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    孔板流量計

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    孔板流量計遠程診斷系統簡介及現場應用

    作者: 來源:中國石油西南油氣田公司重慶氣礦 發布時間:2021-02-24 09:32:16

     摘 要 差壓式孔板流量計在 20 世紀用于天然氣流量計量,經過一個世紀漫長的發展過程,它如今已成為全世界zui主要的天然氣流量計[1]。為解決傳統孔板流量計維護管理環節多、人工分析技術難度大、發現和解決異常情況不及時等問題,特研發了孔板流量計遠程診斷系統。本文對孔板流量計遠程診斷系統的診斷原理、軟硬件要求、實現的主要功能及其技術先進性進行了簡介,著重介紹了孔板流量計遠程診斷系統在某集輸站的應用。在集輸站的應用情況表明:孔板流量計遠程診斷系統能夠及時進行監控和診斷,將孔板流量計的運行狀態較前時間通知相關操作人員,及時采取預防及處理措施,降低流量計故障發生率,提高運行效率,降低運營成本。

    隨著天然氣工業的不斷發展和天然氣作為清潔能源的普遍使用,人們對商品天然氣計量技術的研究和發展更加重視。石油天然氣行業采用孔板流量計作為貿易計量的占總氣量的70%以上[2],其計量準確度直接影響企業的經濟效益和用戶的切身利益,因此對孔板流量計的精細化、科學化管理就變得尤為重要。隨著科技的發展和技術的革新,為解決傳統孔板流量計維護管理環節多、人工分析技術難度大、發現和解決異常情況不及時等問題,西南油氣田分公司積極推動國際計量新技術—孔板流量計遠程診斷技術的研究與應用。

    一、孔板流量計

    孔板流量計是差壓式流量計中zui常見的一種,是利用節流件的差壓與平均流速或流量的關系,由差壓值計算出流量的流量計。

    (一)孔板流量計測量原理

           天然氣流經節流裝置時,流束在孔板處形成局部收縮,從而使流速增加,靜壓力降低,在孔板前后產生靜壓力差(差壓),氣流的流速越大,孔板前后產生的差壓也越大,從而可通過測量差壓來計算天然氣通過節流裝置的流量大小。這種測量流量的方法以能量守恒定律、伯努利方程和流動連續性方程為基礎[3]。

    (二)孔板流量計的組成

           孔板流量的結構主要由節流裝置、現場二次儀表(變送器)、信號回路、計量回路和流量計算機等5 部分組成。 

    二、孔板流量計遠程診斷系統

    (一)遠程診斷的原理

           孔板流量計遠程診斷系統是利用原有測量系統的硬件,增補必要的硬件,開發一定的軟件,構建成一體化具有診斷功能的測量系統??装辶髁坑嬤h程診斷系統的技術關鍵在于通過構建遠程網絡在控制中心進行遠程診斷的平臺,利用診斷平臺可自動實現對孔板流量計關鍵計量參數的遠程采集、診斷邏輯的判定、利用實驗室和現場實驗數據進行驗證、利用現場總線的通訊方式實現遠程標準信號和被檢信號的校準。

    (二)遠程診斷的組成

           孔板流量計遠程診斷系統是對孔板流量計量系統包括節流裝置、二次儀表(變送器)、信號回路、計量回路、流量計算機等5類標準設備進行遠程診斷的方案。診斷系統終端服務器借助生產信息化網絡,對目標計量點進行實時監控及診斷;移動診斷平臺根據需要可從中心站、基層調度室或調度中心生產網切入,對目標計量點進行診斷;遠程診斷可以實現同時診斷多個計量點。

           孔板流量計遠程診斷系統可采用就地診斷和遠程診斷兩種工作模式開展診斷工作。就地診斷是操作診斷系統的人員到站場獲取系統數據和信息,開展全面的診斷;遠程診斷通過診斷系統終端服務器或移動診斷平臺利用生產信息化網絡開展診斷。

    (三)遠程診斷硬件

           在原有的天然氣孔板計量系統中,存在大量典型的變送器+隔離器+AD的模擬信號回路。這些回路需要定期進行檢定、驗證,加之站點分布廣泛,這項工作需要大量的人力物力去完成,并且常常發現問題不及時。為解決這一問題,我們特研制了一種叫“診斷控制器”的硬件設備,它可以對各種結構的計量系統內的儀表包括變送器、隔離器(I/V轉換器件)、數據采集模塊、流量計算機或計量RTU等設備進行全面智能化診斷,對數據有效性自動分析并出具系統診斷報告,以保證計量系統準確、可靠地運行。

           診斷控制器是將中央控制器、核查標準信號發生器、標準信號測量模塊和通訊模塊設置在同一PCB線路板上,實現了各個模塊的高度集成,避免了不同模塊設置在不同PCB線路板上導致的線路復雜、設備種類多、體積大的問題。

           診斷控制器主要由 CPU 主板、模擬電阻信號源、模擬電流信號源、HART 模塊、電源模塊、信號線路選通模塊等幾個部分組成。

    (四)遠程診斷軟件

           診斷系統軟件是一套符合國家標準和規程要求,且具有測量、診斷和遠程修改功能的孔板流量計診斷程序,在使用孔板流量計的場站應用時,利用遠程通訊手段,遠程獲取現有孔板流量計量系統的設置參數、事件記錄和計量數據等基礎參數,并對其進行分析和評價,快速診斷孔板流量計量系統的運行狀態。其主要功能如下:

           a.提取計量系統中的基礎數據,對測量數據進行分析,進行測量設備的適應性評價;

           b.根據評價結果對測量系統運行狀態進行判定,并給予提示; c.通過軟件分析,對儀表運行參數和系統設置參數進行遠程監控并修改,使其符合標準規范的要求;

           d.實現孔板流量計算的驗算和比對分析。

           e.通過功能模塊,對流量計量系統(包括計量參數、計量權限、系統參數等)的實時數據進行采集,

    對溫度、壓力、差壓的信號通道誤差進行修正,并與原計量系統進行流量比對,從而完成對計量系統數據庫的遠程維護和管理。

    (五)遠程診斷實現的主要功能

    1. 參數的實時監測

           系統實時監測計量系統狀態,通過人機界面直觀地顯示各計量回路當前工況流量、壓力、溫度、氣質組分、小信號切除等參數。在緊急情況下,可以通過該系統提供的數據報表進行準確判斷,避免因計量精度偏移造成經濟損失。

    2. 自動診斷

           系統對孔板流量計量回路中 5 類標準設備包括節流裝置、變送器、信號回路、計量回路和流量計算機

    進行診斷,通過與設定的參數標準值自動比較,給出正確的診斷結果。

    3. 流量驗算

           系統讀取流量計算機的實時孔板流量計的差壓、壓力和溫度值,依據流量驗算公式,計算出單位時間內的瞬時流量值和累計流量值[4],與當前流量計算機計算結果進行比較,其偏差小于等于 0.1%為正常,否則異常。

    4.異常報警

           系統中診斷出異常時,可報警提示,并顯示報警詳細信息,包括異常要素,異常時間,異常描述和處理建議,同時保存報警記錄。

    5.其他

           系統還具備常規功能:報表管理、記錄管理、外部訪問、數據維護等。

    (六) 孔板流量計遠程診斷系統的認證情況

           研發的硬件診斷控制器成功通過中國測試技術研究院中測測試科技有限公司測試,標準電流、電阻值和溫度的輸出信號其允許誤差均小于±0.05%。硬件“一種天然氣測量系統診斷控制器” 與“一種天然氣孔板流量計的診斷系統”獲國家實用新型專利。研發的軟件“天然氣孔板流量計的診斷系統 V1.0”獲國家軟件著作權。“一種天然氣孔板流量計的診斷系統及方法”與“一種天然氣測量系統的診斷方法”獲國家發明專利。

    三、孔板流量計遠程診斷系統在某集輸站的應用

    (一)某集輸站基本情況

           某集輸站位于重慶境內,于 2011 年 11 月建成。該站外銷輸配工藝區設計壓力 4.0 MPa,輸氣能力為800×104m3/d。該站為一類井站,于 2013 年 8 月投產。共有 12 套計量裝置,均為高級孔板閥配國光系統計量。其中計-1、計-2 為內部監控計量,日供氣量約 110×104m3/d;計-3~計-12 為外銷計量,日供氣量在 (200~400)×104m3/d 之間。

    (二)遠程診斷系統的應用

    1.現場診斷布置

           在該集輸站選擇計一、計七、計十為診斷目標,進行了趨勢驗證及適應性測試。遠程診斷系統二次儀表通訊采用 HART 協議,系統控制沿用自動化控制中常用的 Modbus 協議,通過 LAN(局域網)TCP/IP 協議進入生產信息網。其中 HART 協議模塊、總線模塊、網卡模塊固化在 LWJ-DCU 診斷控制器內,診斷控制器安裝在流量計算機系統隔離器和浪涌保護器之間,從而實現遠程診斷控制系統軟件與二次儀表(壓力、差壓、溫度)的通訊。同步獲取數據讀取、數據診斷、診斷結果及診斷建議等。

           診斷系統終端服務器借助LAN(局域網)通道,通過Modbus協議與診斷控制器進行通訊,診斷控制器通過HART協議與現場二次儀表通訊,獲取現場儀表和流量計算機系統中的信息,將獲取的信息納入診斷系統的邏輯設計中比對,判斷孔板流量計的運行狀態。在站場實現對孔板流量計量系統實時的監控和運行情況的診斷,同時通過遠程控制終端實現遠程操作,及時有效的發現各個站點的異常情況并進行及時處理。

    2. 現場應用情況

           (1)完成參數診斷 通過對計一節流裝置中孔板開孔直徑、測量管內徑、直徑比,變送器的量程、零位、量程遷移以及信號回路中溫度、靜壓、差壓回路等的實時狀態參數與標準狀態參數進行比對,發現其差壓、靜壓、溫度均超量程下限運行,建議更換儀表(見圖1:量程合理化診斷示意圖)。

    量程合理化診斷示意圖

           (2) 實現自動診斷 通過對計一系統流量計算機的計量參數、硬件、UPS等的自動診斷,判定實時參數與標準參數相符,電腦狀態正常(見圖2:硬件診斷示意圖)。

    硬件診斷示意圖

           (3) 進行流量驗算 系統讀取流量計算機的實時孔板流量計的差壓、壓力和溫度值,依據流量驗算公式,計算出單位時間內的瞬時流量值和累計流量值,與當前流量計算機計算結果進行比較,診斷系統計算出的流量與計量系統計算出的流量之間的偏差小于0.1%[5],因此,流量驗算正常(見圖3:流量驗算示意圖)。

    硬件診斷示意圖

           (4)異常報警 系統診斷發現計一節流裝置管壁粗糙度異常,建議將管壁粗糙度改為 0.1mm,旱土站發出紅色報警提示,提醒有異常并按建議進行處理(見圖 4:節流裝置硬件診斷示意圖)。

    圖3流量驗算示意圖

           (5)其他 現場應用還對系統的常規功能進行了測試,均能滿足現場使用要求,如報表管理、記錄管理、外部訪問、數據維護等[6] (見圖5:報告管理示意圖)。

    節流裝置硬件診斷示意圖

    (三)現場應用效果

           一是實現日常監視,檢查系統參數是否設置正確;

           二是及時判斷設備的實時運行狀態,發現故障及時報警并通知相關人員及時處理;

           三是實現遠程操作,對監視發現的問題進行遠程修改;四是實現遠程回路聯校,無需人員親自到現場,便能實現回路校準;五是該系統的應用提高了計量管理工作的準確性和時效性,讓計量管理省時省力,提高了工作效率,降低了運營成本。

    四、結論與建議

           1)天然氣孔板流量計遠程診斷系統技術先進,經權威專業機構測試其輸出信號其允許誤差均小于±0.05%,提高了計量的準確性、可靠性。

           2)天然氣孔板流量計遠程診斷系統能夠實現實時監測、自動診斷、流量的自動驗算、異常報警等多項功能,可實現檢驗、維護管理的集中遠程操作,提高了工作效率,開啟了孔板流量計貿易計量管理的新模式。

           3)由孔板流量計遠程診斷技術的現場應用得知,該技術只須與信息化相結合便能實現其功能,可以推廣到其它場站及其它流量計。

           4)建議將天然氣孔板流量計遠程診斷系統在更多的天然氣場站進行規?;瘧?,以便實現社會效益和經濟效益的zui大化。

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