天然氣集輸計量技術的發展

張 云 鄒 潤 廖德云 王存偉

中國石化中原油田分公司 天然氣產銷廠 （河南 濮陽 457162）

天然氣集輸計量技術的發展

張 云 鄒 潤 廖德云 王存偉

中國石化中原油田分公司 天然氣產銷廠 （河南 濮陽 457162）

隨著天然氣市場和業務的發展，計量技術顯得越來越重要。為降低生產成本、加強銷售監督、優化計量管理，中原油田天然氣產銷廠不斷提高計量技術水平，逐步實現計量精細化管理。

天然氣 自動計量 PLC流量計

天然氣作為一種清潔、高效的能源，其開發利用越來越受到重視。天然氣產銷廠是中原油田分公司下屬的集天然氣勘探、開發、生產、集輸為一體的專業化單位。天然氣計量包括天然氣集輸過程中壓力、溫度、熱值、流量（能量流量和質量流量）的測量，是整個生產經營過程中一項很重要的基礎工作，是生產、經營中重要的控制參數，計量數據的準確性直接影響企業效益。同時，準確計量還是集輸管網安全運行的“眼睛”，是指導我們科學合理組織、調配、控制和巡線的依據。天然氣產銷廠計量技術的發展經歷了人工取數、電話匯報，基于工業控制計算機（以下簡稱工控機）的自動計量技術以及基于PLC的自動計量技術發展3個階段。

1 計量技術發展

早期計量技術采用機械式計量儀表，比如雙波紋管差壓計，通過從記錄曲線上取值的方式進行計量，存在計量數據準確性受人為因素影響，匯報不及時等缺點。后來發展成變送器配積算儀的計量方式，這種方式避免了從記錄曲線上取值帶來的人為附加誤差。隨著計算機技術和自動控制技術的應用，發展成基于工控機的自動計量系統和基于PLC的自動計量系統。

1.1 基于工控機的自動計量技術

1.1.1 結構組成

基于工控機的自動計量技術是計量技術發展的基本形式之一，工控機作為計量系統的核心，實時采集現場的壓力、差壓、溫度、熱值、流量等天然氣工況參數，通過工控機組態軟件完成天然氣流量計算，并具有存儲歷史數據、報表和歷史趨線、報警和流程動畫等功能，如連入網絡也可以將計量數據向管理層延伸。

基于工控機的自動計量系統按功能主要分為兩個部分（圖1）：現場設備和站控系統。

（1）站控系統：包括流量計算機、數據采集鏈路、工作站等；

（2）現場設備：主要是進行天然氣參數測量的各種計量儀表。

1.1.2 儀表選型

根據天然氣集輸氣量和運行壓力，選用的計量儀表主要分為差壓式流量計和速度式流量計。

（1）孔板流量計。天然氣集輸系統大多采用標準孔板配二次儀表的計量模式。標準孔板流量計具有標準化程度高，現場使用維護方便，適合天然氣大流量計量場合。標準孔板流量計的測量原理是：當天然氣流經管道內的標準孔板時，天然氣將在標準孔板處形成局部收縮，從而使流速增加，靜壓力降低，這樣在標準孔板前后便產生了壓差。流體流量愈大，產生的壓差愈大，因此可依據壓差來衡量流量的大小。孔板附近流速和壓力分布如圖2所示。

標準孔板配備的二次儀表主要是流量管理器和多參數變送器。流量管理器自帶壓力和差壓變送器完成天然氣生產過程中的壓力和差壓的測量，外接的鉑熱電阻完成天然氣溫度的測量。流量管理器具有強大的天然氣流量計算功能，通過其內置的流量計算方法軟件，對采集的壓力、差壓和溫度信號進行處理，完成天然氣流量計算。同時，流量管理器還可將天然氣的壓力值、差壓值、溫度值、瞬時量和累積量等多種信息以RS232/RS485信號輸出，支持ROC協議和Modbus協議。多參數變送器測量天然氣的差壓、靜壓，通過外接的鉑熱電阻完成天然氣溫度的測量，由于自身無法完成流量計算，需要傳至流量計算機（工控機）完成。

（2）速度式流量計。速度式流量計是以直接測量封閉管道中滿管流流動速度為原理的流量計。常用的有超聲波流量計、旋進旋渦流量計、渦街流量計和渦輪流量計。速度式氣體流量計一般由流量傳感器和顯示儀表組成，與流量測量配套的還有壓力傳感器或變送器、溫度傳感器或變送器。流量計算機對采集到的流量計脈沖信號和溫度、壓力參數進行運算，得到天然氣標況流量。

1.1.3 特點

基于工控機的自動計量系統實現了天然氣計量過程中相關參數的自動采集、計算，并生成計量報表、形成歷史趨勢等功能，提高天然氣流量計量的準確性和可靠性。但是，基于工控機的自動計量系統也存在以下3個方面的問題。

（1）計量系統的穩定性差。①Windows系統隨著補丁的增加運行越來越慢；②工控機聯網容易遭受病毒侵襲導致計量系統出現故障甚至癱瘓。

（2）計量儀表種類繁雜，規格型號多，驅動不兼容。不同廠家儀表信號輸出方式和通訊協議不同，聯入自動計量系統常出現兼容性的問題。

（3）難以實現計量數據遠傳共享。基于工控機的自動計量系統曾采用OPC技術實現數據遠傳共享，工控機同時要運行組態軟件、驅動程序和OPC服務，數據量大、任務繁重，極易導致死機，數據很難實時遠傳共享和組態。

1.2 基于PLC的自動計量技術

由于油田經營管理精細化水平不斷提高，對天然氣集輸自動計量系統提出了更高的要求。為了解決目前自動計量系統存在的問題，對新自動計量系統提出以下幾個方面的要求：①計量數據更加準確可靠；②自動計量系統穩定性高；③系統可擴展能力強，能滿足現場計量點改造的需要；④實現計量數據遠傳共享、實時分析和監控管理。

隨著信息技術和自動化技術的發展，PLC技術在工業控制領域應用越來越廣泛。它以其穩定性高、兼容性好、可擴展能力強、具有防雷防浪涌能力等優點為工業用戶提供行而有效的解決方案。為此，我們在天然氣自動計量系統中引入PLC技術，結合現場實際需要建成基于PLC的自動計量系統。

1.2.1 結構組成

基于PLC的自動計量系統按功能分為3個部分（圖3）：現場設備、站控系統和調度管理。

站控系統選用的PLC采用模塊化設計，模塊豐富、擴展能力強，各種計量儀器儀表輸出有標準4～ 20mA信號、RTD信號、脈沖信號、RS485信號，可以分別采用PLC系統的AI模塊、RTD模塊、高速計數模塊和通信轉換模塊分別接收，再由CPU模塊進行數據處理和交換，它能輕松進行整數和浮點運算，通過自帶通信接口以Modbus協議傳至計量工控機。另外，給CPU模塊設置獨立的IP，通過自帶網絡接口經Intranet上傳廠級計量服務器。

服務器端搭建計量專用服務器,由服務器、網絡設備和客戶端組成（圖4），計量服務器用于存儲站場PLC系統上傳的計量數據，同時安裝Oracle數據庫、數據采集程序和Web在線監控軟件，以B/S模式完成計量數據的發布。

1.2.2 特點

（1）基于PLC的自動計量技術的應用解決了傳統計量系統存在的驅動不兼容問題，計量工控機釋放數據計算和處理任務，不再連入網絡，避免病毒侵襲。

（2）數據采集不再依賴數據采集卡，改由PLC相應模塊完成，穩定性高、采集周期短、數據刷新快。流量計算也從計量工控機的組態軟件改為PLC的CPU模塊處理，運算速度快、數據處理能力強。

（3）通過Web在線監控系統完成了各站場生產數據的實時發布，為管理部門、生產部門、調度部門和銷售部門提供實時數據，可隨時進行現場計量數據的實時分析和監控管理，達到對生產數據的優化管理。

2 結 論

天然氣計量技術的發展正在朝著自動化、智能化和遠程控制的方向發展，未來天然氣計量方式也將逐步從體積計量向能量計量過渡。

[1]SY/T 6658-2006用旋進旋渦流量計測量天然氣流量[S].

[2]GB/T 21446-2008用標準孔板流量計測量天然氣流量[S].

[3]蔣大旭,鄭開銀.天然氣自動計量教程[M].北京:中國計量出版社, 2005：346-362.

[4]劉忠.基于Modbus/TCP協議的以太網監控軟件的設計與實現[J].工業控制計算機，2008(2):6-7.

With the development of natural gas market and business,measuring technology appears to be more and more important.In order to reduce the production cost,strengthen the sale supervision,optimize measuring management,the natural gas production and sale factory in Zhongyuan oilfields constantly improve the measuring technology and gradually realize the fineness management of measurement.

natural gas;automatic measurement;PLC;flowmeter

張云（1962-），男，本科，現從事天然氣集輸及計量管理。

黃永場

2012-03-30