天然氣集輸計(jì)量技術(shù)的發(fā)展

張 云 鄒 潤 廖德云 王存?zhèn)?/p>

中國石化中原油田分公司 天然氣產(chǎn)銷廠 （河南 濮陽 457162）

天然氣集輸計(jì)量技術(shù)的發(fā)展

張 云 鄒 潤 廖德云 王存?zhèn)?/p>

中國石化中原油田分公司 天然氣產(chǎn)銷廠 （河南 濮陽 457162）

隨著天然氣市場和業(yè)務(wù)的發(fā)展，計(jì)量技術(shù)顯得越來越重要。為降低生產(chǎn)成本、加強(qiáng)銷售監(jiān)督、優(yōu)化計(jì)量管理，中原油田天然氣產(chǎn)銷廠不斷提高計(jì)量技術(shù)水平，逐步實(shí)現(xiàn)計(jì)量精細(xì)化管理。

天然氣 自動(dòng)計(jì)量 PLC流量計(jì)

天然氣作為一種清潔、高效的能源，其開發(fā)利用越來越受到重視。天然氣產(chǎn)銷廠是中原油田分公司下屬的集天然氣勘探、開發(fā)、生產(chǎn)、集輸為一體的專業(yè)化單位。天然氣計(jì)量包括天然氣集輸過程中壓力、溫度、熱值、流量（能量流量和質(zhì)量流量）的測量，是整個(gè)生產(chǎn)經(jīng)營過程中一項(xiàng)很重要的基礎(chǔ)工作，是生產(chǎn)、經(jīng)營中重要的控制參數(shù)，計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響企業(yè)效益。同時(shí)，準(zhǔn)確計(jì)量還是集輸管網(wǎng)安全運(yùn)行的“眼睛”，是指導(dǎo)我們科學(xué)合理組織、調(diào)配、控制和巡線的依據(jù)。天然氣產(chǎn)銷廠計(jì)量技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了人工取數(shù)、電話匯報(bào)，基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（以下簡稱工控機(jī)）的自動(dòng)計(jì)量技術(shù)以及基于PLC的自動(dòng)計(jì)量技術(shù)發(fā)展3個(gè)階段。

1 計(jì)量技術(shù)發(fā)展

早期計(jì)量技術(shù)采用機(jī)械式計(jì)量儀表，比如雙波紋管差壓計(jì)，通過從記錄曲線上取值的方式進(jìn)行計(jì)量，存在計(jì)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性受人為因素影響，匯報(bào)不及時(shí)等缺點(diǎn)。后來發(fā)展成變送器配積算儀的計(jì)量方式，這種方式避免了從記錄曲線上取值帶來的人為附加誤差。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)展成基于工控機(jī)的自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)和基于PLC的自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)。

1.1 基于工控機(jī)的自動(dòng)計(jì)量技術(shù)

1.1.1 結(jié)構(gòu)組成

基于工控機(jī)的自動(dòng)計(jì)量技術(shù)是計(jì)量技術(shù)發(fā)展的基本形式之一，工控機(jī)作為計(jì)量系統(tǒng)的核心，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場的壓力、差壓、溫度、熱值、流量等天然氣工況參數(shù)，通過工控機(jī)組態(tài)軟件完成天然氣流量計(jì)算，并具有存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)、報(bào)表和歷史趨線、報(bào)警和流程動(dòng)畫等功能，如連入網(wǎng)絡(luò)也可以將計(jì)量數(shù)據(jù)向管理層延伸。

基于工控機(jī)的自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)按功能主要分為兩個(gè)部分（圖1）：現(xiàn)場設(shè)備和站控系統(tǒng)。

（1）站控系統(tǒng)：包括流量計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集鏈路、工作站等；

（2）現(xiàn)場設(shè)備：主要是進(jìn)行天然氣參數(shù)測量的各種計(jì)量儀表。

1.1.2 儀表選型

根據(jù)天然氣集輸氣量和運(yùn)行壓力，選用的計(jì)量儀表主要分為差壓式流量計(jì)和速度式流量計(jì)。

（1）孔板流量計(jì)。天然氣集輸系統(tǒng)大多采用標(biāo)準(zhǔn)孔板配二次儀表的計(jì)量模式。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高，現(xiàn)場使用維護(hù)方便，適合天然氣大流量計(jì)量場合。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的測量原理是：當(dāng)天然氣流經(jīng)管道內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)孔板時(shí)，天然氣將在標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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。孔板附近流速和壓力分布如圖2所示。

標(biāo)準(zhǔn)孔板配備的二次儀表主要是流量管理器和多參數(shù)變送器。流量管理器自帶壓力和差壓變送器完成天然氣生產(chǎn)過程中的壓力和差壓的測量，外接的鉑熱電阻完成天然氣溫度的測量。流量管理器具有強(qiáng)大的天然氣流量計(jì)算功能，通過其內(nèi)置的流量計(jì)算方法軟件，對采集的壓力、差壓和溫度信號進(jìn)行處理，完成天然氣流量計(jì)算。同時(shí)，流量管理器還可將天然氣的壓力值、差壓值、溫度值、瞬時(shí)量和累積量等多種信息以RS232/RS485信號輸出，支持ROC協(xié)議和Modbus協(xié)議。多參數(shù)變送器測量天然氣的差壓、靜壓，通過外接的鉑熱電阻完成天然氣溫度的測量，由于自身無法完成流量計(jì)算，需要傳至流量計(jì)算機(jī)（工控機(jī)）完成。

（2）速度式流量計(jì)。速度式流量計(jì)是以直接測量封閉管道中滿管流流動(dòng)速度為原理的流量計(jì)。常用的有超聲波流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)、渦街流量計(jì)和渦輪流量計(jì)。速度式氣體流量計(jì)一般由流量傳感器和顯示儀表組成，與流量測量配套的還有壓力傳感器或變送器、溫度傳感器或變送器。流量計(jì)算機(jī)對采集到的流量計(jì)脈沖信號和溫度、壓力參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，得到天然氣標(biāo)況流量。

1.1.3 特點(diǎn)

基于工控機(jī)的自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了天然氣計(jì)量過程中相關(guān)參數(shù)的自動(dòng)采集、計(jì)算，并生成計(jì)量報(bào)表、形成歷史趨勢等功能，提高天然氣流量計(jì)量的準(zhǔn)確性和可靠性。但是，基于工控機(jī)的自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)也存在以下3個(gè)方面的問題。

（1）計(jì)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性差。①Windows系統(tǒng)隨著補(bǔ)丁的增加運(yùn)行越來越慢；②工控機(jī)聯(lián)網(wǎng)容易遭受病毒侵襲導(dǎo)致計(jì)量系統(tǒng)出現(xiàn)故障甚至癱瘓。

（2）計(jì)量儀表種類繁雜，規(guī)格型號多，驅(qū)動(dòng)不兼容。不同廠家儀表信號輸出方式和通訊協(xié)議不同，聯(lián)入自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)常出現(xiàn)兼容性的問題。

（3）難以實(shí)現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳共享?；诠た貦C(jī)的自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)曾采用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳共享，工控機(jī)同時(shí)要運(yùn)行組態(tài)軟件、驅(qū)動(dòng)程序和OPC服務(wù)，數(shù)據(jù)量大、任務(wù)繁重，極易導(dǎo)致死機(jī)，數(shù)據(jù)很難實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳共享和組態(tài)。

1.2 基于PLC的自動(dòng)計(jì)量技術(shù)

由于油田經(jīng)營管理精細(xì)化水平不斷提高，對天然氣集輸自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)提出了更高的要求。為了解決目前自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)存在的問題，對新自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)提出以下幾個(gè)方面的要求：①計(jì)量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠；②自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)穩(wěn)定性高；③系統(tǒng)可擴(kuò)展能力強(qiáng)，能滿足現(xiàn)場計(jì)量點(diǎn)改造的需要；④實(shí)現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳共享、實(shí)時(shí)分析和監(jiān)控管理。

隨著信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，PLC技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。它以其穩(wěn)定性高、兼容性好、可擴(kuò)展能力強(qiáng)、具有防雷防浪涌能力等優(yōu)點(diǎn)為工業(yè)用戶提供行而有效的解決方案。為此，我們在天然氣自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)中引入PLC技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際需要建成基于PLC的自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)。

1.2.1 結(jié)構(gòu)組成

基于PLC的自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)按功能分為3個(gè)部分（圖3）：現(xiàn)場設(shè)備、站控系統(tǒng)和調(diào)度管理。

站控系統(tǒng)選用的PLC采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊豐富、擴(kuò)展能力強(qiáng)，各種計(jì)量儀器儀表輸出有標(biāo)準(zhǔn)4～ 20mA信號、RTD信號、脈沖信號、RS485信號，可以分別采用PLC系統(tǒng)的AI模塊、RTD模塊、高速計(jì)數(shù)模塊和通信轉(zhuǎn)換模塊分別接收，再由CPU模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和交換，它能輕松進(jìn)行整數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算，通過自帶通信接口以Modbus協(xié)議傳至計(jì)量工控機(jī)。另外，給CPU模塊設(shè)置獨(dú)立的IP，通過自帶網(wǎng)絡(luò)接口經(jīng)Intranet上傳廠級計(jì)量服務(wù)器。

服務(wù)器端搭建計(jì)量專用服務(wù)器,由服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和客戶端組成（圖4），計(jì)量服務(wù)器用于存儲(chǔ)站場PLC系統(tǒng)上傳的計(jì)量數(shù)據(jù)，同時(shí)安裝Oracle數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)采集程序和Web在線監(jiān)控軟件，以B/S模式完成計(jì)量數(shù)據(jù)的發(fā)布。

1.2.2 特點(diǎn)

（1）基于PLC的自動(dòng)計(jì)量技術(shù)的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)計(jì)量系統(tǒng)存在的驅(qū)動(dòng)不兼容問題，計(jì)量工控機(jī)釋放數(shù)據(jù)計(jì)算和處理任務(wù)，不再連入網(wǎng)絡(luò)，避免病毒侵襲。

（2）數(shù)據(jù)采集不再依賴數(shù)據(jù)采集卡，改由PLC相應(yīng)模塊完成，穩(wěn)定性高、采集周期短、數(shù)據(jù)刷新快。流量計(jì)算也從計(jì)量工控機(jī)的組態(tài)軟件改為PLC的CPU模塊處理，運(yùn)算速度快、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。

（3）通過Web在線監(jiān)控系統(tǒng)完成了各站場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)布，為管理部門、生產(chǎn)部門、調(diào)度部門和銷售部門提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可隨時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場計(jì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和監(jiān)控管理，達(dá)到對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的優(yōu)化管理。

2 結(jié) 論

天然氣計(jì)量技術(shù)的發(fā)展正在朝著自動(dòng)化、智能化和遠(yuǎn)程控制的方向發(fā)展，未來天然氣計(jì)量方式也將逐步從體積計(jì)量向能量計(jì)量過渡。

[1]SY/T 6658-2006用旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測量天然氣流量[S].

[2]GB/T 21446-2008用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測量天然氣流量[S].

[3]蔣大旭,鄭開銀.天然氣自動(dòng)計(jì)量教程[M].北京:中國計(jì)量出版社, 2005：346-362.

[4]劉忠.基于Modbus/TCP協(xié)議的以太網(wǎng)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008(2):6-7.

With the development of natural gas market and business,measuring technology appears to be more and more important.In order to reduce the production cost,strengthen the sale supervision,optimize measuring management,the natural gas production and sale factory in Zhongyuan oilfields constantly improve the measuring technology and gradually realize the fineness management of measurement.

natural gas;automatic measurement;PLC;flowmeter

張?jiān)疲?962-），男，本科，現(xiàn)從事天然氣集輸及計(jì)量管理。

黃永場

2012-03-30