工控摘要：目前在天然氣流量計量領(lǐng)域中,氣體流量計仍占主導(dǎo)地位,這主要是由于其發(fā)展歷史悠久、研究深入、標準化程度高和簡單易于制造等特點決定的。
一、氣體流量計自動計量概況
目前在天然氣流量計量領(lǐng)域中,氣體流量計仍占主導(dǎo)地位,這主要是由于其發(fā)展歷史悠久、研究深入、標準化程度高和簡單易于制造等特點決定的。由于歷史原因和技術(shù)限制,在天然氣集輸企業(yè)中氣體流量計一直以機械式差壓計為主要記錄儀表,輔以人工錄取參數(shù)和手工計算,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。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)著整個中原油田90%的外銷氣量。因此天然氣計量工作在該廠顯得非常重要。目前該廠共有天然氣流量計量點220多個,分布于大小30個站,其中192個計量點屬于氣體流量計,占整個流量計量點的87%,是一個典型的點多、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,對天然氣流量計量的要求越來越高。
為此,要對天然氣流量實行快速、準確、及時的信息反饋,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計量問題。
二、氣體流量計的測量原理
充滿管道的流體,當它流經(jīng)管道內(nèi)的標準氣體時,如圖1所示,流速將在標準氣體處形成局部收縮,從而使流速增加,靜壓力降低,這樣在標準氣體前后便產(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,在同樣的流量下產(chǎn)生的壓差也是不同的。

三、氣體流量計自動計量的實現(xiàn)模式
所謂自動計量,就是利用變送器實時檢測天然氣流量計量中所涉及到的溫度、壓力、差壓等參數(shù),通過計算機中的流量計算軟件,實現(xiàn)整個流量測量環(huán)節(jié)中無人工參與的天然氣流量測量。隨著計量技術(shù)的發(fā)展和計算機運用的普及,實現(xiàn)氣體流量計自動計量的方案已有多種,目前主要有以下4種模式。
1.單變量變送器+流量計算機（或工控機）利用3臺單變量模擬變送器分別檢測溫度、壓力、差壓,并將各參數(shù)檢測到的電信號轉(zhuǎn)換成標準的4~20mA模擬信號,送入流量計算機（或工控機）的數(shù)據(jù)采集板卡,通過A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換成計算機能處理的數(shù)字量,在流量計算機（或工控機）上通過流量計算軟件按要求計算出天然氣的瞬時流量、累積流量及實現(xiàn)其他輔助功能。
此方式是傳統(tǒng)的自動計量模式,所采集、傳輸?shù)亩际悄M信號,抗*力比較差,由于存在信號轉(zhuǎn)換等問題,計量精度難以提高,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展為:單變量變送器+流量計算機+工控機,從而實現(xiàn)流量計算與顯示分開,提高系統(tǒng)的可靠性和可視性。
2.多變量變送器+流量計算機（或工控機）利用1臺多變量智能變送器同時檢測溫度、壓力、差壓等,采用現(xiàn)場總線制,通過數(shù)字信號傳輸,送入流量計算機（或工控機）的數(shù)據(jù)采集板卡,在流量計算機（或工控機）上通過流量計算軟件按要求計算出天然氣的瞬時流量、累積流量及實現(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個參數(shù)需要1臺變送器,改為測量多個參數(shù)只需要1臺變送器,并在數(shù)據(jù)傳輸中采用數(shù)字信號,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,不進行數(shù)據(jù)處理,因此在校準時必須和流量計算機一起實行聯(lián)校。
采用流量計算機或工控機,主要區(qū)別在于流量計算部分。流量計算機是的固化軟件實現(xiàn)計算和數(shù)據(jù)存儲,比較穩(wěn)定可靠,可信任度較高,用戶易接受;工控機上軟件計算一般主要是自主開發(fā),便于軟件升級和系統(tǒng)維護,由于計算量大,特別是多路計量時,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,這種方式也可擴展為:多變量變送器+流量計算機+工控機,即將流量計算和顯示部分分開實行在流量計算機中計算,在工控機上顯示。
3.多變量智能變送器+工控機
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測量參數(shù)和計算瞬時流量,并通過數(shù)字信號傳輸,送入工控機上顯示和實現(xiàn)其他輔助功能。由于變送器顯示的只是瞬時流量,無累積功能,也不能存儲數(shù)據(jù)。因此,所測量的流量值必須在工控機上進行二次處理,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的累積和存儲功能。
采用這種方式,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進一步簡化,變送器可實現(xiàn)單校也可以實現(xiàn)聯(lián)校,易于維護,但由于必須在工控機內(nèi)實現(xiàn)流量的累積和存儲。因此,可靠性較差,一旦工控機出現(xiàn)故障或電力故障,將無法實現(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
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現(xiàn)了變送器與流量計算機的一體化,不僅自帶數(shù)據(jù)庫,可實現(xiàn)瞬時參數(shù)及流量的顯示,還可實現(xiàn)累積流量和歷史數(shù)據(jù)的再現(xiàn);而且在儀表的運行方面,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,實現(xiàn)了在無電力供應(yīng)的情況下,可以獨立自成計量系統(tǒng),就地顯示天然
氣的瞬時流量、累積流量和數(shù)據(jù)的存儲、再現(xiàn)等;正常情況下可通過現(xiàn)場總線和上位機連接,實行數(shù)字信號傳輸,送入工控機上顯示,也可以在工控機上實行二次數(shù)據(jù)處理,組成的計量系統(tǒng)更加靈活、可靠。
采用這種方式,實現(xiàn)了計量數(shù)據(jù)的無憂化,使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)zui簡單、操作更簡便、更可靠、更易維護;不僅可以單校也可以聯(lián)校;采用獨立的計量回路,減少了數(shù)據(jù)傳輸過程的干擾,提高了計量的精度。
四、自動計量方案選擇的原則
天然氣的流量計量是流量測量中的難點之一,這主要是由于天然氣流量計量是一種間接的、多參數(shù)的、動態(tài)的、不可再現(xiàn)的測量。因此,如何充分考慮天然氣流量計量的特殊性,確保天然氣自動計量的可靠性和準確性是天然氣集輸企業(yè)關(guān)注的焦點。
針對實現(xiàn)方案的多樣性,在選擇具體方案時,應(yīng)著重考慮系統(tǒng)的可靠性、準確性和*性。判定方案的可靠性和*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,計量系統(tǒng)能夠提供準確的計量數(shù)據(jù),以實現(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,以維護企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟利益;尤其是構(gòu)筑在自動計量基礎(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)源的要求就是準確、齊全、完整、可靠,為此在選擇方案時,首要的問題就是考慮計量數(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,因而要充分考慮計算機故障、電力供應(yīng)不足等實際情況,做好預(yù)案,避免由此而引起的數(shù)據(jù)丟失。
2.計量回路的獨立性原則
獨立性原則,主要是為了保證在計量系統(tǒng)出現(xiàn)問題時,盡量減少故障的影響面,降低故障的影響程度,從而維護企業(yè)的安全平穩(wěn)運行和經(jīng)濟效益。
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)計方案時要充分考慮操作、維護的簡便性,做到簡單易用、高可靠、低維護,從而確保計量系統(tǒng)的長期、穩(wěn)定運行。
4.兼顧發(fā)展的原則
由于天然氣貿(mào)易的發(fā)展和要求,用戶對天然氣計量的精度和計量方式的要求也越來越高。在選擇時要考慮天然氣計量交接方式的可能改變和實時計量補償?shù)目赡?如在線色譜分析、實時補償、能量計量等。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)考慮實現(xiàn)計量系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遠程組態(tài)。
5.計算方法和計算軟件的合法性原則
計量,就是計/錢0。由于利益的因素,在天然氣貿(mào)易計量中要充分考慮到計算方法和計算軟件的合法性問題,以避免因使用計算方法不合適、計算軟件缺乏性而引起不必要的計量糾紛。由于天然氣計量方法的多樣性,應(yīng)考慮計算軟件的獨立化,這樣才便于流量計算軟件的升級。在具體的計量系統(tǒng)中應(yīng)采用用戶認可的特定計算方法或是以合同、協(xié)議的方式規(guī)定計算方法,這方面要和用戶充分溝通。
6.技術(shù)*、成熟的原則
現(xiàn)代計量逐步發(fā)展成為一門綜合性很強的專業(yè)技術(shù),它是集計算機技術(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。由于各個儀表廠家技術(shù)水平的不平衡,在選擇方案時一定要有預(yù)見性,選擇技術(shù)*、成熟的廠家,以減少系統(tǒng)的維護量。當然,在具體方案的選擇時,還要綜合考慮到其他一些因素如資金、成本、氣質(zhì)特點等。