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江苏金湖黄河自动化仪表厂
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浅析孔板流量计自动计量的实现模式
发布日期:2017-10-11 8:33:36
一、 孔板流量计自动计量概况
       目前在天然气流量计量领域中, 孔板流量计仍占主导地位, 这主要是由于其发展历史悠久、 研究深入、 标准化程度高和简单易于制造等特点决定的。由于历史原因和技术限制, 在天然气集输企业中孔板流量计一直以机械式差压计为主要记录仪表, 辅以人工录取参数和手工计算, 使得天然气流量测量存在着环节多、 精度低和信息反馈滞后等缺点。中原油气高新股份有限公司天然气产销厂( 以下简称该厂) 是一个集气田开发、 伴生气集输和商品气外销的综合性企业, 承担着整个中原油田 90% 的外销气量。因此天然气计量工作在该厂显得非常重要。目前该厂共有天然气流量计量点 220 多个, 分布于大小 30 个站, 其中 192 个计量点属于孔板流量计, 占整个流量计量点的 87%, 是一个典型的点多、 线长、站场高度分散的企业。随着企业管理的科学化和信息化的发展, 对天然气流量计量的要求越来越高。为此, 要对天然气流量实行快速、 准确、 及时的信息反馈, 以提高企业的经营效率和集输管理水平, 就需要讨论天然气流量的自动计量问题。
二、 孔板流量计的测量原理
         充满管道的流体, 当它流经管道内的标准孔板时, 流速将在标准孔板处形成局部收缩, 从而使流速增加, 静压力降低, 这样在标准孔板前后便产生了压差。流体流量愈大, 产生的压差愈大, 因此可依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程( 质量守恒定律) 和伯努利方程( 能量守恒定律) 为基础的。压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关, 或管道内流体的物理性质( 密度、 黏度) 不同时, 在同样的流量下产生的压差也是不同的。
三、 自动计量的实现模式
         所谓自动计量, 就是利用变送器实时检测天然气流量计量中所涉及到的温度、 压力、 差压等参数,通过计算机中的流量计算软件, 实现整个流量测量环节中无人工参与的天然气流量测量。随着计量技术的发展和计算机运用的普及, 实现孔板流量计自动计量的方案已有多种, 目前主要有以下 4种模式。
       1. 单变量变送器+ 流量计算机( 或工控机)
         利用 3 台单变量模拟变送器分别检测温度、 压力、 差压, 并将各参数检测到的电信号转换成标准的4~ 20 mA 模拟信号, 送入流量计算机( 或工控机) 的数据采集板卡, 通过 A/ D 转换, 转换成计算机能处理的数字量, 在流量计算机( 或工控机) 上通过流量计算软件按要求计算出天然气的瞬时流量、 累积流量及实现其他辅助功能。
         此方式是传统的自动计量模式, 所采集、 传输的都是模拟信号, 抗干扰能力比较差, 由于存在信号转换等问题, 计量精度难以提高, 而且硬件连接较复杂、 中间环节较多、 可靠性较差。可扩展为: 单变量变送器+ 流量计算机+ 工控机, 从而实现流量计算与显示分开, 提高系统的可靠性和可视性。
       2. 多变量变送器+ 流量计算机( 或工控机)
        利用 1 台多变量智能变送器同时检测温度、 压力、 差压等, 采用现场总线制, 通过数字信号传输, 送入流量计算机( 或工控机) 的数据采集板卡, 在流量计算机( 或工控机) 上通过流量计算软件按要求计算出天然气的瞬时流量、 累积流量及实现其他辅助功能。此方式是随变送器技术发展而来的, 由原来的测量 1 个参数需要 1 台变送器, 改为测量多个参数只需要 1 台变送器, 并在数据传输中采用数字信号,使得在系统硬件连接上简化了许多, 提高了系统的可靠性和测量精度。但由于变送器只是检测测量信号, 不进行数据处理, 因此在校准时必须和流量计算机一起实行联校。
        采用流量计算机或工控机, 主要区别在于流量计算部分。流量计算机是专用的固化软件实现计算和数据存储, 比较稳定可靠, 可信任度较高, 用户易接受; 工控机上软件计算一般主要是自主开发, 便于软件升级和系统维护, 由于计算量大, 特别是多路计量时, 可靠性稍差些。
        为了增加系统的可靠性和操作界面的直观化,这种方式也可扩展为: 多变量变送器+ 流量计算机+ 工控机, 即将流量计算和显示部分分开实行在流量计算机中计算, 在工控机上显示。
       3. 多变量智能变送器+ 工控机
        此方式与模式 2 比较, 主要区别是变送器内固化了流量处理软件, 使得变送器可以就地显示瞬时测量参数和计算瞬时流量, 并通过数字信号传输, 送入工控机上显示和实现其他辅助功能。由于变送器显示的只是瞬时流量, 无累积功能, 也不能存储数据。因此, 所测量的流量值必须在工控机上进行二次处理, 以实现数据的累积和存储功能。
         采用这种方式, 系统结构进一步简化, 变送器可实现单校也可以实现联校, 易于维护, 但由于必须在工控机内实现流量的累积和存储。因此, 可靠性较差, 一旦工控机出现故障或电力故障, 将无法实现数据的保存和累积, 易造成数据丢失。
        4. 一体化智能仪表+ 工控机
         此方式与模式 3 的区别主要也是在变送器上,即一体化智能仪表实现了变送器与流量计算机的体化, 不仅自带数据库, 可实现瞬时参数及流量的显示, 还可实现累积流量和历史数据的再现; 而且在仪表的运行方面, 采取了多种电源保障方式: 内电池、内电池组、 太阳能和外接电源等, 实现了在无电力供应的情况下, 可以独立自成计量系统, 就地显示天然气的瞬时流量、 累积流量和数据的存储、 再现等; 正常情况下可通过现场总线和上位机连接, 实行数字信号传输, 送入工控机上显示, 也可以在工控机上实行二次数据处理, 组成的计量系统更加灵活、 可靠。
         采用这种方式, 实现了计量数据的无忧化, 使得系统结构最简单、 操作更简便、 更可靠、 更易维护; 不仅可以单校也可以联校; 采用独立的计量回路, 减少了数据传输过程的干扰, 提高了计量的精度。
四、 存在的问题
        尽管孔板流量计自动计量系统的发展越来越完善, 但由于测量方法本身的原因和自动计量技术上的局限性, 在提高计量的准确性和数据处理上, 仍存在一些问题。
        1. 量程比的问题
        量程比小( 3:1) , 是孔板流量计最大的缺憾。尽管现在已有宽量程比的变送器, 但在对于瞬间流量变化范围很大, 流量低于最大流量的 30% 时, 计量的精度将大幅度降低。这主要是由于节流式测量方法造成的。因此, 为了提高量程比, 可以考虑利用变送器宽量程的特点, 运用软件的方式实现量程的自动调整( 软维护) , 从而扩大量程比, 提高测量的有效范围, 保证计量的准确性。不过这在软件设计上将增加难度。
        2. 异常数据的处理问题
        任何系统都有可能出现故障, 都有可能出现一些异常的无理数据。因此为了维护贸易双方的利益, 对可能出现的异常数据问题在设计时要充分考虑数据的审慎可修改性, 从而避免异常数据一旦出现, 其就一直在计算机中参与累积计算, 造成计量数据的混乱。目前大多数自动计量系统对此都考虑较少。
        3. 操作界面和过程数据的利用问题
        由于天然气输送的连续性、 动态性、 瞬间的不确定性以及不可再现等特点, 实时地进行数据分析, 对数据形成的全过程进行有效的监控和保存, 有利于数据异常的分析和控制, 是数据管理中重要的一环。目前的自动计量系统在此方面有所考虑, 但过程数据的应用、 分析、 界面功能尚不完全, 还有待于完善。
        五、 结  论
         数据的安全性是对天然气流量自动计量的最低要求。只有在确保数据安全的前提下, 自动计量系统才可能长期、 可靠的运行。随着控制技术、 通讯技术、 计算机技术以及仪表制造技术的不断发展, 利用多变量变送器, 采用一体化自成系统的计量仪表, 利
用现场总线技术, 通过数字信号传输, 实现多参数的实时补偿, 组成真正意义上的集散控制系统, 是科学、 准确计量天然气流量的最佳方式, 也代表了国际上天然气流量计量系统数字化计量的一种先进的发
展趋势, 是天然气计算机自动计量的最佳解决方案。