超声波流量计零流量漂数问题分析与抑制措施
2022-07-26何伟宏徐洁鑫谭洪伟苏泽峰
何伟宏,徐洁鑫,张 静,谭洪伟,苏泽峰
(国家管网集团广东运维中心,广东 广州 510000)
流量测量作为流体介质供需双方贸易结算的重要依据,也是生产经营单位衡量产能的重要指标,准确的计量结果对于公平公正的贸易结算意义深远。超声波流量计具有成本低、安装便捷、抗干扰能力强、压力损失低、测量范围宽、精度高等优势[1-2],已被广泛应用于石油、天然气等行业。
流量计作为流量数据采集现场一次仪表,受各种影响因素的制约容易产生小流量波动,从而产生计量误差[3-4],流体正常通过时微小信号与正常信号相比较小,不影响计量精度及准确性,无介质流通时零流量漂数则触发流量计算机累计引发计量争议[5]。小流量切除作为掩盖各种因素引发流量显示值零点漂移的常用手段,当实际流量低于设定切除值则流量不会累计,同样引发计量歧义[6]。而对于小流量切除值的设定当前没有规范明确,通常要视现场实际而定。
针对上述不足,笔者首先采用因果链法确定影响超声波流量计算机零流量漂数最终因素,采用Ensuite软件添加流量计算机控制点位优化组态,通过GCScontrix 编写流量计零流量漂数判定逻辑与场站分输启停联动逻辑,最终控制流量计算计计量启停消除零流量漂数歧义。
1 超声波流量计结构原理
1.1 流量计结构
超声波流量计主要由信号处理单元、超声换能器(探头)、流量计表体等部分构成,如图1 所示。其中信号处理单元接收探头信号并将信息远传流量计算机;探头通过换能器端口安装于表体,负责收发声波,并输出电压信号;流量计表体部分包括上下游直管段,上有超声换能器端口、取压口等。此外,压力变送器、温度变送器、色谱分析仪及流量计算机作为辅助仪表,用以测量现场数据。流量计算机利用现场数据计算介质工况流量,并将工况流量转换为标况流量。
图1 气体超声波流量计
1.2 流量计原理
传播时间差法气体超声流量计是通过测量高频声脉冲传播时间得出气体流量的速度式流量计,工作原理如图2 所示。超声脉冲在管道内逆流和顺流沿斜线方向传播,传播速度与介质轴向平均流速有关,通过测量声波传播时间差,运用数值计算法计算工作条件下通过气体超声流量计的气体轴向平均流速和流量。
在充满气体的密闭管道中,超声波传感器(探头)沿管壁安装,直接与气流接触,2 个传感器发射超声波后由对方互为接收。图2 中a、b 为2 个超声换能器,声道与管道倾斜夹角为θ,管道内径为D,声道长度为L,声道距离为x。在一些流量计中采用了反声道,此时声脉冲在管壁上经历一次或多次反射。
图3 流量计零流量漂数影响因素
图2 气体超声流量计工作原理图
若管线内气流无流动,声波以相同的速度在管道沿声道的2 个方向传播;若管线内介质流速大于0,声波顺气流方向传播速度较快,反之则较慢。其中,顺气流方向时间与逆气流方向时间计算公式为:
式(1)(2)中:L 为声道长度,m;Cd为声波在气体中的速度,m/s;V 为气体介质平均流速,m/s;θ为倾斜声道与管道轴线的夹角,°。
由式(1)与式(2)可得气体流速与声速为:
2 超声波流量计小流量切除
2.1 零流量漂数切除概述
小信号切除是流量仪表中的特殊要求,是一种用于解决流量计漂移掩盖矛盾的方法。当管线内介质正常输运时,漂移信号不足以影响计量的精度和准确度;当管线停输无泄漏时,小信号存在则导致流量计算机误累计,引发计量歧义,通常通过设定切除值,将低于该值的小信号切除在计量范围之外。当前对于切除值的设定没有明确规范,通常由厂家出厂前或根据现场实际情况做好流量计小信号切除设定,该值的设定存在不确定性。
2.2 零流量漂数原因分析
西气东输对流量计的切除设定没有明确规定,西三线闽粤支干线现场用Q.Sonicplus6 声道系列超声波流量计切,除值由厂家出厂前设定,设备灵敏度及精度较高,设定值不足以满意现场实际情况,停输期间存在零流量漂数问题,流量累计存在引发计量争议的可能。
研究就现场实际可能引发流量计零流量漂数可能性,确定管线内介质扰动,环境噪声污染,计量系统本体缺陷以及管线阀门机械设备泄漏,为导致流量计零点漂移的父影响因子。基于因果链法递推衍生影响自因子形成因果关系树图如图3 所示。根据关系树图开展现场实际排查,最终确定计量系统Q.sonicplus一次仪表高精度、高灵敏度及流量计算机功能组态不完善为零漂的根本原因。
3 流量计零流量漂数切除方法及效果分析
3.1 零流量漂数切除方法
PCS 与流量计系统的通信是通过PLC 系统COM521 模块实现的,流量计采集现场数据经流量计算机转换后通过RS485 传至PLC,PCS 实现对现场数据的实时监控。
为消除流量计停输零点漂移导致流量计算机累计可能引发的计量歧义,采用Ensuite 软件组态添加流量计算机计量启停控制点位700,PLC 通过赋值给点位控制流量计算机启停,如图4 所示。图4 在计量撬出口5302#阀门全关到位(ZSL_5302)分输完成,500 ms时段触发流量计投用状态(FT5201_Control_STATUS)并使流量计自动停止计量(R1_S6_FT5201_WRITE_INT.ⅤAR0 ), 停 止 计 量 的 状 态 通 过 PLC(FT5201_Control_STATUS_OK)采集反馈PCS 上位系统,如图5 所示,对应指示灯变红,也可通过上位机组态按钮(FT5201_Control_CMD)手动停止计量。值得一提的是阀门状态反馈通常在投产前由厂家做好设定测试,因而出现阀位反馈错误极端可能性较小,即使发生通道故障,由于全开/关到位为长闭触点,阀门发聩中间态,同样可保证流量计算机处于投用计量状态;对于计量撬出口阀门内漏的情形,当前只能通过加强现场巡检的方式,一旦发现Q.sonicplus信号处理单元流量累计持续攀升,则应手动投用计量,并及时处理泄漏故障。
图4 小流量消除自控逻辑
图5 PCS 上位机组态画面
对于流量计算机投用,综合考虑了场站自动启输逻辑、5302#阀非全关到位以及手动投用3 种情形。满足三者之一,PLC 则会使能下发启动1 指令至流量计算机开始计量,并反馈投用状态至上位机。该法有效规避了停输状态下,流量计算机零流量漂数导致的流量累计问题,同时极大降低了对于小流量切除值设定的需求。
此外,由于PLC 与流量计算机通过RS485 通信,在流量计算机停止计量期间,若发生通信中断,流量计算机将保持停用状态,此时对流量计算机上电重启无法消除停用指令,直至通信恢复逻辑解除方可投用,或者将未改造前流量计算机组态下装至流量计算机方可投用。若要规避上述问题,PCS 上位可通过与Q.sonicplus直接建立通信,西气东输目前未对该机预留备用通信线缆,属设计层面问题,未来值得深入研究。
3.2 应用案例及成效分析
上述功能已在闽粤支干线揭阳分输站完成测试,图6 为FT5201 停输工况下,功能投用前后6 h 时段内,瞬时标况流量与时间的关系图,由图6 可知,投用前该路流量计存在间断性小流量漂移,投用后小流量漂移问题得以有效解决。
图6 改造前后流量计标况瞬时量
4 结论
基于Eesuite 组态流量计算机计量启停控制数据点、组态PCS 上位机计量投用及状态反馈画面、GCScontrix 编写PLC 手/自动控流量计算联动逻辑,可有效实现场站启停输与流量计算机投用与停止计量的联动控制,可有效消除场站停输状态下的零流量漂数累计问题。
方法的实现一定程度上可免除流量计对小流量切除值设定的需求,有效规避了传统小流量切除值设定不确定性的弊端,填补了当前小流量切除值设定无明确规定的弊端。
通过建立Q.sonicplus与上位机间的直接通信,规避PLC 与流量计算机RS485 通信中断小概率事件发生指示流量计算机无法及时投用计量的弊端有待深入研究。