天然氣儲配站流量計算機(jī)系統(tǒng)的改進(jìn)研究

天津泰達(dá)濱海清潔能源集團(tuán)有限公司 鄧鐵強(qiáng)

在能源日漸緊缺的背景下，準(zhǔn)確計量是加強(qiáng)天然氣等能源管理的重要手段。在天然氣儲配站，需要利用流量計算機(jī)系統(tǒng)開展流量測量工作。天然氣儲配站流量計算機(jī)系統(tǒng)能夠完成數(shù)據(jù)采集，流量計算和網(wǎng)絡(luò)通信等多項功能，并提供了豐富的人機(jī)交互能力，用戶權(quán)限機(jī)制以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。但就目前來看，系統(tǒng)測量精度將受到多重因素影響，因此需要加強(qiáng)系統(tǒng)改進(jìn)，提高天然氣計量精度，保證能源供應(yīng)的穩(wěn)定性。

1 天然氣儲配站流量計算機(jī)系統(tǒng)問題

天津濱海輸氣儲配站流量計算機(jī)系統(tǒng)在對天然氣流量進(jìn)行測量時，由于天然氣流量將會不斷變化，節(jié)流壓差也存在一定差異，需要根據(jù)生產(chǎn)需求進(jìn)行儀表量程調(diào)整，難以依靠單套測量儀表系統(tǒng)完成量程實時轉(zhuǎn)換。為解決這一問題，流量計算機(jī)系統(tǒng)通過多套不同量程儀表開展測量工作，即通過溫度、壓力和壓差三類變送器實現(xiàn)狀態(tài)參數(shù)測量，然后利用計算機(jī)遠(yuǎn)程終端RTU或PLC控制器選擇最佳參數(shù)值，啟動流量測量支路邏輯，完成天然氣流量計算。但從系統(tǒng)應(yīng)用情況來看，系統(tǒng)運(yùn)行期間測量精度容易受到壓力、溫度、氣體密度、流量系數(shù)等多種因素的影響，部分因素帶有一定不確定性，在能源管理要求日漸提高的背景下，系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足精確計量要求，因此需要通過改進(jìn)系統(tǒng)計量方法提高儲配站運(yùn)行效率。

2 天然氣儲配站流量計算機(jī)系統(tǒng)改進(jìn)

2.1 計量原理

改進(jìn)流量計算機(jī)系統(tǒng)，需要認(rèn)識到儲配站將接受不同氣源來氣，經(jīng)過凈化、加臭處理后儲存，開展計量、氣質(zhì)檢測和氣量分配等工作，通過控制供氣壓力維持輸配管網(wǎng)供氣與需氣平衡。不同氣源開井?dāng)?shù)不同，輸送的混合氣密度并不固定，容易影響天然氣計量精度。結(jié)合系統(tǒng)計量原理可以得知溫度、壓力等因素也將影響計量精度。在系統(tǒng)測量校準(zhǔn)過程中，以壓差計量為例，在現(xiàn)場狀態(tài)參數(shù)采集過程中，在溫度變送器、靜壓變送器上電的同時，10kPa、400kPa和1000kPa量程壓差變送器HL1、HL2、HL3同樣處于運(yùn)行狀態(tài)。上述變送器都會向天然氣流量計算模塊輸入?yún)?shù)，經(jīng)模塊運(yùn)算后獲得瞬時流量。計算模塊負(fù)責(zé)將現(xiàn)場采集參數(shù)值與允許準(zhǔn)確度極限值進(jìn)行比較，從中選擇符合要求參數(shù)值，確保測量準(zhǔn)確度達(dá)標(biāo)。在采用多套流量測量裝置的情況下，需要設(shè)計自動啟閉測量支路，根據(jù)儀表量程、準(zhǔn)確度等級等進(jìn)行判斷。通過引入半導(dǎo)體芯片和設(shè)計系統(tǒng)主程序，能夠在上電后先讀取HL1狀態(tài)參數(shù)，確定是否超出量程，超出量程直接關(guān)閉支路，并開始讀取HL2狀態(tài)值，判斷是否超出量程。在HL2超量程時，讀取HL3狀態(tài)值，判斷是否超出量程。在未超量程情況下，統(tǒng)一執(zhí)行中斷程序，判斷是否超出測量精度限值，超出將關(guān)閉支路，在規(guī)定值范圍內(nèi)將執(zhí)行流量計算操作。在實際分析的過程中，如果HL1、HL2、HL3準(zhǔn)確度均達(dá)到0.05，測量狀態(tài)參數(shù)應(yīng)達(dá)到0.2%的準(zhǔn)確度，說明儀表最小壓差值分別為2.5kPa、10kPa和25kPa。完成HL1數(shù)值讀取后，狀態(tài)參數(shù)比規(guī)定最小值2.5kPa，會將對應(yīng)支路關(guān)閉。如果狀態(tài)參數(shù)比量程大且不小于規(guī)定最小值，參數(shù)值將進(jìn)入模塊計算。按照HL2、HL3各種規(guī)定最小壓差值進(jìn)行判斷，能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)支路啟閉控制，決定參數(shù)是否參與運(yùn)算。在自動化測量和校準(zhǔn)過程中，通過配備不同量程儀表對狀態(tài)參數(shù)值進(jìn)行測量，并設(shè)計相對應(yīng)的多條測量支路。

2.2 改進(jìn)方法

將有關(guān)知識和自動控制理論結(jié)合在一起，用軟件替代硬件進(jìn)行天然氣計量，能夠根據(jù)變量間的數(shù)學(xué)關(guān)系從中篩選出影響計量精度的重要變量，通過在線自動校正實現(xiàn)精準(zhǔn)測量，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)計量效果的目標(biāo)。根據(jù)天然氣流量測量標(biāo)準(zhǔn)（SY/T6143-2004）可知，采用孔板流量計能夠得到：

式中，Qn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣流量；Ah是根據(jù)狀態(tài)確定的常數(shù)；a為流量系數(shù)；d為孔板開孔直徑；FG指的是相對密度系數(shù)；ε則為流束膨脹系數(shù)；FZ是超壓縮因子；FT為溫度系數(shù)；P1為孔板上游側(cè)取壓口絕對靜壓；hw為孔板前后壓差。對各變量展開分析可以發(fā)現(xiàn)，開孔直徑、流量系數(shù)等可以根據(jù)流體性質(zhì)、孔板狀況等確定，數(shù)值≤1，不會給計量精度帶來較大影響。相比較而言，相對密度系數(shù)因氣源差異可能存在較大差異，天然氣相對密度是在相同壓力和溫度下天然氣的密度與空氣密度之比，是一個無量綱的量，如在天然氣相對密度達(dá)到0.6時，對應(yīng)相對密度系數(shù)將達(dá)到1.3左右，對計量結(jié)果影響最大，需要通過在線分析和實時校準(zhǔn)提高精良精度。而通過引進(jìn)采集控制模塊配備半導(dǎo)體芯片、32位雙核處理器的串口屏、編寫KeiluVision5環(huán)境系統(tǒng)主程序等先進(jìn)技術(shù)，可以實現(xiàn)改進(jìn)流量計算機(jī)內(nèi)溫度、壓力等計量影響因素，能夠科學(xué)開展天然氣計量工作，提高儲配站的輸配氣能力，通過提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)獲得更高競爭力，為儲配站帶來更多經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 硬件設(shè)計

結(jié)合系統(tǒng)改進(jìn)思路，需要將系統(tǒng)劃分為下位機(jī)采集和上位機(jī)管理兩部分，前者負(fù)責(zé)采集壓差信息，并傳輸至微機(jī)控制器展開分析，根據(jù)最新參數(shù)完成流量信息計算，然后上傳至遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)。而上位機(jī)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供氣源信息，通過遠(yuǎn)程終端實現(xiàn)全部數(shù)據(jù)自動運(yùn)算分析，并實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控。系統(tǒng)根據(jù)相對密度參數(shù)，可以調(diào)整對應(yīng)系數(shù)，實現(xiàn)流量運(yùn)算結(jié)果自動校準(zhǔn)。在現(xiàn)場壓差等數(shù)據(jù)采集上，考慮到部分用戶用氣量不穩(wěn)，為滿足儲配站生產(chǎn)需求，需要配備多套流量測量裝置，設(shè)計自動啟閉流量測量支路。實際在硬件設(shè)計上，采用模塊化設(shè)計方式，將硬件電路劃分為數(shù)據(jù)采集、控制中心和終端控制三部分。在數(shù)據(jù)采集方面，需要布置差壓變送器和孔板設(shè)施，實現(xiàn)壓差信號采集和傳輸。控制中心為核心部分，需要配備半導(dǎo)體芯片，擁有Cortex-M4內(nèi)核，可達(dá)168MHz工作頻率，提供多個通信接口和定時器。通過以太網(wǎng)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)通信傳輸。模塊擁有信號采集電路，能夠完成壓差信號放大、濾波等處理過程。在現(xiàn)場采集信號時，采用配備32位雙核處理器的串口屏，改進(jìn)項目所用串口屏是集TFT顯示驅(qū)動、圖片字庫存儲、GUI操作、音頻播放及各種組態(tài)控件于一體的串口顯示終端，工作頻率能夠達(dá)到400MHz，安裝FreeRTOS系統(tǒng)支持多任務(wù)實時操作，利用RS485電路通信。各模塊將在控制中心操縱下工作，在主芯片上電后，會立即運(yùn)行初始化程序，等待運(yùn)行指令。接收到指令后，將根據(jù)井口編號獲取對應(yīng)產(chǎn)量信息。確認(rèn)收到信息后，將對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行更新，驅(qū)動采集模塊實現(xiàn)信號采集，并驅(qū)動終端模塊運(yùn)行，通過串口屏顯示信息。未獲取新的信息，按原本設(shè)定參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，顯示原有數(shù)據(jù)。對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、分析和計算，并上傳至遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，能夠判斷是否存在流量數(shù)據(jù)異常。如果存在異常，系統(tǒng)將自動發(fā)出報警。不存在異常將確認(rèn)是否接收到停止指令，接收指令系統(tǒng)停止運(yùn)行，未接收到指令重新進(jìn)入等待狀態(tài)。

2.4 軟件設(shè)計

在系統(tǒng)軟件設(shè)計上，在KeiluVision5環(huán)境編寫系統(tǒng)主程序。從控制流程來看，系統(tǒng)上電后先完成各模塊初始化，之后等待運(yùn)行指令。接收到中控屏發(fā)出的指令，將開啟定時器，等待獲取對應(yīng)氣源相對密度信息。在定時器溢出后，需要中斷程序，確定是否獲得信息。獲得信息后，根據(jù)系統(tǒng)程序完成相對密度系數(shù)等相關(guān)參數(shù)更新，然后發(fā)出驅(qū)動命令，使采集模塊采集壓差等信號。如果未獲得氣源信息，則按照原本參數(shù)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)。針對采集到的儀表狀態(tài)參數(shù)，需要判斷是否達(dá)到測量下限，超出下限調(diào)用支路程序進(jìn)行流量運(yùn)算，根據(jù)生產(chǎn)情況完成儀表量值及時修正，保證測量結(jié)果準(zhǔn)確。獲得計算得到的流量數(shù)據(jù)后，通過串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳，由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理，然后傳輸至遠(yuǎn)程終端。中控屏界面采用Visual TFT軟件開發(fā)，共包含采集、氣源信息、參數(shù)設(shè)置和其他設(shè)置四個部分，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀況監(jiān)控，并完成氣源對應(yīng)參量信息設(shè)置，并用于設(shè)置采集周期等控制參數(shù)。在遠(yuǎn)程終端軟件開發(fā)上，采用SQL和Visual工具實現(xiàn)單片機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信控制。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控儲配站現(xiàn)場工作狀況，并完成采集數(shù)據(jù)初步分析和整理，能夠?qū)⒚芏刃畔ⅰ翰顢?shù)據(jù)、流量信息等傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)。在發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行異常時，將發(fā)出報警信號，提醒現(xiàn)場人員處理。

2.5 改進(jìn)效果

按照對儲配站流量計算機(jī)系統(tǒng)改進(jìn)的思路，通過對天津濱海輸氣儲配站進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)后，將系統(tǒng)測量結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從系統(tǒng)改進(jìn)效果來看，在系統(tǒng)提供相對密度為0.5722的情況下，現(xiàn)場確認(rèn)的相對密度為0.5816，對應(yīng)系統(tǒng)孔板壓差為45.60kPa，現(xiàn)場測量壓差為46.91kPa，差值為-1.31MPa，孔板瞬時流量差值為-275m3/h，誤差率為1.7%。由此可見，利用軟件替代硬件實現(xiàn)儲配站流量運(yùn)算參數(shù)和結(jié)果的實時自動校準(zhǔn)，能夠使儲配站流量計算機(jī)系統(tǒng)計量精度得到有效提高。實際在系統(tǒng)應(yīng)用過程中，軟件編程實現(xiàn)了接口預(yù)留，能夠為后期系統(tǒng)擴(kuò)容改造提供便利，使系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。

結(jié)論：引進(jìn)軟測量技術(shù)改進(jìn)天然氣儲配站流量計算機(jī)系統(tǒng)，能夠根據(jù)測量變量數(shù)據(jù)關(guān)系篩選出對計量結(jié)果影響較大的變量，通過在線校準(zhǔn)提高計量結(jié)果準(zhǔn)確性。結(jié)合系統(tǒng)改進(jìn)思路，設(shè)計由軟硬件組成的完整流量測量系統(tǒng)，可以推動天然氣計量過程的自動化、智能化發(fā)展，因此能夠為有關(guān)工作開展提供可靠技術(shù)支撐。