Sick流量計算機的分析與應用探究

鄧鐵強

（天津泰達濱海清潔能源集團有限公司，天津 300000）

流量計算機可以有效地計算天然氣物性參數(shù)、臨界流系數(shù)、等熵指數(shù)和定壓比熱容等天然氣熱力學參數(shù)和多通道超聲波氣體流量計的聲速和誤碼率采集,同時設(shè)備支持上述所有配置參數(shù)和計算結(jié)果的Modbus數(shù)據(jù)采集。Sick流量計算機作為現(xiàn)階段新型流量計算機，可以準確地實現(xiàn)天然氣流量計量，可對多通道氣體超聲流量數(shù)據(jù)進行采集，為天然氣介質(zhì)瞬時與累積流量進行準確計量。此類計算機支持本地設(shè)置、遠程設(shè)置兩種方式，可對工作環(huán)境壓力、溫度、密度等指標進行流量換算與結(jié)算處理，將采集數(shù)據(jù)經(jīng)過Modbus傳遞到PLC軟件中，由此達到預期應用目標。

1.Sick流量計算機主體框架

1.1 主要構(gòu)成

此類計算機在天然氣、水蒸氣、液體計量中得到廣泛應用。該設(shè)備的軟硬件構(gòu)成如下，在軟件建設(shè)中包括設(shè)備端口、設(shè)備安裝、Reports報告、日志、數(shù)據(jù)格式與版本信息等等；在硬件建設(shè)方面，包括7寸觸摸屏、WINCE嵌入式系統(tǒng)、Panel面板等，實現(xiàn)人機交互，Module模塊實現(xiàn)獨立計量功能，結(jié)合現(xiàn)場計量需求增加多個模塊，采用Web登錄該計算機，由Flow-X覆蓋計算機中的全部參數(shù)。流量計量系統(tǒng)中包含熱電阻、孔板、流量計算機等內(nèi)容，只有各部分安裝正確才可準確計量[1]。

1.2 運行模式

該設(shè)備運行與維護模式分別為Run與Maintenance，Run運行模式是從當前程序計數(shù)器（PC）執(zhí)行程序，碰到斷點時程序暫停執(zhí)行，Maintenance運行模式可在非常規(guī)狀態(tài)下應用，其作用在于計算機檢修與調(diào)試。在維護過程中累積量不會逐漸增加，而是單獨在維護累積的情況下累加，直到儀表轉(zhuǎn)變?yōu)檫\行模式。同時，累積模式下輸出電流值為4.0mA，脈沖輸出值暫停。此外，為了維護儀表正常運行，可增加變量permissive flag，只有在該變量為1的情況下，用戶才可在維護模式中進行操作。

1.3 相關(guān)參數(shù)

該計算機中的輸入量類型較多，如過程量、輸入量、狀態(tài)量等等，具體如下。流量計參數(shù)中包含三項內(nèi)容，即脈沖輸入、HART智能輸入與混合輸入。過程量包括儀表壓力、溫度、密度值，當利用NX19時還應將H2組份、N2組分等發(fā)熱量值輸入其中，主要方式為AI模擬輸入、熱電阻輸入、固定值輸入等；在常規(guī)運行模式下，脈沖與智能輸入可同時開展，一旦某項輸入信號發(fā)生故障，立即選取其他類型信號進行輸入；在混合輸入方面，介質(zhì)天然氣中的組分內(nèi)含22種，如C2、CO2等等，對于特殊變量進行定義，當選用C6+時，則要按照特定比例進行拆分，無需單獨設(shè)置[2]。在流量計算機使用之前，可利用ROCLIK軟件對流量計算進行設(shè)置，計算公式為：

式中，q代表的體積流量，單位為m3/s；c代表的是流出系數(shù)；d代表的是孔板內(nèi)徑，單位weimm；ε代表的是可膨脹系數(shù)；ρ代表的是流體密度，單位為kg/m3；Δρ代表的是差壓值，單位的是Pa；β代表的是無量鋼。

2.Sick流量計算機的技術(shù)特點

2.1 采用先進超聲傳感器

SICK總部為德國跨國儀表集團，擁有全球領(lǐng)先的儀器制造技術(shù)，是現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)的先驅(qū)，對超聲傳感器的研究已有20年歷史，流量計算機中配備的超聲傳感器為平行對射四聲道，采用金屬鈦合金材料，無匹配層，工作頻率為200kHz，可在壓力為0—45MPa、溫度為-40—180℃的環(huán)境下運行，氣體流速為0.3—65m/s，計量精度為0.5%，超過當前世界氣體廠家超聲流量計的技術(shù)指標。該設(shè)備采用國際領(lǐng)先技術(shù)，與普通鋼信號接收性能相比較高，具有較強的高速氣流沖擊、抗腐蝕性能，尤其是在二氧化碳含量超過3%時，與水接觸后形成的碳酸，設(shè)備表面抗腐蝕能力超出常規(guī)材料的數(shù)倍。

2.2 貿(mào)易計量準確度高

流量計算機在相同平面中采用四聲道配置，可有效保障貿(mào)易計量穩(wěn)定性與準確度。該設(shè)備中各個聲道均采用不同的權(quán)重參與流量計算，當某個聲道出現(xiàn)異常狀態(tài)時，超聲流量計便會自動開啟20000個檢測測量，依據(jù)測量結(jié)果對其他聲道權(quán)重自動調(diào)整，使測量偏差被控制在0.3%以內(nèi)，由此保障計量精度。如若各聲道間的聲速差不超過0.1%，便可認為流量計算機處于正常工作狀態(tài)。當流量計中傳感器更換后，也無需重新標定。因傳感器為量產(chǎn)，在正式投入使用之前需要經(jīng)過嚴格檢測，各個傳感設(shè)備參數(shù)間的差異較小，采用相同批次傳感器可使計量精度得到切實保障。

2.3 顯示數(shù)據(jù)與診斷功能

流量計算機可通過磁力筆對現(xiàn)場參數(shù)進行調(diào)整，對瞬時流量進行顯示，并對累計流量、流速、流向狀態(tài)、聲速等信息進行記錄。同時，還在內(nèi)部安裝了鋰電池或太陽能電池，可保障計量系統(tǒng)運行初期或斷電、故障狀態(tài)下流量數(shù)據(jù)不丟失，減少用戶的計量損失與貿(mào)易糾紛。該設(shè)備還具備遠程診斷功能，可實現(xiàn)遠程診斷、監(jiān)控等功能，擁有數(shù)字化特點，有助于促進計量管理的高效發(fā)展，為售后服務提供強有力技術(shù)支持。

3.流量計算機在氣體計量中的應用

流量計算機在氣體計量方面具有較大應用優(yōu)勢，本文以天津濱海輸氣項目為例，該工程從天津武清區(qū)至津南區(qū)，涉及天津8個區(qū)域，每個區(qū)域各自配置一套Sick流量計算機。下面將探究Sick計算機的系統(tǒng)構(gòu)成、影響因素與在該項目中的實際應用情況，具體如下。

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)由計量撬、分析小屋、計算機柜構(gòu)成。計量系統(tǒng)在計算機上對標況瞬時流量、標況總累計流量進行計算，還可利用PLC系統(tǒng)傳遞溫度、壓力、流量、熱值等數(shù)據(jù)信息，在PLC中進行流量對比計算[3]。在計量撬上設(shè)置溫度傳感器、壓力傳感器、渦輪流量計與多種閥門、輔助設(shè)備等。計算機柜中設(shè)置網(wǎng)關(guān)、流量計算機與一系列輔助設(shè)備；分析小屋中設(shè)置氣相色譜儀與輔助設(shè)備等等。根據(jù)流路系統(tǒng)可知，由渦輪流量計將信號傳遞到計算機F1中，F(xiàn)1收到信號后結(jié)合壓力、溫度變送器，將網(wǎng)關(guān)中傳遞的氣體數(shù)據(jù)進行修正；計算機F2可對兩個脈沖信息進行接收，當F1接收信號后進行對比，如若兩個信號之差處于合理范圍，則可利用第一個信號計算；如若二者差值超過合理范圍，則計算機便會發(fā)出警報，應采用數(shù)值相對較大的信號進行計算。一般情況下，F(xiàn)1計算機通過色譜分析對氣體組分數(shù)據(jù)進行計算，當該儀器故障時，可自動對上一次分析結(jié)果進行計算。因天然氣傳輸對可靠性提出嚴格要求，每套系統(tǒng)都要采用兩個流路設(shè)計，一個直接投入使用，另一個為備用。結(jié)合調(diào)度指令，利用出入口閥開關(guān)靈活切換流路，如圖1所示。

圖1 流路系統(tǒng)示意圖

3.2 影響因素

在應用期間，流量計算機可能受多項因素影響，出現(xiàn)信號不準確、參數(shù)錯誤、零點漂移等情況，具體如表1所示。

表1 流量計算機運行影響因素

一是測量信號不準確，儀表因長期工作，靜壓傳感器、差壓傳感器、溫度變送器的準確度均會發(fā)生改變，當出現(xiàn)上述情況時需要進行儀表校準，確保其準確可靠。在校準完畢后，如若測量信號仍有較大誤差，可能因?qū)汗芏氯?，特別是冬季，因氣溫較低可能使導壓管凍住，應采取有效的保溫措施，使導壓管暢通無阻；二是參數(shù)設(shè)置錯誤，這一情況會對測量結(jié)果產(chǎn)生直接影響，如孔徑中填寫標定證書數(shù)據(jù)，溫度、差壓、靜壓等信號不變，因為I/O設(shè)置中將參數(shù)設(shè)置為“scan”項誤操作為“disablc”所致；三是零點漂移，在設(shè)備檢修時，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)無氣體流動，但計算機中仍然顯示流量數(shù)值，由此可判定出現(xiàn)零點漂移情況，需要對儀表進行清零校正。在數(shù)值調(diào)整完畢后，開啟平衡閥，對管路壓力進行標定，將操作靜壓應用到傳感器中，使ROCLINK軟件與流量計算機相互連接，便可在菜單中完成相應操作。在告警設(shè)置方面，該計算機可對瞬時流量、儀表壓力、溫度、氣體組分等數(shù)值限定要求進行明確，包括上限預警與下限告警，一旦數(shù)值超過設(shè)定范圍便會及時響起警報，十分安全可靠。

3.3 應用情況

在設(shè)備應用中，整套系統(tǒng)準確度與設(shè)計要求相符。經(jīng)過一年多應用后，根據(jù)不同分輸站場的反應，發(fā)現(xiàn)計算機故障概率較低，無測量信號不準確、零點漂移等現(xiàn)象，可靠性顯著，且操作簡單便利，存儲數(shù)據(jù)量較大，不但有每小時參數(shù)，還有每天分輸量、月度累積量、年度總累計量，可對以往分輸數(shù)據(jù)進行查詢。同時，還具備報警記錄，可對以往運行情況進行準確查詢。該計算機的自診斷功能也值得一提，可及時將錯誤信息反饋出來。維護人員可通過計算機前面板狀態(tài)指示燈直觀了解計算機運行情況，判斷是否發(fā)生錯誤，如若發(fā)生錯誤，則該計算機能夠及時對錯誤類型、級別等作出詳細判斷，挖掘錯誤成因，為后期維護提供更多便利。此類計算機維護較為便利，且工作量較少，幾乎無需開展日常維護工作；對于維修團隊來說，在維修中只需更換電池或者保險絲即可。

4.結(jié)語

綜上所述，本文針對Sick流量計算機進行研究，并結(jié)合實際運用于天津濱海輸氣項目，重點闡述該設(shè)備的參數(shù)變量、軟硬件結(jié)構(gòu)以及在天然氣計量中的應用情況。該設(shè)備可采集天然氣儲配站壓力、溫度、流量等運行數(shù)據(jù)，可根據(jù)GB_T 17747標準對天然氣壓縮因子進行計算，也可將修正后的數(shù)據(jù)參數(shù)傳遞到上位機。根據(jù)濱海輸氣8個站點的運行結(jié)果表明，該設(shè)備可充分發(fā)揮安裝簡單、操作便利、運行穩(wěn)定、自診斷準確、及時預警、維修便利等特點，能夠準確接收計量數(shù)據(jù)并計算出天然氣標準流量，并穩(wěn)定傳遞給后端PLC，為工業(yè)發(fā)展提供強有力的技術(shù)支持。