超聲波流量計零流量漂數(shù)問題分析與抑制措施

何偉宏，徐潔鑫，張 靜，譚洪偉，蘇澤峰

（國家管網(wǎng)集團廣東運維中心，廣東 廣州 510000）

流量測量作為流體介質(zhì)供需雙方貿(mào)易結(jié)算的重要依據(jù)，也是生產(chǎn)經(jīng)營單位衡量產(chǎn)能的重要指標，準確的計量結(jié)果對于公平公正的貿(mào)易結(jié)算意義深遠。超聲波流量計具有成本低、安裝便捷、抗干擾能力強、壓力損失低、測量范圍寬、精度高等優(yōu)勢[1-2]，已被廣泛應(yīng)用于石油、天然氣等行業(yè)。

流量計作為流量數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場一次儀表，受各種影響因素的制約容易產(chǎn)生小流量波動，從而產(chǎn)生計量誤差[3-4]，流體正常通過時微小信號與正常信號相比較小，不影響計量精度及準確性，無介質(zhì)流通時零流量漂數(shù)則觸發(fā)流量計算機累計引發(fā)計量爭議[5]。小流量切除作為掩蓋各種因素引發(fā)流量顯示值零點漂移的常用手段，當(dāng)實際流量低于設(shè)定切除值則流量不會累計，同樣引發(fā)計量歧義[6]。而對于小流量切除值的設(shè)定當(dāng)前沒有規(guī)范明確，通常要視現(xiàn)場實際而定。

針對上述不足，筆者首先采用因果鏈法確定影響超聲波流量計算機零流量漂數(shù)最終因素，采用Ensuite軟件添加流量計算機控制點位優(yōu)化組態(tài)，通過GCScontrix 編寫流量計零流量漂數(shù)判定邏輯與場站分輸啟停聯(lián)動邏輯，最終控制流量計算計計量啟停消除零流量漂數(shù)歧義。

1 超聲波流量計結(jié)構(gòu)原理

1.1 流量計結(jié)構(gòu)

超聲波流量計主要由信號處理單元、超聲換能器（探頭）、流量計表體等部分構(gòu)成，如圖1 所示。其中信號處理單元接收探頭信號并將信息遠傳流量計算機；探頭通過換能器端口安裝于表體，負責(zé)收發(fā)聲波，并輸出電壓信號；流量計表體部分包括上下游直管段，上有超聲換能器端口、取壓口等。此外，壓力變送器、溫度變送器、色譜分析儀及流量計算機作為輔助儀表，用以測量現(xiàn)場數(shù)據(jù)。流量計算機利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)計算介質(zhì)工況流量，并將工況流量轉(zhuǎn)換為標況流量。

圖1 氣體超聲波流量計

1.2 流量計原理

傳播時間差法氣體超聲流量計是通過測量高頻聲脈沖傳播時間得出氣體流量的速度式流量計，工作原理如圖2 所示。超聲脈沖在管道內(nèi)逆流和順流沿斜線方向傳播，傳播速度與介質(zhì)軸向平均流速有關(guān)，通過測量聲波傳播時間差，運用數(shù)值計算法計算工作條件下通過氣體超聲流量計的氣體軸向平均流速和流量。

在充滿氣體的密閉管道中，超聲波傳感器（探頭）沿管壁安裝，直接與氣流接觸，2 個傳感器發(fā)射超聲波后由對方互為接收。圖2 中a、b 為2 個超聲換能器，聲道與管道傾斜夾角為θ，管道內(nèi)徑為D，聲道長度為L，聲道距離為x。在一些流量計中采用了反聲道，此時聲脈沖在管壁上經(jīng)歷一次或多次反射。

圖3 流量計零流量漂數(shù)影響因素

圖2 氣體超聲流量計工作原理圖

若管線內(nèi)氣流無流動，聲波以相同的速度在管道沿聲道的2 個方向傳播；若管線內(nèi)介質(zhì)流速大于0，聲波順氣流方向傳播速度較快，反之則較慢。其中，順氣流方向時間與逆氣流方向時間計算公式為：

式（1）（2）中：L 為聲道長度，m；Cd為聲波在氣體中的速度，m/s；V 為氣體介質(zhì)平均流速，m/s；θ為傾斜聲道與管道軸線的夾角，°。

由式（1）與式（2）可得氣體流速與聲速為：

2 超聲波流量計小流量切除

2.1 零流量漂數(shù)切除概述

小信號切除是流量儀表中的特殊要求，是一種用于解決流量計漂移掩蓋矛盾的方法。當(dāng)管線內(nèi)介質(zhì)正常輸運時，漂移信號不足以影響計量的精度和準確度；當(dāng)管線停輸無泄漏時，小信號存在則導(dǎo)致流量計算機誤累計，引發(fā)計量歧義，通常通過設(shè)定切除值，將低于該值的小信號切除在計量范圍之外。當(dāng)前對于切除值的設(shè)定沒有明確規(guī)范，通常由廠家出廠前或根據(jù)現(xiàn)場實際情況做好流量計小信號切除設(shè)定，該值的設(shè)定存在不確定性。

2.2 零流量漂數(shù)原因分析

西氣東輸對流量計的切除設(shè)定沒有明確規(guī)定，西三線閩粵支干線現(xiàn)場用Q.Sonicplus6 聲道系列超聲波流量計切，除值由廠家出廠前設(shè)定，設(shè)備靈敏度及精度較高，設(shè)定值不足以滿意現(xiàn)場實際情況，停輸期間存在零流量漂數(shù)問題，流量累計存在引發(fā)計量爭議的可能。

研究就現(xiàn)場實際可能引發(fā)流量計零流量漂數(shù)可能性，確定管線內(nèi)介質(zhì)擾動，環(huán)境噪聲污染，計量系統(tǒng)本體缺陷以及管線閥門機械設(shè)備泄漏，為導(dǎo)致流量計零點漂移的父影響因子。基于因果鏈法遞推衍生影響自因子形成因果關(guān)系樹圖如圖3 所示。根據(jù)關(guān)系樹圖開展現(xiàn)場實際排查，最終確定計量系統(tǒng)Q.sonicplus一次儀表高精度、高靈敏度及流量計算機功能組態(tài)不完善為零漂的根本原因。

3 流量計零流量漂數(shù)切除方法及效果分析

3.1 零流量漂數(shù)切除方法

PCS 與流量計系統(tǒng)的通信是通過PLC 系統(tǒng)COM521 模塊實現(xiàn)的，流量計采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)流量計算機轉(zhuǎn)換后通過RS485 傳至PLC，PCS 實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。

為消除流量計停輸零點漂移導(dǎo)致流量計算機累計可能引發(fā)的計量歧義，采用Ensuite 軟件組態(tài)添加流量計算機計量啟停控制點位700，PLC 通過賦值給點位控制流量計算機啟停，如圖4 所示。圖4 在計量撬出口5302#閥門全關(guān)到位（ZSL_5302）分輸完成，500 ms時段觸發(fā)流量計投用狀態(tài)（FT5201_Control_STATUS）并使流量計自動停止計量（R1_S6_FT5201_WRITE_INT.ⅤAR0 ）， 停 止 計 量 的 狀 態(tài) 通 過 PLC（FT5201_Control_STATUS_OK）采集反饋PCS 上位系統(tǒng)，如圖5 所示，對應(yīng)指示燈變紅，也可通過上位機組態(tài)按鈕（FT5201_Control_CMD）手動停止計量。值得一提的是閥門狀態(tài)反饋通常在投產(chǎn)前由廠家做好設(shè)定測試，因而出現(xiàn)閥位反饋錯誤極端可能性較小，即使發(fā)生通道故障，由于全開/關(guān)到位為長閉觸點，閥門發(fā)聵中間態(tài)，同樣可保證流量計算機處于投用計量狀態(tài)；對于計量撬出口閥門內(nèi)漏的情形，當(dāng)前只能通過加強現(xiàn)場巡檢的方式，一旦發(fā)現(xiàn)Q.sonicplus信號處理單元流量累計持續(xù)攀升，則應(yīng)手動投用計量，并及時處理泄漏故障。

圖4 小流量消除自控邏輯

圖5 PCS 上位機組態(tài)畫面

對于流量計算機投用，綜合考慮了場站自動啟輸邏輯、5302#閥非全關(guān)到位以及手動投用3 種情形。滿足三者之一，PLC 則會使能下發(fā)啟動1 指令至流量計算機開始計量，并反饋投用狀態(tài)至上位機。該法有效規(guī)避了停輸狀態(tài)下，流量計算機零流量漂數(shù)導(dǎo)致的流量累計問題，同時極大降低了對于小流量切除值設(shè)定的需求。

此外，由于PLC 與流量計算機通過RS485 通信，在流量計算機停止計量期間，若發(fā)生通信中斷，流量計算機將保持停用狀態(tài)，此時對流量計算機上電重啟無法消除停用指令，直至通信恢復(fù)邏輯解除方可投用，或者將未改造前流量計算機組態(tài)下裝至流量計算機方可投用。若要規(guī)避上述問題，PCS 上位可通過與Q.sonicplus直接建立通信，西氣東輸目前未對該機預(yù)留備用通信線纜，屬設(shè)計層面問題，未來值得深入研究。

3.2 應(yīng)用案例及成效分析

上述功能已在閩粵支干線揭陽分輸站完成測試，圖6 為FT5201 停輸工況下，功能投用前后6 h 時段內(nèi)，瞬時標況流量與時間的關(guān)系圖，由圖6 可知，投用前該路流量計存在間斷性小流量漂移，投用后小流量漂移問題得以有效解決。

圖6 改造前后流量計標況瞬時量

4 結(jié)論

基于Eesuite 組態(tài)流量計算機計量啟停控制數(shù)據(jù)點、組態(tài)PCS 上位機計量投用及狀態(tài)反饋畫面、GCScontrix 編寫PLC 手/自動控流量計算聯(lián)動邏輯，可有效實現(xiàn)場站啟停輸與流量計算機投用與停止計量的聯(lián)動控制，可有效消除場站停輸狀態(tài)下的零流量漂數(shù)累計問題。

方法的實現(xiàn)一定程度上可免除流量計對小流量切除值設(shè)定的需求，有效規(guī)避了傳統(tǒng)小流量切除值設(shè)定不確定性的弊端，填補了當(dāng)前小流量切除值設(shè)定無明確規(guī)定的弊端。

通過建立Q.sonicplus與上位機間的直接通信，規(guī)避PLC 與流量計算機RS485 通信中斷小概率事件發(fā)生指示流量計算機無法及時投用計量的弊端有待深入研究。