工控摘要：目前在天然氣流量計(jì)量領(lǐng)域中,氣體流量計(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(jiǎn)單易于制造等特點(diǎn)決定的。
一、氣體流量計(jì)自動(dòng)計(jì)量概況
目前在天然氣流量計(jì)量領(lǐng)域中,氣體流量計(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(jiǎn)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)中氣體流量計(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(cè)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(jiǎn)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)屬于氣體流量計(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(zhǎng)、站場(chǎng)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(duì)天然氣流量計(jì)量的要求越來越高。
為此,要對(duì)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(yíng)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、氣體流量計(jì)的測(cè)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)氣體時(shí),如圖1所示,流速將在標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)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。

三、氣體流量計(jì)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(cè)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(cè)量環(huán)節(jié)中無人工參與的天然氣流量測(cè)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)氣體流量計(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(cè)溫度、壓力、差壓,并將各參數(shù)檢測(cè)到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA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*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。可擴(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(cè)溫度、壓力、差壓等,采用現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量1個(gè)參數(shù)需要1臺(tái)變送器,改為測(cè)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(jiǎn)化了許多,提高了系統(tǒng)的可靠性和測(cè)量精度。但由于變送器只是檢測(cè)測(cè)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(cè)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(cè)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(jiǎn)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(kù),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(chǎng)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)zui簡(jiǎn)單、操作更簡(jiǎn)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(cè)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(cè)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(duì)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*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(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(duì)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(yíng)、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(duì)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(chǎng)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(jiǎn)單、可靠原則
由于天然氣集輸企業(yè)的站、場(chǎng)一般都比較分散,專業(yè)人員相對(duì)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(jiǎn)便性,做到簡(jiǎn)單易用、高可靠、低維護(hù),從而確保計(jì)量系統(tǒng)的長(zhǎng)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(duì)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0。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)*、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)*、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。