孔板流量計自動計量模式的選擇

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, 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)中孔板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)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( 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(biāo)準(zhǔn)的4~ 20 mA 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。可擴(kuò)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 因此在校準(zhǔn)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+ 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(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)、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*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(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(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)*、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(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。