天然氣站場運行參數測量優化研究與實現*

傅敏 伍淑輝 宋曉健 范勁松

1西南油氣田公司燃氣分公司

2西南油氣田分公司重慶氣礦

天然氣作為綠色環保能源應用越來越廣泛，它比空氣輕，相對密度小、熱值高，與空氣混合時遇明火或靜電火花會發生爆炸，爆炸極限為5.0%～15.0%，其易燃易爆等特性導致天然氣生產站場屬于不安全的處所[1]。而天然氣壓力、溫度的測量數據作為流量計算、生產運營過程監控的重要參數，直接反映該測量系統、生產站場的運行狀態。根據爆炸性環境設備通用要求的相關規定，天然氣站場壓力、溫度的測量設備必須符合ⅡA類電氣設備的要求。

1 測量現狀

目前天然氣站場主要采用壓力變送器或數字壓力計、熱電阻和溫度變送器等測量設備對生產過程中的壓力、溫度參數進行測量和控制。因為天然氣具有易燃易爆等特性，所以天然氣集輸站場壓力、溫度測量系統中的儀表、儀表線路、電氣設備及材料都應符合防爆要求。天然氣生產現場大量采用本質安全型儀表，其安裝和敷設應滿足本質安全回路[2]要求：回路中安全柵、隔離器等關聯設備的安裝位置應在安全場所一側（圖1），以達到本質安全防爆要求和降低功耗作用。一般在控制室設置專用的儀表端子柜（圖2），現場每一個測量點的儀表通過鎧裝線纜一一對應連接到儀表端子柜相應設備上。

圖1 現場測量儀表安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram for field measuring instrument installation

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

1.1 測量系統信號通信

目前天然氣生產現場能實現通信的壓力測量儀表大多采用HART 協議，少部分采用Brown 協議。溫度測量儀表中，一體化溫度變送器采用HART協議，熱電阻和熱電偶采用電纜線將電阻和電壓信號傳輸至溫度變送器后采用HART協議通信，都是支持的模擬信號通信（圖3）。測量點本質安全回路組成為：測量儀表（電流信號、電壓信號或電阻信號）—SPD（保持原信號形式）—ISB（電壓信號）—模擬/數字（A/D）轉換模塊（數字信號）—上、下位系統或支持數據遠傳網絡（IP/TCP）。

目前天然氣生產現場多采用星型拓撲結構的局域網[3]，其結構相對簡單，便于管理，建網容易，是目前局域網普遍采用的一種拓撲結構。使用雙絞線為傳輸介質，將電流、電壓和電阻信號傳輸至儀表端子柜。每臺測量儀表通過各自的線纜連接到端子柜上，某根電纜出現問題時只會影響到一個測量回路的信號傳輸。但針對測量點多的站場，星型拓撲結構的局域網電纜敷設較為繁雜，端子柜的接線端子、本質安全回路配套的隔離式安全柵（或溫度變送器）和A/D轉換模塊因一一對應關系，需求量相應增加。

1.2 檢定和現場校準

為了保證測量的準確性，在測量設備投用前應進行首檢，在使用過程中按周期或管理制度進行測量系統相關設備的現場校準。壓力測量系統相關設備在使用中進行現場校準時，分別對壓力傳感器、ISB、A/D 轉換模塊進行校準，再校準整個壓力測量回路，根據測量點所在的計量系統確定其準確度。

同理，溫度測量系統相關設備在使用中進行現場校準，溫度傳感器（熱電阻或熱電偶）、一體化溫度變送器在實驗室進行室內檢定，現場的隔離式安全柵[4]（或溫度變送器）、A/D轉換模塊和壓力測量系統的檢定方法相同。

圖3 測量系統模擬信號通信示意圖Fig.3 Simulated signal communication diagram of measurement system

1.3 測量系統不確定度影響

1.3.1 壓力測量

以某一處壓力測量點為例，使用準確度為0.2%的壓力變送器，配套準確度為0.1%的ISB和準確度為0.1%的A/D轉換模塊，完成該壓力測量點的數據測量、采集、轉換、傳輸。其測量過程的不確定度影響分析如下[5]：

壓力測量點使用準確度為0.2%的壓力測量儀器，由此引出的不確定度分量u1按均勻分布計算

數據傳輸過程中信號轉換的不確定度由準確度為0.1%的ISB 和準確度為0.1%的A/D 轉換模塊形成，由ISB引出的不確定度分量u2按均勻分布計算

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

因為不確定度分量均不相關，故其合成標準不確定度ur的計算為

其擴展不確定度為：U95=0.30%，k=2。

1.3.2 溫度測量

（1）以某一處溫度測量點為例，使用最大允許誤差（MPE）為±0.5 ℃的一體化溫度變送器，配套準確度為0.1%的ISB和準確度為0.1%的A/D轉換模塊，完成該溫度測量點的數據測量、采集、轉換、傳輸。其測量過程的不確定度影響分析如下：

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

數據傳輸過程中信號轉換的不確定度由準確度為0.1%的ISB 和準確度為0.1%的A/D 轉換模塊形成。

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

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

因為不確定度分量均不相關，故其合成標準不確定度ur的計算為

其擴展不確定度為：U95=0.60%，k=2。

（2）同樣的溫度測量，使用MPE 為±0.5 ℃的溫度傳感器，配套準確度為0.2%的溫度變送器和準確度為0.1%的A/D轉換模塊，完成該溫度測量點的數據測量、采集、轉換、傳輸。其測量過程的不確定度影響分析如下：

溫度測量點使用MPE為±0.5 ℃的溫度傳感器（溫度測量范圍-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）計算，得u1=0.29%。

數據傳輸過程中信號轉換的不確定度由準確度為0.2%的溫度變送器和準確度為0.1%的A/D 轉換模塊形成。

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

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

因為不確定度分量均不相關，故其合成標準不確定度ur的計算為

其擴展不確定度為：U95=0.64%，k=2。

2 測量過程優化研究

通過對測量現狀的分析，影響測量結果準確性的關鍵在于測量過程儀表、信息傳輸過程和信號轉換過程的準確度。

目前現場本質安全回路中使用的壓力測量設備多采用諧振式、電容式和壓阻式的壓力變送器，其準確度等級已達到0.2 級以上；溫度測量多采用鉑電阻作為傳感器，準確度也達到A級，一體化溫度變送器的準確度為0.2級；信號隔離器為0.1級，A/D 轉換模塊的有效位超過12 位，準確度也達到0.1級。隨著傳感器技術、電子技術和嵌入計算機芯片等技術的發展，更高精度的測量儀表也逐步從特殊領域專用向市場化普及，但傳感器[6]精度越高其成本也越高。

近幾十年來數字通信的迅速發展，為工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信，以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞提供了有效的解決方案?，F有本質安全回路信號傳輸均采用模擬信號傳輸，以數字信號替代了傳統4～20 mA[7]、1～5 V[8]模擬信號 傳輸，可有效保證數據傳輸無精度損失。

綜上所述，在保證測量結果精度前提下，通過改變測量底層數據通信方式，即應用現場總線實現天然氣現場測量信息和上位系統的全數字、雙向通信；將SPD、ISB 等相關功能模塊微型化、集成化，形成符合本質安全要求的信號傳輸回路，是實現優化測量過程簡單、可靠、經濟實用的解決方案。

3 實施方案及應用效果

3.1 實施方案

3.1.1 通信方式

用數字信號替代模擬信號傳輸，測量用儀表在傳感器輸出后直接將電壓和電阻信號轉換為數字信號，通過數據總線傳輸至中央處理器進行計算和數據處理，后續過程均以數字信號方式輸出，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，使其符合本質安全要求的信號傳輸回路，如圖5 所示。采用一體化高浪涌防護隔離收發器實現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現電路防浪涌。

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

3.1.3 線路敷設

根據現場測量點分布情況，采用總線型拓撲結構替代模擬信號通信采用的點對點星型拓撲，通信介質為同軸電纜，如圖6所示。其主要特點為：易于布線和維護；線纜結構簡單，可靠性高；新增節點可在總線的任何點將其接入；總線型網絡的安裝比較簡單，對技術要求不高。

3.2 應用效果

3.2.1 保證測量精度

利用數字信號傳輸無精度損失的特性，從傳感器輸出就采用24 位模數轉換器（ADC）進行轉換，實現數字信號傳輸[9]，且按本質安全回路要求將具有SPD、ISB 功能的浪涌隔離收發器、光耦合器高度集成于儀表一體。新型測量儀表本身既滿足爆炸性環境設備通用要求，又具有測量系統的功能，其不確定度僅來源于傳感器的準確度。使用準確度為0.2%的壓力傳感器，壓力測量的標準不確定度為0.12%；使用MPE 為±0.5 ℃的溫度傳感器（量程100 ℃），溫度測量的標準不確定度為0.29%。

圖6 測量數字信號總線拓撲示意圖Fig.6 Topological schematic diagram for measuring digital signal bus

3.2.2 減少儀表維護工作量

為了保證測量數據的合法性，現場儀表需按規定周期進行校準。以1個測量點為例，傳統的測量系統需要對單表、隔離器、ADC分別進行校準，再對測量回路進行聯校；優化后只需對新型儀表進行校準，校準由以前的四個環節變成現在的一個環節，所需攜帶校準標準設備和校準工作量都減少了。

3.2.3 降低建設成本

線路敷設用總線型[10]拓撲替代傳統的星型拓撲，5 芯鎧裝線纜替代7 芯鎧裝電纜，新增節點可在總線的任何點接入，數據節點都連接在一個公共的通信介質上，減少了電纜長度，節約了安裝費用，且易于布線和維護。

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，符合本質安全回路的儀表端子柜只需配置多協議轉換器和24～36 V穩壓電源，縮小了占地空間，更利于控制室管理。

4 結束語

天然氣運行參數壓力和溫度的測量過程優化，主要是利用傳感器技術、電子技術和嵌入計算機芯片等技術，在滿足本質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 轉換直接輸出數字信號，既可以減少測量過程中因信號轉換產生的準確度損失，又可以減少測量設備維護工作量，從而達到優化天然氣壓力、溫度的測量過程，保證測量準確度，降低生產成本，提高管理效益的目的。