影响天然气自动计量系统稳定性因素的探讨

廖德云，张智，王存伟

（中原油田分公司天然气产销厂，河南濮阳457162）

随着天然气工业快速发展，天然气作为一种高效清洁燃料和优质化工原料得到了广泛的应用，天然气计量已经成为制约天然气工业发展的重要因素。随着智能仪表、信息网络和自动化技术的迅速发展，天然气集输站场建立了自动计量系统，提高了天然气流量计量的准确性和计量工作效率。自动计量系统通常由智能化仪表、工业控制计算机、可编程控制器（PLC）或远程终端控制系统（RTU）等设备组成。流量计量仪表种类众多，有标准孔板流量计、涡轮流量计、旋进旋涡流量计、超声流量计、罗茨流量计等。自动计量系统由于设计、施工、运行维护等原因，存在多种影响自动计量系统稳定性的因素，轻则影响计量的准确性，重则导致自动计量系统故障甚至瘫痪。

1 自动计量系统的构成

自动计量系统根据组成和功能可大致分为三个单元：参数检测与变换单元、通信与连接单元、流量计算数据处理单元。

1）参数检测与变换单元。参数检测与变换单元主要是完成天然气集输过程中的工艺参数，如压力、温度、流量（差压）和天然气组分等的实时检测并转换成模拟或数字信号的仪表。该单元可以是一台组合式多参数仪表，也可以由多台具有不同功能的仪表组成。

2）通信与连接单元。通信与连接单元主要指将现场参数检测和变换单元与控制室的数据处理单元连接起来的部分，包括通信连接电缆、模数转换模块、通信转换模块、数据采集模块等。现场大量使用的RS-485卡、PCI多串口卡、RS485-RS232转换模块、频率计数模块、RTD转换模块、HART Modem等。

3）流量计算数据处理单元。流量计算数据处理单元主要指天然气流量计算、数据处理、数据存储等设备，如工业控制计算机，流量管理器，流量计算机，流量积算仪，PLC，RTU等，该部分主要安装在集输站场的中控室，还包括系统供电、网络通信等设备。

这三个单元没有绝对的区分界限，根据不同的计量仪表和系统可以进一步细分或组合。

2 影响自动计量系统稳定性的因素

自动计量系统大多采用智能化、集成度高的精密电子仪器仪表，但由于产品自身缺陷、系统设计不足、施工不规范、环境因素影响和运行维护不当等因素，因而导致自动计量系统无法正常工作。

2.1 参数检测与变换单元

参数检测与变换单元通常露天安装在集输站场，常年经受风吹日晒、雷雨闪电侵袭，需进行周期检定、运行维护、操作调整等工作，如果设计、施工和维护不当，容易出现以下问题：

1）设计选型时仪器仪表的防爆和防护等级不适合现场安装环境，导致仪器设备出现老化、腐蚀、进水而损坏。

2）天然气中含水或油污，仪器设备不适合在该工况下运行，导致计量不准确，发生故障、损坏或无法正常工作。

3）流量计或仪表的工作范围与天然气流量范围不匹配或天然气流量变化幅度大，流量计超限运行、瞬间冲击导致计量不准确，发生故障、损坏或无法正常工作。

4）现场流量计或仪表因接地不良、未采取防雷保护导致因雷击或电涌而损坏。

5）流量计或仪表未按照操作规程进行操作或调整，发生超压、超量或单向受压等现象导致故障或损坏。

2.2 通信与连接单元

通信与连接单元的通信或采集模块一般安装在中控室，通过通信电缆相连接，电源或通信电缆一般采用沿电缆沟、挖沟埋地或穿管敷设。该单元易出现系统不稳定的主要因素：

1）通信和采集模块缺乏防雷、防电涌功能或没有采取防雷和防电涌保护，遭受雷击和电涌而损坏。

2）通信电缆未采用屏蔽电缆，通信信号受外界干扰而不稳定或出现通信故障。

3）通信电缆与动力电缆近距离并行敷设而未采取屏蔽或保护措施，导致通信不稳定或出现通信故障。

4）通信电缆因施工不当或二次施工而出现破损，破损部位因受潮短路或雷击电涌而导致通信信号不稳定或出现通信故障，甚至导致现场仪表和控制室设备损坏。

5）通信电缆未按要求可靠接地，导致系统不稳定或仪器设备损坏。

2.3 流量计算数据处理单元

流量计算数据处理单元除包括自动计量系统的硬件设备外，还包括系统软件。主要出现以下几个方面的问题：

1）流量计算机、工业控制计算机、PLC或RTU因防雷保护和防电涌措施缺失或保护不当而出现故障或造成损坏。

2）系统电源因防雷、防电涌保护措施缺失或保护不当导致系统供电故障或造成仪器设备损坏。

3）工业控制计算机的通信软件、组态软件存在缺陷或BUG，PLC和RTU的应用软件设置不当或设计缺陷导致自动计量系统不稳定。

4）系统的网络通信模块出现故障，导致系统运行不稳定甚至数据无法远传。

5）计算机、RTU或PLC接入网络或使用移动存储受到病毒攻击而出现故障或瘫痪。

6）现场仪表种类多，与中控室计算机或PLC的通信协议复杂，采集驱动或模块出现兼容性问题而导致系统不稳定。

以上原因都会直接或间接导致自动计量系统运行不稳定甚至瘫痪，严重的可能导致安全生产事故。因此，自动计量系统在设计、施工和运行维护中都要严格按照标准和操作规程进行，否则影响天然气的准确计量。

3 提高自动计量系统稳定性的方法

合理设计及选型，规范施工，及时维护并正确操作是保证计量系统稳定可靠的前提，主要考虑三个方面的问题。

3.1 合理设计及选型

仪器仪表、通信模块、流量计算机、PLC系统等种类繁多，设计和选型时需要从现场工况、环境条件等方面综合考虑：

1）天然气中含水和油污时，首先考虑工艺部分加装分离除尘等设备，保证经过流量计或计量仪表的天然气满足计量条件的要求。

2）流量计和仪表的选型需符合现场工况条件。如标准孔板流量计流量范围窄，不适合流量变化范围大的场合，可选用气体涡轮流量计、气体超声波流量计和腰轮流量计等；现场高频振动、电磁干扰和噪声的场合应避免选用气体超声波流量计、旋进旋涡流量计等；气体超声波流量计应避免在其上游安装调压和节流设备。

3）系统设计时兼顾资金投入的同时需保证系统电源防护、防雷和防电涌等保护措施的配备。

4）满足现场工况条件的情况下，尽量选择通信协议相同、稳定性高的产品，减小系统的复杂性和维护难度，提高系统互换性。

5）系统的软件设计充分考虑兼容性问题，避免系统出现故障。

6）尽量选用PLC或RTU，避免使用工业控制计算机来进行数据处理和网络通信等，提高系统的稳定性。

7）自动计量系统都设有UPS等不间断电源，而仪表系统的电源多采用12 V（DC）和24 V（DC）。随着直流电源技术的发展，自动计量系统的电源可采用直流UPS技术，无逆变切换，消除了UPS的谐波干扰，提高了系统的稳定性和安全性。

3.2 规范施工

自动计量系统在建设过程中要严格按照标准做好施工监护和验收工作，避免因施工不当而影响系统的稳定性和安全性，对系统影响较大的6个方面：

1）信号电缆与具有强电场和强磁场的电器设备和电缆之间的距离应大于1.5 m，带屏蔽的信号电缆穿金属保护管时距离应大于0.8 m；不同电压等级的电缆不应敷设在同一电缆槽或保护管内或采取金属管隔离措施。

2）电缆敷设严格按照规范要求施工。埋地敷设电缆埋深大于70 cm，而且要埋于冻土层以下，上下铺100 mm厚的沙子，沙上盖一层砖或混凝土护板，覆盖宽度不小于电缆边缘的50 mm；穿管敷设电缆。

3）自动计量系统根据需要设置保护接地、信号回路接地和屏蔽接地，并保证接地可靠，接地电阻符合标准要求。PLC系统的接地电阻应小于4Ω。

4）系统的防雷防电涌设备按要求安装到位，并保证可靠接地，接地电阻应小于1Ω。

5）流量计或仪表严格按照相关标准安装施工，避免安装不规范、应力和其他因素影响其稳定性和准确度。

6）控制室计算机和PLC等设备应可靠接地。

3.3 及时维护并正确操作

1）流量计或仪表严格按照要求进行周期检定，以保证计量准确可靠。

2）定期检测系统防雷接地系统的接地电阻、防雷和防电涌模块性能。

3）定期对自动计量系统的仪器仪表、采集模块、PLC和工业控制计算机等进行维护。

4）流量计或仪表的操作严格按照操作规程进行操作。如涡轮流量计、腰轮流量计在启停操作时要缓慢，严禁猛开猛关，避免出现倒流。差压变送器避免单向受压。

4 结束语

天然气集输自动计量系统快速发展的同时，也给计量管理和技术人员带来挑战，管理和技术人员必须从设计把关、施工监护、运行维护等多方面入手，全方位管理，才能保证自动计量系统的稳定可靠和计量数据准确。

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