天然氣商業(yè)計量系統(tǒng)信號干擾問題的分析與改造

李 磊

（中海石油（中國）有限公司上海分公司）

某天然氣商業(yè)計量系統(tǒng)正常運行6年后，出現(xiàn)了溫度和壓力值頻繁跳變的現(xiàn)象。實踐中，如果儀表信號干擾出現(xiàn)在項目投運后期，且無新增外部干擾因素的情況下，應重點考慮電源、卡件及儀表等電子設備以及線路老化造成漏電干擾的可能性。本案例中，計量系統(tǒng)A/B出現(xiàn)首次信號干擾現(xiàn)象相差33天，符合設備老化造成回路干擾的特點。

在中控操作站調取壓力和溫度數(shù)據(jù)趨勢，分析造成計量系統(tǒng)信號干擾的主要因素，對信號傳輸方式和電源供電部分進行改造，以期解決信號干擾的問題。

1 天然氣商業(yè)計量系統(tǒng)及干擾情況簡介

天然氣商業(yè)計量系統(tǒng)（簡稱計量系統(tǒng)）主要由流量變送器（FT）、壓力變送器（PT）、溫度變送器（TT）、色譜分析儀和流量計算機構成。流量計算機負責天然氣的壓力和溫度補償計算，計算標況流量、累積流量及熱值等數(shù)據(jù)，并將相關計量數(shù)據(jù)傳至DCS，在中控操作站顯示。

天然氣商業(yè)計量系統(tǒng)構成如圖1所示，PT、TT信號線并聯(lián)，計算機通信卡通過HART協(xié)議實時采集PT、TT數(shù)據(jù)；當HART采集PT信號中斷時，計算機鎖定Keypad值35bar（1bar=100kPa）參與流量補償計算；當HART采集TT信號中斷時，計算機鎖定Keypad值20℃參與溫度補償計算。

圖1 天然氣商業(yè)計量系統(tǒng)構成簡圖

計量系統(tǒng)A/B在正常投運6年后，相繼出現(xiàn)溫度和壓力值頻繁跳變現(xiàn)象，直接導致外輸天然氣標況流量值跳變，對天然氣計量的穩(wěn)定性和準確性造成極大影響，極易導致商業(yè)糾紛。為此，在中控操作站調取壓力和溫度數(shù)據(jù)趨勢并進行分析。

2 干擾因素分析

2.1 回路外部干擾因素排查

對全廠區(qū)域大電流和變頻器設備運行情況進行梳理，未發(fā)現(xiàn)大電機啟動或變頻器運行與計量系統(tǒng)信號干擾在時間上的一致性。

計量系統(tǒng)設計安放在遠離變頻器、變壓器等易產生電磁干擾的電氣設備的位置。

計量機柜置于中控機柜間，出現(xiàn)信號干擾前后中控機柜間和現(xiàn)場流量計量區(qū)域未新增電氣設備和線路。

計量系統(tǒng)周邊不存在熱輻射、振動等外部因素。

因此，可以初步排除回路外部干擾因素。

2.2 回路內部干擾因素排查

變送器本身故障排查。發(fā)生通信中斷或數(shù)據(jù)跳變時，現(xiàn)場變送器PT和TT表頭顯示正常；現(xiàn)場變送器備件替代測試，信號干擾頻率并無明顯變化。因此可以初步排除變送器本身故障造成的干擾。

信號線路故障排查。信號線并非干擾源，但施工安裝不規(guī)范會造成信號回路抗干擾能力下降，因此必須詳細檢查信號線路。檢查信號線間絕緣是否合格。檢查雙絞信號線屏蔽單點接地是否合格。檢查信號線對地絕緣的方法是：其中PT的“+”信號線對地電阻偏低，因此對PT、TT信號回路共“+”接線端由機柜側改為現(xiàn)場側，拆除PT“+”信號線后，溫度信號通信中斷問題明顯改善，但壓力信號跳變現(xiàn)象并沒有太大的改變。因此，可以確定信號線對地絕緣低為信號干擾的原因之一。

計算機通信卡件通道干擾排查?，F(xiàn)場未配備計算機通信卡件備件，無法進行替代測試。

電源干擾排查?，F(xiàn)場不具備條件對電源增加濾波器來測試信號干擾情況是否有所改善。于是，更換計量機柜內備用電源模塊，但信號干擾現(xiàn)象并未改善。

考慮到電源多負載干擾疊加的影響，做如下測試：用兩個獨立的24V（DC）電源模塊分別給流量計和計算機供電。經(jīng)測試，計量系統(tǒng)5天內僅出現(xiàn)2次信號干擾（壓力值跳變?yōu)?）。因此，判斷流量計和計算機的電源獨立設計可以減弱大部分干擾。

3 跳變數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及相關測試

對中控操作站調取的壓力和溫度數(shù)據(jù)趨勢進行分析，統(tǒng)計的跳變異常數(shù)據(jù)和初步分析結果見表1、2。

表1 異常壓力值數(shù)據(jù)分析

表2 異常溫度值數(shù)據(jù)分析

3.1 HART通信中斷原因分析

電源電壓過低。經(jīng)檢查，溫度、壓力變送器表頭電壓21V，提高回路電壓并未有效改善通信中斷和跳變現(xiàn)象，因此可以排除電源電壓過低的問題。

信號電纜電容過大。針對電纜長度和電纜電容對HART通信的影響，做如下測試：溫度、壓力變送器均放置于機柜內，通過臨時電纜連接至計算機通信卡進行測試，測試結果表明數(shù)據(jù)跳變問題明顯改善，根據(jù)測試結果可以初步得出兩個結論：

a.信號電纜長度是影響HART通信可靠性的主要因素之一，電纜電容因電纜長度增加而增大，當電纜電容接近或大于HART通信設備最大電容時，會直接影響HART通信；

b.計量機柜內部電子設備是造成信號干擾的主要因素之一。

信號干擾。已排除信號回路外部干擾和變送器故障；唯獨計算機通信卡通道干擾未做排查。

3.2 儀表信號傳輸方式的改造測試

根據(jù)異常數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，有一種數(shù)據(jù)跳變現(xiàn)象：計算機讀取的壓力值實際是溫度檢測值。在排除PT、TT變送器故障，PT、TT變送器HART通信地址設置錯誤，信號線絕緣和屏蔽不合格的基礎上，可初步判斷此種數(shù)據(jù)異常情況為通信卡故障所致。

相比mA標準信號傳輸方式，HART協(xié)議數(shù)據(jù)采集對回路電壓、電纜電容、絕緣和屏蔽的要求更高，HART通信的抗干擾能力較弱。因此，在儀表設備和控制系統(tǒng)均支持HART協(xié)議的情況下，可以采用mA標準信號進行數(shù)據(jù)實時采集，此時HART通信主要完成對智能設備進行組態(tài)、調試、標定及診斷等工作。鑒于HART通信與mA標準信號傳輸?shù)奶攸c，對HART通信信號傳輸改造為mA標準信號傳輸進行相關測試。首先增加計算機的模擬量卡，改造PT、TT信號回路接線，實現(xiàn)PT、TT信號的模擬量傳輸。測試中，計量系統(tǒng)一天內出現(xiàn)1次信號干擾，因此可以初步確認計算機通信卡是造成計量系統(tǒng)信號干擾的主要因素之一。

4 雙措施改造

鑒于對干擾因素的排查及相關抗干擾措施的測試，決定對天然氣商業(yè)計量系統(tǒng)同時施加兩項措施加以改造。如圖2所示，由兩個獨立的24V（DC）電源模塊分別給流量計和計算機供電，壓力和溫度信號的傳輸方式由HART通信改為mA標準信號傳輸方式。

改造后，測試表明壓力和溫度值跳變現(xiàn)象消除，至今再未發(fā)生過計量系統(tǒng)壓力和溫度信號跳變現(xiàn)象，提高了外輸計量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

圖2 改造后的計量系統(tǒng)簡圖

5 結束語

天然氣商業(yè)計量系統(tǒng)運行過程中，如果儀表信號干擾出現(xiàn)在項目投運后期，且無新增外部干擾因素的情況下，應重點考慮電源、卡件及儀表等電子設備以及線路老化造成漏電干擾的可能性。

相比mA標準信號傳輸，HART協(xié)議數(shù)據(jù)采集對回路電壓、電纜電容、絕緣和屏蔽方面的要求更高，在實踐中，HART通信的抗干擾能力差。因此，在實踐中要綜合考慮選擇儀表信號傳輸方式，在降低電纜鋪設成本的同時，要顧及信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性。

該天然氣商業(yè)計量系統(tǒng)實施改造措施后，至今再未發(fā)生過計量系統(tǒng)壓力和溫度信號跳變問題，為避免商業(yè)糾紛提供了保證，提高了天然氣外輸計量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。