天然氣商業計量系統信號干擾問題的分析與改造

李 磊

（中海石油（中國）有限公司上海分公司）

某天然氣商業計量系統正常運行6年后，出現了溫度和壓力值頻繁跳變的現象。實踐中，如果儀表信號干擾出現在項目投運后期，且無新增外部干擾因素的情況下，應重點考慮電源、卡件及儀表等電子設備以及線路老化造成漏電干擾的可能性。本案例中，計量系統A/B出現首次信號干擾現象相差33天，符合設備老化造成回路干擾的特點。

在中控操作站調取壓力和溫度數據趨勢，分析造成計量系統信號干擾的主要因素，對信號傳輸方式和電源供電部分進行改造，以期解決信號干擾的問題。

1 天然氣商業計量系統及干擾情況簡介

天然氣商業計量系統（簡稱計量系統）主要由流量變送器（FT）、壓力變送器（PT）、溫度變送器（TT）、色譜分析儀和流量計算機構成。流量計算機負責天然氣的壓力和溫度補償計算，計算標況流量、累積流量及熱值等數據，并將相關計量數據傳至DCS，在中控操作站顯示。

天然氣商業計量系統構成如圖1所示，PT、TT信號線并聯，計算機通信卡通過HART協議實時采集PT、TT數據；當HART采集PT信號中斷時，計算機鎖定Keypad值35bar（1bar=100kPa）參與流量補償計算；當HART采集TT信號中斷時，計算機鎖定Keypad值20℃參與溫度補償計算。

圖1 天然氣商業計量系統構成簡圖

計量系統A/B在正常投運6年后，相繼出現溫度和壓力值頻繁跳變現象，直接導致外輸天然氣標況流量值跳變，對天然氣計量的穩定性和準確性造成極大影響，極易導致商業糾紛。為此，在中控操作站調取壓力和溫度數據趨勢并進行分析。

2 干擾因素分析

2.1 回路外部干擾因素排查

對全廠區域大電流和變頻器設備運行情況進行梳理，未發現大電機啟動或變頻器運行與計量系統信號干擾在時間上的一致性。

計量系統設計安放在遠離變頻器、變壓器等易產生電磁干擾的電氣設備的位置。

計量機柜置于中控機柜間，出現信號干擾前后中控機柜間和現場流量計量區域未新增電氣設備和線路。

計量系統周邊不存在熱輻射、振動等外部因素。

因此，可以初步排除回路外部干擾因素。

2.2 回路內部干擾因素排查

變送器本身故障排查。發生通信中斷或數據跳變時，現場變送器PT和TT表頭顯示正常；現場變送器備件替代測試，信號干擾頻率并無明顯變化。因此可以初步排除變送器本身故障造成的干擾。

信號線路故障排查。信號線并非干擾源，但施工安裝不規范會造成信號回路抗干擾能力下降，因此必須詳細檢查信號線路。檢查信號線間絕緣是否合格。檢查雙絞信號線屏蔽單點接地是否合格。檢查信號線對地絕緣的方法是：其中PT的“+”信號線對地電阻偏低，因此對PT、TT信號回路共“+”接線端由機柜側改為現場側，拆除PT“+”信號線后，溫度信號通信中斷問題明顯改善，但壓力信號跳變現象并沒有太大的改變。因此，可以確定信號線對地絕緣低為信號干擾的原因之一。

計算機通信卡件通道干擾排查。現場未配備計算機通信卡件備件，無法進行替代測試。

電源干擾排查。現場不具備條件對電源增加濾波器來測試信號干擾情況是否有所改善。于是，更換計量機柜內備用電源模塊，但信號干擾現象并未改善。

考慮到電源多負載干擾疊加的影響，做如下測試：用兩個獨立的24V（DC）電源模塊分別給流量計和計算機供電。經測試，計量系統5天內僅出現2次信號干擾（壓力值跳變為0）。因此，判斷流量計和計算機的電源獨立設計可以減弱大部分干擾。

3 跳變數據統計分析及相關測試

對中控操作站調取的壓力和溫度數據趨勢進行分析，統計的跳變異常數據和初步分析結果見表1、2。

表1 異常壓力值數據分析

表2 異常溫度值數據分析

3.1 HART通信中斷原因分析

電源電壓過低。經檢查，溫度、壓力變送器表頭電壓21V，提高回路電壓并未有效改善通信中斷和跳變現象，因此可以排除電源電壓過低的問題。

信號電纜電容過大。針對電纜長度和電纜電容對HART通信的影響，做如下測試：溫度、壓力變送器均放置于機柜內，通過臨時電纜連接至計算機通信卡進行測試，測試結果表明數據跳變問題明顯改善，根據測試結果可以初步得出兩個結論：

a.信號電纜長度是影響HART通信可靠性的主要因素之一，電纜電容因電纜長度增加而增大，當電纜電容接近或大于HART通信設備最大電容時，會直接影響HART通信；

b.計量機柜內部電子設備是造成信號干擾的主要因素之一。

信號干擾。已排除信號回路外部干擾和變送器故障；唯獨計算機通信卡通道干擾未做排查。

3.2 儀表信號傳輸方式的改造測試

根據異常數據的統計分析發現，有一種數據跳變現象：計算機讀取的壓力值實際是溫度檢測值。在排除PT、TT變送器故障，PT、TT變送器HART通信地址設置錯誤，信號線絕緣和屏蔽不合格的基礎上，可初步判斷此種數據異常情況為通信卡故障所致。

相比mA標準信號傳輸方式，HART協議數據采集對回路電壓、電纜電容、絕緣和屏蔽的要求更高，HART通信的抗干擾能力較弱。因此，在儀表設備和控制系統均支持HART協議的情況下，可以采用mA標準信號進行數據實時采集，此時HART通信主要完成對智能設備進行組態、調試、標定及診斷等工作。鑒于HART通信與mA標準信號傳輸的特點，對HART通信信號傳輸改造為mA標準信號傳輸進行相關測試。首先增加計算機的模擬量卡，改造PT、TT信號回路接線，實現PT、TT信號的模擬量傳輸。測試中，計量系統一天內出現1次信號干擾，因此可以初步確認計算機通信卡是造成計量系統信號干擾的主要因素之一。

4 雙措施改造

鑒于對干擾因素的排查及相關抗干擾措施的測試，決定對天然氣商業計量系統同時施加兩項措施加以改造。如圖2所示，由兩個獨立的24V（DC）電源模塊分別給流量計和計算機供電，壓力和溫度信號的傳輸方式由HART通信改為mA標準信號傳輸方式。

改造后，測試表明壓力和溫度值跳變現象消除，至今再未發生過計量系統壓力和溫度信號跳變現象，提高了外輸計量系統的穩定性和抗干擾能力。

圖2 改造后的計量系統簡圖

5 結束語

天然氣商業計量系統運行過程中，如果儀表信號干擾出現在項目投運后期，且無新增外部干擾因素的情況下，應重點考慮電源、卡件及儀表等電子設備以及線路老化造成漏電干擾的可能性。

相比mA標準信號傳輸，HART協議數據采集對回路電壓、電纜電容、絕緣和屏蔽方面的要求更高，在實踐中，HART通信的抗干擾能力差。因此，在實踐中要綜合考慮選擇儀表信號傳輸方式，在降低電纜鋪設成本的同時，要顧及信號傳輸的穩定性與可靠性。

該天然氣商業計量系統實施改造措施后，至今再未發生過計量系統壓力和溫度信號跳變問題，為避免商業糾紛提供了保證，提高了天然氣外輸計量系統的穩定性和抗干擾能力。