浅析天然气自动化计量系统的应用

摘要：天然气自动化计量系统能够实现对井站、集气站、脱水装置的自动化控制，包括各种检测、控制调节和数据采集系统。本文首先对天然气计算机自动化计量系统概述，然后分析了影响自动化计量系统准确度的主要因素，并从三方面详细探讨了天然气自动化计量系统的应用，最后对天然气自动化计量系统的安全设计应用要点进行了探讨。

关键词：天然气；自动化计量系统；孔板计量装置；凝析油；安全设计

Abstract: the gas metering automation system can realize JingZhan QiZhan, dehydration device of automatic control, set, includes a variety of detection, control and data acquisition system. This paper for the natural gas computer automation measurement system overview, and then analyze the main factors that affect the accuracy of automatic measuring system, and in detail from three aspects discusses the application of natural gas automatic measurement system, finally the safety of the natural gas metering automation system design and application are discussed in this paper.

Key words: natural gas; Automatic measurement system; Orifice metering device; Condensate; Safety design

中图分类号：TB933文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

一、天然气计算机自动化计量系统概述

（一）天然气计算机自动化计量系统的构成

目前我国天然气计量系统仍然采用孔板计量装置和流量计算机来构成自动化计量系统。为了更好地分析影响天然气计量系统的主要因素，把整个计量系统分为5大部分:

1、节流装置部分

即高级孔板阀法兰取压、差压式(孔板)节流。

2、现场变送部分

对流体取静压、差压、温度数值后变送为标准信号(4～20mA 或1～5V) 输出。

3、信号隔离转换部分

将现场来的标准信号进行完全隔离并转换成I/0模板所能接收的信号。

4、A/D 转换部分

将模拟信号转换为中央处理器能够接收的数字信号。

5、数据处理及显示部分

将现场来的数据在中央处理器进行数据运算和处理，并在上位计算机上适时显示。

（二）计量系统功能介绍

1、系统自动连续采集温度、压力和差压，信号采样周期不超过1s，流量计算周期不超过30s，整个系统总准确度较高，自动化控制水平在国内已相当高。

2、计算数学模型按照美国煤气协会第3号报告(AGA3，1990) 和第8号报告(AGA8，1992) 两种标准。AGA3主要是在流态和标态( 定制) 条件下计算质量流量速率和体积流量速率； AGA8主要目的是计算流态和标态下的密度、流态和标态下的压缩因子、相对密度、超压缩因子、单位体积的热值。AGA3使用AGA8计算出的密度值计算瞬时质量流量和瞬时体积流量。这是AGA3(1990)和AGA8(1992)之间的惟一连接。

3、具有仪表校验、维修和清洗孔板期间的流量自动补偿和人工补偿。

4、对天然气分析数据、流量计算参数( 管径、孔径、每天生成报表时间、管壁粗糙度系数γ0等)的在线修改操作，并自动保存修改内容。

5、所有被修改的参数，测量的温度、压力、差压和操作人员、时间能自动显示和储存，能看到所录取值的每天趋势图。

6、报表机能定时打印日报表、月报表和年报表，随机打印已存储的各种数据、记录曲线，能在报表机上查阅各个时间段的记录和相关曲线。

二、影响自动化计量系统准确度的主要因素

（一）节流装置带来的误差

据近年世界最新研究表明，孔板流量计在流体较为干净、流经节流装置前直管段比较理想(远大于10倍圆管直径)、流体处于紊流状态(雷诺数大于4000) 时，其准确度可达0. 75 级。目前现场单井、集输站的气质较差，计量直管段没有达到理想状况，孔板产生误差的因素有: 孔板入口锐角损伤；液体及固体污物堆积在孔板表面，使孔板表面粗糙度改变。

研究表明，在孔板流量计中，孔板入口边缘的局部细小伤痕不引起明显的计量误差，但若固体及液体聚集在孔板表面，表面粗糙度增加，将大大增加测量误差。虽然现场在用的孔板全部都是标准孔板，但结构不耐用。1块孔板使用期限为几年，但在安装投运后才1～2个月，其入口边缘尖锐度就开始遭到破坏，甚至相当严重，特别对有腐蚀、高压、含颗粒的介质，孔板入口边缘变钝更快，从而使测量得到节流差压值减小。根据对现场使用过的孔板所作的测量统计，孔板在刚开始投用时，准确度可达1%，连续运行3个月后，其测量准确度只能达到3%甚至更低。

（二）信号隔离转换部分的误差

在用的信号隔离转换器准确度为0.1%，温度隔离器的准确度为0.2%。笔者在使用的是HP 繁用表(准确度0.01% )校验，能够保证隔离转换器的原有准确度。

（三）A/D转换部分的影响

作为现场与中央处理器的接口部分，A/D转换部分采用摩托罗拉公司的12位数字转换准确度，即: 1/4096= 0.02%。A/D转换模块具有自校准功能，可以在组态程序中实现，可以适时检测可能带来的误差。

（四）数据处理及显示部分的影响

在整个计量系统中，笔者采用了美国煤气协会的AGA3号报告所阐述的计量程序，该程序已通过国际标准化组织(ISO)的认证。这个系统计量程序还具有参数因子(如γ0系数) 补偿功能。因此忽略了这部分对整个计量系统误差的影响。

三、天然气自动化计量系统的应用

（一）天然气的计量

由于井口来气压力一般在7～10MPa，单井轮井计量要求计量仪表不仅能满足高压力工况，而且计量仪表要有较宽的量程比，以适应不同产量的单井。为此，单井计量仪表一般采用高压涡街流量计或孔板流量计，将差压、压力和温度信号引入计算机，按标准进行在线全补偿计算，提高天然气瞬时流量和累积流量的计量精度。采用孔板流量计时，量程比应满足3：l。由于天然气组分的变化会造成天然气介质密度变化和超压缩系数的变化，从而影响计量的准确度，因此，在条件允许的情况下，可设置在线色谱分析仪在线测量天然气组分。如果气田天然气密度变化不是很大，在高压条件下，可采取定期输入计算机系统固定超压缩系数的方法，对天然气计量结果进行修正，以提高其计量精度。

（二）气田水的计量

由于单井产水量在气田开发初期和后期变化很大，水量不是连续均匀的，给计量仪表的选型带来难度。因此，在气田开发初期，当水量较少时，可采用在分离器上设置高低液位开关，通过两位式阀自动控制水的排放，通过储水容积计算和放水次数计量水量；气田开发后期可采用流量计连续测量，流量计要有很宽的测量范围，一般采用速度式流量计较多。

（三）凝析油的计量

凝析油的计量可采用容积式流量仪表或速度式流量仪表，考虑单井压力较高，为保证仪表能可能、稳定的工作，目前多采用高压涡街流量计。

四、天然气自动化计量系统的安全设计应用

（一）采取阻断措施

根据技术规范完善避雷针是迅速阻断的基本思路。在采取迅速阻断措施过程中，为了降低雷电流的陡度，采用新型的避雷针和优化避雷针则是比较有效的方式，能有效降低雷电流某一物理效应，这样才能使得二次雷击的感应电压得以减小。在选取避雷针时要经过严谨设计分析和相关计算，必须考虑到雷电的破坏是瞬间高电压的特点。尽量在条件允许、经济可承受的前提下降低接地电阻，这也是一个重要方面。

另外，避雷针与计量站之间的距离问题也应该在安装过程中考虑到，因为过近的距离容易使得计量系统中的电子设备在电流作用下产生比较大的副作用，为了使计量系统造成雷电

电磁脉冲干扰在雷电入地时尽可能的小，应该根据相关设计和实际情况，确定出适宜的距离。

（二）系统屏蔽

对于系统屏蔽来说，其主要有两个方面的作用，一是某一区域内的电磁能量限制向外传播，另外一方面则是外界电磁辐射能量向被保护的空间传播尽可能有所防止或降低处理。其中一项关键的技术措施则是信号电缆的屏蔽，也就是用金属层屏蔽起来计量室内外所有埋地的信号电缆，也叫做全屏蔽，这样能够有效防止雷电电磁脉冲的干扰。这种全屏蔽一般具有穿管走线、排流防雷、埋沙铺砖和可靠接地的特点。电缆外导体或屏蔽体是否接地，以及相关的铺设方式都可以影响到电缆的屏蔽性。不同的屏蔽效果受到不同铺设方式的影响，在设计中，架空铺设是不可用的。

（三）实施标准接地

接地是泄放直击雷和雷电电磁干扰能量最有效的手段，为了能够让雷电流通过低阻抗接地系统向大地泄放，从而做到电位均衡补偿系统的实现，使得计量系统和人员的安全得以保证，这在天然气自动计量系统中十分重要。引雷入室的情况往往是在没有进行良好的接地系统，或者接地不良的避雷设施所造成的。另外，雷电电磁脉冲对电气和电子设备产生电感性、电容性耦合也是由于避雷装置接地不好所造成的。

对不符合要求的地线，应该按照规范和计量系统对接地的要求而进行有效且合理的改造。为了减少地线电阻，一般情况下，都采用非金属接地模块和高效降阻剂，这样可以体现出低阻和高效的特点，使得降低反击电位和共同接地成为可能。

计量系统的接地和防雷接地应该共同实施。保护接地，还有工作接地和防雷接地等所需的基准零电位都是由公共接地点进行提供，毁坏性电位差在上述两个系统分别接地时相互作用，造成较为严重的损失。对于接地问题，应该在工程实践中注意以下几个方面:

室内仪表柜接地与建筑物防雷接地；

室内仪表柜的单点接地；

信号传输电缆的全屏蔽(多点接地) 与柜内设备的单点接地。

对于建筑物避雷系统对信息系统的负作用，可以在上述措施运用得当的情况下，在一定程度上得到抑制。

参考文献

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