影響天然氣自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)穩(wěn)定性因素的探討

廖德云，張智，王存?zhèn)?/p>

（中原油田分公司天然氣產(chǎn)銷廠，河南濮陽457162）

隨著天然氣工業(yè)快速發(fā)展，天然氣作為一種高效清潔燃料和優(yōu)質(zhì)化工原料得到了廣泛的應(yīng)用，天然氣計(jì)量已經(jīng)成為制約天然氣工業(yè)發(fā)展的重要因素。隨著智能儀表、信息網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，天然氣集輸站場建立了自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)，提高了天然氣流量計(jì)量的準(zhǔn)確性和計(jì)量工作效率。自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)通常由智能化儀表、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器（PLC）或遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)（RTU）等設(shè)備組成。流量計(jì)量儀表種類眾多，有標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)、超聲流量計(jì)、羅茨流量計(jì)等。自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行維護(hù)等原因，存在多種影響自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，輕則影響計(jì)量的準(zhǔn)確性，重則導(dǎo)致自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)故障甚至癱瘓。

1 自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的構(gòu)成

自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)根據(jù)組成和功能可大致分為三個(gè)單元：參數(shù)檢測與變換單元、通信與連接單元、流量計(jì)算數(shù)據(jù)處理單元。

1）參數(shù)檢測與變換單元。參數(shù)檢測與變換單元主要是完成天然氣集輸過程中的工藝參數(shù)，如壓力、溫度、流量（差壓）和天然氣組分等的實(shí)時(shí)檢測并轉(zhuǎn)換成模擬或數(shù)字信號的儀表。該單元可以是一臺組合式多參數(shù)儀表，也可以由多臺具有不同功能的儀表組成。

2）通信與連接單元。通信與連接單元主要指將現(xiàn)場參數(shù)檢測和變換單元與控制室的數(shù)據(jù)處理單元連接起來的部分，包括通信連接電纜、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、通信轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等?，F(xiàn)場大量使用的RS-485卡、PCI多串口卡、RS485-RS232轉(zhuǎn)換模塊、頻率計(jì)數(shù)模塊、RTD轉(zhuǎn)換模塊、HART Modem等。

3）流量計(jì)算數(shù)據(jù)處理單元。流量計(jì)算數(shù)據(jù)處理單元主要指天然氣流量計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等設(shè)備，如工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，流量管理器，流量計(jì)算機(jī)，流量積算儀，PLC，RTU等，該部分主要安裝在集輸站場的中控室，還包括系統(tǒng)供電、網(wǎng)絡(luò)通信等設(shè)備。

這三個(gè)單元沒有絕對的區(qū)分界限，根據(jù)不同的計(jì)量儀表和系統(tǒng)可以進(jìn)一步細(xì)分或組合。

2 影響自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素

自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)大多采用智能化、集成度高的精密電子儀器儀表，但由于產(chǎn)品自身缺陷、系統(tǒng)設(shè)計(jì)不足、施工不規(guī)范、環(huán)境因素影響和運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)?shù)纫蛩兀蚨鴮?dǎo)致自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)無法正常工作。

2.1 參數(shù)檢測與變換單元

參數(shù)檢測與變換單元通常露天安裝在集輸站場，常年經(jīng)受風(fēng)吹日曬、雷雨閃電侵襲，需進(jìn)行周期檢定、運(yùn)行維護(hù)、操作調(diào)整等工作，如果設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)不當(dāng)，容易出現(xiàn)以下問題：

1）設(shè)計(jì)選型時(shí)儀器儀表的防爆和防護(hù)等級不適合現(xiàn)場安裝環(huán)境，導(dǎo)致儀器設(shè)備出現(xiàn)老化、腐蝕、進(jìn)水而損壞。

2）天然氣中含水或油污，儀器設(shè)備不適合在該工況下運(yùn)行，導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)確，發(fā)生故障、損壞或無法正常工作。

3）流量計(jì)或儀表的工作范圍與天然氣流量范圍不匹配或天然氣流量變化幅度大，流量計(jì)超限運(yùn)行、瞬間沖擊導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)確，發(fā)生故障、損壞或無法正常工作。

4）現(xiàn)場流量計(jì)或儀表因接地不良、未采取防雷保護(hù)導(dǎo)致因雷擊或電涌而損壞。

5）流量計(jì)或儀表未按照操作規(guī)程進(jìn)行操作或調(diào)整，發(fā)生超壓、超量或單向受壓等現(xiàn)象導(dǎo)致故障或損壞。

2.2 通信與連接單元

通信與連接單元的通信或采集模塊一般安裝在中控室，通過通信電纜相連接，電源或通信電纜一般采用沿電纜溝、挖溝埋地或穿管敷設(shè)。該單元易出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定的主要因素：

1）通信和采集模塊缺乏防雷、防電涌功能或沒有采取防雷和防電涌保護(hù)，遭受雷擊和電涌而損壞。

2）通信電纜未采用屏蔽電纜，通信信號受外界干擾而不穩(wěn)定或出現(xiàn)通信故障。

3）通信電纜與動(dòng)力電纜近距離并行敷設(shè)而未采取屏蔽或保護(hù)措施，導(dǎo)致通信不穩(wěn)定或出現(xiàn)通信故障。

4）通信電纜因施工不當(dāng)或二次施工而出現(xiàn)破損，破損部位因受潮短路或雷擊電涌而導(dǎo)致通信信號不穩(wěn)定或出現(xiàn)通信故障，甚至導(dǎo)致現(xiàn)場儀表和控制室設(shè)備損壞。

5）通信電纜未按要求可靠接地，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定或儀器設(shè)備損壞。

2.3 流量計(jì)算數(shù)據(jù)處理單元

流量計(jì)算數(shù)據(jù)處理單元除包括自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的硬件設(shè)備外，還包括系統(tǒng)軟件。主要出現(xiàn)以下幾個(gè)方面的問題：

1）流量計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PLC或RTU因防雷保護(hù)和防電涌措施缺失或保護(hù)不當(dāng)而出現(xiàn)故障或造成損壞。

2）系統(tǒng)電源因防雷、防電涌保護(hù)措施缺失或保護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致系統(tǒng)供電故障或造成儀器設(shè)備損壞。

3）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的通信軟件、組態(tài)軟件存在缺陷或BUG，PLC和RTU的應(yīng)用軟件設(shè)置不當(dāng)或設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)不穩(wěn)定。

4）系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊出現(xiàn)故障，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定甚至數(shù)據(jù)無法遠(yuǎn)傳。

5）計(jì)算機(jī)、RTU或PLC接入網(wǎng)絡(luò)或使用移動(dòng)存儲(chǔ)受到病毒攻擊而出現(xiàn)故障或癱瘓。

6）現(xiàn)場儀表種類多，與中控室計(jì)算機(jī)或PLC的通信協(xié)議復(fù)雜，采集驅(qū)動(dòng)或模塊出現(xiàn)兼容性問題而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

以上原因都會(huì)直接或間接導(dǎo)致自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定甚至癱瘓，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致安全生產(chǎn)事故。因此，自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)中都要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程進(jìn)行，否則影響天然氣的準(zhǔn)確計(jì)量。

3 提高自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法

合理設(shè)計(jì)及選型，規(guī)范施工，及時(shí)維護(hù)并正確操作是保證計(jì)量系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的前提，主要考慮三個(gè)方面的問題。

3.1 合理設(shè)計(jì)及選型

儀器儀表、通信模塊、流量計(jì)算機(jī)、PLC系統(tǒng)等種類繁多，設(shè)計(jì)和選型時(shí)需要從現(xiàn)場工況、環(huán)境條件等方面綜合考慮：

1）天然氣中含水和油污時(shí)，首先考慮工藝部分加裝分離除塵等設(shè)備，保證經(jīng)過流量計(jì)或計(jì)量儀表的天然氣滿足計(jì)量條件的要求。

2）流量計(jì)和儀表的選型需符合現(xiàn)場工況條件。如標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)流量范圍窄，不適合流量變化范圍大的場合，可選用氣體渦輪流量計(jì)、氣體超聲波流量計(jì)和腰輪流量計(jì)等；現(xiàn)場高頻振動(dòng)、電磁干擾和噪聲的場合應(yīng)避免選用氣體超聲波流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)等；氣體超聲波流量計(jì)應(yīng)避免在其上游安裝調(diào)壓和節(jié)流設(shè)備。

3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)兼顧資金投入的同時(shí)需保證系統(tǒng)電源防護(hù)、防雷和防電涌等保護(hù)措施的配備。

4）滿足現(xiàn)場工況條件的情況下，盡量選擇通信協(xié)議相同、穩(wěn)定性高的產(chǎn)品，減小系統(tǒng)的復(fù)雜性和維護(hù)難度，提高系統(tǒng)互換性。

5）系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)充分考慮兼容性問題，避免系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

6）盡量選用PLC或RTU，避免使用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信等，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

7）自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)都設(shè)有UPS等不間斷電源，而儀表系統(tǒng)的電源多采用12 V（DC）和24 V（DC）。隨著直流電源技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的電源可采用直流UPS技術(shù)，無逆變切換，消除了UPS的諧波干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

3.2 規(guī)范施工

自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)在建設(shè)過程中要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)做好施工監(jiān)護(hù)和驗(yàn)收工作，避免因施工不當(dāng)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，對系統(tǒng)影響較大的6個(gè)方面：

1）信號電纜與具有強(qiáng)電場和強(qiáng)磁場的電器設(shè)備和電纜之間的距離應(yīng)大于1.5 m，帶屏蔽的信號電纜穿金屬保護(hù)管時(shí)距離應(yīng)大于0.8 m；不同電壓等級的電纜不應(yīng)敷設(shè)在同一電纜槽或保護(hù)管內(nèi)或采取金屬管隔離措施。

2）電纜敷設(shè)嚴(yán)格按照規(guī)范要求施工。埋地敷設(shè)電纜埋深大于70 cm，而且要埋于凍土層以下，上下鋪100 mm厚的沙子，沙上蓋一層磚或混凝土護(hù)板，覆蓋寬度不小于電纜邊緣的50 mm；穿管敷設(shè)電纜。

3）自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)根據(jù)需要設(shè)置保護(hù)接地、信號回路接地和屏蔽接地，并保證接地可靠，接地電阻符合標(biāo)準(zhǔn)要求。PLC系統(tǒng)的接地電阻應(yīng)小于4Ω。

4）系統(tǒng)的防雷防電涌設(shè)備按要求安裝到位，并保證可靠接地，接地電阻應(yīng)小于1Ω。

5）流量計(jì)或儀表嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)安裝施工，避免安裝不規(guī)范、應(yīng)力和其他因素影響其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。

6）控制室計(jì)算機(jī)和PLC等設(shè)備應(yīng)可靠接地。

3.3 及時(shí)維護(hù)并正確操作

1）流量計(jì)或儀表嚴(yán)格按照要求進(jìn)行周期檢定，以保證計(jì)量準(zhǔn)確可靠。

2）定期檢測系統(tǒng)防雷接地系統(tǒng)的接地電阻、防雷和防電涌模塊性能。

3）定期對自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的儀器儀表、采集模塊、PLC和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等進(jìn)行維護(hù)。

4）流量計(jì)或儀表的操作嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作。如渦輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)在啟停操作時(shí)要緩慢，嚴(yán)禁猛開猛關(guān)，避免出現(xiàn)倒流。差壓變送器避免單向受壓。

4 結(jié)束語

天然氣集輸自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)快速發(fā)展的同時(shí)，也給計(jì)量管理和技術(shù)人員帶來挑戰(zhàn)，管理和技術(shù)人員必須從設(shè)計(jì)把關(guān)、施工監(jiān)護(hù)、運(yùn)行維護(hù)等多方面入手，全方位管理，才能保證自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠和計(jì)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

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