孔板流量計自動計量模式
一、 孔板流量計自動計量概況
目前在天然氣流量計量領域中, 孔板流量計仍占主導地位, 這主要是由于其發展歷史悠久、 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限制, 在天然氣集輸企業中孔板流量計一直以機械式差壓計為主要記錄儀表, 輔以人工錄取參數和手工計算, 使得天然氣流量測量存在著環節多、 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銷廠( 以下簡稱該廠) 是一個集氣田開發、 伴生氣集輸和商品氣外銷的綜合性企業, 承擔著整個中原油田 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。隨著企業管理的科學化和信息化的發展, 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, 以提高企業的經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, 當它流經管道內的標準孔板時, 流速將在標準孔板處形成局部收縮, 從而使流速增加, 靜壓力降低, 這樣在標準孔板前后便產生了壓差。流體流量愈大, 產生的壓差愈大, 因此可依據壓差來衡量流量的大小。這種測量方法是以流動連續性方程( 質量守恒定律) 和伯努利方程( 能量守恒定律) 為基礎的。壓差的大小不僅與流量還與其他許多因素有關, 或管道內流體的物理性質( 密度、 黏度) 不同時, 在同樣的流量下產生的壓差也是不同的。
三、 自動計量的實現模式
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,通過計算機中的流量計算軟件, 實現整個流量測量環節中無人工參與的天然氣流量測量。隨著計量技術的發展和計算機運用的普及, 實現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, 并將各參數檢測到的電信號轉換成標準的4~ 20 mA 模擬信號, 送入流量計算機( 或工控機) 的數據采集板卡, 通過 A/ D 轉換, 轉換成計算機能處理的數字量, 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、 累積流量及實現其他輔助功能。
此方式是傳統的自動計量模式, 所采集、 傳輸的都是模擬信號, 抗*力比較差, 由于存在信號轉換等問題, 計量精度難以提高, 而且硬件連接較復雜、 中間環節較多、 可靠性較差。可擴展為: 單變量變送器+ 流量計算機+ 工控機, 從而實現流量計算與顯示分開, 提高系統的可靠性和可視性。
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, 采用現場總線制, 通過數字信號傳輸, 送入流量計算機( 或工控機) 的數據采集板卡, 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、 累積流量及實現其他輔助功能。此方式是隨變送器技術發展而來的, 由原來的測量 1 個參數需要 1 臺變送器, 改為測量多個參數只需要 1 臺變送器, 并在數據傳輸中采用數字信號,使得在系統硬件連接上簡化了許多, 提高了系統的可靠性和測量精度。但由于變送器只是檢測測量信號, 不進行數據處理, 因此在校準時必須和流量計算機一起實行聯校。
采用流量計算機或工控機, 主要區別在于流量計算部分。流量計算機是專用的固化軟件實現計算和數據存儲, 比較穩定可靠, 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, 便于軟件升級和系統維護, 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, 主要區別是變送器內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和計算瞬時流量, 并通過數字信號傳輸, 送入工控機上顯示和實現其他輔助功能。由于變送器顯示的只是瞬時流量, 無累積功能, 也不能存儲數據。因此, 所測量的流量值必須在工控機上進行二次處理, 以實現數據的累積和存儲功能。
采用這種方式, 系統結構進一步簡化, 變送器可實現單校也可以實現聯校, 易于維護, 但由于必須在工控機內實現流量的累積和存儲。因此, 可靠性較差, 一旦工控機出現故障或電力故障, 將無法實現數據的保存和累積, 易造成數據丟失。
4. 一體化智能儀表+ 工控機
此方式與模式 3 的區別主要也是在變送器上,即一體化智能儀表實現了變送器與流量計算機的體化, 不僅自帶數據庫, 可實現瞬時參數及流量的顯示, 還可實現累積流量和歷史數據的再現; 而且在儀表的運行方面, 采取了多種電源保障方式: 內電池、內電池組、 太陽能和外接電源等, 實現了在無電力供應的情況下, 可以獨立自成計量系統, 就地顯示天然氣的瞬時流量、 累積流量和數據的存儲、 再現等; 正常情況下可通過現場總線和上位機連接, 實行數字信號傳輸, 送入工控機上顯示, 也可以在工控機上實行二次數據處理, 組成的計量系統更加靈活、 可靠。
采用這種方式, 實現了計量數據的無憂化, 使得系統結構、 操作更簡便、 更可靠、 更易維護; 不僅可以單校也可以聯校; 采用獨立的計量回路, 減少了數據傳輸過程的干擾, 提高了計量的精度。
四、 存在的問題
盡管孔板流量計自動計量系統的發展越來越完善, 但由于測量方法本身的原因和自動計量技術上的局限性, 在提高計量的準確性和數據處理上, 仍存在一些問題。
1. 量程比的問題
量程比小( 3：1) , 是孔板流量計的缺憾。盡管現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, 流量低于流量的 30% 時, 計量的精度將大幅度降低。這主要是由于節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量程的自動調整( 軟維護) , 從而擴大量程比, 提高測量的有效范圍, 保證計量的準確性。不過這在軟件設計上將增加難度。
2. 異常數據的處理問題
任何系統都有可能出現故障, 都有可能出現一些異常的無理數據。因此為了維護貿易雙方的利益, 對可能出現的異常數據問題在設計時要充分考慮數據的審慎可修改性, 從而避免異常數據一旦出現, 其就一直在計算機中參與累積計算, 造成計量數據的混亂。目前大多數自動計量系統對此都考慮較少。
3. 操作界面和過程數據的利用問題
由于天然氣輸送的連續性、 動態性、 瞬間的不確定性以及不可再現等特點, 實時地進行數據分析, 對數據形成的全過程進行有效的監控和保存, 有利于數據異常的分析和控制, 是數據管理中重要的一環。目前的自動計量系統在此方面有所考慮, 但過程數據的應用、 分析、 界面功能尚不*, 還有待于完善。
五、 結 論
數據的安全性是對天然氣流量自動計量的要求。只有在確保數據安全的前提下, 自動計量系統才可能長期、 可靠的運行。隨著控制技術、 通訊技術、 計算機技術以及儀表制造技術的不斷發展, 利用多變量變送器, 采用一體化自成系統的計量儀表, 利
用現場總線技術, 通過數字信號傳輸, 實現多參數的實時補償, 組成真正意義上的集散控制系統, 是科學、 準確計量天然氣流量的方式, 也代表了國際上天然氣流量計量系統數字化計量的一種*的發
展趨勢, 是天然氣計算機自動計量的解決方案。
