摘 要 目前孔板流量计仍然在天然气计量中占主导地位。随着计算机、变送器和通讯等技术的发展,充分利用先进技术,使孔板流量计发挥其标准化程度高、研究深入的技术优势,实现天然气流量的自动计量是孔板流量计发展的必然趋势。根据目前孔板流量计实现天然气自动计量的多种模式,通过分析、比较,提出了选择最佳自动计量模式的6项原则:数据的安全性原则;计量回路的独立性原则;使用操作的简单、可靠原则;兼顾发展的原则;计算方法和计算软件的合法性原则;技术先进、成熟的原则。并通过应用实例,说明了利用多变量变送器,采用一体化自成系统的计量仪表,利用现场总线技术,通过数字信号传输,实现多参数的实时补偿,组成真正意义上的集散控制系统,是科学、准确计量天然气流量的最佳方式。
一、孔板流量计自动计量概况
目前在天然气流量计量领域中,孔板流量计仍占主导地位,这主要是由于其发展历史悠久、研究深入、标准化程度高和简单易于制造等特点决定的。由于历史原因和技术限制,在天然气集输企业中孔板流量计一直以机械式差压计为主要记录仪表,辅以人工录取参数和手工计算,使得天然气流量测量存在着环节多、精度低和信息反馈滞后等缺点。为此,要对天然气流量实行快速、准确、及时的信息反馈,以提高企业的经营效率和集输管理水平,就需要讨论天然气流量的自动计量问题。
二、孔板流量计的测量原理
充满管道的流体,当它流经管道内的标准孔板时,如图1所示,流速将在标准孔板处形成局部收缩,从而使流速增加,静压力降低,这样在标准孔板前后便产生了压差。流体流量愈大,产生的压差愈大,因此可依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础的。压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关,例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质(密度、黏度)不同时,在同样的流量下产生的压差也是不同的。
三、自动计量的实现模式
所谓自动计量,就是利用变送器实时检测天然气流量计量中所涉及到的温度、压力、差压等参数,通过计算机中的流量计算软件,实现整个流量测量环节中无人工参与的天然气流量测量。随着计量技术的发展和计算机运用的普及,实现孔板流量计自动计量的方案已有多种,目前主要有以下4种模式。
1.单变量变送器+流量计算机(或工控机)
利用3台单变量模拟变送器分别检测温度、压力、差压,并将各参数检测到的电信号转换成标准的4～ 20 mA模拟信号,送入流量计算机(或工控机)的数据采集板卡,通过A/D转换,转换成计算机能处理的数字量,在流量计算机(或工控机)上通过流量计算软件按要求计算出天然气的瞬时流量、累积流量及实现其他辅助功能。
此方式是传统的自动计量模式,所采集、传输的都是模拟信号,抗干扰能力比较差,由于存在信号转换等问题,计量精度难以提高,而且硬件连接较复杂、中间环节较多、可靠性较差。可扩展为:单变量变送器+流量计算机+工控机,从而实现流量计算与显示分开,提高系统的可靠性和可视性。
2.多变量变送器+流量计算机(或工控机)
利用1台多变量智能变送器同时检测温度、压力、差压等,采用现场总线制,通过数字信号传输,送入流量计算机(或工控机)的数据采集板卡,在流量计算机(或工控机)上通过流量计算软件按要求计算出天然气的瞬时流量、累积流量及实现其他辅助功能。此方式是随变送器技术发展而来的,由原来的测量1个参数需要1台变送器,改为测量多个参数只需要1台变送器,并在数据传输中采用数字信号,使得在系统硬件连接上简化了许多,提高了系统的可靠性和测量精度。但由于变送器只是检测测量信号,不进行数据处理,因此在校准时必须和流量计算机一起实行联校。
采用流量计算机或工控机,主要区别在于流量计算部分。流量计算机是专用的固化软件实现计算和数据存储,比较稳定可靠,可信任度较高,用户易接受;工控机上软件计算一般主要是自主开发,便于软件升级和系统维护,由于计算量大,特别是多路计量时,可靠性稍差些。
为了增加系统的可靠性和操作界面的直观化,这种方式也可扩展为:多变量变送器+流量计算机+工控机,即将流量计算和显示部分分开实行在流量计算机中计算,在工控机上显示。
3.多变量智能变送器+工控机
此方式与模式2比较,主要区别是变送器内固化了流量处理软件,使得变送器可以就地显示瞬时测量参数和计算瞬时流量,并通过数字信号传输,送入工控机上显示和实现其他辅助功能。由于变送器显示的只是瞬时流量,无累积功能,也不能存储数据。因此,所测量的流量值必须在工控机上进行二次处理,以实现数据的累积和存储功能。
采用这种方式,系统结构进一步简化,变送器可实现单校也可以实现联校,易于维护,但由于必须在工控机内实现流量的累积和存储。因此,可靠性较差,一旦工控机出现故障或电力故障,将无法实现数据的保存和累积,易造成数据丢失。
4.一体化智能仪表+工控机
此方式与模式3的区别主要也是在变送器上,即一体化智能仪表实现了变送器与流量计算机的一体化,不仅自带数据库,可实现瞬时参数及流量的显示,还可实现累积流量和历史数据的再现;而且在仪表的运行方面,采取了多种电源保障方式:内电池、内电池组、太阳能和外接电源等,实现了在无电力供应的情况下,可以独立自成计量系统,就地显示天然气的瞬时流量、累积流量和数据的存储、再现等;正常情况下可通过现场总线和上位机连接,实行数字信号传输,送入工控机上显示,也可以在工控机上实行二次数据处理,组成的计量系统更加灵活、可靠。
采用这种方式,实现了计量数据的无忧化,使得系统结构最简单、操作更简便、更可靠、更易维护;不仅可以单校也可以联校;采用独立的计量回路,减少了数据传输过程的干扰,提高了计量的精度。
四、自动计量方案选择的原则
天然气的流量计量是流量测量中的难点之一,这主要是由于天然气流量计量是一种间接的、多参数的、动态的、不可再现的测量。因此,如何充分考虑天然气流量计量的特殊性,确保天然气自动计量的可靠性和正确率是天然气集输企业关注的焦点。针对实现方案的多样性,在选择具体方案时,应着重考虑系统的可靠性、正确率和先进性。判定方案的可靠性和先进性,主要遵从以下原则。
1.数据的安全性原则
所谓数据的安全性,就是在非仪表故障的情况下,计量系统能够提供准确的计量数据,以实现对天然气管网的有效监控,并保证数据的可靠性,以维护企业的安全生产和经济利益;尤其是构筑在自动计量基础之上的企业信息系统更是企业管理、经营、指挥、协调的重要依据。计量是信息系统重要的数据源,如果数据源一旦出现问题,将给企业带来不可估量的损失。因此,对数据源的要求就是准确、齐全、完整、可靠,为此在选择方案时,首要的问题就是考虑计量数据的安全性。由于天然气集输企业一般都在偏远的地方、站场比较分散,各种环境因素比较恶劣,因而要充分考虑计算机故障、电力供应不足等实际情况,做好预案,避免由此而引起的数据丢失。
2.计量回路的独立性原则
独立性原则,主要是为了保证在计量系统出现问题时,尽量减少故障的影响面,降低故障的影响程度,从而维护企业的安全平稳运行和经济效益。
3.使用操作的简单、可靠原则
由于天然气集输企业的站、场一般都比较分散,专业人员相对较少。因此,在选择、设计方案时要充分考虑操作、维护的简便性,做到简单易用、高可靠、低维护,从而确保计量系统的长期、稳定运行。
4.兼顾发展的原则
由于天然气贸易的发展和要求,用户对天然气计量的精度和计量方式的要求也越来越高。在选择时要考虑天然气计量交接方式的可能改变和实时计量补偿的可能,如在线色谱分析、实时补偿、能量计量等。如果要在企业信息网络的基础上,建立以企业信息网络为纽带的站控系统,则应考虑实现计量系统数据的远程组态。
5.计算方法和计算软件的合法性原则
计量,就是计“钱”。由于利益的因素,在天然气贸易计量中要充分考虑到计算方法和计算软件的合法性问题,以避免因使用计算方法不合适、计算软件缺乏权威性而引起不必要的计量纠纷。由于天然气计量方法的多样性,应考虑计算软件的独立化,这样才便于流量计算软件的升级。在具体的计量系统中应采用用户认可的特定计算方法或是以合同、协议的方式规定计算方法,这方面要和用户充分沟通。
6.技术先进、成熟的原则
现代计量逐步发展成为一门综合性很强的专业技术,它是集计算机技术、通讯技术、网络技术、仪表制造技术、微功耗技术为一体的技术结晶。由于各个仪表厂家技术水平的不平衡,在选择方案时一定要有预见性,选择技术先进、成熟的厂家,以减少系统的维护量。当然,在具体方案的选择时,还要综合考虑到其他一些因素如资金、成本、气质特点等。
五、应用实例
根据上述的6项原则,构建了现场利用Flo-Boss103实现一体化自动计量的结构图(图2)。
该方案采用与孔板配套的FloBoss103流量管理器进行单回路计量。FloBoss103流量管理器是费希尔—罗斯蒙特专门为天然气行业在测量和控制应用场合精心设计的。它配带的双变量变送器检测流体的压力和差压,温度由铂热电阻检测,信号直接进FloBoss103,流量管理器根据采集的信号计算天然气的流量,共5路,通过RS485总线,采用MODBUS通讯协议将计量参数(差压、压力、温度、瞬时流量、累积流量等)传到上位机进行管理。该方案有以下特点。
(1)该系统采用的FloBoss103流量管理器是集多变量变送器和流量管理器为一体的(并内置电池)。这种一体化的结构设计使得该系统可以在无外部电源的情况下,依靠FloBoss103本身的内置电池就可正常工作,从而保证了计量系统运行的可靠性、安全性,特别适用于电力供应不正常的地区。
(2)FloBoss103流量管理器本身自带数据库,可保存240个事件、240个报警记录和15个数据点35天的1 h记录或4个数据点30天的10 min记录。
(3)可实现自动数据补录。一旦长时间电力供应不正常,上位机不能正常工作,该系统可利用Flo-Boss103流量管理器本身自备的电池维持正常计量工作。当电力恢复正常上位机开始工作后,利用流量管理器本身自带的数据库,自动将数据下载到上位机进行管理,并通过信息网络上传到管理层,保证了数据的完整性。
(4)独立的计量系统。通过MODBUS数字传输技术,采用总线制结构,简化了系统组成,提高了整个系统的可靠性。
(5)真正实现在线设备诊断和维护。FloBoss103作为远程测量仪器和现场控制中心可以与主机相连,实现现场的、全天候的监控、测量、累积、报警、通讯和控制,可通过常用的通讯方式同主机进行通讯,实现了对仪表进行在线技术诊断和维护。
(6)由于FloBoss103流量管理器是一个独立的计量单元,不受电力等条件的约束,在特殊情况下,可以将其作为特殊的检测仪表供管理人员使用,如对比核查等,以诊断其他计量系统。
(7)FloBoss103流量管理器除了可以现场就地安装、测量、通过液晶显示器显示瞬时流量和累积流量外,还可以通过MODBUS通讯协议用数字信号将数据远传至现场控制站,并通过TCP/IP与企业信息网络联接,使得企业各级管理人员均能通过信息网络实时了解生产动态。
六、存在的问题
尽管孔板流量计自动计量系统的发展越来越完善,但由于测量方法本身的原因和自动计量技术上的局限性,在提高计量的正确率和数据处理上,仍存在一些问题。
1.量程比的问题
量程比小(3∶1),是孔板流量计最大的缺憾。尽管现在已有宽量程比的变送器,但在对于瞬间流量变化范围很大,流量低于最大流量的30%时,计量的精度将大幅度降低。这主要是由于节流式测量方法造成的。因此,为了提高量程比,可以考虑利用变送器宽量程的特点,运用软件的方式实现量程的自动调整(软维护),从而扩大量程比,提高测量的有效范围,保证计量的正确率。不过这在软件设计上将增加难度。
2.异常数据的处理问题
任何系统都有可能出现故障,都有可能出现一些异常的无理数据。因此为了维护贸易双方的利益,对可能出现的异常数据问题在设计时要充分考虑数据的审慎可修改性,从而避免异常数据一旦出现,其就一直在计算机中参与累积计算,造成计量数据的混乱。目前大多数自动计量系统对此都考虑较少。
3.操作界面和过程数据的利用问题
由于天然气输送的连续性、动态性、瞬间的不确定性以及不可再现等特点,实时地进行数据分析,对数据形成的全过程进行有效的监控和保存,有利于数据异常的分析和控制,是数据管理中重要的一环。目前的自动计量系统在此方面有所考虑,但过程数据的应用、分析、界面功能尚不完全,还有待于完善。
七、结 论
数据的安全性是对天然气流量自动计量的最低要求。只有在确保数据安全的前提下,自动计量系统才可能长期、可靠的运行。随着控制技术、通讯技术、计算机技术以及仪表制造技术的不断发展,利用多变量变送器,采用一体化自成系统的计量仪表,利用现场总线技术,通过数字信号传输,实现多参数的实时补偿,组成真正意义上的集散控制系统,是科学、准确计量天然气流量的最佳方式,也代表了国际上天然气流量计量系统数字化计量的一种先进的发展趋势,是天然气计算机自动计量的最佳解决方案。
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