摘 要(yao) 目前孔闆流量計(ji)
仍然在天然氣計(ji)量中占主導地位(wei)。随着計算機、變送(sòng)器和通訊等技術(shù)的發展,充分利用(yong)先進技術,使孔闆(pan)🌏流量計發🐕揮其标(biao)準化程度高、研究(jiu)深入的技術優勢(shì)💞,實現天然氣流量(liang)的自動計量是孔(kong)闆流量計發展的(de)必然趨勢。根據目(mu)前孔闆流量計實(shí)現天🧑🏾🤝🧑🏼然氣自動計(ji)量的多種模式,通(tōng)過分析、比較,提出(chu)了選擇最佳自🏃🏻動(dong)計量模式的6項原(yuan)則:數據的安全性(xing)☂️原則;計量🍓回路的(de)獨立性🤟原則;使用(yòng)操作的簡單、可🧡靠(kao)原則;兼顧發展的(de)💘原則;計算方法和(hé)計算軟件的合法(fa)性原則;技術先進(jìn)、成熟的原則。并通(tong)過應用實例,說明(míng)了利用多變量變(biàn)送器,采用一體化(huà)自成系💁統的計量(liang)儀表,利用現場總(zong)線技術,通過數字(zì)信号傳輸🈲,實現多(duō)參數的實時補償(cháng)♈,組成真正意義上(shang)的集散控制系統(tǒng),是科學、準确計量(liàng)天然氣流量的最(zuì)佳方式。
一、孔闆流(liu)量計自動計量概(gài)況
目前在天然氣(qi)流量計量領域中(zhōng),孔闆流量計仍占(zhan)🐅主㊙️導地位👌,這主要(yao)是由于其發展曆(lì)史悠久、研究深☔入(rù)、标準化程度♉高和(hé)簡單易于制造等(děng)特點決定的。由于(yú)曆史原因和技術(shu)限制,在👄天然氣集(jí)輸企業中孔闆流(liu)量計一直以機械(xiè)式差壓計爲主要(yào)記錄儀表,輔以人(rén)工錄取參數和手(shou)工計算,使⭕得天然(ran)氣流量測量存在(zai)着環節多、精度低(dī)和信息反饋滞後(hòu)等缺點。爲此,要對(dui)天然氣流量實行(hang)快速、準确、及時的(de)信息反饋,以提高(gao)企業的經營效率(lǜ)和集💰輸管理水平(píng),就需要讨論天然(rán)氣流量的自動計(jì)量問題。
二、孔闆流(liú)量計的測量原理(li)
充滿管道的流體(tǐ),當它流經管道内(nei)的标準孔闆時,如(rú)圖1所示,流速将在(zài)标準孔闆處形成(chéng)局部收縮,從而使(shǐ)流速增加,靜壓🌍力(li)降🔴低,這樣在标準(zhǔn)孔闆前後便産生(sheng)了壓差。流體流🔅量(liang)愈大,産生的壓差(cha)愈大,因此可依據(ju)壓差來衡量流量(liàng)的大小。這種🧑🏽🤝🧑🏻測量(liàng)方法是以流動連(lián)🐅續性方程(質量守(shou)恒定律🏃♂️)和伯努利(lì)方程(能量守恒定(ding)律)爲基礎的。壓🔞差(cha)的大小不僅與流(liu)量還與其✏️他許多(duō)因素有關,例如當(dāng)節流裝置形式🙇♀️或(huo)管道内流體的物(wù)理性質(密度、黏度(du))不同時,在同樣的(de)流量下産生的壓(yā)差也是不同的。
三、自動計量的實(shi)現模式
所謂自動(dong)計量,就是利用變(bian)送器實時檢測天(tiān)然氣流量☔計量㊙️中(zhong)所涉及到的溫度(du)、壓力、差壓等參數(shù),通過計算機🌏中的(de)流量計算軟件,實(shí)現整個流量測量(liàng)環節中無人工💚參(can)與的🤞天然氣流量(liàng)測量。随着計量技(ji)術的發展和計算(suan)機運用的🎯普及,實(shi)現孔闆流量計自(zi)動計量的方案已(yǐ)有多種,目前主要(yào)有以下4種模式。
1.單(dan)變量變送器+流量(liang)計算機(或工控機(jī))
利用3台單變量模(mó)拟變送器分别檢(jian)測溫度、壓力、差壓(ya),并将各參數檢測(ce)到的電信号轉換(huàn)成标準的4～ 20 mA模拟信(xìn)号,送入流量計算(suàn)機(或工控機)的數(shu)據采集闆卡,通過(guò)A/D轉換,轉☔換成計算(suàn)機能處理的數字(zi)量,在流量計算機(jī)(或工控機)上通過(guo)流量計算軟件按(an)要求計算出天然(ran)🌈氣的瞬時流量、累(lèi)積流量及實現其(qi)他輔助功能。
此方(fāng)式是傳統的自動(dong)計量模式,所采集(ji)、傳輸的都是模拟(nǐ)信号,抗幹擾能力(lì)比較差,由于存在(zài)信号轉換等問題(tí)🏃🏻,計量精度難以提(ti)高,而且硬件連接(jiē)較複雜、中間❄️環節(jiē)較多、可靠性較差(chà)。可擴展爲:單變量(liàng)變送器+流量計算(suàn)機+工🈲控機,從而實(shí)現流量計算與顯(xiǎn)示分開,提高系統(tong)的可靠性和可視(shì)性。
2.多變量變送器(qi)+流量計算機(或工(gong)控機)
利用1台多變(bian)量智能變送器同(tong)時檢測溫度、壓力(lì)、差壓等✊,采用現㊙️場(chǎng)總線制,通過數字(zi)信号傳輸,送入流(liu)量計算機(或工控(kòng)機)的數據采集闆(pan)卡,在流量計算機(ji)(或工💞控機)上通過(guo)流量計算㊙️軟件按(àn)要求計算出天然(rán)氣的瞬時流量、累(lèi)積流量及實現其(qi)他輔助功能。此方(fāng)式是随變送器技(ji)術發展而來🐅的,由(yóu)原來的✌️測量1個參(can)數需🤟要1台變送器(qì),改爲測量多個參(cān)數隻需要1台變送(song)器,并在數據傳輸(shu)中采用數字信号(hao),使得㊙️在系統硬件(jiàn)連接上簡化了許(xu)多,提高了系統的(de)🥵可靠性和測量精(jīng)度。但由于變送器(qi)隻是檢測測量🏃♀️信(xin)号,不進行數據處(chù)理,因此在校準時(shí)必須和流量計算(suàn)機一起實行聯校(xiào)。
采用流量計算機(jī)或工控機,主要區(qū)别在于流量計算(suan)部分🥰。流量計算機(jī)是專用的固化軟(ruan)件實現計算和數(shu)據存儲,比🚶♀️較穩定(dìng)可靠,可信任度較(jiao)高,用戶易接受;工(gōng)控機上軟件計㊙️算(suan)一般主要是自主(zhu)開發,便于軟件升(shēng)級和系統維護,由(yóu)于計算量大,特别(bié)是多路計量時,可(ke)✂️靠性稍差些。
爲了(le)增加系統的可靠(kao)性和操作界面的(de)直觀化,這種❤️方式(shì)也🈲可擴展爲:多變(biàn)量變送器+流量計(jì)算機+工控機,即将(jiang)⁉️流量計算和顯🚶示(shi)部分分開實行在(zai)流量計算機中計(ji)算,在工控機上顯(xian)示。
3.多變量智能變(biàn)送器+工控機
此方(fang)式與模式2比較,主(zhǔ)要區别是變送器(qì)内固化了流量💘處(chù)理軟件,使得變送(song)器可以就地顯示(shì)瞬時測量參數和(he)計算瞬時流量,并(bing)通過數字信号傳(chuán)輸,送入工控機上(shang)顯示和實現其他(tā)輔助功㊙️能。由于變(bian)送器顯示的隻是(shì)瞬時流量,無累積(ji)功能,也不能存儲(chǔ)數據。因此,所測量(liang)的流量值必須在(zai)工控機上進行二(èr)次處理,以實現數(shu)據的累積和存儲(chǔ)功能。
采用這種方(fāng)式,系統結構進一(yī)步簡化,變送器可(kě)實現單校也可🚩以(yi)實現聯校,易于維(wéi)護,但由于必須在(zai)☀️工控♍機内實現流(liu)量的累積和存儲(chǔ)。因此,可靠性較差(chà),一旦工控機出現(xiàn)故障或電力故障(zhàng)🈲,将無法實現數據(jù)的保存和累積,易(yì)造成數據丢失。
4.一(yī)體化智能儀表+工(gong)控機
此方式與模(mo)式3的區别主要也(yě)是在變送器上,即(ji)一💜體化🧑🏽🤝🧑🏻智能儀♻️表(biǎo)實現了變送器與(yu)流量計算機的一(yi)體化,不僅自帶☁️數(shu)據庫,可實現瞬時(shí)參數及流量的顯(xiǎn)示,還可實現累積(jī)流💛量和曆史數據(jù)✍️的再現;而且在儀(yí)表的運行方面,采(cai)取了多🙇🏻種電源保(bǎo)🔴障方式:内電池、内(nei)電池組、太陽能和(hé)外接電源等,實現(xiàn)了在無💯電力供應(ying)的💋情況下,可以獨(dú)立自成計量系統(tong),就地🧑🏾🤝🧑🏼顯示天然💔氣(qi)的瞬時流量、累積(ji)流量和數據的存(cún)儲、再現等;正常情(qíng)況下⛹🏻♀️可通過現場(chǎng)總線和上位機連(lian)接,實行數字信号(hào)傳輸,送入工控機(ji)上顯示,也可以在(zai)工控機上實行二(èr)次數據處理,組成(cheng)的計量系統更加(jia)靈活、可靠。
采用這(zhè)種方式,實現了計(jì)量數據的無憂化(hua),使得系統結構最(zui)簡單、操作更簡便(bian)、更可靠、更易維護(hù);不僅可以單校也(ye)可以聯⛱️校;采用獨(du)立的計量回路,減(jiǎn)少🧑🏽🤝🧑🏻了數據傳輸過(guo)程的幹擾,提高☔了(le)計量🌈的精度。
四、自(zì)動計量方案選擇(zé)的原則
天然氣的(de)流量計量是流量(liàng)測量中的難點之(zhī)一,這主要🔞是❌由于(yu)♍天然氣流量計量(liàng)是一種間接的、多(duō)參數的、動态的、不(bu)可再現的㊙️測量。因(yin)此,如何充分考慮(lǜ)天然氣流量計量(liang)的特㊙️殊性,确保天(tian)然♉氣自動計量的(de)可靠性💋和正确率(lǜ)是天然氣集輸企(qǐ)業關注的焦🙇♀️點。針(zhēn)對實現方案的多(duo)樣🌍性,在選擇具體(ti)方案時,應着重考(kao)慮系🐉統的可靠性(xing)、正确💛率和先進性(xing)。判定方案的可靠(kào)性和先進性,主♊要(yao)遵從以下原則。
1.數(shu)據的安全性原則(ze)
所謂數據的安全(quan)性,就是在非儀表(biao)故障的情況下,計(jì)量系統能夠提供(gòng)準确的計量數據(jù),以實現對天然氣(qi)管網的有效監💋控(kong),并保證數據的可(kě)靠性,以維護企業(ye)的安全生産和經(jīng)濟利益;尤其是構(gou)築在自動計量基(jī)㊙️礎之上的企業信(xìn)息系統更是💘企業(yè)管理🚶♀️、經營、指揮、協(xié)📱調的重要依✨據。計(jì)量是信息系統重(zhong)要的數據源,如✌️果(guo)數據源一旦出現(xiàn)問題,将給企業帶(dài)來不可估量的損(sǔn)🏒失。因此,對數據源(yuán)的要求就是準确(què)、齊全、完整、可靠,爲(wei)此在選擇方案時(shí),首要的問題就是(shi)考慮計量數據的(de)安全性🔞。由于天然(ran)氣集輸企業一般(ban)都在偏遠的地方(fang)、站場比較分散,各(gè)種環境⭐因素比較(jiao)惡劣,因而要充分(fen)考慮計算機故障(zhang)、電力供應不足等(deng)實際情況,做好預(yu)🏃♀️案,避免由此而引(yin)起的數據丢失。
2.計(ji)量回路的獨立性(xing)原則
獨立性原則(zé),主要是爲了保證(zhèng)在計量系統出現(xian)問題時,盡量減少(shǎo)故障的影響面,降(jiàng)低故障的影響程(cheng)度,從而維護企業(yè)的安全平穩運行(hang)和經濟效益。
3.使用(yong)操作的簡單、可靠(kao)原則
由于天然氣(qì)集輸企業的站、場(chang)一般都比較分散(san),專業人員相對較(jiao)少。因此,在選擇、設(she)計方案時要充分(fen)考慮操作、維護的(de)簡便性,做到簡單(dān)易用、高可靠、低♊維(wei)護,從而确保計量(liàng)系統的長期、穩定(dìng)運行。
4.兼顧發展的(de)原則
由于天然氣(qì)貿易的發展和要(yao)求,用戶對天然氣(qi)計量❄️的精🥰度和計(ji)量方式的要求也(ye)越來越高。在選擇(ze)時要考慮天然氣(qi)計量交接方式的(de)可能改變和實時(shí)計量補償的可能(neng),如在線色譜分析(xi)、實時補償、能量計(ji)量等。如果要在企(qǐ)業信息網絡的基(jī)⭕礎上,建立以企業(ye)信息網絡爲紐帶(dai)的站控系統,則應(yīng)考慮實✏️現計量系(xì)統🏒數據的遠程組(zu)态。
5.計算方法和計(jì)算軟件的合法性(xìng)原則
計量,就是計(ji)“錢”。由于利益的因(yin)素,在天然氣貿易(yi)計量中要充📧分考(kao)慮到計算方法和(hé)計算軟件的合法(fǎ)性問題,以避免因(yīn)使用計算方法不(bú)合适、計算軟件缺(quē)乏權威性而引起(qi)不必要的計量糾(jiu)紛。由于天然💚氣計(ji)量方法的多樣性(xing),應考慮計算軟件(jian)🔞的獨立化,這樣才(cai)便于🥵流量計算軟(ruan)件的升級。在具體(tǐ)的計量☁️系統中應(ying)采用用戶認可的(de)特定計算方法或(huo)是以合同、協議的(de)方式規定計❄️算方(fang)法,這✌️方面要和用(yong)戶充分溝通。
6.技術(shu)先進、成熟的原則(ze)
現代計量逐步發(fa)展成爲一門綜合(hé)性很強的專業技(jì)術,它是集計算機(ji)技術、通訊技術、網(wang)絡技術、儀表制造(zao)🤞技術、微功耗技術(shu)爲一體的技術結(jié)晶。由于各個儀表(biao)廠家技術水平的(de)不平衡,在選🍉擇方(fāng)案時一定要有預(yu)🔆見性,選擇技術先(xian)進、成熟的廠家,以(yi)減少💞系統的維護(hù)量。當然,在具體方(fāng)案的選擇時,還要(yào)綜合考慮到其🈲他(tā)一些因素如資金(jīn)、成本、氣質特點等(děng)。
五、應用實例
根據(ju)上述的6項原則,構(gou)建了現場利用Flo-Boss103實(shí)現一體化自動計(ji)量的結構圖(圖2)。
該(gai)方案采用與孔闆(pǎn)配套的FloBoss103流量管理(lǐ)器進行單回路🔞計(ji)量。FloBoss103流量🔱管理器是(shì)費希爾—羅斯蒙特(te)專門爲天然氣🐅行(hang)業在測量和控制(zhi)應用場合精心設(she)計的。它配帶的雙(shuāng)變量變送器檢測(cè)流體的壓🔞力和差(cha)壓,溫度由鉑熱電(diàn)阻檢測,信号直接(jiē)進FloBoss103,流量管✔️理器根(gēn)據采集的信号👣計(jì)算天然氣的流量(liang),共5路,通過RS485總線,采(cai)用MODBUS通訊協議将計(jì)量參數(差壓、壓力(li)、溫度、瞬時流量、累(lèi)積流量等)傳到上(shàng)位機💋進行管理。該(gai)方案有以下特點(diǎn)。
(1)該系統采用的FloBoss103流(liú)量管理器是集多(duō)變量變送器和流(liú)量管理器爲一體(tǐ)的(并内置電池)。這(zhè)種一體化的❄️結構(gou)設計🌈使得該系統(tǒng)可以在無外部電(diàn)源的情況㊙️下,依靠(kao)FloBoss103本身的内置電池(chi)就可正常工♈作,從(cóng)而保證了計量系(xi)統運行的可靠性(xìng)、安全性,特别适用(yong)于電力供應不正(zheng)常的地區。
(2)FloBoss103流量管(guǎn)理器本身自帶數(shù)據庫,可保存240個事(shi)件、240個報警記錄♉和(hé)15個數據點35天的1 h記(ji)錄或4個數據點30天(tian)的10 min記錄。
(3)可實現自(zì)動數據補錄。一旦(dan)長時間電力供應(ying)不正常,上位機不(bu)🏃♂️能正常工作,該系(xì)統可利用Flo-Boss103流量管(guan)理器本🤟身自備的(de)電池維持正常計(jì)量工作。當電力恢(hui)複正常上位機開(kai)始工作後,利用流(liu)量管理器本身自(zi)帶的數㊙️據庫,自動(dong)将數據下載到上(shàng)位機進行管✨理,并(bing)通過信息網絡上(shang)傳到管理層,保證(zhèng)了數據的完整性(xing)。
(4)獨立的計量系統(tong)。通過MODBUS數字傳輸技(jì)術,采用總線制結(jié)構🔴,簡化了系統組(zu)成,提高了整個系(xi)統的可靠性。
(5)真正(zhèng)實現在線設備診(zhen)斷和維護。FloBoss103作爲遠(yuan)程測量儀🏃🏻♂️器和現(xian)場控制中心可以(yǐ)與主機相連,實現(xian)現場的、全天候的(de)👣監控、測量🌍、累積、報(bào)警、通訊和控制,可(kě)通過常用的通訊(xun)方式同主😍機進行(háng)通訊,實現了對儀(yi)表進行在線技術(shù)診斷和維護。
(6)由于(yú)FloBoss103流量管理器是一(yī)個獨立的計量單(dān)元,不受電力等條(tiao)件的約束,在特殊(shū)情況下,可以将其(qí)作爲特殊的㊙️檢測(cè)📞儀表供管🈚理人員(yuan)使用,如對比核查(cha)等,以診斷其他計(ji)量系統。
(7)FloBoss103流量管理(lǐ)器除了可以現場(chang)就地安裝、測量、通(tōng)過液晶顯示器顯(xiǎn)示瞬時流量和累(lei)積流量外,還可以(yi)通過MODBUS通📧訊協議用(yong)數字信号将數據(ju)遠傳至現場控制(zhì)㊙️站,并通🌈過TCP/IP與企業(yè)信息網絡聯接,使(shi)得企業各級管🏃🏻理(lǐ)人員均❤️能通過信(xin)息網絡實時了解(jie)生産動态。
六、存在(zài)的問題
盡管孔闆(pǎn)流量計自動計量(liàng)系統的發展越來(lái)越完🔴善,但由于測(ce)量方法本身的原(yuán)因和自動計量技(jì)術上的局限性,在(zai)提高計量的正确(què)率和數據處理上(shang),仍存在🍓一些問題(ti)。
1.量程比的問題
量(liang)程比小(3∶1),是孔闆流(liu)量計最大的缺憾(han)。盡管現在已有寬(kuān)✏️量程🥵比🐇的變送器(qi),但在對于瞬間流(liú)量變化範圍很大(da),流🤟量低⭐于最🧑🏾🤝🧑🏼大流(liú)量的30%時,計量的精(jīng)度将大幅度降低(di)。這主要是由于節(jie)流式測量方法造(zào)成的。因此,爲了提(tí)高量程比,可以考(kao)慮利用變送器寬(kuān)量程的特點,運用(yòng)軟件的方式實現(xian)量程的自動調整(zheng)💛(軟維護),從而擴大(da)量程比,提高測量(liang)的有效範圍,保證(zhèng)計量的正确率。不(bú)過這在軟件設計(ji)上将增加難度🌈。
2.異(yì)常數據的處理問(wen)題
任何系統都有(yǒu)可能出現故障,都(dou)有可能出現一些(xiē)異常的無理數據(ju)。因此爲了維護貿(mao)易雙方的利益,對(duì)可能出現的異常(chang)♌數據問題在設計(jì)時要充分考慮數(shù)據的審慎可修改(gǎi)性,從而避免異常(cháng)數據一旦出現,其(qí)就一直在計🔅算機(ji)中參與累積計算(suàn),造成計量數據的(de)混亂。目前大多數(shu)自動計量系統對(duì)此都🔱考慮較少。
3.操(cāo)作界面和過程數(shu)據的利用問題
由(you)于天然氣輸送的(de)連續性、動态性、瞬(shùn)間的不确定💋性以(yi)及不🤞可再現等特(te)點,實時地進行數(shù)據分析,對數據形(xing)成的全過程進行(hang)有效的監控和保(bao)存,有利🏒于數據異(yì)常的分析和控制(zhì),是數據管理中重(zhong)要的一環。目前的(de)自動計量系統在(zài)此方面有所考慮(lü),但過程數據的應(yīng)用、分析、界♈面功能(néng)尚不完全,還有待(dài)于完善。
七、結 論
數(shu)據的安全性是對(duì)天然氣流量自動(dòng)計量的最低💚要求(qiú)。隻有🏒在确保數據(jù)安全的前提下,自(zì)動計量系🌏統才可(ke)能長期、可靠的運(yùn)行。随着控制技術(shu)、通訊技術、計算機(jī)技術以及儀表制(zhi)造💯技術的✌️不斷發(fa)展,利用多變量😄變(bian)送器,采用一體化(huà)自成系統的計量(liàng)儀表,利用現場總(zǒng)線技術,通過數字(zì)信号傳輸,實現多(duo)參數的實時🔴補償(chang),組成真正意義上(shang)的集散控💔制系統(tǒng),是科學、準确計💰量(liang)天然氣流量的最(zuì)佳方式,也代表了(le)國際上天然氣流(liu)量計量系統數字(zi)💜化計量的👣一種先(xiān)進⭐的發展趨勢🌈,是(shi)天然氣計算機自(zi)動計量🌐的最佳解(jie)決方案。
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