)量系統(tǒng)。
(7)FloBoss103流量管理器除了可以現(xiàn)場(chǎng)就地安裝、測(cè)量、通過(guò)液晶顯示器顯示瞬時(shí)流量和累積流量外,還可以通過(guò)MODBUS通訊協(xié)議用數(shù)字信號(hào)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至現(xiàn)場(chǎng)控制站,并通過(guò)TCP/IP與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接,使得企業(yè)各級(jí)管理人員均能通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)動(dòng)態(tài)。
六、存在的問(wèn)題
盡管孔板流量計(jì)自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的發(fā)展越來(lái)越完善,但由于測(cè)量方法本身的原因和自動(dòng)計(jì)量技術(shù)上的局限性,在提高計(jì)量的正確率和數(shù)據(jù)處理上,仍存在一些問(wèn)題。
1.量程比的問(wèn)題
量程比小(3∶1),是孔板流量計(jì)最大的缺憾。盡管現(xiàn)在已有寬量程比的變送器,但在對(duì)于瞬間流量變化范圍很大,流量低于最大流量的30%時(shí),計(jì)量的精度將大幅度降低。這主要是由于節(jié)流式測(cè)量方法造成的。因此,為了提高量程比,可以考慮利用變送器寬量程的特點(diǎn),運(yùn)用軟件的方式實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)調(diào)整(軟維護(hù)),從而擴(kuò)大量程比,提高測(cè)量的有效范圍,保證計(jì)量的正確率。不過(guò)這在軟件設(shè)計(jì)上將增加難度。
2.異常數(shù)據(jù)的處理問(wèn)題
任何系統(tǒng)都有可能出現(xiàn)故障,都有可能出現(xiàn)一些異常的無(wú)理數(shù)據(jù)。因此為了維護(hù)貿(mào)易雙方的利益,對(duì)可能出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)問(wèn)題在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮數(shù)據(jù)的審慎可修改性,從而避免異常數(shù)據(jù)一旦出現(xiàn),其就一直在計(jì)算機(jī)中參與累積計(jì)算,造成計(jì)量數(shù)據(jù)的混亂。目前大多數(shù)自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)對(duì)此都考慮較少。
3.操作界面和過(guò)程數(shù)據(jù)的利用問(wèn)題
由于天然氣輸送的連續(xù)性、動(dòng)態(tài)性、瞬間的不確定性以及不可再現(xiàn)等特點(diǎn),實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,對(duì)數(shù)據(jù)形成的全過(guò)程進(jìn)行有效的監(jiān)控和保存,有利于數(shù)據(jù)異常的分析和控制,是數(shù)據(jù)管理中重要的一環(huán)。目前的自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)在此方面有所考慮,但過(guò)程數(shù)據(jù)的應(yīng)用、分析、界面功能尚不完全,還有待于完善。
七、結(jié) 論
數(shù)據(jù)的安全性是對(duì)天然氣流量自動(dòng)計(jì)量的最低要求。只有在確保數(shù)據(jù)安全的前提下,自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)才可能長(zhǎng)期、可靠的運(yùn)行。隨著控制技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及儀表制造技術(shù)的不斷發(fā)展,利用多變量變送器,采用一體化自成系統(tǒng)的計(jì)量?jī)x表,利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),通過(guò)數(shù)字信號(hào)傳輸,實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償,組成真正意義上的集散控制系統(tǒng),是科學(xué)、準(zhǔn)確計(jì)量天然氣流量的最佳方式,也代表了國(guó)際上天然氣流量計(jì)量系統(tǒng)數(shù)字化計(jì)量的一種先進(jìn)的發(fā)展趨勢(shì),是天然氣計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)量的最佳解決方案。
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