城市天然气门站流量计量系统设计说明

城市天然气门站流量计量系统设计
作者：姬建成… 文章来源：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
①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。

②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。

③流量计量程比应与城市输配系统运行工况特性相匹配，保证在流量变化围流量计量系统综合精度＜1%。

④在防爆区运行的流量计量装置应具有可靠的防爆措施。

⑤流量计量系统具有较好的故障自诊断和保护功能。

⑥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。

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，燃气门站流量计选用气体涡轮流量计，计量精度为0.5%。

①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17.0×104m3/h，平均小时流量为7.0×104m3/h，低峰小时流量为2.1×104m3/h；气体涡轮流量计进口压力为2.5～3.5MPa。

选配G4000 TRZ DN 300mm气体涡轮流量计，产品最大标定流量为
6500m3/h，最小标定流量为320 m3/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(2.1～17.0)×104m3/h的要求。

②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。

①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。

②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30d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1～12位和小数点后1～6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 ib]IIC防爆等级。

5 压力变送器和温度变送器选用
①压力变送器
选用Smart3051S压力变送器。

测量精度为0.5%，满足系统综合误差设计的要求；测量围为0～4.5MPa，变送器工作在量程的50%～70%围；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℃，满足地区-10～40℃的气温变化防爆等级为EEx ia IIC T4，满足安装场所防爆要求。

②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；测量围为-200～850℃，满足天然气-2～20℃工作温度变化的要求；工作环境温度为-20～85℃，满足地区-10～40℃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
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。

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。

7.1 流量计算机数据采集与通信
①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。

②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设计。

③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。

④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
①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，控制加臭量与天然气流量成
②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。

③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(s1ave)。

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：
式中X――流量计量系统综合精度
x
1
——气体涡轮流量计精度
x
2
——流量计算机精度
x
3
——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x
1
=0.5%，
流量计算机精度x
2=0.01%，压力变送器精度石x
3
=0.5%，温度变送器精度
x
4
=0.18%。

则流量计量系统综合精度为：
流量计量系统综合精度＜1%，满足设计要求。