天然氣站場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)測(cè)量優(yōu)化研究與實(shí)現(xiàn)*

傅敏 伍淑輝 宋曉健 范勁松

1西南油氣田公司燃?xì)夥止?/p>

2西南油氣田分公司重慶氣礦

天然氣作為綠色環(huán)保能源應(yīng)用越來越廣泛，它比空氣輕，相對(duì)密度小、熱值高，與空氣混合時(shí)遇明火或靜電火花會(huì)發(fā)生爆炸，爆炸極限為5.0%～15.0%，其易燃易爆等特性導(dǎo)致天然氣生產(chǎn)站場(chǎng)屬于不安全的處所[1]。而天然氣壓力、溫度的測(cè)量數(shù)據(jù)作為流量計(jì)算、生產(chǎn)運(yùn)營過程監(jiān)控的重要參數(shù)，直接反映該測(cè)量系統(tǒng)、生產(chǎn)站場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)爆炸性環(huán)境設(shè)備通用要求的相關(guān)規(guī)定，天然氣站場(chǎng)壓力、溫度的測(cè)量設(shè)備必須符合ⅡA類電氣設(shè)備的要求。

1 測(cè)量現(xiàn)狀

目前天然氣站場(chǎng)主要采用壓力變送器或數(shù)字壓力計(jì)、熱電阻和溫度變送器等測(cè)量設(shè)備對(duì)生產(chǎn)過程中的壓力、溫度參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和控制。因?yàn)樘烊粴饩哂幸兹家妆忍匦裕蕴烊粴饧斦緢?chǎng)壓力、溫度測(cè)量系統(tǒng)中的儀表、儀表線路、電氣設(shè)備及材料都應(yīng)符合防爆要求。天然氣生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大量采用本質(zhì)安全型儀表，其安裝和敷設(shè)應(yīng)滿足本質(zhì)安全回路[2]要求：回路中安全柵、隔離器等關(guān)聯(lián)設(shè)備的安裝位置應(yīng)在安全場(chǎng)所一側(cè)（圖1），以達(dá)到本質(zhì)安全防爆要求和降低功耗作用。一般在控制室設(shè)置專用的儀表端子柜（圖2），現(xiàn)場(chǎng)每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的儀表通過鎧裝線纜一一對(duì)應(yīng)連接到儀表端子柜相應(yīng)設(shè)備上。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量儀表安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram for field measuring instrument installation

圖2 儀表端子柜Fig.2 Instrument terminal cabinet

1.1 測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)通信

目前天然氣生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)能實(shí)現(xiàn)通信的壓力測(cè)量儀表大多采用HART 協(xié)議，少部分采用Brown 協(xié)議。溫度測(cè)量儀表中，一體化溫度變送器采用HART協(xié)議，熱電阻和熱電偶采用電纜線將電阻和電壓信號(hào)傳輸至溫度變送器后采用HART協(xié)議通信，都是支持的模擬信號(hào)通信（圖3）。測(cè)量點(diǎn)本質(zhì)安全回路組成為：測(cè)量儀表（電流信號(hào)、電壓信號(hào)或電阻信號(hào)）—SPD（保持原信號(hào)形式）—ISB（電壓信號(hào)）—模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換模塊（數(shù)字信號(hào)）—上、下位系統(tǒng)或支持?jǐn)?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳網(wǎng)絡(luò)（IP/TCP）。

目前天然氣生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)多采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)[3]，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，便于管理，建網(wǎng)容易，是目前局域網(wǎng)普遍采用的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。使用雙絞線為傳輸介質(zhì)，將電流、電壓和電阻信號(hào)傳輸至儀表端子柜。每臺(tái)測(cè)量儀表通過各自的線纜連接到端子柜上，某根電纜出現(xiàn)問題時(shí)只會(huì)影響到一個(gè)測(cè)量回路的信號(hào)傳輸。但針對(duì)測(cè)量點(diǎn)多的站場(chǎng)，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)電纜敷設(shè)較為繁雜，端子柜的接線端子、本質(zhì)安全回路配套的隔離式安全柵（或溫度變送器）和A/D轉(zhuǎn)換模塊因一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，需求量相應(yīng)增加。

1.2 檢定和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，在測(cè)量設(shè)備投用前應(yīng)進(jìn)行首檢，在使用過程中按周期或管理制度進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。壓力測(cè)量系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備在使用中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)，分別對(duì)壓力傳感器、ISB、A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行校準(zhǔn)，再校準(zhǔn)整個(gè)壓力測(cè)量回路，根據(jù)測(cè)量點(diǎn)所在的計(jì)量系統(tǒng)確定其準(zhǔn)確度。

同理，溫度測(cè)量系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備在使用中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，溫度傳感器（熱電阻或熱電偶）、一體化溫度變送器在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)檢定，現(xiàn)場(chǎng)的隔離式安全柵[4]（或溫度變送器）、A/D轉(zhuǎn)換模塊和壓力測(cè)量系統(tǒng)的檢定方法相同。

圖3 測(cè)量系統(tǒng)模擬信號(hào)通信示意圖Fig.3 Simulated signal communication diagram of measurement system

1.3 測(cè)量系統(tǒng)不確定度影響

1.3.1 壓力測(cè)量

以某一處壓力測(cè)量點(diǎn)為例，使用準(zhǔn)確度為0.2%的壓力變送器，配套準(zhǔn)確度為0.1%的ISB和準(zhǔn)確度為0.1%的A/D轉(zhuǎn)換模塊，完成該壓力測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)測(cè)量、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸。其測(cè)量過程的不確定度影響分析如下[5]：

壓力測(cè)量點(diǎn)使用準(zhǔn)確度為0.2%的壓力測(cè)量儀器，由此引出的不確定度分量u1按均勻分布計(jì)算

數(shù)據(jù)傳輸過程中信號(hào)轉(zhuǎn)換的不確定度由準(zhǔn)確度為0.1%的ISB 和準(zhǔn)確度為0.1%的A/D 轉(zhuǎn)換模塊形成，由ISB引出的不確定度分量u2按均勻分布計(jì)算

由A/D轉(zhuǎn)換模塊引出的不確定度分量u3按均勻分布公式（2）計(jì)算，得u3=0.06%。

因?yàn)椴淮_定度分量均不相關(guān)，故其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur的計(jì)算為

其擴(kuò)展不確定度為：U95=0.30%，k=2。

1.3.2 溫度測(cè)量

（1）以某一處溫度測(cè)量點(diǎn)為例，使用最大允許誤差（MPE）為±0.5 ℃的一體化溫度變送器，配套準(zhǔn)確度為0.1%的ISB和準(zhǔn)確度為0.1%的A/D轉(zhuǎn)換模塊，完成該溫度測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)測(cè)量、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸。其測(cè)量過程的不確定度影響分析如下：

溫度測(cè)量點(diǎn)使用MPE為±0.5 ℃的一體化溫度變送器（溫度測(cè)量范圍-30～70 ℃，量程100 ℃），由此引出的不確定度分量u1按均勻分布計(jì)算

數(shù)據(jù)傳輸過程中信號(hào)轉(zhuǎn)換的不確定度由準(zhǔn)確度為0.1%的ISB 和準(zhǔn)確度為0.1%的A/D 轉(zhuǎn)換模塊形成。

由ISB引出的不確定度分量u2按均勻分布公式（2）計(jì)算，得u2=0.06%。

由A/D轉(zhuǎn)換模塊引出的不確定度分量u3按均勻分布公式（2）計(jì)算，得u3=0.06%。

因?yàn)椴淮_定度分量均不相關(guān)，故其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur的計(jì)算為

其擴(kuò)展不確定度為：U95=0.60%，k=2。

（2）同樣的溫度測(cè)量，使用MPE 為±0.5 ℃的溫度傳感器，配套準(zhǔn)確度為0.2%的溫度變送器和準(zhǔn)確度為0.1%的A/D轉(zhuǎn)換模塊，完成該溫度測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)測(cè)量、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸。其測(cè)量過程的不確定度影響分析如下：

溫度測(cè)量點(diǎn)使用MPE為±0.5 ℃的溫度傳感器（溫度測(cè)量范圍-30～70 ℃，量程100 ℃），由此引出的不確定度分量u1按均勻分布公式（4）計(jì)算，得u1=0.29%。

數(shù)據(jù)傳輸過程中信號(hào)轉(zhuǎn)換的不確定度由準(zhǔn)確度為0.2%的溫度變送器和準(zhǔn)確度為0.1%的A/D 轉(zhuǎn)換模塊形成。

由溫度變送器引出的不確定度分量u2按均勻分布公式（1）計(jì)算，得u2=0.12%。

由A/D轉(zhuǎn)換模塊引出的不確定度分量u3按均勻分布公式（2）計(jì)算，得u3=0.06%。

因?yàn)椴淮_定度分量均不相關(guān)，故其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur的計(jì)算為

其擴(kuò)展不確定度為：U95=0.64%，k=2。

2 測(cè)量過程優(yōu)化研究

通過對(duì)測(cè)量現(xiàn)狀的分析，影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵在于測(cè)量過程儀表、信息傳輸過程和信號(hào)轉(zhuǎn)換過程的準(zhǔn)確度。

目前現(xiàn)場(chǎng)本質(zhì)安全回路中使用的壓力測(cè)量設(shè)備多采用諧振式、電容式和壓阻式的壓力變送器，其準(zhǔn)確度等級(jí)已達(dá)到0.2 級(jí)以上；溫度測(cè)量多采用鉑電阻作為傳感器，準(zhǔn)確度也達(dá)到A級(jí)，一體化溫度變送器的準(zhǔn)確度為0.2級(jí)；信號(hào)隔離器為0.1級(jí)，A/D 轉(zhuǎn)換模塊的有效位超過12 位，準(zhǔn)確度也達(dá)到0.1級(jí)。隨著傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和嵌入計(jì)算機(jī)芯片等技術(shù)的發(fā)展，更高精度的測(cè)量儀表也逐步從特殊領(lǐng)域?qū)Ｓ孟蚴袌?chǎng)化普及，但傳感器[6]精度越高其成本也越高。

近幾十年來數(shù)字通信的迅速發(fā)展，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信，以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞提供了有效的解決方案。現(xiàn)有本質(zhì)安全回路信號(hào)傳輸均采用模擬信號(hào)傳輸，以數(shù)字信號(hào)替代了傳統(tǒng)4～20 mA[7]、1～5 V[8]模擬信號(hào) 傳輸，可有效保證數(shù)據(jù)傳輸無精度損失。

綜上所述，在保證測(cè)量結(jié)果精度前提下，通過改變測(cè)量底層數(shù)據(jù)通信方式，即應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)天然氣現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量信息和上位系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向通信；將SPD、ISB 等相關(guān)功能模塊微型化、集成化，形成符合本質(zhì)安全要求的信號(hào)傳輸回路，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化測(cè)量過程簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的解決方案。

3 實(shí)施方案及應(yīng)用效果

3.1 實(shí)施方案

3.1.1 通信方式

用數(shù)字信號(hào)替代模擬信號(hào)傳輸，測(cè)量用儀表在傳感器輸出后直接將電壓和電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過數(shù)據(jù)總線傳輸至中央處理器進(jìn)行計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，后續(xù)過程均以數(shù)字信號(hào)方式輸出，如圖4所示。

圖4 壓力、溫度傳感器輸出電路示意圖Fig.4 Output circuit diagram of pressure and temperature sensors

3.1.2 回路模塊集成

將具有SPD、ISB 功能的微型化模塊高度集成，使其符合本質(zhì)安全要求的信號(hào)傳輸回路，如圖5 所示。采用一體化高浪涌防護(hù)隔離收發(fā)器實(shí)現(xiàn)通信浪涌抑制和隔離；通過隔離法采用光耦合器或磁耦合器實(shí)現(xiàn)電路防浪涌。

圖5 浪涌隔離收發(fā)器、光耦合器PCB板Fig.5 PCB board of surge isolated transceiver and optical coupler

3.1.3 線路敷設(shè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)分布情況，采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)替代模擬信號(hào)通信采用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)星型拓?fù)?，通信介質(zhì)為同軸電纜，如圖6所示。其主要特點(diǎn)為：易于布線和維護(hù)；線纜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高；新增節(jié)點(diǎn)可在總線的任何點(diǎn)將其接入；總線型網(wǎng)絡(luò)的安裝比較簡(jiǎn)單，對(duì)技術(shù)要求不高。

3.2 應(yīng)用效果

3.2.1 保證測(cè)量精度

利用數(shù)字信號(hào)傳輸無精度損失的特性，從傳感器輸出就采用24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)傳輸[9]，且按本質(zhì)安全回路要求將具有SPD、ISB 功能的浪涌隔離收發(fā)器、光耦合器高度集成于儀表一體。新型測(cè)量儀表本身既滿足爆炸性環(huán)境設(shè)備通用要求，又具有測(cè)量系統(tǒng)的功能，其不確定度僅來源于傳感器的準(zhǔn)確度。使用準(zhǔn)確度為0.2%的壓力傳感器，壓力測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.12%；使用MPE 為±0.5 ℃的溫度傳感器（量程100 ℃），溫度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.29%。

圖6 測(cè)量數(shù)字信號(hào)總線拓?fù)涫疽鈭DFig.6 Topological schematic diagram for measuring digital signal bus

3.2.2 減少儀表維護(hù)工作量

為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的合法性，現(xiàn)場(chǎng)儀表需按規(guī)定周期進(jìn)行校準(zhǔn)。以1個(gè)測(cè)量點(diǎn)為例，傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)需要對(duì)單表、隔離器、ADC分別進(jìn)行校準(zhǔn)，再對(duì)測(cè)量回路進(jìn)行聯(lián)校；優(yōu)化后只需對(duì)新型儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)由以前的四個(gè)環(huán)節(jié)變成現(xiàn)在的一個(gè)環(huán)節(jié)，所需攜帶校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和校準(zhǔn)工作量都減少了。

3.2.3 降低建設(shè)成本

線路敷設(shè)用總線型[10]拓?fù)涮娲鷤鹘y(tǒng)的星型拓?fù)洌? 芯鎧裝線纜替代7 芯鎧裝電纜，新增節(jié)點(diǎn)可在總線的任何點(diǎn)接入，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)都連接在一個(gè)公共的通信介質(zhì)上，減少了電纜長度，節(jié)約了安裝費(fèi)用，且易于布線和維護(hù)。

將具有SPD、ISB 功能的微型化模塊集成在同一PCB板上并與儀表一體化，符合本質(zhì)安全回路的儀表端子柜只需配置多協(xié)議轉(zhuǎn)換器和24～36 V穩(wěn)壓電源，縮小了占地空間，更利于控制室管理。

4 結(jié)束語

天然氣運(yùn)行參數(shù)壓力和溫度的測(cè)量過程優(yōu)化，主要是利用傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和嵌入計(jì)算機(jī)芯片等技術(shù)，在滿足本質(zhì)安全回路要求的條件下，將SPD、ISB 功能模塊微型化、集成化，并與儀表一體化。儀表本身從傳感器后接入ADC 轉(zhuǎn)換直接輸出數(shù)字信號(hào)，既可以減少測(cè)量過程中因信號(hào)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的準(zhǔn)確度損失，又可以減少測(cè)量設(shè)備維護(hù)工作量，從而達(dá)到優(yōu)化天然氣壓力、溫度的測(cè)量過程，保證測(cè)量準(zhǔn)確度，降低生產(chǎn)成本，提高管理效益的目的。