天然气资源概况.docx

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天然气资源概况

天然气资源概况

SCADA系统介绍

天然气资源概况

天然气是一种埋藏于地下的可燃性气体，无色无味，主要成分中85~95%为甲烷（CH4），比重轻于空气，极易挥发，并在空气中扩散迅速。

天然气与空气混合浓度在5~15%时遇明火或大于天然气燃点530℃时即燃烧，属可燃可爆性气体。

在-162℃常压下可液化，称液化天然气（LNG），液化后体积缩小到1/600。

天然气属于清洁燃料，几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，燃烧时产生二氧化碳少于其他化石燃料，造成温室效应较低，假如将天然气的效应系数为1，则石油为1.85，煤为2.08。

地球上已探明的天然气地质储量超过140万亿立方米，年开采2万多亿立方米，可采68年。

而天然气的勘探、开采和利用还又许多工作可做。

专家们证明，占天然气主要成份的甲烷不仅可以有机生成，也可以无机合成。

早在地球形成之初，甲烷就已经存在于地壳之中，天文学家也发现一些星球可能是被甲烷大气层包围着，这一理论大大拓展了天然气资源的勘探领域。

此外，海洋学家发现在大洋深处的海底由于海水的压力作用，可能存在着大量的液态甲烷，其数量之大将可支撑人类数十年的文明。

我国天然气的勘探、开发和利用都相对比较落后，已探明可采储量仅占世界的1.2%，目前年产量200亿立方米，预计2000年达到250亿立方米/年。

我国天然气地质资源量估计超过38万亿立方米，可采储量前景看好，按国际通用口径，预计可采储量7-10万亿立方米，可采95年，在世界上属资源比较丰富的国家。

陆上资源主要集中在四川盆地、陕甘宁地区、塔里木盆地和青海，海上资源集中在南海和东海。

此外，在渤海、华北等地区还有部分资源可利用。

由于资源勘探后，未能有效利用，以及政策不配套，造成用气结构不合理，都在一定程度上制约了我国天然气工业的健康发展。

但是，随着我国的社会进步和经济发展，天然气成为主要能源将是一个必然的趋势。

系统概述

系统系统的意义

SCADA是SupervisoryControIAndDataAcquiSitionSystem的缩写，是对分布距离远，生产单位分散的生产系统的一种数据采集、监视和控制系统。

了解生产情况是实施科学生产的基础，如果生产过程分布很近，可以采用就近控制的办法，就地接线，就地监视，就地控制，对于复杂的过程生产采用DCS系统控制的比较多，也有采用PLC的或者专业控制器。

而对于生产各个环节分布距离非常远的，比如几公里，几十公里，几百公里甚至几千公里的，如变电站，天然气管线，油田，自来水管网，随着技术的发展，人们慢慢发展出远程采集监视控制系统，称为SCADA系统。

SCADA系统与其他系统的区别在于：

分布区域广泛

主站与控制对象距离远

监控终端的工作条件苛刻

通讯系统复杂多变

通讯系统不保证可靠传输

城市燃气SCADA系统介绍

城市燃气SCADA系统是城市燃气集、输、供、管计算机化、自动化的标志，是城市燃气管理网络化、自动化、信息化的基础，是城市燃气合理利用、可视调度、有效管理的科技手段，它为生产调度及时、准确、可靠的提供管网运行工况数据，降低劳动强度、提高管理效益、使整个供气生产管理过程可视化、规范化、自动化、信息化。

城市燃气SCADA系统分布包括调度控制中心、各类门站、高中低调压站、罐区、工业用户站、加臭站，各类管网测压站等。

系统可根据技术内容划分为：

调度控制中心部分、通讯系统部分、SCADA系统软件部分、远程控制终端（又称现场控制单元）RTU部分、系统安全防护部分。

下面就每个部分的基本功能、作用及设备配置做简朴介绍。

控制中心是城市燃气输配管网SCADA系统的控制中枢，它对燃气管网生产运行情况进行监控和管理，对工艺对象进行数据采集，工艺过程和重要设备进行控制。

同时还可实现管网在线模仿仿真、设备运行优化、制定输送计划、泄漏检测及定位、计量管理、模拟培训，在电子地图上的定位显示和控制等一系列任务。

控制中心的操作人员通过计算机系统操作员工作站所提供的各场站的压力、温度、流量、液位信号及设备运行状态等信息，完成对整个输配管网的运行监控和调度管理。

控制中心主要功能如下：

各站点的数据汇集和处理；

工艺流程的动态显示；

下达调度和操作命令；

报警显示、管理以及事件的查询、打印；

实时数据的采集、归档、管理以及趋势显示；

历史数据的管理、存贮；生产统计报表的生成和打印；

模拟培训，管网在线仿真；

对全系统进行时间同步，控制权限的确定；

流量计算、管理；优化调度管理；

管网输配管理，管道泄漏检测和定位；

通讯系统监视及管理和主备信道的无扰切换；

网络监视及管理，系统诊断、故障分析及处理；

紧急切断和安全保护；

实现与企业信息管理系统（MIS）、ERP、MRPⅡ等系统的连接和数据交换；

实现与上级计算机网络的通信及数据共亨等。

系统结构和设备配置

控制中心是整个系统中数据最集中的地方，也是安全性要求最高的地方，因此在系统设计时的要充分考虑了这一要素。

计算机网络设备可以按C/S结构配置。

为提高系统的可靠性，保障系统长时期可靠运行，可对系统中重要设备采用多级热冗余设计。

操作员工作站、工程师工作站等均作为局域网上的一个节点，共享服务器的资源。

控制中心配置防火墙、网络路由设备等接入系统的通讯网络（DDN、GPRS、ISDN、光纤网络等）与RTU控制系统网络相连构成本SCADA系统的通信网络系统。

通讯协议采用工业以太网TCP/IP，通讯接口为RJ45。

另外考虑到电源稳定因素，在控制中心还应设置UPS电源系统。

通讯系统的主要功能是为SCADA系统的远程监控功能提供必需的数据通道，这些数据通道连接着各种不同的控制中心和远程站点。

城市燃气管网SCADA系统的通讯系统目前常用的二个子系统，一个是有线DDN通信系统，作为控制中心与关键工艺站场的主通讯信道，另一个是GPRS无线通信系统，作为控制中心与各关键

工艺场站的备用通讯信道。

另外还有其它专线（如：

专用光纤等）通道等。

DDN接入示意图如下：

GPRS无线网络接入图如下：

系统软件

SCADA系统软件是基于MicrosoftWindows操作系统平台的软件，组态简单、方便，教轻易把握；历史数据库采用中文版MicrosoftSQLServer2000软件，通过配置，完成历史数据的存储、备份。

系统软件应具有：

IE浏览；监控管网的运行情况；海量存储能力；信息查询；数据库检索；图表分析；报表输出；组态编程简单、运行操作维护容易等功能。

例图：

带控制点的工艺流程图

数据库分实时数据库和历史数据服务器，实时数据库存储在实时服务器中，由上位监控软件来管理，历史数据存储在历史服务器中，历史数据库管理系统采用Microsoft公司的SQLServer2000软件。

实时数据和历史数据可以通过多种方式进行查询。

如通过Web的方式发布，既可以在同一局域网内查询，也可以远程查询，管理人员可以很方便的随时随地，只要能上网，通过固定IP地址或域名就能查询。

组态软件是实现过程可视化及过程监控功能的高性能的工业自动化软件，它将系统管网工况工作过程形象、直观的在计算中心显示出来，可以方便监视、控制生产过程，能够在调度控制中心对生产事件快速反应，提高系统的实用性。

RTU

RTU是一种直接连接到现场各种工业设备的开放的远程控制终端。

RTU是为现场与各种远端计算机系统之间提供远程设备而设计的，体现了“测控分散，管理集中”的思想。

RTU是一个真正开放的，易于集成的系统。

典型的RTU站由直流电源，控制器和可选内置和外接I/O模块组成。

附加选项包括一个现场总线端口，内置的UPS及充电器端口。

RTU系统还能为更复杂的应用提供各种I/O配置，并且RTUGateway还提供了各种现场总线通信模块。

RTU包括串口和以太网口。

特定的RTU则内置GSM模块、GPRS模块或调制解调器。

通过串口、以太网口及现场总线扩展，RTU可以连接更多的扩展现场数据采集I/O模块。

RTU具有数据采集及处理、数据存储、天然气流量计算、PID控制、逻辑控制等能力。

RTU的硬件结构是模块化的，具有良好的扩展性能，所选用的模块均为可热插拔模块。

RTU支持多处理器模式，可满意各式各样的冗余配置要求，包括处理器冗余、电源冗余、通信冗余、I/O冗余处理器间的冗余切换时间小于30ms。

RTU具备良好的互连性能和开放性能，支持标准的Modbus、Modbus+、Profibus、Canbus、DNP3和TCP/IP通讯协议。

能通过可编程的通信接口与支持标准通讯协议（如Modbus）的计算机监控系统、RTU/PLC、智能仪表（流量计算机、色谱仪等）直接相连。

RTU操作系统和控制程序在掉电恢复后，无需人工的任何干预就可以恢复到正常状态，启动时间不超过10S。

另外RTU具有掉电自保持功能，当RTU重新启动，所有变量和参数与断电前保持一致。

RTU带有实时时钟发生器，时钟信息由后备CMOS电池保持，RTU时钟可与控制中心时钟实现同步，同步精度在30天内误差不超过1秒。

RTU具备自诊断功能，RTU能提供开机诊断及运行时对内存卡、I/O卡、CPU卡、电源、通信的连续诊断，诊断信息可将通过有线或无线方式发送到控制中心或就地储存，某些状态诊断也能在面板LED上显示。

RTU具备现场访问和远程访问能力，现场访问通过便携电脑通过串行口或以太网口直接与RTU相连，远程访问可通过有线或无线方式进行。

所有故障诊断、程序调试和下载、参数的下传和修改均可通过现场访问或远程访问实现。

RTU在通讯中断或传输故障的情况下可本地存储长达数月的历史数据，数据存储带时间标签。

通讯恢复后可自动将数据恢复到SCADA系统历史数据库，保证整个SCADA系统的数据完整性。

RTU拥有强盛的通讯能力，与绝大多数传统通讯手段（无线电台、PSTN等）无缝兼容，并支持多种现代化通讯方式（如GSM、GPRS、光纤接入及DDN等）。

多种通讯方式可混合同时使用。

RTU采用模块化设计，扩展灵活多变，最大程度为客户节省投资。

通过其现场数据采集系列I/O模块的扩展可满足现场多种多样的I/O要求。

RTU典型系统图

所有的SCADA系统设备均安装在安全的区域内与现场相连的变送器和传感器均选择具有安全防爆型设备。

所有本安型仪表信号需经安全栅隔离后接入RTU。

而对于防爆型设备的开关量信号可直接接入RTU。

各远程监控点现场电源开关、备用蓄电池、安全栅、RTU、I/O卡等设备均安装在特定的控制机柜中，具有相称的机械及电子防护能力。

防护体均有接地点，接地需达到本安标准。

完善的SCADA系统应设有完善的防雷和防浪涌的保护措施。

SCADA系统的计算机安全

策略利用了Windows2000操作系统、Windows2003Server操作系统和SCADA系统应用程序提供的双重安全功能，WindowsXP和Windows2003Server操作系统在操作系统的层面上管理操作员用户或网络及系统管理人员的登录，而SCADA系统通过设置以安全级别为基础的各种用户，在应用程序层面对操作员的操作权限进行控制，保证正常操作，禁止越权操作。

SCADA系统的操作权限达到256之多。

另外，SCADA系统的网络以NetBIOS名为标识建立通讯，非法用户很难通过一些常规的入侵手段进入SCADA系统内部网络。

对SCADA系统操作的权限一般划分为四级，分别授予系统维护工程师、自控工程师、工艺工程师、操作员。

数据库安全策略数据库的安全性对于企业来说是至关重要，SCADA系统中所指的安全性主要是指答应那些具有相应的数据访问权限的用户能够登录到SQLServer并访问数据以及对数据库对象实施各种权限范围内的操作，但是要拒绝所有的非授权用户的非法操作。

SQLServer2000的安全性管理是建立在认证（authentication）和访问许可（Permission）两者机制上的认证是指来确定登录SQLServer的用户的登录账号和密码是否正确以此来验证其是否具有连接SQLServer的权限，但是通过认证阶段并不代表能够访问SQLServer中的数据，用户只有在获取访问数据库的权限之后才能够对服务器上的数据库进行权限许可下的各种操作（主要是针对数据库对象如表视图存储过程等），这种用户访问数据库权限的设置是通过用户账号来实现的，同时在SQLServer中角色作为用户组的代替物大大地简化了安全性管理。

网络信息安全策略网络信息安全是保障SCADA系统正常运行的一个重要条件，包括：

身份验证，授权，审核，数据加密，数据包过滤，防火墙，入侵检测等。

要实现控制系统的自动化就必须运用到带远传和远程控制的自动控制仪表，下面简单介绍天然气输送过程中要运用的自动化仪表：

超声波流量计

超声波流量计的主要特点是：

流体中不插入任何元件，对流速无影响，也没有压力损失；能用于任何液体，特殊是具有高黏度、强腐蚀，非导电性等性能的液体的流量测量，也能测量气体的流量；对于大口径管道的流量测量，不会因管径大而增加投资；量程比较宽，可达5：

1；输出与流量之间呈线性等长处。

缺点：

当被测液体中含有气泡或有杂音时，将会影响测量精度，故要求变送器前后分别有10D和5D的直管段；此外，结构复杂，成本较高。

测量原理

当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，并且其传播时间的变化正比于液体的流速，其关系符合下列表达式

其中

θ为声束与液体流动方向的夹角

M为声束在液体的直线传播次数

D为管道内径

Tup为声束在正方向上的传播时间

Tdown为声束在逆方向上的传播时间

ΔT=Tup–Tdown

设静止流体中的声速为c，流体流动的速度为u，传播距离为L，当声波与流体流动方向一致时（即顺流方向），其传播速度为c+u；反之，传播速度为c-u.在相距为L的两处分别放置两组超声波发生器和接收器（T1R1）和（T2R2）。

当T1顺方向，T2逆方向发射超声波时，超声波分别到达接收器R1和R2所需要的时间为t1和t2则

t1=L/（c+u）t2=L/（c-u）

由于在工业管道中，流体的流速比声速小的多，即c>>u因此两者的时间差为▽t=t2-t1=2Lu/cc由此可知，当声波在流体中的传播速度c已知时，只要测出时间差▽t即可求出流速u，进而可求出流量Q。

利用这个原理进行流量测量的

发表于2009-12-2812:

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21引用1楼方法称为时差法。

此外还可用相差法、频差法等。

相差法原理：

如果超声波发射器发射连续超声脉冲或周期较长的脉冲列，则在顺流和逆流发射时所接收到的信号之间便要产生相位差▽O即▽O=w▽t=2wLu/cc式中，w为超声...-

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方法称为时差法。

此外还可用相差法、频差法等。

相差法原理：

如果超声波发射器发射连续超声脉冲或周期较长的脉冲列，则在顺流和逆流发射时所接收到的信号之间便要产生相位差▽O即▽O=w▽t=2wLu/cc

式中，w为超声波角频率。

当测得▽O时即可求出u进而求得流量Q。

此法用测量相位差▽O代替了测量微小的时差▽t，有利于提高测量精度。

但存在者声速c对测量结果的影响。

频差法原理：

为了消除声速c的影响，常采用频差法。

由前可知，上、下游接收器接受到的超声波的频率之差为▽f可用下式表示▽f＝[（c+u）/L]-[（c-u）/L]=2u/L

由此可知，只要测得▽f就可求得流量Q，并且此法与声速无关。

孔板流量计

孔板流量计是将标准孔板与多参数差压变送器（或差压变送器、温度变送器及压力变送器）配套组成的高量程比差压流量装置，可测量气体、蒸汽、液体及天然气的流量，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、供热、供水等领域的过程控制和测量。

孔板流量计适用范围

1.公称直径：

15mm≤DN≤1200mm

2.公称压力：

PN≤40MPa

3.工作温度：

-50℃≤t≤550℃

4.量程比：

1:

10，1:

15

5.精度：

0.5级，1级

一、孔板流量计概述

节流装置又称为差压式流量计是由一次检测件（节流件）和二次装置（差压变送器和流量显示仪）组成广泛应用于气体.蒸汽和液体的流量测量.具有结构简单维修方便性能稳定使用可靠等特点.

孔板节流装置是标准节流件可不需标定直接依照国家标准生产1.国家标准GB2624-81;2.国际标准ISO51673.化工部标准GJ516-87-HK06

二、孔板流量计工作原理

布满管道的流体流经管道内的节流装置，在节流件四周造成局部收缩，流速增加，在其上、下游两侧产生静压力差。

在已知有关参数的条件下，根据流动连续性原理和伯努利方程可以推导出差压与流量之间的关系而求得流量。

其基本公式如下：

c－流出系数无量纲

d－工作条件下节流件的节流孔或喉部直径

D－工作条件下上游管道内径

qm－质量流量Kg/s

qv－体积流量m³/s

ß－直径比d/D无量纲

流体的密度Kg/m³

可膨胀性系数无量纲

三、孔板流量计结构

节流装置组成

节流件：

标准孔板、标准喷嘴、长径喷嘴、1／4圆孔板、双重孔板、偏心孔板、圆缺孔板、锥形入口孔板等

取压装置：

环室、取压法兰、夹持环、导压管等

连接法兰（国家标准、各种标准及其它设计部门的法兰）、紧固件。

测量管

孔板流量计的安装要求：

对直管段的要求一般是是前10D后5D，因此在选购孔板流量计时一定要根据流量计的现场工矿情况来选择适合现场工矿的流量计。

压力传感器

3.3.1电容式压力传感器

电容式压力传感器

Capacitivetypepressuretransducer

利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。

它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。

电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。

单电容式压力传感器它由圆形薄膜与固定电极构成。

薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其敏捷度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。

另一种型式的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的方法制成（图1）。

这种型式适于测量低压，并有较高过载能力。

还可以采用带活塞动极膜片制成测量

发表于2009-12-2812:

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21引用1楼高压的单电容式压力传感器。

这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏度。

它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。

这种传感器适于测量动态高压和对飞行器...-

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高压的单电容式压力传感器。

这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏度。

它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。

这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。

单电容式压力传感器还有传声器式（即话筒式）和听诊器式等型式。

差动电容式压力传感器它的受压膜片电极位于两个固定电极之间构成两个电容器（图2）。

在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输出。

它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。

过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。

差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难（特殊是难以保证对称性），而且不能实现对被测气体或液体的隔离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。

3.3.2电阻应变式传感器

电阻应变式传感器

Straingaugetypetransducer

以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。

电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据详细测量要求设计成多种结构形式。

弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。

电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。

常用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器（见转矩传感器）、应变式位移传感器（见位移传感器）、应变式加速度传感器（见加速度计）和测温应变计等。

电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广寿命长结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。

它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的补偿措施。

因此它广泛应用于自动测试和控制技术中。

热电偶是一种感温元件是一次仪表，它直

SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）系统，即数据采集与监视控制系统。

SCADA系统是以计算机为基础的DCS与电力自动化监控系统；它应用领域很广，可以应用于电力、冶金、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。

在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。

它在远动系统中占重要地位,可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能,即我们所知的”四遥”功能.RTU（远程终端单元）,FTU（馈线终端单元）是它的重要组成部分．在现今的变电站综合自动化建设中起了相当重要的作用．

SCADA系统概述

一、SCADA系统概述

SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。

它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

由于各个应用领域对SCADA的要求不同，所以不同应用领域的SCADA系统发展也不完全相同。

在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。

它作为能量管理系统（EMS系统）的一个最主要的子系统，有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为电力调度不可缺少的工具。

它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平中方面有着不可替代的作用。

SCADA在铁道电气化远动系统上的应用较早，在保证电气化铁路的安全可靠供电，提高铁路运输的调度管理水平起到了很大的作用。

在铁道电气化SCADA系统的发展过程中，随着计算机的发展，不同时期有不同的产品，同时我国也从国外引进了大量的SCADA产品与设备，这些都带动了铁道电气化远动系统向更高的目标发展。

二、SCADA系统发展历程

SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）系统，全名为数据采集与监视控制系统。

SCADA系统自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。

SCADA系统发展到今天已经经历了三代。

第一代是基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统，如电力自动化研究院为华北电网开发的SD176系统以及在日本日立公司为我国铁道电气化远动系统所设计的H-80M系统。

这一阶段是从计算机运用到SCADA系统时开始到70年代。

第二代是80年代基于通用计算机的SCADA系统，在第二代中，广泛采用VAX等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的UNIX操作系统。

在这一阶段，SCADA系统在电网调度自动化中与经济运行分析，自动发电控制（AGC）以及网络分析结合到一起构成了EMS系统（能量管理系统）。

第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护，升级以及与其它联网构成很大困难。

90年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围