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1、城市天然气门站流量计量系统设计作者：姬建成赵文章来源：郑州燃气股份有限公司 点击数：433更新时间：2008-12-7 17:30:04 流量计量系统是城市门站的重要设施 ，用于与上游气源供应商的贸易结算校对 、城市输配系统运行调度以 及城市多气源采购成本核算分析 。1天然气流量计量系统设计原则 采用先进的流量计算机系统，实现与站控系统的数据交换、多种流量计 量单位的自动转换，建立流量历史数据库，可进行历史数据检索分析；实现流 量数据上传，纳入城市输配运行调度系统。 采用稳定可靠的流量计，其计量精度、计量形式应与上游匹配，保证与 上游流量校对的技术条件一致。 流量计量程比应与城市输配系统运行工
2、况特性相匹配，保证在流量变化范围内流量计量系统综合精度 V 1%。 在防爆区运行的流量计量装置应具有可靠的防爆措施。 流量计量系统具有较好的故障自诊断和保护功能。 考虑可不停产维修以及远期扩容等因素。2天然气流量计量系统设计方案天然气流量计量系统基本方案见图1。远稈终端单兀(RT流St计算机A变送 器温变器偶轮流猷in图1天然气流量计量系统基本方案FigiBaaic Hcheme of natural gas flow metering system气体涡轮流量计检测天然气流速，向流量计算机提供高频脉冲信号；流量计 算机(FLC进行流量运算以及多种计量单位换算与显示；在线气体成分分析仪向 流量
3、计算机提供实时气体成分，以保证体积流量、质量流量的计算精度；压力 变送器(PT)、温度变送器(TT)向流量计算机提供燃气压力和温度数据，使流量计 算机将工况流量转化为标准状态流量；远程终端单元(RTU)对流量计量通道运行 状态数据进行采集、逻辑顺序控制和数据通信控制。3天然气流量计选用为保证与西气东输郑州分输站流量计量系统在计量原理和精度上具有较高的 一致性，以达到双方贸易结算数据校对的目的，郑州燃气门站流量计选用气体 涡轮流量计，计量精度为0.5%。 流量计口径和量程比校核计算门站工艺设计参数如下：高峰小时流量为17.0 xi04m3/h ,平均小时流量为7.0X104m3/h，低峰小时流量
4、为2.1xi04m3/h ;气体涡轮流量计进口压力为2.53.5MPa。选配G4000 TRZ DN 300mm 气体涡轮流量计,产品最大标定流量为6500m 3/h ,最小标定流量为 320 m 3/h。按照该设备的选型计算,选用G4000 TRZ DN 300mm 涡轮流量计可满足输气能力（2.117.0） X104m3/h的要求。气体涡轮流量计性能及特点a. 气体涡轮流量计相对误差为0.5%。b. 采用双径向轴承及止推轴承结构，具有特强过载能力，可长时间过载1.2 倍最大流量，短时间过载1.6倍最大流量。c. 压力损失低，当最大流量时其压力损失仅为130Pa。d. 采用强制润滑形式，在正
5、确使用情况下可连续运行 20年以上。e. 具有自诊断功能。涡轮叶片端部切割磁力线（径向）发出脉冲信号，涡轮平 面孔洞切割磁力线（轴向）也发出脉冲信号。在正常情况下，两组脉冲的比值应 该保持恒定，一旦涡轮内部发生故障，如叶片打坏、轴承损坏等情况，两组脉 冲的比值偏离恒定值，流量计算机可立即识别并报警。4流量计算机选用选用F1流量计算机来完成天然气流量计算和显示 。F1流量计算机是多功能 流量计算机，可选用的模块、组态软件繁多，在实际设计过程中，要密切结合 计量系统的结构、运算标准等要素选择。 流量计算机配置信号处理采用1块EXMFE4输入卡和1块MFA6输出卡，4路脉冲和开关量 防爆信号输入，其
6、中2路用于输入气体涡轮流量计高频脉冲信号，另外2路扩展 备用；2路HART-bus协议输入输出接口，用于采集压力和温度变送器信号；2 路RS-232接口，其中1路向RTU传送流量数据，另1路扩展备用；1路RS-485 接口，预留与其他智能控制设备通信。流量计算机组态软件选用GAS-WORKS软件进行计量系统的调试和设置系统 参数，并可将系统数据存储、归档和重组。 流量计算机性能及特点a. 计算精度为0.01%。b. 可根据所选用的标准状态，完成标准体积流量、质量流量和能量流量等 瞬时流量及天然气压缩因子的计算。c. 存储器对数据归档间隔从1s至1h可编程调整。若每1min存储1次，可 存储30
7、d的流量数据以及错误和更改信息 200条。d. 采用带背光的LCD显示方式，可显示标准状态下的瞬时流量、累计流 量、质量流量和能量流量。同时也能显示工作压力、温度、仪表状态等信息。 根据显示不同参数的要求，显示位数高达小数点前112位和小数点后16 位，通过面板上的键盘操作，可查阅归档的资料，包括带有时间标签的累计流 量等。e. 具有多种诊断功能，包括通道诊断、卡板诊断和系统诊断等，这些信息 都可上传站控系统，供管理和操作人员及时进行维护。f. 连接现场的输入信号通道均为EEx ibIIC防爆等级。5压力变送器和温度变送器选用 压力变送器选用Smart3051S压力变送器。测量精度为0.5%，
8、满足系统综合误差设计的 要求；测量范围为04.5MPa，变送器工作在量程的50%70%范围内；可承 受工作压力为6MPa，工艺设计压力为3.3MPa ;可承受环境温度为-40 80 C,满足郑州地区-1040 C的气温变化防爆等级为EEx ia IIC T4，满足安装 场所防爆要求。 温度变送器选用644H温度变送器。精度为0.18%，满足系统综合误差设计的要求；测 量范围为-200850 C,满足天然气-220 C工作温度变化的要求；工作环境温度为-2085 C,满足郑州地区-1040 C的气温变化要求；防爆等级为EEx ia IIC T4，满足安装场所防爆要求。6双流量计量通道运行控制方案
9、为了保证流量计量系统具有较高的可靠性和可维护性，采用了 1开1备的双流量计量通道并联运行冗余设计，见图2。压力变送器B手动昧阀过滤器鵲温度变送器R乎劝球阀涡轮流駅计R0温HE变 送器AIXH 乎动 球阀压力变送器Af-动 囂过滤濟电动 球阀涡轮流址计a图2双流量计量通道并联运行Fig. 2 ParaDei operation of double flow metering channels在两个流量计量通道上分别安装电动球阀来关闭或打开流量计量通道。RTU采集流量数据和电动球阀开关状态并依据设计的计量通道转换控制逻辑进行运算，向电动球阀发送开关动作指令以实现双路计量通道运行模式的转换。运行模式
10、1 : A通道工作，B通道关闭。可对B通道流量计进行日常保养运行模式2: B通道工作，A通道关闭。可对A通道流量计进行日常保养运行模式3: A、B通道按设定的工作周期自动转换轮流工作，保证2台气体 涡轮流量计运转时间基本相同，避免某通道长期运转造成过度磨损。运行模式4:其中一路流量计发生故障，自动切换至正常流量计通道工作， 并使故障流量计通道电动球阀处于关闭锁死状态 ，可拆除故障流量计进行运行模式5:当流量超出单通道设定的最大值时，RTU自动切换至双通道工 作，使单通道流量下降至正常工作范围。7数据采集与通信RTU、流量计算机、在线气体成分分析仪、温度变送器和压力变送器都是基 于微处理器的可编
11、程智能化设备和仪表，它们之间的数据通信要遵循标准化协 议。数据采集及通信方案见图3。RTU豪量计算机AHAHT BusHAKI Kun图3天掠气流量计數据采集及通信方奚Fig、3 Data acquisition and conununicstioti echeme for natund flow metering7.1流量计算机数据采集与通信采集气体涡轮流量计流量数据流量计算机通过4芯双绞屏蔽电缆与气体涡轮流量计相连接，采集主高频脉 冲信号(AIS)和比较高频脉冲信号(AIR)。主高频脉冲信号的频率对应气体流速， 流量计算机通过检测频率的变化计算气体流量的变化，同时比较AIS和AIR的脉冲相
12、位，若发现脉冲相位差超过规定值，就判定气体涡轮流量计的涡轮叶片变 形损坏，及时发出气体涡轮流量计故障报警信号。 采集压力、温度数据流量计算机通过2芯双绞屏蔽电缆与压力变送器和温度变送器相连，2芯双绞屏蔽电缆在传送数据的同时向压力变送器和温度变送器提供12V直流工作电源。流量计算机使用HART-bus协议与压力变送器和温度变送器进行通信，采 集天然气压力和温度数据。由于HART-bus协议依据工位编号识别安装在同一 环路中的不同智能仪表，压力变送器和温度变送器可以使用同一电缆进行数据 传拱。HART-bus协议最多支持在同一环路中安装16台智能仪表，在进行智能 仪表编程时，要事先做好工位编号分配
13、设计。 采集在线气体成分数据流量计算机通过RS232通信接口和2芯双绞屏蔽电缆与在线气体成分分析仪 相连接，通过Modbus协议实现数据采集。流量计算机通信应设置为主叫状态 (Master)，在线气体成分分析仪通信应设置为被叫状态(slave)，流量计算机实时 向在线气体成分分析仪请求气体成分数据，在线气体成分分析仪响应并发送最 新的气体成分数据。 与备份流量计算机进行数据通信为保证流量计量系统工作的高可靠性，本系统采用流量计算机双机热备份配 置。流量计算机A和流量计算机B之间通过DSFG通信协议交换数据。当流量 计量通道工作时，流量计算机A作为流量计算主机，并向流量计算机B发送流 量数据和工
14、作状态信息。一旦流量计算机A发生故障，流量计算机B就会自动 接替流量计算机A进行流量计算。反之，流量计算机B故障时，流量计算机A 也自动接替流量计算机B进行流量计算。7.2 RTU数据采集与通信 与流量计算机数据通信RTU使用2条RS-232通信物理链路，同时连接2台流量计算机。使用 Modbus通信协议，从流量计算机获取流量、压力、温度、历史数据和流量计 算机工作状态。RTU作为通信控制主机应设置为主 4q6t态(Master)，流量计算 机通信应设置为被叫状态(slave)。RTU向站控计算机转送相关信息，以供操作 人员了解流量计量系统工作情况，同时也向加臭装置传送流量信号，控制加臭 量与
15、天然气流量成 采集流量计量通道电动阀门状态与通信RTU采集流量计量通道电动阀门全开到位、全关到位、开关转换动作和故障 的逻辑信号，确定流量计量通道电动阀门状态，依据设计的控制逻辑程序向相 应的电动阀门发出控制指令，改变其工作状态。 与城市燃气输配调度系统通信RTU使用Modbus通信协议，可向城市燃气输配运行调度系统发送城市门站 流量数据。城市燃气输配运行调度系统通信控制主机应设置为主叫状态 (Master)，RTU通信设置为被叫状态(slave)。RTU向城市燃气运行调度系统上 传瞬时流量、本小时累计流量、上小时累计流量、昨日累计流量、本日累计流 量、本月累计流量、上月累计流量数据。8天然气流量计量系统综合精度校核天然气流量计量系统综合精度是表示流量计量系统整体性能的指标，在系统设计过程中要做好各流量计量系统综合精度按下式计算：X JX +尤2 + 兀3 + 程式中X流量计量系统综合精度xi 气体涡轮流量计精度X2流量计算机精度X3压力变送器精度X 4温度变送器精度本流量计量系统各计量仪表精度分配如下：气体涡轮流量计精度xi=0.
