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 技术论文

用流量计算仪和色谱分析仪进行天然气能量测量  


美国 Jim Beeson

  摘要:APG采用了电子流量测定方法进行流量测量。这个系统主要包括1台微处理流量计算机和1台通信装置以及1台气相色谱分析仪。色谱分析仪可提供实时的相对密度、BTU、CO2和N2,更可提供一个完整的气体分析。将这些信息输入流量计算机进行准确的流量计算,电子流量测量仪系统总精度为0.25%。同时整个系统的投资大大降低。


一、概   述

  Arkal管道公司(APG)与许多信息传导公司联合进行了电子流量测定方法的研究,以达到:①提高分辨率和准确度;②对流量变量的实时修正;③增加数据接收速度;④降低资金损耗;⑤减少操作和检修经费。
  早在电子流量测定方法以前,人们采用机械式数据图表(每7天一次),可记录800个压力读数和压差读数。而采用电子流量测定仪,就可记录1200000个读数,分辨率提高1500倍,另外还可进行流量模拟显示。这种电子流量测量仪系统总的精度是0.25%,而机械式图表系统精度是2%。
  典型的APG电子流量测量系统包括1台微处理流量计算机,1台通信装置以及1台气相色谱仪。由色谱仪提供的实时的相对密度、BTU、C02和N2输入流量计算机,6 min一次,这样提供了准确的MMBTU计算。
  由于气体的密度随着季节不断地变化,也随着气体的销售方式由直售变成运售,Arkla和它的客户们都希望建立一个适当的基准条件并在此基准条件下得到一个比图表系统更精确的气体体积量。如果电子流量测量系统是一个数据采集监控系统或者是一个昼夜工作的电话传导系统,它更可以使气体体积值和其它系统数据不断地被接收转换。而早先的图表积算系统的数据不能保存至4-6周时间。
  电子流量测量系统的投资,比起由远距离传感器、压力、压差图表记录以及温度图表记录组成的组合系统的花费要小得多。而电子流量测量系统的另一项节约便是它可以应用于多管道计量站中的管道切换,甚至在APG进行控制功能操作时也可有一些节约。色谱仪的花费要比把热量计和重力计组合起来使用的花费小得多。
  此外,除了相对密度、BTU读数之外,Arkla还可利用色谱仪测出从甲烷至C6以上的气体组分,获得一个完整的气体分析。
  调制解调器和信息传输程序的使用,使APG实现了应用远程色谱分析仪和流量计算机的可能。这也实现了坐在办公室便可进行设备的检修,减少了技术工人必须去现场维修设备的时间。
  APG把电子流量测量仪安装在流量超过10×106.ft3/d的站上。同时,APG还将把这种设备安装在用户自行投资使用的小体积的计量站上。APG要求对这种计量站上的计量设备进行辅助测量。


二、设   备


  自从1986年APG公司进入了电子流量测量时代,我们使用Daniel SolarFlow P1us单元进行测量,使用Moore 352E进行控制。测量单元将对有三组以下仪表管段的测量站进行工作。而对具有三组以上仪表管段的测量站,我们将简单地应用复合单元。
  上述理论在1994年发生了变化。随着微处理机的计算能力的增强,把测量与控制功能结合起来便显得容易了。我们也可以使八组仪表管段使用1个单元(Daniel Ultra 3000),这就意味着一个小处理单元可以代替三至四个处理单元。现在AGA 3#和AGA 8#期望它们做得更好。
  我们正在进入第二代电子流量测量仪控制单元的研究,因此这篇论文的大部分篇幅将讨论第一代电子流量测量单元。它仍然适应90%以上的APG公司的电子流量测量的需要,并且将在很多年内发生作用。
  下面是Arkla为什么选择这种设备的原因。首先,将是被选择的流量测量仪和气相色谱分析仪的概括。这种组合在过去的七年中为Arkla工作得很好。
  1.流量计算机
  Daniel SolarFlow Plus 2460型、2470型、2480型或Daniel Ultral 3000 RTU:
  (1)系统精度0.25%;
  (2)厂方提供维修;
  (3)信息传输装置;
  (4)可用电池提供电源,也可用太阳能;
  (5)多仪表管路处理能力(用Ultra 3000型可处理多至8组管路,SolarFlow可处理3组计量管路);
  (6)良好的数据检查跟踪性能;
  (7)电子安全等级:1级1等;
  (8)可靠性。
  2.色谱分析仪
  Daniel"Danalyzer"500型气体色谱分析仪和2251型控制器:
  (1)在0-130oF的温度范围以上准确度和重复性可达到0.05BTU%;
  (2)厂方提供维修;
  (3)信息传输装置;
  (4)与流量测量仪接口方便;
  (5)可靠性(包括色谱分析仪数据的10年记载);
  (6)6 min C6以上的分析能力;
  (7)气相色谱分析仪等级:1级1等/C和D组;
  (8)每天自动校准;
  (9)色谱分析仪无火焰,这比热量计安全。


三、APG的流量测量仪概述


  Arkla最初把流量测量仪安装在"危险区域"计量站中的多组并联孔板仪表管段上。另外,这个系统也被安装在单个孔板计量站上或单个涡轮流量计计量站上。
  1.两管路概述
  在两管路结构(见图1)的计量站中,在主要的仪表管路上安装了两台压差变送器:一台范围是
0-20in水柱(低范围),另一台范围是0-100in水柱(高范围)。测量仪在使用低范围变送器时,待它的输出达到整个范围的98%时,自动切换到0-100in水柱的变送器。变送器的准确度为满量程的0.25%。因此,双测量范围内设置提高了测量的分辨率(对于低测量范围是0.050in,对于高测量范围是0.250in)。低流速流动断流界限被设置为0.5in,因此,低于这个界限的所有流动均不考虑。这样做是为了抵消变送器在没有流动状态时的漂移。



图1 二管路结构计量站

  辅助仪表管段上单独安装了一个变送器,它的压差范围是0-100in水柱。同时,在主要的仪表管段上安装了一个测量范围为0-100oF的温度变送器和一个测量范围是0-1000 lb/in2(G)的静压变送器,它被用来计算所有仪表管段的体积。
  相对密度、BTU、C02和N2以及色谱分析仪警报信号均通过RS-232串联接口由色谱分析仪提供给流量计算仪。以前,BTU和相对密度都是以4-20mA的模拟电路的形式由色谱分析仪传送给流量计算仪。这需要很强的软件功能和非常大的功率来支持这些被校验的环路。所有的数据被用来保证有效的热值MMBTU计算。如果流量计算仪检测就来自色谱分析仪的一个报警信号,它会使用上一个正常的数据的组分值。
  2.三管路概述
  三组管线孔板安装(见图2)基本上与两管路安装相同,只是有两个不同点:①在主要管路上没有低范围压差变送器;②在第三个仪表管路上没有0-100 in 水柱的压差变送器。在所有APG公司有三个以上孔板仪表管路的计量站上,有90%不使用这种结构,而使用Daniel Ultra 3000。


图2 三管路结构计量站

  3.涡轮流量计计量站
  在涡轮流量计计量站(见图3)上,变速齿轮和指针之间安装了一个每转发50个脉冲的脉冲发生器。而范围为0-100lb/in2的压力变送器为流量计算仪提供了实际的压力值。温度变送器安装在涡轮流量计的下游。


图3 涡轮流量计计量站

  四、APG色谱分析仪概述


  色谱分析仪与一个校验气瓶和一个控制气瓶一起被安装在现场。色谱分析仪由主管路上取得气样。校验气体大约持续使用一年时间,而控制气体大约可用二个月。控制气体调节压力被设置成110 lb/in2,而校验气体调节器和取样头调节器被设置成10 lb/in2。500型色谱分析仪用一根15芯绝缘电缆与色谱分析控制器联接起来。
  Arkla的现场安全型色谱分析仪设备包括色谱分析控制器、打印机和带状图表记录仪。调制解调器界面模块和调制解调器通过数据传输线连接到控制器上。


五、流量计算仪通讯传输


  传输系统(见图4)提供了五种不同的传输方式。


图4 流量计算仪传输系统

  1. 在线方式
  ⑴ 可视面板液晶显示。可连续滚动显示Arkla从100多项可能的项目中挑选的15个项目。其中有报警信号、软件ID、每一个计量管的差压、站压、实际相对密度、站温、每一个管线的流量以及整个计量站的流量等等。
  (2)手提式数据终端。可提供在线操作接口,进行程序编制和数据读出。它可启动系统, 全面校验以及数据收集,而气体测量的数据不能通过流量计仪来收集。手提式数据终端可容纳 30天记录的数据(每小时记录一次),外加最近100次从四台计算机得出的结果。手提式数据终端信号输出到计算机或打印机。
  (3)折叠式计算仪。可用于在线数据采集与程序编制。这种折叠式计算仪比起手提式数据终端的一个优点是:数据被收集后立刻画出曲线图。因此,流量与压力变化在技术工人离开现场之前便可知道;另一个优点是:编制流量计算仪程序容易且迅速。然而,手提式数据终端可应用于危险区域而折叠式计算仪却不能。
  2.远程
  (4)个人电脑。可用于数据收集和程序编制。当不能在现场由技术人员编制程序时,可通过工程技术人员或气体测量人员进行远程处理。Arkla在1993年底完成了一个项目,它是用1200波特的调制解调器代替了300波特的调制解调器。这种改进将数据传输的速度提高了四倍,大大降低了电话通讯的费用。
  (5)最后一种传输方式是利用VAX 400型(数据式设备的迷你型计算机)和专用的数据系统。几乎所有的流量计算仪都可利用数据系统,900 MHz无线电系统或微波系统的任一种形式进行连续的通讯传输。只有少数的流量计算仪利用网络电话或正规的拨盘式电话每天传输一次。


  六、色谱分析仪通讯传输


  有三种不同的通讯传输方式。
  1. 在线方式
  ⑴色谱分析仪控制器小键盘和发光二极管显示器被用来在线程序编制和故障检修(见图5)。
  (2)折叠式计算仪也可用于在线程序编制和故障检修。
  2.远程
  (3)利用"GC Talk"软件和一台PC机,工程师便能通过色谱分析仪控制器进行远程传输信息。Arkla使用Hayes兼容1200波特的调制解调器进行数据传输。
  工程师可以远距离对设备进行控制,重新编程、分析、校准、停止操作以及对色谱分析仪进行另外一项操作。色谱分析仪还可部分地传输最近两天的24h数值平均值。
  Arkla每夜对所有的色谱分析仪数据进行集中传输,以对上一天的24h的平均值和检测的报警状态重新收集和处理。如果Shreveport或地区性办公室想知道某一个计量站有多少C02或一段管线中正流进多少C6以上的组分。在某些情况下,Arkla客户也应掌握上述的信息。


图5 色谱分析仪控制器系统

七、流量计算仪报告

  1.零报告
  可对现在正在工作的计量站有一个概括的了解。它与流量计算仪面板显示的一样也只有15个项目(见表1)。
  2.数据记录报告
  列出了不同的压差、静压、流量、体积、温度以及其它数据。它也提供了每小时的报警摘录,以显示是否8个模拟输入中的任何一个超过下限或是否色谱分析仪有报告(见表2)。
  3.结果记录报告
  这是一个检定的根据。它保存最新的100个结果,并且提供像"什么时候更换孔板,孔板尺寸、谁最后一次收录数据以及变送器校验的日期和时间"等等(见表3)。


八、色谱分析仪可行性报告


  色谱分析仪控制器可输出两个报告:第一个是概括报告。它阐述了怎样为色谱分析仪编制程序和怎样为每一个色谱分析仪提供数据的。正常来讲,当色谱分析仪第一次被投入使用时,报告就会打印出来,并且保存一份备份以供将来参考用。另一个用处就是用来故障检修。
  第二份报告是实际的组分分析,并且Arkla每6个小时从色谱分析仪中得到一份。另外,色谱分析仪控制器提供一份(打印)过去两天的日平均值的日常报告,同时提供每天早晨8:00的相对密度和干BTU值。

表1
日期:01/10 时间:13:29 地点:S138

029
压差1
31.4
in 水柱
024
压差2
31.3
in 水柱
020
测量压力
710.2
lb/in2(G)
021
色谱分析密度
0.610
 
022
测量温度
55.6
。F
105
现场测量密度
0.610
 
064
流速1
31107.6
kft3/d
065
流速2
31107.2
kft3/d
068
流速
62214.2
kft3/d
026
色谱分析电能
1058.9
 
072
昨天的体积
62319.8
kft3
071
今天的体积
18190.4
kft3
032
孔板口径1
5.500
in
033
孔板口径2
5.500
in
019
电池
13.7
V

表2

日 期
时 间
压差1
压差2
测量压力
测量温度
色谱分析密度
下 限
上 限
混合密度
样本密度/电能
今天体积1
今天体积2
流速

93.1.25
..3....8
93.1.25
..3....8
93.1.25
..3....8
93.1.25
..3....8
06:00
....5..8
07:00
....5..8
08:00
....5..8
09:00
....5..8
50.8
0.628
49.8
0.628
50.5
0.628
51.8
0.628
50.4
0
49.4
0
50.7
0
51.4
0
148
1621
148
1695
147
72
147
146
41
1618
41
1618
41
72
41
146
0.500
3541
0.500
3581
0.500
3441
0.500
3501

表3

日 期
时 间
内 容
数 量
原 始 值
新 值
94.1.30
08:37:19
上载记录数据
0
930130025207
930130344710
94.1.30
08:38:24
操作记录数据
0
930130025207
930123130710
94.1.31
09:28:29
标准值 #0
23
0.7
0.0
94.1.31
08:28:29
标准值 #1
23
100.1
100.0
94.2.1
08:37:19
用户记录  
360
94.2.1
08:37:16
操作记录数据
0
930130025207
933456083710
94.2.2
07:47:33
通道设置
31
4.000
5.00

九、结 论


  大约300个Arkla计量站安装有组合的流量计算仪与色谱分析仪;大约有70个其它的计量站安装有其中的一个。油田的职工最开始时不愿接受这样的电子数据,但现在都发现了这种现代化设备的优点并渴望安装更多这样的设备。如果在财力和人力有可能的情况下,一些老的站都可以不断地完善。
  Arkla开办了两种学习班:①初级电子测量班。可掌握安装、程序编制、校验以及维修设备的知识;②高级电子测量班。可学习掌握多种软件包、控制器理论和程序编制以及所有的计量站功能。班级规模限在6人,以便学习所涉及的广泛的知识。
  一年中每个班级大约为四个学期。这些学校大体上可以帮助Arkla完全进入电子测量时代。
  Arkla的高级管理层都很支持这些工作。他们认识到能量测量对所有从事气体交易的公司来讲是非常必要的。在现今的市场中生存,需要知道我们的气体从哪里来,到哪里去,都应该有一个日常的基准。基于这样的测量目的而产生的所有的可行性方法都为了一个共同的目标--以最低的投资获得最准确的体积值。


资料来源于美国《石油天然气计量培训教材》1995年
编译:赵永军
审校:潘兆

 
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