王海向

(中石化中原石油工程設(shè)計有限公司，河南 濮陽 457001)

天然氣大流量計量檢定系統(tǒng)的設(shè)計

王海向

(中石化中原石油工程設(shè)計有限公司，河南 濮陽 457001)

基于天然氣高壓、大流量計量站檢定工藝流程，提出了量值溯源總體設(shè)計和檢定系統(tǒng)總體設(shè)計方法。通過對數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了工作標準裝置區(qū)、核查裝置區(qū)和被檢裝置區(qū)的溫度、壓力、流量數(shù)據(jù)的采集、處理、計算，實現(xiàn)了高壓、大流量流量計的檢定。檢定系統(tǒng)診斷方案的設(shè)計為檢定系統(tǒng)的準確性提供了有效保障。

高壓氣體活塞裝置 檢定系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集處理 系統(tǒng)診斷

為滿足石化行業(yè)及華中地區(qū)高壓、大流量天然氣流量計的檢定需要，中石化在武漢建立了國家石油天然氣大流量計量站武漢分站(簡稱武漢計量站)。該站為流量計的出廠檢定、周期性檢定、計量爭議檢定及計量領(lǐng)域科研提供了手段。

1 計量檢定工藝

武漢計量站位于江夏區(qū)安山鎮(zhèn)，檢定氣源依托武漢分輸站，采用高壓干線截斷分流和向低壓管線排氣的檢定方式。該站以高壓氣體活塞裝置HPPP(high pressure piston prover)為原級標準裝置，工藝系統(tǒng)設(shè)計壓力為10.0 MPa，檢定操作壓力為5.0～9.0 MPa，被檢定流量計口徑為DN50～DN400，工況檢定流量范圍為20～9 600 m3/h。檢定工藝流程如圖1所示。武漢分輸站來的天然氣經(jīng)過濾分離器后采用調(diào)壓閥組和穩(wěn)壓閥組將來氣壓力調(diào)節(jié)到檢定壓力并控制其穩(wěn)定，然后進入武漢計量站的檢定系統(tǒng)。檢定后天然氣通過流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，高壓用氣返回至武漢分輸站主干線。管道內(nèi)余氣經(jīng)壓縮機升壓后排至下游低壓用戶支線。拆卸流量計前需用氮氣吹掃系統(tǒng)對被檢流量計安裝段進行吹掃，管道內(nèi)氣體排放至分輸站放空系統(tǒng)[1]。

2 量值傳遞系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 HPPP不確定度分析

HPPP由具有恒定截面和已知容積的體積管組成，活塞以自由置換或強制置換方式在體積管內(nèi)往復(fù)運動，根據(jù)活塞通過體積管所需時間可得到氣體的標準體積流量；通過檢測開關(guān)可確定活塞進入和離開體積管的時間間隔[2 - 3]。HPPP的不確定度從體積流量的不確定度和體積測量的不確定度兩個方面進行分析。

2.1.1 體積流量的不確定度

HPPP的體積流量可以表示為

(1)

式中：qV——體積流量，m3/s；V——活塞通過體積管的有效體積，m3；Δt——活塞通過體積管有效體積V所需時間，s。

從式(1)可以推導(dǎo)出體積流量的標準不確定度為

(2)

式中：ur(V)——活塞通過體積管有效體積的相對標準不確定度；ur(Δt)——活塞通過體積管有效體積所需時間的相對標準不確定度；ur(r)——容積測量的相對標準不確定度。

圖1 武漢計量站檢定工藝流程示意

2.1.2 體積測量的不確定度

HPPP的有效體積為

V=πd2L

(3)

式中：d——HPPP的不銹鋼缸體內(nèi)徑，m；L——HPPP的不銹鋼缸體有效長度，m。

從式(3)可以得到體積測量的不確定度為

(4)

式中：ur(d)——內(nèi)徑測量的相對標準不確定度；ur(L)——有效長度測量的相對標準不確定度。

從式(4)可以看出內(nèi)徑d和缸體長度L是HPPP體積測量的重要參數(shù)，d和L由專用的內(nèi)徑測量系統(tǒng)和長度測量系統(tǒng)測量得出。

在對HPPP缸體的內(nèi)徑和長度測量后，可計算得到缸體體積測量的不確定度。目前，由于測量缸體內(nèi)徑和長度專用儀器的使用，此項不確定度為0.02%(k=2)[4 - 5]。

2.2 HPPP量值傳遞系統(tǒng)

武漢計量站采用國際上先進的HPPP作為原級標準裝置，可溯源到長度和時間基準。HPPP量值傳遞系統(tǒng)如圖2所示。用2臺G100和2臺G250渦輪流量計作為原級標準傳遞量值標準，將量值傳遞到工作標準的渦輪流量計；設(shè)置1臺G80，4臺G100，6臺G200的渦輪流量計作為檢定裝置的工作標準，通過對工作標準級渦輪流量計的組合使用達到檢定所需的流量；核查級標準設(shè)置5臺G100，6臺G200組成的11臺超聲波流量計，采用一一對應(yīng)方式實時核查工作標準的計量性能；設(shè)置8路被檢臺位，包含2路小流量、5路大流量固定檢定臺位和1路移動車檢定管路。每路固定臺位可串聯(lián)檢定2臺流量計。檢定系統(tǒng)根據(jù)被檢流量計口徑的大小確定被檢流量計需要安裝的管路[6 - 7]。

圖2 HPPP量值傳遞系統(tǒng)示意

3 檢定系統(tǒng)總體設(shè)計

武漢計量站檢定系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、檢定服務(wù)器、檢定操作工作站和檢定管理工作站四部分組成。檢定系統(tǒng)對現(xiàn)場溫度、壓力、流量等測量信號進行采集和處理，對檢定數(shù)據(jù)進行計算、量值確認，對報表及檢定證書進行打印，從而實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的流量計檢定管理[8 - 9]。

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

HPPP為撬裝結(jié)構(gòu)，由德國Ehler公司進行整體設(shè)計，主要由計量檢定工藝系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及幾何測量系統(tǒng)組成，其中計量檢定工藝系統(tǒng)主要由活塞體積管、傳遞量值標準系統(tǒng)的渦輪流量計、穩(wěn)流噴嘴等組成，與武漢計量站的計量檢定系統(tǒng)串聯(lián)，通過OPC服務(wù)器進行數(shù)據(jù)通信來完成被檢流量計的在線實流檢定。

武漢計量站檢定系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。工作標準渦輪流量計、核查標準超聲流量計的流量信號分別以高頻脈沖和RS-485信號方式上傳至檢定系統(tǒng)。被檢流量計的信號輸出形式主要有三種： 脈沖/頻率信號、4～20 mA模擬信號和RS-485信號。每個檢定臺位固定1臺溫度變送器于管段上，相鄰2個檢定臺位共用的1臺壓力變送器和1臺差壓變送器安裝于移動小車上。標準臺位和檢定臺位的溫度變送器、壓力變送器均采用FF總線方式接入檢定系統(tǒng)。氣相色譜儀、水露點分析儀采用RS-485信號傳輸至檢定系統(tǒng)中。

圖3 武漢計量站檢定系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意

3.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

檢定系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場采集到的溫度、壓力信號，通過軟件完成對壓縮因子、修正系數(shù)、瞬時流量、累計流量等參數(shù)的計算，通過與標準流量計的流量比對來判斷被檢流量計的準確性，完成被檢流量計的檢定工作。

軟件架構(gòu)及數(shù)據(jù)流向如圖4所示。軟件是檢定系統(tǒng)的核心，其主要功能包括檢定數(shù)據(jù)的加密、存儲，檢定數(shù)據(jù)庫管理維護、歷史數(shù)據(jù)存儲，并且負責與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進行通信，將檢定結(jié)果取出存儲在數(shù)據(jù)庫中。軟件具有以下功能特點：

1) 采用基于以太網(wǎng)的“客戶端/服務(wù)器”分布式結(jié)構(gòu)，所有數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器上，提高了數(shù)據(jù)更新的同步性。

2) 所有數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫內(nèi)，增強了服務(wù)器對數(shù)據(jù)的安全控制，保證了具有適當權(quán)限的用戶才可以訪問和更改數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的安全性。

圖4 檢定系統(tǒng)軟件架構(gòu)及數(shù)據(jù)流向示意

3) 具有更好的可擴展性，無需對服務(wù)器進行重新開發(fā)，只需通過安裝客戶端軟件即可擴展新的用戶，并且針對不同權(quán)限的用戶，可以選擇開放不同的功能。

4 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計

武漢計量站檢定系統(tǒng)中以數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)最為重要，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)基于PXI工業(yè)計算機來完成，主要負責現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)實時采集、流量計算、數(shù)據(jù)存儲以及檢定結(jié)果處理。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集信號包括： 脈沖信號、4～20 mA模擬量信號、FF總線信號、RS-485信號。脈沖信號采集選用PXIe-6612高速脈沖采集卡，模擬量信號采集選用PXI-6238高精度電流采集卡，F(xiàn)F總線信號采集選用DFI302總線采集系統(tǒng)，RS-485信號采集選用NPort-5630高性能串口通信服務(wù)器。在該系統(tǒng)中，PXI機柜內(nèi)置專用的10 MHz系統(tǒng)參考時鐘、PXI觸發(fā)總線、星形觸發(fā)總線以及槽與槽間的局部總線。通過硬件觸發(fā)的方式進行現(xiàn)場信號采集，為PXI采集卡提供統(tǒng)一的時鐘源，保證了現(xiàn)場脈沖、模擬量等信號采集的時鐘同步、計時同步和計數(shù)同步[10]。

4.1 脈沖信號采集

流量計輸出的各種脈沖信號可能是有源或無源信號，為了使檢定系統(tǒng)能夠?qū)Ω鞣N脈沖信號進行實時采集，設(shè)計時選用了MTL5532單通道脈沖隔離轉(zhuǎn)換器。該信號轉(zhuǎn)換器不僅可以接入開關(guān)量信號、傳感器信號、電壓脈沖信號和電流脈沖信號，而且還具備對流量計脈沖信號進行幅值轉(zhuǎn)換、整形和光電隔離等功能。

脈沖頻率采集時采集各路脈沖的整脈沖數(shù)N與整脈沖的總時間T，但頻率采集的脈沖數(shù)不進行修正，只需要用脈沖數(shù)除以各自的整脈沖時間就可以精確得到本路脈沖的頻率，沒有估算值，提高了頻率采集的精度。對于0.01～10.00 kHz的頻率采集范圍，400 s內(nèi)連續(xù)計數(shù)，脈沖不會出現(xiàn)溢出情況。同時檢定系統(tǒng)軟件集成了異常值剔除和脈沖插值功能，保證了數(shù)據(jù)的完整性和計算的準確性。

4.2 模擬量信號采集

通常模擬量信號比較容易受到干擾，為了提高模擬量數(shù)據(jù)采集的可靠性，設(shè)計時采用數(shù)字濾波的方式減小干擾帶來的誤差，在每個信號采集周期進行1 000個采樣，通過加權(quán)平均濾波的方式得出本周期的采樣值，然后對每次檢定的多個采樣值采用格拉布斯檢驗法依次進行數(shù)據(jù)剔除，去除不合理的模擬量點，減小干擾給檢定計算帶來的影響。

4.3 FF總線數(shù)據(jù)采集

工作級標準裝置和檢定管路所用壓力和溫度變送器均通過FF總線接入檢定系統(tǒng)。DFI302總線采集系統(tǒng)為一個完整的FF總線采集系統(tǒng)，不與站控系統(tǒng)的DCS耦合，并且可以配置多個互相獨立的FF總線采集控制器，每個總線采集控制器可以獨立完成現(xiàn)場信號采集，并且不會占用檢定數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的PXI主機的CPU資源，從而提高了數(shù)據(jù)采集速率，縮短了信號采集周期。DFI302總線采集系統(tǒng)與檢定數(shù)據(jù)采集處理工作站之間以基于以太網(wǎng)的高速FF總線HSE(high speed ethernet)方式進行數(shù)據(jù)傳輸，通信速率達到百兆。當總線控制器完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集后，使用HSE方式將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的PXI主機，大幅提高了數(shù)據(jù)讀取速度。

4.4 RS-485信號采集

標準裝置區(qū)和檢定裝置區(qū)的超聲流量計診斷信號、色譜信號、水露點信號等均通過Modbus串口信號接入檢定系統(tǒng)。采用NPort-5630高性能串口通信服務(wù)器只需通過在Windows操作系統(tǒng)中安裝Real COM驅(qū)動程序，將NPort-5630的16個串口映射為16個Real COM串口就可以在控制室直接通過以太網(wǎng)對現(xiàn)場流量計進行診斷[10]。

5 檢定系統(tǒng)診斷方案設(shè)計

5.1 閥門泄漏檢測

檢定管路強制檢測密封閥密封性是否良好對流量計的檢定影響重大。若閥門的密封性不好，檢定結(jié)果將存在很大誤差。檢定系統(tǒng)設(shè)計時，檢定軟件中設(shè)置了強制密封閥泄漏檢測功能，且易于操作。操作人員只需通過檢定系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)管線泄漏檢測命令，檢定系統(tǒng)便會自動將檢漏所用的電磁閥控制命令傳至站控系統(tǒng)，由其完成電磁閥開關(guān)的控制。檢定系統(tǒng)根據(jù)采集到的泄漏檢測管線的壓力值正常與否可自動判斷閥門是否存在內(nèi)漏，如存在泄漏，則上位機畫面顯示報警。每次泄漏檢測完成后檢定系統(tǒng)會提示操作人員及時關(guān)閉電磁閥，以防止危險操作。

5.2 流量計實時診斷

1) 核查超聲波流量計的診斷信息由RS-485串口信號通過數(shù)據(jù)采集工控機傳至檢定系統(tǒng)，檢定系統(tǒng)讀取流量計診斷信息并且完成系統(tǒng)自診斷。計算現(xiàn)場流量計每個聲道的測量聲速與流量計平均聲速的差值，如果差值達到某一設(shè)定上限，則認為流量計聲速故障。如果出現(xiàn)故障，則會在檢定系統(tǒng)畫面顯示報警信息。

2) 標準渦輪流量計的診斷信息由RS-485串口信號通過數(shù)據(jù)采集工控機傳至檢定系統(tǒng)。檢定系統(tǒng)在線實時讀取其診斷信息，可以實時顯示標準裝置內(nèi)所有渦輪流量計的葉輪損壞和軸承磨損等方面的信息，并顯示報警信息。

3) 檢定軟件數(shù)據(jù)庫具有足夠大的容量來存儲流量計診斷信息，數(shù)據(jù)庫軟件為每臺流量計預(yù)留多達200點的容量存放診斷信息。

5.3 信號采集卡自診斷

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)卡件的自診斷是使用采集卡的API接口來完成。系統(tǒng)正常運行時，檢定軟件會通過采集卡的API接口讀取采集卡的狀態(tài)。如采集卡出現(xiàn)故障，檢定系統(tǒng)發(fā)出報警信號，并通過返回的故障代碼判斷是何種故障，在系統(tǒng)畫面中顯示相應(yīng)故障信息。

5.4 檢定軟件的啟動與檢測

檢定軟件的啟動與檢測功能如下：

1) 將軟件加入到Windows的自動啟動服務(wù)中，實現(xiàn)服務(wù)器重啟時檢定軟件自動啟動功能。

2) 檢定系統(tǒng)采用心跳檢測的方式進行狀態(tài)檢測。檢定服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)進行通信，每隔30 s進行一次心跳檢測，檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與服務(wù)器的連接是否正常。服務(wù)器端接收到數(shù)據(jù)幀表示通過，否則表示數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)軟件運行故障或通信斷開，系統(tǒng)畫面顯示報警。

3) 系統(tǒng)初始化檢測。無論是服務(wù)器還是采集系統(tǒng)在初始化完成后都要給對方1個初始化完成信號，當雙方都收到初始化完成信號后才準許進行檢定。如有一方未收到對方的初始化完成信號，則系統(tǒng)畫面顯示相應(yīng)的初始化未完成報警。

6 結(jié)束語

以HPPP為原級標準裝置的武漢計量站具有較小的不確定度，可檢定的流量計范圍廣。檢定系統(tǒng)實現(xiàn)了流量計檢定過程中對溫度、壓力、流量等信號的采集和對檢定數(shù)據(jù)的處理、計算、量值確認。同時，檢定系統(tǒng)的診斷方案保證了檢定系統(tǒng)的正常運行，確保了檢定的準確性。武漢計量站為流量計的計量檢定和量值溯源提供了有效保障，解決了國內(nèi)大流量、高壓流量計檢定能力不足的問題。

[1] 高志國，朱瑞苗，吳佳，等.天然氣實流檢定原級標準裝置的設(shè)計研究[J].石油化工自動化，2014，50(06)： 13-16.

[2] 王勇，王曉霖，張松偉.基于HPPP法的Pigsar天然氣流量計檢定站工藝[J].油氣儲運，2015(09)： 988-992.

[3] 潘丕武，張明.天然氣計量技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京： 石油工業(yè)出版社，2013： 78-85.

[4] 丁建林，國明昌，邱惠，等.高壓天然氣流量標準裝置[M].北京： 中國計量出版社，2008： 123-125.

[5] 李東升，郭天太.量值傳遞與溯源[M].浙江： 浙江大學(xué)出版社，2009： 43-46.

[6] 王勁松.大口徑天然氣流量計檢定工藝流程研究[D].成都： 西南石油大學(xué)，2010： 25-30.

[7] 徐明，吳運逸，閆文燦.天然氣流量量值溯源[J].計量技術(shù)，2009(03)： 53-55.

[8] 史昊，王敷智.國家石油天然氣計量站檢定工藝的優(yōu)化[J].油氣儲運，2015，34(01)： 96-99.

[9] 黃坤，趙孟卿，王勁松，等.HPPP法檢定高壓天然氣流量計[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報，2011，13(03)： 119-121.

[10] 張沁川，王厚軍.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)波形亮度調(diào)節(jié)與校正技術(shù)研究[J].計量學(xué)報，2013，34(04)： 366-371.

Design of Metrological Verification System for Natural Gas Mass Flow

Wang Haixiang

(SINOPEC Zhongyuan Petroleum Engineering Co. Ltd., Puyang, 457001, China)

Based on metrological process of natural gas high pressure, mass flow at metering station, overall design of traceability and metrological verification system is put forward. Through the design of data collection and processing system, acquisition, procession and calculation of data on temperature, pressure and flow for working standard device area, verification device area and checked device area are realized. High pressure and mass flow flowmeters verification are realized. Design of verification system diagnosis provides effective guarantee for accuracy of metrological verification system.

high pressure gas piston device; metrological verification system; data collecting and processing; system diagnosis

王海向(1985—)，男，2010年畢業(yè)于西安石油大學(xué)測試計量技術(shù)及儀器專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中石化中原石油工程設(shè)計有限公司，主要從事石油天然氣儀表、控制系統(tǒng)的設(shè)計研究工作，任工程師。

TP277.2

B

1007-7324(2017)03-0060-05

稿件收到日期： 2016-12-06，修改稿收到日期： 2017-03-11。