天然氣大流量計量檢定工藝主動控制方法研究*

溫凱 殷雄 郭哲 楊璟辰 宮敬

1中國石油大學(xué)（北京）

2中國石油管道有限公司西氣東輸分公司

隨著天然氣在國內(nèi)能源消耗份額的逐年增加，流量計作為天然氣計量工具其應(yīng)用也越來越廣，流量計的檢定需求越來越大。中國石油天然氣集團有限公司（以下簡稱中國石油）和中國石油化工集團有限公司（以下簡稱中國石化）都按照國家質(zhì)檢總局的要求，依托各自不同的天然氣管網(wǎng)條件，相繼設(shè)計建立了多套不同規(guī)模、不同種類的天然氣計量檢定站（如西氣東輸南京計量測試中心、國家石油天然氣大流量計量站成都分站、北京采育天然氣計量檢定站、大慶油田天然氣計量檢定站等）[1]。

為了解決華南地區(qū)天然氣流量計的檢定需求，中國石油投資建設(shè)廣州計量檢定分站。廣州計量檢定分站毗鄰廣州分輸壓氣站建設(shè)（廣州計量檢定分站以下簡稱檢定站）。檢定站依托西氣東輸南京計量檢定中心的天然氣流量量值傳遞和溯源體系，具有工作級標(biāo)準(zhǔn)和次級標(biāo)準(zhǔn)的流量計檢定能力。檢定站設(shè)計壓力10 MPa，有兩路來氣，一路為廣深支干線來氣，一路為廣州城市燃?xì)鈦須狻V深支干線來氣壓力（操作壓力）為6.0～9.8 MPa，下游回氣壓力為6.0～9.8 MPa，設(shè)計對口徑不超過DN600的氣體超聲流量計、渦輪流量計、旋進(jìn)漩渦流量計、容積式流量計、差壓式流量計和質(zhì)量流量計進(jìn)行實流檢定。廣州城市燃?xì)鈦須鈮毫Γú僮鲏毫Γ?.0～7.8 MPa，下游回氣壓力為4.2～7.8 MPa，最大工況流量可達(dá)5 100 m3/h（4.2 MPa），能全量程檢定DN250及以下口徑的各類流量計。

站內(nèi)主要工藝系統(tǒng)包括：中壓保護及調(diào)節(jié)裝置、高壓調(diào)節(jié)裝置、工作級標(biāo)準(zhǔn)裝置A（13～1 065 m3/h）、工作級標(biāo)準(zhǔn)裝置B（50～4 200 m3/h）、工作級標(biāo)準(zhǔn)裝置C（80～8 000 m3/h）、工作級標(biāo)準(zhǔn)裝置D（預(yù)留）、DN50至DN200檢定臺位、DN150和DN200檢定臺位、DN250和DN300檢定臺位、DN400檢定臺位、DN600檢定臺位（預(yù)留）、次級標(biāo)準(zhǔn)裝置、流量調(diào)節(jié)裝置、背壓調(diào)節(jié)裝置、天然氣組分檢測系統(tǒng)、氮氣吹掃系統(tǒng)等。廣州分站的檢定管理系統(tǒng)目前已實現(xiàn)送檢流量計的全生命周期管理功能，具備次級標(biāo)準(zhǔn)裝置管路的自動切換功能。

檢定站的工程量大，工藝過程比一般的油氣站場復(fù)雜，有相當(dāng)?shù)奈墨I(xiàn)關(guān)注于如何優(yōu)化和改進(jìn)檢定站站場工藝流程。宋春紅[2]圍繞計量檢定方案設(shè)計工藝流程，配置儀表、工藝設(shè)備及計量檢定控制系統(tǒng)。對檢定系統(tǒng)的技術(shù)要求、設(shè)備技術(shù)指標(biāo)和檢定操作過程等進(jìn)行深入研究。徐明[3]分析了國家石油天然氣大流量計量站武漢分站工藝流程、標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成與技術(shù)指標(biāo)、天然氣流量量值傳遞與溯源方法。王海向[4]基于天然氣高壓、大流量計量站檢定工藝流程，提出了量值溯源總體設(shè)計和檢定系統(tǒng)總體設(shè)計方法。通過對數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了工作標(biāo)準(zhǔn)裝置區(qū)、核查裝置區(qū)和被檢裝置區(qū)的溫度、壓力、流量數(shù)據(jù)的采集、處理、計算，實現(xiàn)了高壓、大流量流量計的檢定。張春杰[5]針對齊河天然氣計量檢定流程，對在不同檢定管路和檢定臺位下的檢定流程進(jìn)行了模擬研究，得到了天然氣流量計檢定過程中各閥門百分比行程與檢定流量之間的對應(yīng)關(guān)系。陳群堯[6]通過國內(nèi)外大口徑天然氣流量計檢定實驗室流程介紹和水平比較，認(rèn)識到國內(nèi)天然氣流量計檢定實驗室的差距，探討了提高國內(nèi)天然氣流量計檢定水平的措施和途徑。這些研究多側(cè)重于對工藝過程的分析，對檢定站的設(shè)計和工藝優(yōu)化分析有重要意義。

為了提高檢定的準(zhǔn)確度，也有相當(dāng)?shù)奈墨I(xiàn)在檢定誤差、量值溯源和不確定度分析方面展開研究。張學(xué)騰[7]分析了導(dǎo)致原油檢定誤差的機理原因分別是：由于原油本身黏度而引起的誤差；由于原油溫度所導(dǎo)致的誤差；由于原油壓力所引起的誤差。于洋[8]分析了實流檢定后，不同壓力使用條件下對超聲流量計的影響。石廣宇[9]介紹了腰輪流量計的結(jié)構(gòu)、工作原理，分析了該流量計在原油外輸計量及檢定中出現(xiàn)的問題，并依據(jù)實際運行情況提出具體做法及建議。孫立軍[10]通過控制水泵轉(zhuǎn)速模擬了10種不同的流量穩(wěn)定性狀況，對4種典型的流量計進(jìn)行了測量，測試了流量計測量性能受流量穩(wěn)定性的影響。張東[11]使用鐘罩式氣體流量裝置檢定氣體容積式流量計一組數(shù)據(jù)，對氣體容積式流量計檢定結(jié)果的不可確定程度的分析，驗證測量結(jié)果的不確定度。段飛飛[12]則區(qū)分了A 類羅茨流量計和B 類羅茨流量計的測量結(jié)果的不確定度分析方法。鐘偉[13]采用負(fù)壓法的音速噴嘴法和正壓法的鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢測方法，檢定同一渦輪流量計的結(jié)果，進(jìn)行分析比較，同時對測量結(jié)果進(jìn)行不確定度評定。這些研究對實際操作中檢定結(jié)果精確度的改進(jìn)提供了參考。

日漸增長的檢定任務(wù)為保障現(xiàn)場安全生產(chǎn)造成巨大的壓力，人力資源不足的問題也隨之凸顯。為了提高檢定效率，檢定的自動化成為研究的熱點之一。韓巍[14]針對流量計檢定系統(tǒng)智能化，開發(fā)了一套智能化流量計檢定系統(tǒng)，把檢定過程中的每個步驟有機地聯(lián)系起來，通過一套系統(tǒng)的簡單操作來實現(xiàn)。吳澤梁[15]根據(jù)計量檢定標(biāo)準(zhǔn)，研制了一種標(biāo)準(zhǔn)表法在線流量計檢定控制系統(tǒng)，可以大大縮短流量計檢定時間，提升流量計檢定效率。徐寶昌[16]針對在不同流量檢定點之間切換時的流量和壓力控制問題，進(jìn)行了最優(yōu)邏輯控制方法的研究。首先，結(jié)合機理分析和參數(shù)辨識的建模方法，建立了天然氣檢定站流量和壓力對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型；其次，以壓力和流量的調(diào)節(jié)時間最短為目標(biāo)，基于模型對最優(yōu)邏輯控制問題進(jìn)行解算，得到使調(diào)節(jié)時間最短的邏輯操作策略，最后通過HYSYS 對天然氣檢定站動態(tài)流程進(jìn)行仿真模擬，驗證了最優(yōu)邏輯控制方法。在檢定過程中大部分工藝流程切換、壓力調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)、檢定操作、檢定過程結(jié)果及證書結(jié)果的判斷與處理均需要人工逐步完成，尤其壓力、流量調(diào)節(jié)需要經(jīng)驗豐富的檢定員憑借多年的工作經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)節(jié)閥控制。在無法滿足日益增長的檢定需求的情況下，基于人員經(jīng)驗及熟練度的能力提升空間已經(jīng)越來越小，提升檢定校準(zhǔn)系統(tǒng)的智能化水平成為緩解檢定壓力、保障安全生產(chǎn)亟待解決的問題。

本文通過建立檢定站的水力仿真系統(tǒng)，構(gòu)建閥門調(diào)節(jié)過程中檢定管路水力模型，求解調(diào)節(jié)過程檢定管路內(nèi)壓力、流量變化規(guī)律。研究根據(jù)調(diào)節(jié)的目標(biāo)流量和檢定管路壓力，系統(tǒng)自動選擇閥門調(diào)節(jié)組合，確定閥門調(diào)節(jié)量的主動控制方法。通過仿真研究實現(xiàn)無需人工干預(yù)、檢定流量智能調(diào)節(jié)的控制調(diào)節(jié)方案。

1 水力仿真模型建立

首先，針對廣州檢定分站構(gòu)建水力模型。以廣州分站的工藝流程圖為建模依據(jù)，采用分模塊定義，選用HYSYS軟件對檢定站分5個區(qū)域（調(diào)壓橇部分，工作級裝置，檢定臺位，次級標(biāo)準(zhǔn)裝置，調(diào)節(jié)閥組區(qū)）進(jìn)行建模。此模型可進(jìn)行動態(tài)仿真，實現(xiàn)控制閥門開度監(jiān)測工作級和檢定臺處的流量變化。HYSYS仿真模型示意圖如圖1所示。

對圖1模型進(jìn)行靜態(tài)分析，管道參數(shù)參考廣州分站工藝流程圖，閥門特性曲線參考已獲得的閥門輸入特性曲線，詳見圖2～圖4。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動態(tài)仿真分析。在動態(tài)仿真環(huán)境下，檢定臺流量隨控制閥開度變化而變化的趨勢是相似的，同時在動態(tài)環(huán)境下，分支管路分得的流量也隨著主路上的控制閥變化有一定的改變。通過參數(shù)調(diào)整和仿真分析，獲得了在穩(wěn)態(tài)點同現(xiàn)場比較一致的工況結(jié)果。

圖1 HYSYS仿真模型示意圖Fig.1 Simulation model schematic diagram of HYSYS

圖2 DN150控制閥輸入特性曲線Fig.2 Input characteristic curve of DN150 control valve

圖3 DN300控制閥輸入特性曲線Fig.3 Input characteristic curve of DN300 control valve

圖4 DN400控制閥輸入特性曲線Fig.4 Input characteristic curve of DN400 control valve

2 控制模型

2.1 工作級管路選擇與流量分配

對于廣州計量檢定分站來說，與流量計檢定流程相關(guān)的并聯(lián)管段主要有工作級標(biāo)準(zhǔn)裝置和流量調(diào)節(jié)閥組兩個工作區(qū)。工作級標(biāo)準(zhǔn)裝置由8路標(biāo)準(zhǔn)管路組成，每條管路有1臺核查超聲流量計和1臺標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計，總流量測量范圍為8～12 000 m3/h。根據(jù)被檢流量計檢定所需流量，針對不同的測量范圍選擇某一工作標(biāo)準(zhǔn)管路或多個工作標(biāo)準(zhǔn)管路并聯(lián)。估算時，可按第1路DN80為160 m3/h，第2路DN150為800 m3/h，其余6路DN250在1 500 m3/h 左右。具體檢定流量計標(biāo)準(zhǔn)器的組合選用如表1所示，中間有一定的重合。

表1 標(biāo)準(zhǔn)器組合選用Tab.1 Selection of standardizer combination

流量調(diào)節(jié)閥組FV6102L、FV6202L、FV6302L和FV6402L進(jìn)行流量調(diào)節(jié)（開到位、關(guān)到位、故障報警、閥位反饋和閥位控制）顯示。由檢定控制系統(tǒng)在計算機屏幕上對調(diào)節(jié)閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將其狀態(tài)（開到位、關(guān)到位、故障報警、閥位反饋和閥位控制）進(jìn)行顯示，流量調(diào)節(jié)的反饋流量值為工作標(biāo)準(zhǔn)裝置流量。4個流量調(diào)節(jié)閥既可以用作檢定流量調(diào)節(jié)也可以用于旁通流量調(diào)節(jié)，不同的流量范圍對應(yīng)著不同口徑的調(diào)節(jié)閥門，具體流量調(diào)節(jié)閥門組合選用如表2所示。

表2 調(diào)節(jié)閥門組合選用Tab.2 Selection of regulating valve combination

對于廣州計量檢定分站來說，假設(shè)并聯(lián)管道長度相同，制造工藝相似，故影響流量分配最主要的因素是管徑。在不考慮除管徑外其他因素對流量分配的影響下，根據(jù)輸氣管道流量基本公式可知，在水力摩阻系數(shù)λ為定值的情況下，流量Q與管徑D2.5成正比

第二個階段就是計算機輔助審計的需求已不適用于工具和成熟的應(yīng)用軟件，這一個階段就屬于向更深層技術(shù)探索的一個過程，由于一些常用的審計處理軟件并不能滿足審計工作的需要，但是用于分析的數(shù)據(jù)過于龐大，所以審計部門就引用了大量的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，并且在數(shù)據(jù)據(jù)采集的過程中不斷升級，最后審計部門可以收集來自多個部門的信息和數(shù)據(jù)。

式中：Q為工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，m3/s；pQ為輸氣管計算段起點壓力，Pa；pZ為輸氣管計算段終點壓力，Pa；D為輸氣管內(nèi)徑，m；λ為水力摩阻系數(shù)；Z為天然氣在管輸條件（平均溫度和平均壓力）下的壓縮因子；Δ*為天然氣的相對密度；T為輸氣溫度，K；L為輸氣管計算段長度，m；Ra為空氣氣體常數(shù)，kJ/(kg·K)；T0為工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度，K；p0為工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力，Pa。

由于管徑對水力摩阻系數(shù)有影響，不可忽視。考慮廣州站管輸條件在阻力平方區(qū)，利用前蘇聯(lián)實用流量計算公式，將管徑對摩阻系數(shù)的影響加以考慮，可知流量Q與管徑D2.6成正比

式中：a為流態(tài)修正系數(shù)，當(dāng)流態(tài)處于阻力平方區(qū)的時候，a=1；如偏離阻力平方區(qū)，a可按下式計算

式中：φ為管道接口的墊環(huán)修正系數(shù),無墊環(huán)時，φ=1；墊環(huán)間距為12 m 時，φ=0.975；墊環(huán)間距為6 m時，φ=0.95。

E為輸氣管輸氣效率，計算公式如下

式中：QS為管道實際輸氣能力；QL為由摩阻系數(shù)計算公式所得的理論輸氣能力；λS為根據(jù)實際輸氣能力確定的摩阻系數(shù)；λL為根據(jù)理論公式計算所得到的摩阻系數(shù)。

基于以上公式，對于廣州站內(nèi)的不同管徑的并聯(lián)管段來說，各管段的前后壓力相同，將除管徑以外其他條件視為相同的情況下，來流總流量將按的比例分配流量。結(jié)合廣州站工作級標(biāo)準(zhǔn)裝置和流量調(diào)節(jié)閥并聯(lián)管道的實際管徑，得出以下結(jié)論：僅考慮管徑對并聯(lián)管路流量分配的影響，工作級標(biāo)準(zhǔn)裝置并聯(lián)管路流量分配比 例 為1∶5.13∶19.35∶19.35∶19.35∶19.35∶19.35∶19.35；流量調(diào)節(jié)閥并聯(lián)管路流量分配比 例為1 ∶17.40∶105.49∶639.55。

2.2 過閥流量計算

檢定作業(yè)中，在站控機上通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，按照所檢定流量點從大到小的順序依次檢定，此操作方式是保證在粗調(diào)過程中防止標(biāo)準(zhǔn)工作級超聲流量計和渦輪流量計因管道內(nèi)流量超過量程損壞流量計。同時，在變化流量點時，有時不同流量點使用不同線路，此時作業(yè)遵循先調(diào)流量再換線路的原則，此原則同樣是為保護流量計。在被檢流量點可選檢定路大于1條時，優(yōu)先選擇可檢最大流量較小的那一路，以保證檢定值更加準(zhǔn)確。

調(diào)節(jié)段管段均有調(diào)節(jié)和旁通兩種功能，以下分別稱之為調(diào)節(jié)通路和旁通通路。過檢定臺的氣體通過調(diào)節(jié)通路與未經(jīng)檢定臺的氣體通過旁通通路在匯管匯合。根據(jù)經(jīng)過檢定臺的氣體流量選擇調(diào)節(jié)通路，其余通路實現(xiàn)旁通功能。流量調(diào)節(jié)通路和旁通通路采用流量調(diào)節(jié)為主、壓力保護為輔的控制策略，其調(diào)節(jié)閥開度可由閥前后壓力以及過閥流量確定。為保證初步達(dá)到檢定臺位流量，需要先根據(jù)閥特性曲線進(jìn)行閥開度粗調(diào)。

流量系數(shù)用于量化調(diào)節(jié)閥的流通能力，其定義為閥前后壓差為6.895 kPa(1 psi)，用水做試驗，每分鐘流過閥的體積（單位為gal）用CV表示。閥全開時測量得到的CV值稱閥的額定流量系數(shù)（額定CV）。公制流量系數(shù)的定義為閥前后壓差為0.1 MPa，用水做試驗，每小時流過閥的體積（單位為m3）用KV表示。兩者的換算關(guān)系數(shù)為CV=1.16KV。

而滿開度下的過閥流量則根據(jù)Masoneilan 的臨界流量系數(shù)計算。

非阻塞流(Δp＜0.5Cf2p1)

堵塞流(Δp≥0.5Cf2p1)

式中：Qmax為滿開度下氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量，m3/h；Cf為臨界流量系數(shù)；ρ1為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的相對密度；P1為進(jìn)口壓力，MPa；P2為出口壓力，MPa；ΔP=P1-P2，0.1 MPa；T為進(jìn)口溫度，K。

現(xiàn)場所用調(diào)節(jié)閥為等百分比閥，等百分比流量特性也叫指數(shù)或?qū)?shù)特性，是當(dāng)開度變化一個單位量時，流量變化的百分比相同的一種特性。這種形式的控制特性是在開度由10%變至20%時流量的變化為10%，而開啟度由60%變到70%時流量的變化同樣是10%。對于等百分比控制閥來說，表示流量與閥門開度間函數(shù)關(guān)系的一般方程為

式中：Q為流量；a、b為系數(shù)；y為閥開度。

將滿開流量Qmax帶入，可得aeb，求得閥流量與開度的關(guān)系。

檢定站流量調(diào)節(jié)的開環(huán)流量調(diào)節(jié)流程如圖5所示。

圖5 流量調(diào)節(jié)流程Fig.5 Regulation process of flow

2.3 檢定流量精確控制

對于不同的流量計，根據(jù)相應(yīng)的檢定規(guī)程，都需要在一定流量精度范圍內(nèi)對該點進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)定的檢定工作。檢定過程中，流量的調(diào)節(jié)主要通過調(diào)整調(diào)節(jié)閥的開度實現(xiàn)，先粗調(diào)調(diào)節(jié)閥開度使流量降低至接近被檢流量點附近，再進(jìn)一步微調(diào)調(diào)節(jié)閥開度，使流量達(dá)到被檢流量點的數(shù)值。為達(dá)到自動調(diào)節(jié)速度快、超調(diào)量小、偏差小這一目標(biāo)，選定最小管路作為精確調(diào)整對象。當(dāng)檢定臺流量與設(shè)定值差值e(k)較大時PID 控制器的輸出需要使閥門較快動作，以使閥后壓力迅速趨向設(shè)定值。當(dāng)差值減小后，需要減小閥門動作速度，避免超調(diào)和震蕩。按照e(k)分段給定Kp、Ki、Kd（表3），并整定自動給定PID 控制器參數(shù)，以獲得大偏差的響應(yīng)速度及小偏差的穩(wěn)定性。

表3 PID參數(shù)選擇原則Tab.3 Principle of PID parameter selection

3 模擬仿真與結(jié)果

為了驗證主動控制的有效性，要求過檢定臺的流量從3 000 m3/h開始，按照5 000、4 000、4 500 m3/h的過程進(jìn)行自動變化。這里，只是在檢定臺流量設(shè)定值處依次輸入5 000、3 000、4 000。程序自動選定工作級管路組合為DN400。同時，選定旁通管路為DN50、DN150和DN300，DN600為調(diào)節(jié)管路。而閥的開度自動進(jìn)行調(diào)節(jié)，先進(jìn)行逐步粗調(diào)后，再進(jìn)一步細(xì)調(diào)。為了避免閥的過度震蕩，設(shè)定流量達(dá)到0.1%誤差范圍內(nèi)后停止自動調(diào)節(jié)并保持穩(wěn)定。主動控制最大的好處在于調(diào)節(jié)的快速性，如圖6所示，每次調(diào)節(jié)僅用5～10 min時間即可達(dá)到所要求的穩(wěn)態(tài)點。

圖6 檢定臺流量主動控制效果Fig.6 Active control result of verification desk flow

算例中實現(xiàn)了主動的流量調(diào)節(jié)與控制，能夠在程序的控制下實現(xiàn)從3 000 m3/h 開始，按照5 000、4 000、4 500 m3/h 的過程進(jìn)行自動變化。但是從上升到5 000 m3/h 的開始階段可以看到存在一段時間的快速波動，這種波動在現(xiàn)場是絕對不允許發(fā)生的，否則會對調(diào)節(jié)閥的壽命產(chǎn)生很大的影響。流量在向4 500 m3/h 的調(diào)節(jié)過程中快速上升，可能會對流量計帶來一定的沖擊，需要進(jìn)一步在控制邏輯中加入對于調(diào)節(jié)速度的控制，調(diào)節(jié)的超調(diào)量絕對值要盡量避免過大。

4 結(jié)束語

隨著管道智能化要求的提出，對于現(xiàn)場很多復(fù)雜的重復(fù)性工作都可以通過自動化的控制實現(xiàn)。廣州檢定分站的智能檢定工作對工藝和控制提出要求，需要儲運專業(yè)和自控專業(yè)的有機配合。本文是單純在數(shù)字仿真平臺上進(jìn)行的控制方法的研究，從數(shù)字模型的建立，到控制邏輯的制定和機理模型的整合，再到自控理論的應(yīng)用，較為完整地展示了主動控制的方法流程，仿真的結(jié)果也較好地體現(xiàn)了管道系統(tǒng)流動的可控性。

本文的研究還只是停留在仿真系統(tǒng)階段，如何將現(xiàn)場更多的實際情況考慮進(jìn)來才是真正的挑戰(zhàn)。作為對安全要求非常高的工業(yè)過程系統(tǒng)，檢定系統(tǒng)的SCADA 數(shù)據(jù)在一定要求下可以讀取，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真分析。采取主動控制的方法可以有效地提高檢定的時間，優(yōu)化檢定流程。但是，通過程序和SCADA 系統(tǒng)反過來主動控制現(xiàn)場的設(shè)備，需要非常謹(jǐn)慎的分析和測試。