影響天然氣自動計量系統穩定性因素的探討

廖德云，張智，王存偉

（中原油田分公司天然氣產銷廠，河南濮陽457162）

隨著天然氣工業快速發展，天然氣作為一種高效清潔燃料和優質化工原料得到了廣泛的應用，天然氣計量已經成為制約天然氣工業發展的重要因素。隨著智能儀表、信息網絡和自動化技術的迅速發展，天然氣集輸站場建立了自動計量系統，提高了天然氣流量計量的準確性和計量工作效率。自動計量系統通常由智能化儀表、工業控制計算機、可編程控制器（PLC）或遠程終端控制系統（RTU）等設備組成。流量計量儀表種類眾多，有標準孔板流量計、渦輪流量計、旋進旋渦流量計、超聲流量計、羅茨流量計等。自動計量系統由于設計、施工、運行維護等原因，存在多種影響自動計量系統穩定性的因素，輕則影響計量的準確性，重則導致自動計量系統故障甚至癱瘓。

1 自動計量系統的構成

自動計量系統根據組成和功能可大致分為三個單元：參數檢測與變換單元、通信與連接單元、流量計算數據處理單元。

1）參數檢測與變換單元。參數檢測與變換單元主要是完成天然氣集輸過程中的工藝參數，如壓力、溫度、流量（差壓）和天然氣組分等的實時檢測并轉換成模擬或數字信號的儀表。該單元可以是一臺組合式多參數儀表，也可以由多臺具有不同功能的儀表組成。

2）通信與連接單元。通信與連接單元主要指將現場參數檢測和變換單元與控制室的數據處理單元連接起來的部分，包括通信連接電纜、模數轉換模塊、通信轉換模塊、數據采集模塊等。現場大量使用的RS-485卡、PCI多串口卡、RS485-RS232轉換模塊、頻率計數模塊、RTD轉換模塊、HART Modem等。

3）流量計算數據處理單元。流量計算數據處理單元主要指天然氣流量計算、數據處理、數據存儲等設備，如工業控制計算機，流量管理器，流量計算機，流量積算儀，PLC，RTU等，該部分主要安裝在集輸站場的中控室，還包括系統供電、網絡通信等設備。

這三個單元沒有絕對的區分界限，根據不同的計量儀表和系統可以進一步細分或組合。

2 影響自動計量系統穩定性的因素

自動計量系統大多采用智能化、集成度高的精密電子儀器儀表，但由于產品自身缺陷、系統設計不足、施工不規范、環境因素影響和運行維護不當等因素，因而導致自動計量系統無法正常工作。

2.1 參數檢測與變換單元

參數檢測與變換單元通常露天安裝在集輸站場，常年經受風吹日曬、雷雨閃電侵襲，需進行周期檢定、運行維護、操作調整等工作，如果設計、施工和維護不當，容易出現以下問題：

1）設計選型時儀器儀表的防爆和防護等級不適合現場安裝環境，導致儀器設備出現老化、腐蝕、進水而損壞。

2）天然氣中含水或油污，儀器設備不適合在該工況下運行，導致計量不準確，發生故障、損壞或無法正常工作。

3）流量計或儀表的工作范圍與天然氣流量范圍不匹配或天然氣流量變化幅度大，流量計超限運行、瞬間沖擊導致計量不準確，發生故障、損壞或無法正常工作。

4）現場流量計或儀表因接地不良、未采取防雷保護導致因雷擊或電涌而損壞。

5）流量計或儀表未按照操作規程進行操作或調整，發生超壓、超量或單向受壓等現象導致故障或損壞。

2.2 通信與連接單元

通信與連接單元的通信或采集模塊一般安裝在中控室，通過通信電纜相連接，電源或通信電纜一般采用沿電纜溝、挖溝埋地或穿管敷設。該單元易出現系統不穩定的主要因素：

1）通信和采集模塊缺乏防雷、防電涌功能或沒有采取防雷和防電涌保護，遭受雷擊和電涌而損壞。

2）通信電纜未采用屏蔽電纜，通信信號受外界干擾而不穩定或出現通信故障。

3）通信電纜與動力電纜近距離并行敷設而未采取屏蔽或保護措施，導致通信不穩定或出現通信故障。

4）通信電纜因施工不當或二次施工而出現破損，破損部位因受潮短路或雷擊電涌而導致通信信號不穩定或出現通信故障，甚至導致現場儀表和控制室設備損壞。

5）通信電纜未按要求可靠接地，導致系統不穩定或儀器設備損壞。

2.3 流量計算數據處理單元

流量計算數據處理單元除包括自動計量系統的硬件設備外，還包括系統軟件。主要出現以下幾個方面的問題：

1）流量計算機、工業控制計算機、PLC或RTU因防雷保護和防電涌措施缺失或保護不當而出現故障或造成損壞。

2）系統電源因防雷、防電涌保護措施缺失或保護不當導致系統供電故障或造成儀器設備損壞。

3）工業控制計算機的通信軟件、組態軟件存在缺陷或BUG，PLC和RTU的應用軟件設置不當或設計缺陷導致自動計量系統不穩定。

4）系統的網絡通信模塊出現故障，導致系統運行不穩定甚至數據無法遠傳。

5）計算機、RTU或PLC接入網絡或使用移動存儲受到病毒攻擊而出現故障或癱瘓。

6）現場儀表種類多，與中控室計算機或PLC的通信協議復雜，采集驅動或模塊出現兼容性問題而導致系統不穩定。

以上原因都會直接或間接導致自動計量系統運行不穩定甚至癱瘓，嚴重的可能導致安全生產事故。因此，自動計量系統在設計、施工和運行維護中都要嚴格按照標準和操作規程進行，否則影響天然氣的準確計量。

3 提高自動計量系統穩定性的方法

合理設計及選型，規范施工，及時維護并正確操作是保證計量系統穩定可靠的前提，主要考慮三個方面的問題。

3.1 合理設計及選型

儀器儀表、通信模塊、流量計算機、PLC系統等種類繁多，設計和選型時需要從現場工況、環境條件等方面綜合考慮：

1）天然氣中含水和油污時，首先考慮工藝部分加裝分離除塵等設備，保證經過流量計或計量儀表的天然氣滿足計量條件的要求。

2）流量計和儀表的選型需符合現場工況條件。如標準孔板流量計流量范圍窄，不適合流量變化范圍大的場合，可選用氣體渦輪流量計、氣體超聲波流量計和腰輪流量計等；現場高頻振動、電磁干擾和噪聲的場合應避免選用氣體超聲波流量計、旋進旋渦流量計等；氣體超聲波流量計應避免在其上游安裝調壓和節流設備。

3）系統設計時兼顧資金投入的同時需保證系統電源防護、防雷和防電涌等保護措施的配備。

4）滿足現場工況條件的情況下，盡量選擇通信協議相同、穩定性高的產品，減小系統的復雜性和維護難度，提高系統互換性。

5）系統的軟件設計充分考慮兼容性問題，避免系統出現故障。

6）盡量選用PLC或RTU，避免使用工業控制計算機來進行數據處理和網絡通信等，提高系統的穩定性。

7）自動計量系統都設有UPS等不間斷電源，而儀表系統的電源多采用12 V（DC）和24 V（DC）。隨著直流電源技術的發展，自動計量系統的電源可采用直流UPS技術，無逆變切換，消除了UPS的諧波干擾，提高了系統的穩定性和安全性。

3.2 規范施工

自動計量系統在建設過程中要嚴格按照標準做好施工監護和驗收工作，避免因施工不當而影響系統的穩定性和安全性，對系統影響較大的6個方面：

1）信號電纜與具有強電場和強磁場的電器設備和電纜之間的距離應大于1.5 m，帶屏蔽的信號電纜穿金屬保護管時距離應大于0.8 m；不同電壓等級的電纜不應敷設在同一電纜槽或保護管內或采取金屬管隔離措施。

2）電纜敷設嚴格按照規范要求施工。埋地敷設電纜埋深大于70 cm，而且要埋于凍土層以下，上下鋪100 mm厚的沙子，沙上蓋一層磚或混凝土護板，覆蓋寬度不小于電纜邊緣的50 mm；穿管敷設電纜。

3）自動計量系統根據需要設置保護接地、信號回路接地和屏蔽接地，并保證接地可靠，接地電阻符合標準要求。PLC系統的接地電阻應小于4Ω。

4）系統的防雷防電涌設備按要求安裝到位，并保證可靠接地，接地電阻應小于1Ω。

5）流量計或儀表嚴格按照相關標準安裝施工，避免安裝不規范、應力和其他因素影響其穩定性和準確度。

6）控制室計算機和PLC等設備應可靠接地。

3.3 及時維護并正確操作

1）流量計或儀表嚴格按照要求進行周期檢定，以保證計量準確可靠。

2）定期檢測系統防雷接地系統的接地電阻、防雷和防電涌模塊性能。

3）定期對自動計量系統的儀器儀表、采集模塊、PLC和工業控制計算機等進行維護。

4）流量計或儀表的操作嚴格按照操作規程進行操作。如渦輪流量計、腰輪流量計在啟停操作時要緩慢，嚴禁猛開猛關，避免出現倒流。差壓變送器避免單向受壓。

4 結束語

天然氣集輸自動計量系統快速發展的同時，也給計量管理和技術人員帶來挑戰，管理和技術人員必須從設計把關、施工監護、運行維護等多方面入手，全方位管理，才能保證自動計量系統的穩定可靠和計量數據準確。

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