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孔板流量计远程诊断系统简介及现场应用

作者: 来源:中国石油西南油气田公司重庆气矿 发布时间:2021-02-24 09:32:16

 摘 要 差压式孔板流量计在 20 世纪用于天然气流量计量,经过一个世纪漫长的发展过程,它如今已成为全世界zui主要的天然气流量计[1]。为解决传统孔板流量计维护管理环节多、人工分析技术难度大、发现和解决异常情况不及时等问题,特研发了孔板流量计远程诊断系统。本文对孔板流量计远程诊断系统的诊断原理、软硬件要求、实现的主要功能及其技术先进性进行了简介,着重介绍了孔板流量计远程诊断系统在某集输站的应用。在集输站的应用情况表明:孔板流量计远程诊断系统能够及时进行监控和诊断,将孔板流量计的运行状态较前时间通知相关操作人员,及时采取预防及处理措施,降低流量计故障发生率,提高运行效率,降低运营成本。

随着天然气工业的不断发展和天然气作为清洁能源的普遍使用,人们对商品天然气计量技术的研究和发展更加重视。石油天然气行业采用孔板流量计作为贸易计量的占总气量的70%以上[2],其计量准确度直接影响企业的经济效益和用户的切身利益,因此对孔板流量计的精细化、科学化管理就变得尤为重要。随着科技的发展和技术的革新,为解决传统孔板流量计维护管理环节多、人工分析技术难度大、发现和解决异常情况不及时等问题,西南油气田分公司积极推动国际计量新技术—孔板流量计远程诊断技术的研究与应用。

一、孔板流量计

孔板流量计是差压式流量计中zui常见的一种,是利用节流件的差压与平均流速或流量的关系,由差压值计算出流量的流量计。

(一)孔板流量计测量原理

       天然气流经节流装置时,流束在孔板处形成局部收缩,从而使流速增加,静压力降低,在孔板前后产生静压力差(差压),气流的流速越大,孔板前后产生的差压也越大,从而可通过测量差压来计算天然气通过节流装置的流量大小。这种测量流量的方法以能量守恒定律、伯努利方程和流动连续性方程为基础[3]。

(二)孔板流量计的组成

       孔板流量的结构主要由节流装置、现场二次仪表(变送器)、信号回路、计量回路和流量计算机等5 部分组成。 

二、孔板流量计远程诊断系统

(一)远程诊断的原理

       孔板流量计远程诊断系统是利用原有测量系统的硬件,增补必要的硬件,开发一定的软件,构建成一体化具有诊断功能的测量系统。孔板流量计远程诊断系统的技术关键在于通过构建远程网络在控制中心进行远程诊断的平台,利用诊断平台可自动实现对孔板流量计关键计量参数的远程采集、诊断逻辑的判定、利用实验室和现场实验数据进行验证、利用现场总线的通讯方式实现远程标准信号和被检信号的校准。

(二)远程诊断的组成

       孔板流量计远程诊断系统是对孔板流量计量系统包括节流装置、二次仪表(变送器)、信号回路、计量回路、流量计算机等5类标准设备进行远程诊断的方案。诊断系统终端服务器借助生产信息化网络,对目标计量点进行实时监控及诊断;移动诊断平台根据需要可从中心站、基层调度室或调度中心生产网切入,对目标计量点进行诊断;远程诊断可以实现同时诊断多个计量点。

       孔板流量计远程诊断系统可采用就地诊断和远程诊断两种工作模式开展诊断工作。就地诊断是操作诊断系统的人员到站场获取系统数据和信息,开展全面的诊断;远程诊断通过诊断系统终端服务器或移动诊断平台利用生产信息化网络开展诊断。

(三)远程诊断硬件

       在原有的天然气孔板计量系统中,存在大量典型的变送器+隔离器+AD的模拟信号回路。这些回路需要定期进行检定、验证,加之站点分布广泛,这项工作需要大量的人力物力去完成,并且常常发现问题不及时。为解决这一问题,我们特研制了一种叫“诊断控制器”的硬件设备,它可以对各种结构的计量系统内的仪表包括变送器、隔离器(I/V转换器件)、数据采集模块、流量计算机或计量RTU等设备进行全面智能化诊断,对数据有效性自动分析并出具系统诊断报告,以保证计量系统准确、可靠地运行。

       诊断控制器是将中央控制器、核查标准信号发生器、标准信号测量模块和通讯模块设置在同一PCB线路板上,实现了各个模块的高度集成,避免了不同模块设置在不同PCB线路板上导致的线路复杂、设备种类多、体积大的问题。

       诊断控制器主要由 CPU 主板、模拟电阻信号源、模拟电流信号源、HART 模块、电源模块、信号线路选通模块等几个部分组成。

(四)远程诊断软件

       诊断系统软件是一套符合国家标准和规程要求,且具有测量、诊断和远程修改功能的孔板流量计诊断程序,在使用孔板流量计的场站应用时,利用远程通讯手段,远程获取现有孔板流量计量系统的设置参数、事件记录和计量数据等基础参数,并对其进行分析和评价,快速诊断孔板流量计量系统的运行状态。其主要功能如下:

       a.提取计量系统中的基础数据,对测量数据进行分析,进行测量设备的适应性评价;

       b.根据评价结果对测量系统运行状态进行判定,并给予提示; c.通过软件分析,对仪表运行参数和系统设置参数进行远程监控并修改,使其符合标准规范的要求;

       d.实现孔板流量计算的验算和比对分析。

       e.通过功能模块,对流量计量系统(包括计量参数、计量权限、系统参数等)的实时数据进行采集,

对温度、压力、差压的信号通道误差进行修正,并与原计量系统进行流量比对,从而完成对计量系统数据库的远程维护和管理。

(五)远程诊断实现的主要功能

1. 参数的实时监测

       系统实时监测计量系统状态,通过人机界面直观地显示各计量回路当前工况流量、压力、温度、气质组分、小信号切除等参数。在紧急情况下,可以通过该系统提供的数据报表进行准确判断,避免因计量精度偏移造成经济损失。

2. 自动诊断

       系统对孔板流量计量回路中 5 类标准设备包括节流装置、变送器、信号回路、计量回路和流量计算机

进行诊断,通过与设定的参数标准值自动比较,给出正确的诊断结果。

3. 流量验算

       系统读取流量计算机的实时孔板流量计的差压、压力和温度值,依据流量验算公式,计算出单位时间内的瞬时流量值和累计流量值[4],与当前流量计算机计算结果进行比较,其偏差小于等于 0.1%为正常,否则异常。

4.异常报警

       系统中诊断出异常时,可报警提示,并显示报警详细信息,包括异常要素,异常时间,异常描述和处理建议,同时保存报警记录。

5.其他

       系统还具备常规功能:报表管理、记录管理、外部访问、数据维护等。

(六) 孔板流量计远程诊断系统的认证情况

       研发的硬件诊断控制器成功通过中国测试技术研究院中测测试科技有限公司测试,标准电流、电阻值和温度的输出信号其允许误差均小于±0.05%。硬件“一种天然气测量系统诊断控制器” 与“一种天然气孔板流量计的诊断系统”获国家实用新型专利。研发的软件“天然气孔板流量计的诊断系统 V1.0”获国家软件著作权。“一种天然气孔板流量计的诊断系统及方法”与“一种天然气测量系统的诊断方法”获国家发明专利。

三、孔板流量计远程诊断系统在某集输站的应用

(一)某集输站基本情况

       某集输站位于重庆境内,于 2011 年 11 月建成。该站外销输配工艺区设计压力 4.0 MPa,输气能力为800×104m3/d。该站为一类井站,于 2013 年 8 月投产。共有 12 套计量装置,均为高级孔板阀配国光系统计量。其中计-1、计-2 为内部监控计量,日供气量约 110×104m3/d;计-3~计-12 为外销计量,日供气量在 (200~400)×104m3/d 之间。

(二)远程诊断系统的应用

1.现场诊断布置

       在该集输站选择计一、计七、计十为诊断目标,进行了趋势验证及适应性测试。远程诊断系统二次仪表通讯采用 HART 协议,系统控制沿用自动化控制中常用的 Modbus 协议,通过 LAN(局域网)TCP/IP 协议进入生产信息网。其中 HART 协议模块、总线模块、网卡模块固化在 LWJ-DCU 诊断控制器内,诊断控制器安装在流量计算机系统隔离器和浪涌保护器之间,从而实现远程诊断控制系统软件与二次仪表(压力、差压、温度)的通讯。同步获取数据读取、数据诊断、诊断结果及诊断建议等。

       诊断系统终端服务器借助LAN(局域网)通道,通过Modbus协议与诊断控制器进行通讯,诊断控制器通过HART协议与现场二次仪表通讯,获取现场仪表和流量计算机系统中的信息,将获取的信息纳入诊断系统的逻辑设计中比对,判断孔板流量计的运行状态。在站场实现对孔板流量计量系统实时的监控和运行情况的诊断,同时通过远程控制终端实现远程操作,及时有效的发现各个站点的异常情况并进行及时处理。

2. 现场应用情况

       (1)完成参数诊断 通过对计一节流装置中孔板开孔直径、测量管内径、直径比,变送器的量程、零位、量程迁移以及信号回路中温度、静压、差压回路等的实时状态参数与标准状态参数进行比对,发现其差压、静压、温度均超量程下限运行,建议更换仪表(见图1:量程合理化诊断示意图)。

量程合理化诊断示意图

       (2) 实现自动诊断 通过对计一系统流量计算机的计量参数、硬件、UPS等的自动诊断,判定实时参数与标准参数相符,电脑状态正常(见图2:硬件诊断示意图)。

硬件诊断示意图

       (3) 进行流量验算 系统读取流量计算机的实时孔板流量计的差压、压力和温度值,依据流量验算公式,计算出单位时间内的瞬时流量值和累计流量值,与当前流量计算机计算结果进行比较,诊断系统计算出的流量与计量系统计算出的流量之间的偏差小于0.1%[5],因此,流量验算正常(见图3:流量验算示意图)。

硬件诊断示意图

       (4)异常报警 系统诊断发现计一节流装置管壁粗糙度异常,建议将管壁粗糙度改为 0.1mm,旱土站发出红色报警提示,提醒有异常并按建议进行处理(见图 4:节流装置硬件诊断示意图)。

图3流量验算示意图

       (5)其他 现场应用还对系统的常规功能进行了测试,均能满足现场使用要求,如报表管理、记录管理、外部访问、数据维护等[6] (见图5:报告管理示意图)。

节流装置硬件诊断示意图

(三)现场应用效果

       一是实现日常监视,检查系统参数是否设置正确;

       二是及时判断设备的实时运行状态,发现故障及时报警并通知相关人员及时处理;

       三是实现远程操作,对监视发现的问题进行远程修改;四是实现远程回路联校,无需人员亲自到现场,便能实现回路校准;五是该系统的应用提高了计量管理工作的准确性和时效性,让计量管理省时省力,提高了工作效率,降低了运营成本。

四、结论与建议

       1)天然气孔板流量计远程诊断系统技术先进,经权威专业机构测试其输出信号其允许误差均小于±0.05%,提高了计量的准确性、可靠性。

       2)天然气孔板流量计远程诊断系统能够实现实时监测、自动诊断、流量的自动验算、异常报警等多项功能,可实现检验、维护管理的集中远程操作,提高了工作效率,开启了孔板流量计贸易计量管理的新模式。

       3)由孔板流量计远程诊断技术的现场应用得知,该技术只须与信息化相结合便能实现其功能,可以推广到其它场站及其它流量计。

       4)建议将天然气孔板流量计远程诊断系统在更多的天然气场站进行规模化应用,以便实现社会效益和经济效益的zui大化。

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