天然气的流量计算在智能孔板流量积算仪中的实现

　　1　引言

　　在传统的天然气流量计算中,常采用离线计算法和在线实时自动计算法。前者由于用平均值(恒量)来代替测量到的孔板上游侧天然气气流的静压压力、孔板两侧的差压及孔板上游侧的气流温度3个随时间变化的参数,必然会带来方法误差;同时因为人工计算量大容易产生人为计算误差[1-2]。后者满足了计算实时性和准确性的要求,但是由于使用了工业计算机,因此限制了使用场合。

　　随着微电子技术,尤其是微处理器技术的发展,以单片机为核心的智能流量积算仪逐步取代了传统的机械式或者模拟型的流量积算仪来作为天然气标准孔板流量计的二次仪表。由于智能积算仪采用了高精度的传感器,能够实时跟踪温度、压力、差压的变化,并智能化、自动化,更逼近测量原理的计算方法,使得标准孔板流量计计量系统的准确度大大提高,克服了因计算方法和人为因素引起的误差[3]。智能孔板流量积算仪具有提示、存贮、参数设定、通讯等功能,使用更方便。

　　2　智能孔板流量积算仪

　　天然气智能孔板流量积算仪是天然气孔板流量计的二次仪表,它是集天然气的流量计算、显示、存贮、远程通讯、参数设定等多种功能于一体的智能化仪表,原理框图如图1所示。

　　单片机选用美国TI公司生产的MSP430F149,它是一种超低功耗的微控制器,它可长期使用干电池供电,特别适用于在市电供给困难的场合下应用。它有60 kB+256 byte的FLASH存储器、2 kB的RAM、1个12位的A/D转换器、2个16位的定时器以及2个串行通讯接口[5-6]。

　　压力、差压、温度传感器检测到的孔板上游侧气流绝对静压、气流流经孔板产生的差压和气流温度经模拟开关选择放大后,由单片机的A/D转换器进行转换。转换结果由CPU按一定的数学模型进行运算处理,得到标准流量和标准总量。计算结果可数显,也可通过外围电路按其他方式输出。为实时跟踪压力、差压和温度的变化,每隔0·5 s采样一次差压值,4 s采样一次绝压和温度值,2 s计算一次流量值。

　　按键用于设定参数值,E2PROM作为存贮介质,485通讯接口用于与上位机之间的通讯。

　　3　流量计算

　　3.1　数学模型

　　由石油天然气行业标准[4]可知,天然气标准体积流量计算公式为

　　式中:Qn为标准状态下天然气体积流量,为秒计量系数,C为流出系数;E为渐进速度系数;d为孔板开孔直径,mm;FG为相对密度系数;ε为可膨胀系数;FZ为超压缩因子;FT为流动温度系数;p1为孔板上游侧取压孔气流绝对静压,MPa;Δp为气流流经孔板时产生的差压,Pa.根据标准[4],按式(1)计算流量时会涉及到许多已列出和未列出变量的运算,而这些变量同时也是其他自变量的函数,并且有些变量的计算步骤多、公式复杂,有的还涉及嵌套循环计算过程。为了满足二次仪表对实时性、低功耗的要求,在计算时,既要考虑到计算过程不能过于复杂,同时计算结果又要满足一定精度。因此,通过归纳和整理,对所有变量(函数)的计算,可以按不同方式进行处理。