计量与SCADA系统

2026-07-28 15:15:00

 (1)计量。

我们的日常生活离不开“秤杆子”。那么油气在管道中流动或者储存在储罐或储库里,怎么称重呢?油气管道输量大,管输介质价格高,其生产运行、交易结算同样需要“秤杆子”。管输介质的准确计量,是测算运输设备运行效率、保障企业经济效益、减少买卖双方结算争议的基础。以每年1000万吨的管道输量为例,若计量误差按千分之五计算,则一年就会造成50000吨的差量。因此,拥有精准的计量系统对于长输油气管道经济、安全、平稳运行至关重要。

油气有专门的计量系统,而且多种多样。长输油气管道流量分别以质量、体积、能量表征时,依次称为质量计量、体积计量、能量计量。在中国,管输油品的贸易计量均采用计重的方式,以吨为计量单位。当前,天然气的贸易计量方式以体积计量为主,而能量计量将日趋主流化。能量计量是在体积计量的基础上,用单位体积天然气的发热量乘以天然气体积,便可获得天然气的总能量。天然气作为燃料,价值在于其提供的热量,因此,从买卖双方的利益出发,能量计量更加公平合理。

在长输油气管道系统中,管输介质按其计量时所处状态,可以分为静态计量和动态计量。静态计量是指以金属油罐、铁路罐车等作为计量器具,当油罐停止收发作业时,在液面静置直至完全消除泡沫且无波纹的状态下,进行液位检尺、温度测量、含水量分析等,依据这些参数的测量结果进行交接量的计算。动态计量是指以计量仪表为工具,对流动状态下的管输介质进行流量计量,动态计量仪表主要有容积式流量计、质量流量计、超声流量计、涡轮流量计、螺旋转子流量计。

容积式流量计可利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知体积的单元,根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积单元流体的次数来计量体积流量。涡轮流量计和螺旋转子流量计都属于容积式流量计。涡轮流量计计量原理:当被测流体流经流量计的旋转涡轮时,在流体的作用下叶轮受力旋转,其转速与流经流体的平均流速成正比例关系。同时,旋转叶片周期性切割磁力线,输出电脉冲信号,信号的频率与被测流体的流量成正比例关系,因而能够显示流体的瞬时流量和累计流量。螺旋转子流量计的计量部分主要由计量箱和一对设计独特的螺旋转子组成,计量箱与螺旋转子组成若干个已知体积的空腔,作为流量计量单位。被测流体依靠空腔的进出口压差及螺旋转子的旋转,不间断地从空腔出口流出,记录螺旋转子的转数就能计量流经流量计的液体总量。容积式流量计性能特点:测量范围广、应用普遍,具备完善、严格的标准规程;受计量介质物理性能、流动状态的影响小;精度高、长期性能稳定性好、重复性好;容易实现就地指示及远传控制。

质量流量计一般指U形管式质量流量计。当管输介质流经作往复周期振动的U形管时,管壁接收到的流体惯性力会在U形管上产生一个旋转力矩,使其发生偏转,偏转的相位差与流经U形管的管输介质质量流量成比例关系,因此,测量和记录相位角就能解出质量流量的值。其性能特点:适应性强,不受介质黏度、流态等影响;可以同时准确测量质量流量、介质密度及温度。不过,为了保证较高的计量精度,质量流量计对安装条件及安装环境有严格要求。

超声流量计用于天然气的流量计量。超声波在流动的流体中传播时会搭载上流体的流速信息,因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速,从而换算成流量。在管道的管壁两侧安装一对具有一定斜角的超声波传感器,超声脉冲从一个传感器到达另一个传感器,就像船家渡河一样,顺着气体流动方向的超声脉冲会传输得快一些,逆着气体流动方向的超声脉冲会传输得慢一些。因此,使两个传感器同步向对方发射超声脉冲并接收对方的超声脉冲,通过脉冲的相位差就可以计算求得管道流量。其性能特点:结构简单,便于安装使用和维护;适用范围广,对管径、温度、压力、介质流速均无要求,可测量介质的瞬时流量和累计流量。

此外,石油天然气输运、交易中的安全、准确计量,牵涉到各方利益,是至关重要的,因此,石油天然气管道的流量计量系统必须强制检定,包括出厂检定及定期检定两种方式,确保石油天然气储运过程中流量计量“秤杆子”的公平公正。

(2)SCADA系统。

油气管道沿途设置众多站场,每个站场都有各式各样的设备需要操作。因此,在早期长输管道自动化水平不高时,每个站都需要有技术人员值班,中控调度员通过给现场人员打电话,指挥现场人员操作,工作效率非常低且不方便。而现在,中控调度员在控制中心只要点击鼠标就可以完成指令下发及控制操作,不需要现场操作,因此很多站场已经无人值守了。这是因为油气管道有个有力的武器——数据采集与监视控制系统,即SCADA(SCADA :Supervisory Control and Data Acquisition)系统,它可以远程监视站场各种设备设施的状态,并对其进行控制。

SCADA系统之于油气管道,就像大脑之于我们人类一样。打个比方,平时人类通过大脑学习知识,考试时大脑对考题进行分析思考,并调用之前积累的知识进行解答。这个过程可以分成三步:知识输入—分析思考—解答输出。SCADA系统也是按照这三个步骤控制油气管道的,通过全面采集管道的运行数据,监视管道的运行状态,分析判断管道运行工况是否正常,并依此对管道设备进行控制。

SCADA系统是适用于电力、铁路、燃气、冶金、石油、化工等分布距离远、生产单位分散的生产管理系统。其综合利用了计算机技术、自动控制技术、通信与网络技术,实现数据实时采集、参数在线测量监视、设备远程自动控制、工艺流程合理调节、特殊工况及时报警等功能,为生产、调度、管理提供有力的支持手段。

SCADA系统由监控计算机、远程终端单元(RTU)、可编程逻辑控制器(PLC)、通信网络、人机界面(HMI)等组成。监控计算机负责收集、储存现场数据并向现场设备发送控制命令;远程终端单元(RTU)、可编程逻辑控制器(PLC)、通信基础设施构成以监控计算机为核心的神经网络,人机界面(HMI)是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口。

监控计算机是 SCADA 系统的核心,用于被监控管道上所有相关数据收集与储存及对管道上的设备发送控制命令。例如,在北京油气调控中心可以利用鼠标在监控计算机上点击“开阀”指令,SCADA系统将该指令传递到远至数千千米外管道现场的阀门进行开阀动作,阀门完成打开后,在北京的监视计算机上便可以看到阀门开启后的返回数据。

也许您觉得好奇,监控计算机与管道设备相隔数百、数千千米,小小的鼠标是如何把控制命令传达给现场设备的,而现场设备及管道的运行数据又是如何传送给监控计算机的呢?

其实,这个过程就像我们身体的触觉通过神经系统传递给大脑一样,例如,你手里拿着一杯热水,手指感受到杯子的温度,并通过神经系统传递给大脑。SCADA系统数据信息的传递和控制指令的下达同样需要由远程终端单元(RTU)、可编程逻辑控制器(PLC)、通信网络等组成的工业神经系统来完成。RTU是一种耐用的现场处理器,能够获取远端各种传感器数据并支持监控计算机与现场设备间的通信。PLC是一种逻辑运算操作电子系统,其内部存储器执行逻辑运算、顺序控制、时间同步、算术运算等操作的指令,通过数字式或模拟式信号的输入输出,执行对目标设备的控制,完成监控计算机下达的指令。通信网络以光缆通信为主、卫星通信为辅、租用公网为补,为 SCADA系统提供通信支持。

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