天然气站场运行参数测量优化研究与实现*

傅敏 伍淑辉 宋晓健 范劲松

1西南油气田公司燃气分公司

2西南油气田分公司重庆气矿

天然气作为绿色环保能源应用越来越广泛，它比空气轻，相对密度小、热值高，与空气混合时遇明火或静电火花会发生爆炸，爆炸极限为5.0%～15.0%，其易燃易爆等特性导致天然气生产站场属于不安全的处所[1]。而天然气压力、温度的测量数据作为流量计算、生产运营过程监控的重要参数，直接反映该测量系统、生产站场的运行状态。根据爆炸性环境设备通用要求的相关规定，天然气站场压力、温度的测量设备必须符合ⅡA类电气设备的要求。

1 测量现状

目前天然气站场主要采用压力变送器或数字压力计、热电阻和温度变送器等测量设备对生产过程中的压力、温度参数进行测量和控制。因为天然气具有易燃易爆等特性，所以天然气集输站场压力、温度测量系统中的仪表、仪表线路、电气设备及材料都应符合防爆要求。天然气生产现场大量采用本质安全型仪表，其安装和敷设应满足本质安全回路[2]要求：回路中安全栅、隔离器等关联设备的安装位置应在安全场所一侧（图1），以达到本质安全防爆要求和降低功耗作用。一般在控制室设置专用的仪表端子柜（图2），现场每一个测量点的仪表通过铠装线缆一一对应连接到仪表端子柜相应设备上。

图1 现场测量仪表安装示意图Fig.1 Schematic diagram for field measuring instrument installation

图2 仪表端子柜Fig.2 Instrument terminal cabinet

1.1 测量系统信号通信

目前天然气生产现场能实现通信的压力测量仪表大多采用HART 协议，少部分采用Brown 协议。温度测量仪表中，一体化温度变送器采用HART协议，热电阻和热电偶采用电缆线将电阻和电压信号传输至温度变送器后采用HART协议通信，都是支持的模拟信号通信（图3）。测量点本质安全回路组成为：测量仪表（电流信号、电压信号或电阻信号）—SPD（保持原信号形式）—ISB（电压信号）—模拟/数字（A/D）转换模块（数字信号）—上、下位系统或支持数据远传网络（IP/TCP）。

目前天然气生产现场多采用星型拓扑结构的局域网[3]，其结构相对简单，便于管理，建网容易，是目前局域网普遍采用的一种拓扑结构。使用双绞线为传输介质，将电流、电压和电阻信号传输至仪表端子柜。每台测量仪表通过各自的线缆连接到端子柜上，某根电缆出现问题时只会影响到一个测量回路的信号传输。但针对测量点多的站场，星型拓扑结构的局域网电缆敷设较为繁杂，端子柜的接线端子、本质安全回路配套的隔离式安全栅（或温度变送器）和A/D转换模块因一一对应关系，需求量相应增加。

1.2 检定和现场校准

为了保证测量的准确性，在测量设备投用前应进行首检，在使用过程中按周期或管理制度进行测量系统相关设备的现场校准。压力测量系统相关设备在使用中进行现场校准时，分别对压力传感器、ISB、A/D 转换模块进行校准，再校准整个压力测量回路，根据测量点所在的计量系统确定其准确度。

同理，温度测量系统相关设备在使用中进行现场校准，温度传感器（热电阻或热电偶）、一体化温度变送器在实验室进行室内检定，现场的隔离式安全栅[4]（或温度变送器）、A/D转换模块和压力测量系统的检定方法相同。

图3 测量系统模拟信号通信示意图Fig.3 Simulated signal communication diagram of measurement system

1.3 测量系统不确定度影响

1.3.1 压力测量

以某一处压力测量点为例，使用准确度为0.2%的压力变送器，配套准确度为0.1%的ISB和准确度为0.1%的A/D转换模块，完成该压力测量点的数据测量、采集、转换、传输。其测量过程的不确定度影响分析如下[5]：

压力测量点使用准确度为0.2%的压力测量仪器，由此引出的不确定度分量u1按均匀分布计算

数据传输过程中信号转换的不确定度由准确度为0.1%的ISB 和准确度为0.1%的A/D 转换模块形成，由ISB引出的不确定度分量u2按均匀分布计算

由A/D转换模块引出的不确定度分量u3按均匀分布公式（2）计算，得u3=0.06%。

因为不确定度分量均不相关，故其合成标准不确定度ur的计算为

其扩展不确定度为：U95=0.30%，k=2。

1.3.2 温度测量

（1）以某一处温度测量点为例，使用最大允许误差（MPE）为±0.5 ℃的一体化温度变送器，配套准确度为0.1%的ISB和准确度为0.1%的A/D转换模块，完成该温度测量点的数据测量、采集、转换、传输。其测量过程的不确定度影响分析如下：

温度测量点使用MPE为±0.5 ℃的一体化温度变送器（温度测量范围-30～70 ℃，量程100 ℃），由此引出的不确定度分量u1按均匀分布计算

数据传输过程中信号转换的不确定度由准确度为0.1%的ISB 和准确度为0.1%的A/D 转换模块形成。

由ISB引出的不确定度分量u2按均匀分布公式（2）计算，得u2=0.06%。

由A/D转换模块引出的不确定度分量u3按均匀分布公式（2）计算，得u3=0.06%。

因为不确定度分量均不相关，故其合成标准不确定度ur的计算为

其扩展不确定度为：U95=0.60%，k=2。

（2）同样的温度测量，使用MPE 为±0.5 ℃的温度传感器，配套准确度为0.2%的温度变送器和准确度为0.1%的A/D转换模块，完成该温度测量点的数据测量、采集、转换、传输。其测量过程的不确定度影响分析如下：

温度测量点使用MPE为±0.5 ℃的温度传感器（温度测量范围-30～70 ℃，量程100 ℃），由此引出的不确定度分量u1按均匀分布公式（4）计算，得u1=0.29%。

数据传输过程中信号转换的不确定度由准确度为0.2%的温度变送器和准确度为0.1%的A/D 转换模块形成。

由温度变送器引出的不确定度分量u2按均匀分布公式（1）计算，得u2=0.12%。

由A/D转换模块引出的不确定度分量u3按均匀分布公式（2）计算，得u3=0.06%。

因为不确定度分量均不相关，故其合成标准不确定度ur的计算为

其扩展不确定度为：U95=0.64%，k=2。

2 测量过程优化研究

通过对测量现状的分析，影响测量结果准确性的关键在于测量过程仪表、信息传输过程和信号转换过程的准确度。

目前现场本质安全回路中使用的压力测量设备多采用谐振式、电容式和压阻式的压力变送器，其准确度等级已达到0.2 级以上；温度测量多采用铂电阻作为传感器，准确度也达到A级，一体化温度变送器的准确度为0.2级；信号隔离器为0.1级，A/D 转换模块的有效位超过12 位，准确度也达到0.1级。随着传感器技术、电子技术和嵌入计算机芯片等技术的发展，更高精度的测量仪表也逐步从特殊领域专用向市场化普及，但传感器[6]精度越高其成本也越高。

近几十年来数字通信的迅速发展，为工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信，以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递提供了有效的解决方案。现有本质安全回路信号传输均采用模拟信号传输，以数字信号替代了传统4～20 mA[7]、1～5 V[8]模拟信号 传输，可有效保证数据传输无精度损失。

综上所述，在保证测量结果精度前提下，通过改变测量底层数据通信方式，即应用现场总线实现天然气现场测量信息和上位系统的全数字、双向通信；将SPD、ISB 等相关功能模块微型化、集成化，形成符合本质安全要求的信号传输回路，是实现优化测量过程简单、可靠、经济实用的解决方案。

3 实施方案及应用效果

3.1 实施方案

3.1.1 通信方式

用数字信号替代模拟信号传输，测量用仪表在传感器输出后直接将电压和电阻信号转换为数字信号，通过数据总线传输至中央处理器进行计算和数据处理，后续过程均以数字信号方式输出，如图4所示。

图4 压力、温度传感器输出电路示意图Fig.4 Output circuit diagram of pressure and temperature sensors

3.1.2 回路模块集成

将具有SPD、ISB 功能的微型化模块高度集成，使其符合本质安全要求的信号传输回路，如图5 所示。采用一体化高浪涌防护隔离收发器实现通信浪涌抑制和隔离；通过隔离法采用光耦合器或磁耦合器实现电路防浪涌。

图5 浪涌隔离收发器、光耦合器PCB板Fig.5 PCB board of surge isolated transceiver and optical coupler

3.1.3 线路敷设

根据现场测量点分布情况，采用总线型拓扑结构替代模拟信号通信采用的点对点星型拓扑，通信介质为同轴电缆，如图6所示。其主要特点为：易于布线和维护；线缆结构简单，可靠性高；新增节点可在总线的任何点将其接入；总线型网络的安装比较简单，对技术要求不高。

3.2 应用效果

3.2.1 保证测量精度

利用数字信号传输无精度损失的特性，从传感器输出就采用24 位模数转换器（ADC）进行转换，实现数字信号传输[9]，且按本质安全回路要求将具有SPD、ISB 功能的浪涌隔离收发器、光耦合器高度集成于仪表一体。新型测量仪表本身既满足爆炸性环境设备通用要求，又具有测量系统的功能，其不确定度仅来源于传感器的准确度。使用准确度为0.2%的压力传感器，压力测量的标准不确定度为0.12%；使用MPE 为±0.5 ℃的温度传感器（量程100 ℃），温度测量的标准不确定度为0.29%。

图6 测量数字信号总线拓扑示意图Fig.6 Topological schematic diagram for measuring digital signal bus

3.2.2 减少仪表维护工作量

为了保证测量数据的合法性，现场仪表需按规定周期进行校准。以1个测量点为例，传统的测量系统需要对单表、隔离器、ADC分别进行校准，再对测量回路进行联校；优化后只需对新型仪表进行校准，校准由以前的四个环节变成现在的一个环节，所需携带校准标准设备和校准工作量都减少了。

3.2.3 降低建设成本

线路敷设用总线型[10]拓扑替代传统的星型拓扑，5 芯铠装线缆替代7 芯铠装电缆，新增节点可在总线的任何点接入，数据节点都连接在一个公共的通信介质上，减少了电缆长度，节约了安装费用，且易于布线和维护。

将具有SPD、ISB 功能的微型化模块集成在同一PCB板上并与仪表一体化，符合本质安全回路的仪表端子柜只需配置多协议转换器和24～36 V稳压电源，缩小了占地空间，更利于控制室管理。

4 结束语

天然气运行参数压力和温度的测量过程优化，主要是利用传感器技术、电子技术和嵌入计算机芯片等技术，在满足本质安全回路要求的条件下，将SPD、ISB 功能模块微型化、集成化，并与仪表一体化。仪表本身从传感器后接入ADC 转换直接输出数字信号，既可以减少测量过程中因信号转换产生的准确度损失，又可以减少测量设备维护工作量，从而达到优化天然气压力、温度的测量过程，保证测量准确度，降低生产成本，提高管理效益的目的。