天然氣自動計量系統研究

蘇仕維，謝 偉，秦 漢，李祎涵，陳俊杰

（中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司川東北氣礦，四川達州 635000）

1 天然氣的計量及其自動計量系統的構成

1.1 天然氣計量的基本概念

當溫度和壓力發生變化時，天然氣的體積也會隨著發生變化，在不同的狀態和條件下所測得的天然氣按體積計量有不同的值，不利于準確的計量。因此，需要規定出標準狀態從而方便計量。我國將溫度為293.15K、壓力為0.101 3Mpa（一個標準大氣壓）的狀態規定為天然氣計量的標準狀態。立方米每小時和立方米每日是我國行業常用的天然氣計量單位。

根據天然氣本身的特性以及流體計量的基本方法，通常有：利用節流前后壓差計算流量的高級孔板流量計、依據流過流量計天然氣的體積測定其流量的腰輪（羅茨）氣體流量計、通過流速和流量之間的線性關系確定流量的文丘里流量計以及超聲波流量計等。

1.2 天然氣自動計量系統的基本原理—以高級孔板流量計為例

傳統的天然氣或者其他流體通常的計量原理都與差壓、靜壓、溫度、體積等參數有關，而天然氣的自動計量也是基于這個基礎原理，并通過自動控制系統和計算機軟件輔助來完成自動化計量。通常，高級孔板流量計與智能二次儀表在計算機輔助控制的形式下構成的天然氣自動計量系統是應用最為廣泛的一種天然氣自動計量系統的模式。它由高級孔板閥、流量計算機以及中間過程連接部件組成。流量計在施工安裝投入使用前各項配置的檢測通過流量計配置軟件來完成，通過節流的方式取得壓差，引壓管高壓側為靜壓，軟件根據孔板流量計的硬件采集的有關靜壓、差壓、溫度、氣體組分等數據，結合孔板孔徑和管徑等參數計算出流量大小，完成自動計量的過程，以流體流動節流原理，通過能量守恒和流動連續性方程來完成相關的天然氣流量計算。因此，在以高級孔板流量計為基礎的天然氣自動計量系統中，主要依賴孔板流量計的相關硬件完成數據采集，傳輸到軟件的計算系統中，流量計算軟件通過采集的數據結合相關原理和公式完成流量的計算。

2 天然氣自動計量系統有哪些常見的運行故障以及如何維護

2.1 硬件設施中電源損壞或故障

一般情況下儀表使用的是24V直流電源，而流量計算機使用的是220V交流電源。在交流電源出現故障的時候，變現出來以下兩者情況。情況一：檢查供電系統一切正常，但是計量系統無法工作；情況二：進行相關數據處理的計算機停止運行，但系統中其他部分正常工作。對于上述兩種不同的故障表現形式有著各自不同的處理辦法。首先對于情況一，通常第一步要做的工作是檢查插頭是否插穩，設備的主開關是否閉合，在符合這兩個條件的情況下，需要對不間斷電源系統的工作情況排查，檢查不間斷電源系統的輸出電壓，保證其正常通電，電壓值出現問題時就是故障所在。對于情況二，第一步工作是檢查插座和開關，在供電良好的情況下去判斷計算機中是否有相關部件損壞的問題，計算機的主板和散熱器在交流電源發生故障時很容易出現問題，主板對于電信號的處理能力也是有限的，有條件的情況下可以單獨拆出主板進行檢測。

另外，通常組態軟件的內容有流量大小、壓力值、管徑和溫度等，在自動計量系統運行過程中作為基本的信息提供給控制計算機進行數據的處理和分析，當現場儀表的24V直流電源出現問題的時候，組態軟件所顯示的界面中各種數據都不再隨著天然氣的用量發生相應的變化。直流電源的故障很多情況下是由于變送器的相關問題導致的，如果變送器沒有顯示，可以判斷變送器本身或者供電出現了問題，需要進一步檢查直流電源的電流和電壓大小。這一步檢測中用到的儀表是萬用表，如果其指針未發生變動則說明系統中的電路有某個部分發生了斷路導致了故障的發生，需要及時采取檢修措施，如果電壓數值為零則表明了電源的輸出故障，因此還需要進一步檢測電源的情況；如果萬用表測得的電壓和電流的數值均正常時，表明此時變送器本身出現了問題，需要進一步檢查變送器或者對故障變送器進行更換。

2.2 自動計量系統無法進行小流量計算

當天然氣使用處于低峰期時，管道中天然氣的流量非常小，會出現小流量無法計量的情況，但是不能忽略，積少成多會使得計量漏失的情況變嚴重。一般情況下這類問題主要表現為天然氣小流量時，計量儀表的數值不敏感，無法實現信息采集，通常問題出現主要是因為天然氣自動計量系統的信號切除值太大。最好的維護辦法是根據不同的時間段和地區，對信號切除值的數值進行相應調整，使得盡量不產生計量漏失或者計量誤差。

2.3 軟件設施中人機界面出現無法顯示的問題

人機界面無法顯示任何的數據，但是儀表的運行沒有出現問題，是這一類情況的基本特征。人機界面不屬于系統的硬件設施，這類軟件需要相關的驅動程序完成驅動才能正常工作，因此，在檢查故障原因時第一步先判斷驅動程序的運行情況，若驅動程序中的更新沒有暫停，則說明組態軟件出現了問題，需要對人機界面的軟件進行重啟恢復，只是數據的顯示出了問題，關于天然氣的計量還是準確的；另外，有可能出現天然氣自動計量系統的驅動軟件無法運行的情況，驅動程序中的更新暫停，那么人機界面的軟件上的數據也不會顯示，需要相關專業人員來對界面的運行進行調試，修改人機界面組態軟件的內存設置，但是由于驅動程序在恢復之前沒有對流量進行計量使得數據的準確性出現問題，因此，最后的工作應該是對流量計量數值進行修正。

3 如何優化天然氣自動計量系統的穩定運行

3.1 更加嚴謹的設計和選型

不同的工況條件以及不同的條件下，對于自動計量系統本身的穩定性肯定是有影響的，需要根據不同的實際情況來設計系統，不可一概而論。比如說當流量變化范圍較大的時候，用孔板流量計來組成自動計量系統就顯得比較不合理，此時應該用氣體渦輪流量計代替就會很好地解決這個問題。天然氣的成分和純度會由于地區不同而有所不同，對于雜質較多的天然氣，應該設計除塵分離裝置。另外，為了提高電源的穩定性，對于不間斷電源系統的優化需要做到更好，在電源運行時對其進行相應的定期切換，使得其他的電磁波不會干擾其正常工作，從而保證安全運行。

3.2 相關工作人員做好對系統的規范操作

首先，電氣設備和電纜之間有一個安全距離，需要將這個距離保持在1.5m以上，要求較高的電纜會設置信號屏蔽的金屬保護套管，這時安全距離縮短至0.8m以上。其次，對于系統的接地措施需要完善好，PLC的接地阻值上限一般為4Ω，另外防雷接地的要求更高，應該為1Ω。這些在距離和阻值的設置方面的相關要求，需要工作人員在施工安裝操作時嚴格按規范操作。再者，對于天然氣自動計量系統，需要專業人員隔一段時間做檢修維護工作，有利于其長期穩定運行，增加使用年限。要求計量系統操作人員嚴格按照規范操作，還需加強操作人員的技能培訓。

4 結束語

我國的天然氣自動計量系統目前的技術已經相對成熟，其運行和維護的措施也比較完善。天然氣的自動計量在生產和運輸天然氣的環節中都起到了很關鍵的作用，在我國不斷實現能源結構轉型的當下，天然氣的準確計量有利于推動天然氣的廣泛利用，使得上下游結算更為精準，在管道輸送過程中能夠更好地完成對接工作，為天然氣行業的進一步發展奠定基礎。