天然气大流量计量检定系统的设计

王海向

(中石化中原石油工程设计有限公司，河南 濮阳 457001)

天然气大流量计量检定系统的设计

王海向

(中石化中原石油工程设计有限公司，河南 濮阳 457001)

基于天然气高压、大流量计量站检定工艺流程，提出了量值溯源总体设计和检定系统总体设计方法。通过对数据采集处理系统的设计，实现了工作标准装置区、核查装置区和被检装置区的温度、压力、流量数据的采集、处理、计算，实现了高压、大流量流量计的检定。检定系统诊断方案的设计为检定系统的准确性提供了有效保障。

高压气体活塞装置 检定系统 数据采集处理 系统诊断

为满足石化行业及华中地区高压、大流量天然气流量计的检定需要，中石化在武汉建立了国家石油天然气大流量计量站武汉分站(简称武汉计量站)。该站为流量计的出厂检定、周期性检定、计量争议检定及计量领域科研提供了手段。

1 计量检定工艺

武汉计量站位于江夏区安山镇，检定气源依托武汉分输站，采用高压干线截断分流和向低压管线排气的检定方式。该站以高压气体活塞装置HPPP(high pressure piston prover)为原级标准装置，工艺系统设计压力为10.0 MPa，检定操作压力为5.0～9.0 MPa，被检定流量计口径为DN50～DN400，工况检定流量范围为20～9 600 m3/h。检定工艺流程如图1所示。武汉分输站来的天然气经过滤分离器后采用调压阀组和稳压阀组将来气压力调节到检定压力并控制其稳定，然后进入武汉计量站的检定系统。检定后天然气通过流量调节系统，高压用气返回至武汉分输站主干线。管道内余气经压缩机升压后排至下游低压用户支线。拆卸流量计前需用氮气吹扫系统对被检流量计安装段进行吹扫，管道内气体排放至分输站放空系统[1]。

2 量值传递系统总体设计

2.1 HPPP不确定度分析

HPPP由具有恒定截面和已知容积的体积管组成，活塞以自由置换或强制置换方式在体积管内往复运动，根据活塞通过体积管所需时间可得到气体的标准体积流量；通过检测开关可确定活塞进入和离开体积管的时间间隔[2 - 3]。HPPP的不确定度从体积流量的不确定度和体积测量的不确定度两个方面进行分析。

2.1.1 体积流量的不确定度

HPPP的体积流量可以表示为

(1)

式中：qV——体积流量，m3/s；V——活塞通过体积管的有效体积，m3；Δt——活塞通过体积管有效体积V所需时间，s。

从式(1)可以推导出体积流量的标准不确定度为

(2)

式中：ur(V)——活塞通过体积管有效体积的相对标准不确定度；ur(Δt)——活塞通过体积管有效体积所需时间的相对标准不确定度；ur(r)——容积测量的相对标准不确定度。

图1 武汉计量站检定工艺流程示意

2.1.2 体积测量的不确定度

HPPP的有效体积为

V=πd2L

(3)

式中：d——HPPP的不锈钢缸体内径，m；L——HPPP的不锈钢缸体有效长度，m。

从式(3)可以得到体积测量的不确定度为

(4)

式中：ur(d)——内径测量的相对标准不确定度；ur(L)——有效长度测量的相对标准不确定度。

从式(4)可以看出内径d和缸体长度L是HPPP体积测量的重要参数，d和L由专用的内径测量系统和长度测量系统测量得出。

在对HPPP缸体的内径和长度测量后，可计算得到缸体体积测量的不确定度。目前，由于测量缸体内径和长度专用仪器的使用，此项不确定度为0.02%(k=2)[4 - 5]。

2.2 HPPP量值传递系统

武汉计量站采用国际上先进的HPPP作为原级标准装置，可溯源到长度和时间基准。HPPP量值传递系统如图2所示。用2台G100和2台G250涡轮流量计作为原级标准传递量值标准，将量值传递到工作标准的涡轮流量计；设置1台G80，4台G100，6台G200的涡轮流量计作为检定装置的工作标准，通过对工作标准级涡轮流量计的组合使用达到检定所需的流量；核查级标准设置5台G100，6台G200组成的11台超声波流量计，采用一一对应方式实时核查工作标准的计量性能；设置8路被检台位，包含2路小流量、5路大流量固定检定台位和1路移动车检定管路。每路固定台位可串联检定2台流量计。检定系统根据被检流量计口径的大小确定被检流量计需要安装的管路[6 - 7]。

图2 HPPP量值传递系统示意

3 检定系统总体设计

武汉计量站检定系统主要由数据采集处理系统、检定服务器、检定操作工作站和检定管理工作站四部分组成。检定系统对现场温度、压力、流量等测量信号进行采集和处理，对检定数据进行计算、量值确认，对报表及检定证书进行打印，从而实现基于网络的流量计检定管理[8 - 9]。

3.1 硬件结构设计

HPPP为撬装结构，由德国Ehler公司进行整体设计，主要由计量检定工艺系统、控制系统及几何测量系统组成，其中计量检定工艺系统主要由活塞体积管、传递量值标准系统的涡轮流量计、稳流喷嘴等组成，与武汉计量站的计量检定系统串联，通过OPC服务器进行数据通信来完成被检流量计的在线实流检定。

武汉计量站检定系统硬件结构如图3所示。工作标准涡轮流量计、核查标准超声流量计的流量信号分别以高频脉冲和RS-485信号方式上传至检定系统。被检流量计的信号输出形式主要有三种： 脉冲/频率信号、4～20 mA模拟信号和RS-485信号。每个检定台位固定1台温度变送器于管段上，相邻2个检定台位共用的1台压力变送器和1台差压变送器安装于移动小车上。标准台位和检定台位的温度变送器、压力变送器均采用FF总线方式接入检定系统。气相色谱仪、水露点分析仪采用RS-485信号传输至检定系统中。

图3 武汉计量站检定系统硬件结构示意

3.2 软件结构设计

检定系统根据现场采集到的温度、压力信号，通过软件完成对压缩因子、修正系数、瞬时流量、累计流量等参数的计算，通过与标准流量计的流量比对来判断被检流量计的准确性，完成被检流量计的检定工作。

软件架构及数据流向如图4所示。软件是检定系统的核心，其主要功能包括检定数据的加密、存储，检定数据库管理维护、历史数据存储，并且负责与数据采集处理系统进行通信，将检定结果取出存储在数据库中。软件具有以下功能特点：

1) 采用基于以太网的“客户端/服务器”分布式结构，所有数据存储在服务器上，提高了数据更新的同步性。

2) 所有数据存储在服务器数据库内，增强了服务器对数据的安全控制，保证了具有适当权限的用户才可以访问和更改数据，提高了数据的安全性。

图4 检定系统软件架构及数据流向示意

3) 具有更好的可扩展性，无需对服务器进行重新开发，只需通过安装客户端软件即可扩展新的用户，并且针对不同权限的用户，可以选择开放不同的功能。

4 数据采集处理系统设计

武汉计量站检定系统中以数据采集处理系统最为重要，数据采集处理系统基于PXI工业计算机来完成，主要负责现场仪表的数据实时采集、流量计算、数据存储以及检定结果处理。数据采集处理系统采集信号包括： 脉冲信号、4～20 mA模拟量信号、FF总线信号、RS-485信号。脉冲信号采集选用PXIe-6612高速脉冲采集卡，模拟量信号采集选用PXI-6238高精度电流采集卡，FF总线信号采集选用DFI302总线采集系统，RS-485信号采集选用NPort-5630高性能串口通信服务器。在该系统中，PXI机柜内置专用的10 MHz系统参考时钟、PXI触发总线、星形触发总线以及槽与槽间的局部总线。通过硬件触发的方式进行现场信号采集，为PXI采集卡提供统一的时钟源，保证了现场脉冲、模拟量等信号采集的时钟同步、计时同步和计数同步[10]。

4.1 脉冲信号采集

流量计输出的各种脉冲信号可能是有源或无源信号，为了使检定系统能够对各种脉冲信号进行实时采集，设计时选用了MTL5532单通道脉冲隔离转换器。该信号转换器不仅可以接入开关量信号、传感器信号、电压脉冲信号和电流脉冲信号，而且还具备对流量计脉冲信号进行幅值转换、整形和光电隔离等功能。

脉冲频率采集时采集各路脉冲的整脉冲数N与整脉冲的总时间T，但频率采集的脉冲数不进行修正，只需要用脉冲数除以各自的整脉冲时间就可以精确得到本路脉冲的频率，没有估算值，提高了频率采集的精度。对于0.01～10.00 kHz的频率采集范围，400 s内连续计数，脉冲不会出现溢出情况。同时检定系统软件集成了异常值剔除和脉冲插值功能，保证了数据的完整性和计算的准确性。

4.2 模拟量信号采集

通常模拟量信号比较容易受到干扰，为了提高模拟量数据采集的可靠性，设计时采用数字滤波的方式减小干扰带来的误差，在每个信号采集周期进行1 000个采样，通过加权平均滤波的方式得出本周期的采样值，然后对每次检定的多个采样值采用格拉布斯检验法依次进行数据剔除，去除不合理的模拟量点，减小干扰给检定计算带来的影响。

4.3 FF总线数据采集

工作级标准装置和检定管路所用压力和温度变送器均通过FF总线接入检定系统。DFI302总线采集系统为一个完整的FF总线采集系统，不与站控系统的DCS耦合，并且可以配置多个互相独立的FF总线采集控制器，每个总线采集控制器可以独立完成现场信号采集，并且不会占用检定数据采集处理系统的PXI主机的CPU资源，从而提高了数据采集速率，缩短了信号采集周期。DFI302总线采集系统与检定数据采集处理工作站之间以基于以太网的高速FF总线HSE(high speed ethernet)方式进行数据传输，通信速率达到百兆。当总线控制器完成现场数据采集后，使用HSE方式将数据传输至数据处理系统的PXI主机，大幅提高了数据读取速度。

4.4 RS-485信号采集

标准装置区和检定装置区的超声流量计诊断信号、色谱信号、水露点信号等均通过Modbus串口信号接入检定系统。采用NPort-5630高性能串口通信服务器只需通过在Windows操作系统中安装Real COM驱动程序，将NPort-5630的16个串口映射为16个Real COM串口就可以在控制室直接通过以太网对现场流量计进行诊断[10]。

5 检定系统诊断方案设计

5.1 阀门泄漏检测

检定管路强制检测密封阀密封性是否良好对流量计的检定影响重大。若阀门的密封性不好，检定结果将存在很大误差。检定系统设计时，检定软件中设置了强制密封阀泄漏检测功能，且易于操作。操作人员只需通过检定系统发出相应管线泄漏检测命令，检定系统便会自动将检漏所用的电磁阀控制命令传至站控系统，由其完成电磁阀开关的控制。检定系统根据采集到的泄漏检测管线的压力值正常与否可自动判断阀门是否存在内漏，如存在泄漏，则上位机画面显示报警。每次泄漏检测完成后检定系统会提示操作人员及时关闭电磁阀，以防止危险操作。

5.2 流量计实时诊断

1) 核查超声波流量计的诊断信息由RS-485串口信号通过数据采集工控机传至检定系统，检定系统读取流量计诊断信息并且完成系统自诊断。计算现场流量计每个声道的测量声速与流量计平均声速的差值，如果差值达到某一设定上限，则认为流量计声速故障。如果出现故障，则会在检定系统画面显示报警信息。

2) 标准涡轮流量计的诊断信息由RS-485串口信号通过数据采集工控机传至检定系统。检定系统在线实时读取其诊断信息，可以实时显示标准装置内所有涡轮流量计的叶轮损坏和轴承磨损等方面的信息，并显示报警信息。

3) 检定软件数据库具有足够大的容量来存储流量计诊断信息，数据库软件为每台流量计预留多达200点的容量存放诊断信息。

5.3 信号采集卡自诊断

数据采集系统卡件的自诊断是使用采集卡的API接口来完成。系统正常运行时，检定软件会通过采集卡的API接口读取采集卡的状态。如采集卡出现故障，检定系统发出报警信号，并通过返回的故障代码判断是何种故障，在系统画面中显示相应故障信息。

5.4 检定软件的启动与检测

检定软件的启动与检测功能如下：

1) 将软件加入到Windows的自动启动服务中，实现服务器重启时检定软件自动启动功能。

2) 检定系统采用心跳检测的方式进行状态检测。检定服务器与数据采集处理系统之间通过以太网进行通信，每隔30 s进行一次心跳检测，检测数据采集系统与服务器的连接是否正常。服务器端接收到数据帧表示通过，否则表示数据采集处理系统软件运行故障或通信断开，系统画面显示报警。

3) 系统初始化检测。无论是服务器还是采集系统在初始化完成后都要给对方1个初始化完成信号，当双方都收到初始化完成信号后才准许进行检定。如有一方未收到对方的初始化完成信号，则系统画面显示相应的初始化未完成报警。

6 结束语

以HPPP为原级标准装置的武汉计量站具有较小的不确定度，可检定的流量计范围广。检定系统实现了流量计检定过程中对温度、压力、流量等信号的采集和对检定数据的处理、计算、量值确认。同时，检定系统的诊断方案保证了检定系统的正常运行，确保了检定的准确性。武汉计量站为流量计的计量检定和量值溯源提供了有效保障，解决了国内大流量、高压流量计检定能力不足的问题。

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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年毕业于西安石油大学测试计量技术及仪器专业，获硕士学位，现就职于中石化中原石油工程设计有限公司，主要从事石油天然气仪表、控制系统的设计研究工作，任工程师。

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。