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(fā)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(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, 當它流經(jīng)管道內(nèi)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(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(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)換成標準的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, 而且硬件連接較復雜、 中間環(huán)節(jié)較多、 可靠性較差?？蓴U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, 不進行數(shù)據(jù)處理, 因此在校準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, 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, 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; 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、 存在的問題
盡管孔板流量計自動計量系統(tǒng)的發(fā)展越來越*, 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(shù)據(jù)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(xiàn)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(jié)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(xiàn)量程的自動調(diào)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(shù)據(jù)的處理問題
任何系統(tǒng)都有可能出現(xiàn)故障, 都有可能出現(xiàn)一些異常的無理數(shù)據(jù)。因此為了維護貿(mào)易雙方的利益, 對可能出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)問題在設計時要充分考慮數(shù)據(jù)的審慎可修改性, 從而避免異常數(shù)據(jù)一旦出現(xiàn), 其就一直在計算機中參與累積計算, 造成計量數(shù)據(jù)的混亂。目前大多數(shù)自動計量系統(tǒng)對此都考慮較少。
3. 操作界面和過程數(shù)據(jù)的利用問題
由于天然氣輸送的連續(xù)性、 動態(tài)性、 瞬間的不確定性以及不可再現(xiàn)等特點, 實時地進行數(shù)據(jù)分析, 對數(shù)據(jù)形成的全過程進行有效的監(jiān)控和保存, 有利于數(shù)據(jù)異常的分析和控制, 是數(shù)據(jù)管理中重要的一環(huán)。目前的自動計量系統(tǒng)在此方面有所考慮, 但過程數(shù)據(jù)的應用、 分析、 界面功能尚不*, 還有待于*。
五、 結(jié) 論
數(shù)據(jù)的安全性是對天然氣流量自動計量的要求。只有在確保數(shù)據(jù)安全的前提下, 自動計量系統(tǒng)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(fā)展, 利用多變量變送器, 采用一體化自成系統(tǒng)的計量儀表, 利
用現(xiàn)場總線技術, 通過數(shù)字信號傳輸, 實現(xiàn)多參數(shù)的實時補償, 組成真正意義上的集散控制系統(tǒng), 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(tǒng)數(shù)字化計量的一種*的發(fā)
展趨勢, 是天然氣計算機自動計量的解決方案。
