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, 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。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, 通過分析、比較, 提出了選擇***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。并通過應(yīng)用實(shí)例, 說明了利用多變量變送器, 采用一體化自成系統(tǒng)的計(jì)量儀表, 利用現(xiàn)場總線技術(shù), 通過數(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***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, 使得天然氣流量測量存在著環(huán)節(jié)多、精度低和信息反饋滯后等缺點(diǎn)。中原油氣高新股份有限公司天然氣產(chǎn)銷廠 (以下簡稱該廠) 是一個(gè)集氣田開發(fā)、伴生氣集輸和商品氣外銷的綜合性企業(yè), 承擔(dān)著整個(gè)中原油田90%的外銷氣量。因此天然氣計(jì)量工作在該廠顯得非常重要。目前該廠共有天然氣流量計(jì)量點(diǎn)220多個(gè), 分布于大小30個(gè)站, 其中192個(gè)計(jì)量點(diǎn)屬于孔板流量計(jì), 占整個(gè)流量計(jì)量點(diǎn)的87%, 是一個(gè)典型的點(diǎn)多、線長、站場高度分散的企業(yè)。隨著企業(yè)管理的科學(xué)化和信息化的發(fā)展, 對天然氣流量計(jì)量的要求越來越高。為此, 要對天然氣流量實(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)量問題。

二、孔板流量計(jì)的測量原理：

  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)壓差來衡量流量的大小。這種測量方法是以流動(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。

圖1 孔板附近的流速和壓力分布圖
 

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), 通過計(jì)算機(jī)中的流量計(jì)算軟件, 實(shí)現(xiàn)整個(gè)流量測量環(huán)節(jié)中無人工參與的天然氣流量測量。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溫度、壓力、差壓, 并將各參數(shù)檢測到的電信號(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)檢測溫度、壓力、差壓等, 采用現(xiàn)場總線制, 通過數(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)展而來的, 由原來的測量1個(gè)參數(shù)需要1臺(tái)變送器, 改為測量多個(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)硬件連接上簡化了許多, 提高了系統(tǒng)的可靠性和測量精度。但由于變送器只是檢測測量信號(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)測量參數(shù)和計(jì)算瞬時(shí)流量, 并通過數(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, 無累積功能, 也不能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。因此, 所測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, 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、太陽能和外接電源等, 實(shí)現(xiàn)了在無電力供應(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;正常情況下可通過現(xiàn)場總線和上位機(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)的無憂化, 使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)***簡單、操作更簡便、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)量的可靠性和準(zhǔn)確性是天然氣集輸企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。針對實(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、準(zhǔn)確性和先進(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、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)問題, 將給企業(yè)帶來不可估量的損失。因此, 對數(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.使用操作的簡單、可靠原則

  由于天然氣集輸企業(yè)的站、場一般都比較分散, 專業(yè)人員相對較少。因此, 在選擇、設(shè)計(jì)方案時(shí)要充分考慮操作、維護(hù)的簡便性, 做到簡單易用、高可靠、低維護(hù), 從而確保計(jì)量系統(tǒng)的長期、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, 用戶對天然氣計(jì)量的精度和計(jì)量方式的要求也越來越高。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)場利用FloBoss103實(shí)現(xiàn)一體化自動(dòng)計(jì)量的結(jié)構(gòu)圖 (圖2) 。

圖2 利用FloBoss103實(shí)現(xiàn)一體化自動(dòng)計(jì)量的結(jié)構(gòu)圖
 

  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)在測量和控制應(yīng)用場合精心設(shè)計(jì)的。它配帶的雙變量變送器檢測流體的壓力和差壓, 溫度由鉑熱電阻檢測, 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, 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FloBoss103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, 自動(dòng)將數(shù)據(jù)下載到上位機(jī)進(jìn)行管理, 并通過信息網(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MODBUS數(shù)字傳輸技術(shù), 采用總線制結(jié)構(gòu), 簡化了系統(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)程測量儀器和現(xiàn)場控制中心可以與主機(jī)相連, 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的、全天候的監(jiān)控、測量、累積、報(bào)警、通訊和控制, 可通過常用的通訊方式同主機(jī)進(jìn)行通訊, 實(shí)現(xiàn)了對儀表進(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儀表供管理人員使用, 如對比核查等, 以診斷其他計(jì)量系統(tǒng)。

(7) FloBoss103流量管理器除了可以現(xiàn)場就地安裝、測量、通過液晶顯示器顯示瞬時(shí)流量和累積流量外, 還可以通過MODBUS通訊協(xié)議用數(shù)字信號(hào)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至現(xiàn)場控制站, 并通過TCP/IP與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接, 使得企業(yè)各級(jí)管理人員均能通過信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)動(dòng)態(tài)。

六、存在的問題：

  盡管孔板流量計(jì)自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的發(fā)展越來越完善, 但由于測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)量的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)處理上, 仍存在一些問題。

1.量程比的問題

量程比小 (3∶1) , 是孔板流量計(jì)***大的缺憾。盡管現(xiàn)在已有寬量程比的變送器, 但在對于瞬間流量變化范圍很大, 流量低于***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, 提高測量的有效范圍, 保證計(jì)量的準(zhǔn)確性。不過這在軟件設(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)一些異常的無理數(shù)據(jù)。因此為了維護(hù)貿(mào)易雙方的利益, 對可能出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)問題在設(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)對此都考慮較少。

3.操作界面和過程數(shù)據(jù)的利用問題

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, 對數(shù)據(jù)形成的全過程進(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)的安全性是對天然氣流量自動(dòng)計(jì)量的較低要求。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)量儀表, 利用現(xiàn)場總線技術(shù), 通過數(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***佳方式, 也代表了國際上天然氣流量計(jì)量系統(tǒng)數(shù)字化計(jì)量的一種先進(jìn)的發(fā)展趨勢, 是天然氣計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)量的***佳解決方案。