孔板流量計自動計量模式的最佳選擇

  

摘 要：目前HKLG孔板流量計仍然在天然氣計量中占主導(dǎo)地位。隨著計算機(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HKLG孔板流量計發(fā)揮其標(biāo)準(zhǔn)化程度高、研究深入的技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)天然氣流量的自動計量是HKLG孔板流量計發(fā)展的必然趨勢。根據(jù)目前HKLG孔板流量計實現(xiàn)天然氣自動計量的多種模式，通過分析、比較，提出了選擇最佳自動計量模式的6項原則：數(shù)據(jù)的安全性原則；計量回路的獨立性原則；使用操作的簡單、可靠原則；兼顧發(fā)展的原則；計算方法和計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)用實例，說明了利用多變量變送器，采用一體化自成系統(tǒng)的計量儀表，利用現(xiàn)場總線技術(shù)，通過數(shù)字信號傳輸，實現(xiàn)多參數(shù)的實時補(bǔ)償，組成真正意義上的集散控制系統(tǒng)，是科學(xué)、準(zhǔn)確計量天然氣流量的最佳方式。

關(guān)鍵字：天然氣 計量 HKLG孔板流量計 應(yīng)用 自動計量 發(fā)展 趨勢

 

 

    一、孔板流量計自動計量概況

    目前在天然氣流量計量領(lǐng)域中，HKLG孔板流量計仍占主導(dǎo)地位，這主要是由于其發(fā)展歷史悠久、研究深入、標(biāo)準(zhǔn)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HKLG孔板流量計一直以機(jī)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HKLG孔板流量計，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(zhǔn)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、孔板流量計的測量原理

    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，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，在同樣的流量下產(chǎn)生的壓差也是不同的。

 

    三、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(jī)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(jī)運用的普及，實現(xiàn)HKLG孔板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(jī)（或工控機(jī)）

    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(biāo)準(zhǔn)的4~20mA模擬信號，送人流量計算機(jī)（或工控機(jī)）的數(shù)據(jù)采集板卡，通過A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能處理的數(shù)字量，在流量計算機(jī)（或工控機(jī)）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，抗干擾能力比較差，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(kuò)展為：單變量變送器+流量計算機(jī)+工控機(jī)，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(jī)（或工控機(jī)）

    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，送人流量計算機(jī)（或工控機(jī)）的數(shù)據(jù)采集板卡，在流量計算機(jī)（或工控機(jī)）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(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因此在校準(zhǔn)時必須和流量計算機(jī)一起實行聯(lián)校。

    采用流量計算機(jī)或工控機(jī)，主要區(qū)別在于流量計算部分。流量計算機(jī)是專用的固化軟件實現(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(jī)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(hù)，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(kuò)展為：多變量變送器+流量計算機(jī)+工控機(jī)，即將流量計算和顯示部分分開實行在流量計算機(jī)中計算，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測量參數(shù)和計算瞬時流量，并通過數(shù)字信號傳輸，送人工控機(jī)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(jī)上進(jìn)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(jìn)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(hù)，但由于必須在工控機(jī)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(jī)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(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現(xiàn)了變送器與流量計算機(jī)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；常情況下可通過現(xiàn)場總線和上位機(jī)連接，實行數(shù)字信號傳輸，送人工控機(jī)上顯示，也可以在工控機(jī)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)最簡單、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(zhǔn)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(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，計量系統(tǒng)能夠提供準(zhǔn)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(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(zhǔn)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(yuǎn)的地方、站場比較分散，各種環(huán)境因素比較惡劣。因而要充分考慮計算機(jī)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(hù)企業(yè)的安全平穩(wěn)運行和經(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)計方案時要充分考慮操作、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(bǔ)償?shù)目赡?，如在線色譜分析、實時補(bǔ)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(yuǎn)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”。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、計算軟件缺乏權(quán)威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(rèn)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)先進(jìn)、成熟的原則

    現(xiàn)代計量逐步發(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)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，還要綜合考慮到其他一些因素如資金、成本、氣質(zhì)特點等。

    五、應(yīng)用實例

    根據(jù)上述的6項原則，構(gòu)建了現(xiàn)場利用FloBoss103實現(xiàn)一體化自動計量的結(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)行單回路計量。FloBoss103流量管理器是費希爾—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，信號直接進(jìn)FloBoss103，流量管理器根據(jù)采集的信號計算天然氣的流量，共5路，通過RS485總線，采用M0DBUS通訊協(xié)議將計量參數(shù)（差壓、壓力、溫度、瞬時流量、累積流量等）傳到上位機(jī)進(jìn)行管理。該方案有以下特點。

    （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，從而保證了計量系統(tǒng)運行的可靠性、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個事件、240個報警記錄和15個數(shù)據(jù)點35天的1h記錄或4個數(shù)據(jù)點3O天的10min記錄。
    （3）可實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)補(bǔ)錄。一旦長時間電力供應(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）獨立的計量系統(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，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。
    （5）真正實現(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，實現(xiàn)現(xiàn)場的、全天候的監(jiān)控、測量、累積、報警、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流量管理器是一個獨立的計量單元，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)各級管理人員均能通過信息網(wǎng)絡(luò)實時了解生產(chǎn)動態(tài)。

    六、存在的問題

    盡管HKLG孔板流量計自動計量系統(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計量技術(shù)上的局限性，在提高計量的準(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HKLG孔板流量計最大的缺憾。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，流量低于最大流量的30% 時，計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，運用軟件的方式實現(xiàn)量程的自動調(diào)整（軟維護(hù)），從而擴(kuò)大量程比，提高測量的有效范圍，保證計量的準(zhǔn)確性。不過這在軟件設(shè)計上將增加難度。

    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)計時要充分考慮數(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)，其就一直在計算機(jī)中參與累積計算，造成計量數(shù)據(jù)的混亂。目前大多數(shù)自動計量系統(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、動態(tài)性、瞬間的不確定性以及不可再現(xiàn)等特點，實時地進(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)。目前的自動計量系統(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計量的最低要求。只有在確保數(shù)據(jù)安全的前提下，自動計量系統(tǒng)才可能長期、可靠的運行。隨著控制技術(shù)、通訊技術(shù)、計算機(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)的計量儀表，利用現(xiàn)場總線技術(shù)，通過數(shù)字信號傳輸，實現(xiàn)多參數(shù)的實時補(bǔ)償，組成真正意義上的集散控制系統(tǒng)，是科學(xué)、準(zhǔn)確計量天然氣流量的最佳方式，也代表了國際上天然氣流量計量系統(tǒng)數(shù)字化計量的一種先進(jìn)的發(fā)展趨勢，是天然氣計算機(jī)自動計量的最佳解決方案。