淺談超聲波流量計(jì)在榆濟(jì)天然氣管道上的應(yīng)用

張偉峰 李強(qiáng) 李剛

摘要：較為系統(tǒng)地講述了超聲波流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)、工作原理及多通道數(shù)據(jù)計(jì)算方法。從榆濟(jì)管道實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，介紹超聲波流量計(jì)接入SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、處理及自動(dòng)化控制的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)途徑。討論發(fā)展超聲波流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷技術(shù)相較于現(xiàn)場(chǎng)診斷的優(yōu)勢(shì)，闡述遠(yuǎn)程診斷的五項(xiàng)核心參數(shù)指標(biāo)，并結(jié)合榆濟(jì)線實(shí)際情況介紹遠(yuǎn)程診斷的必要性、實(shí)現(xiàn)方式及建設(shè)現(xiàn)狀。借此探討在新技術(shù)、新形勢(shì)下超聲波流量計(jì)管理方法的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：超聲波流量計(jì);遠(yuǎn)程診斷;計(jì)量：榆濟(jì)管道

榆濟(jì)輸氣管道是中石化繼川氣東送管道之后北方地區(qū)首條大管徑、高壓力天然氣長(zhǎng)輸管道，管網(wǎng)里程達(dá)1546.85公里，共設(shè)22座場(chǎng)站。投運(yùn)10年來(lái)，累計(jì)輸氣逾405億立方米，為陜西、山西、河南、河北、山東等5省10市提供清潔能源，沿線千余家企業(yè)、近2億居民從中受益。2019年9月16日，鄂安滄輸氣管道一期工程建成投產(chǎn)，線路全長(zhǎng)673.682km，進(jìn)一步拓展了沿線省市地區(qū)的輸氣能力。

與國(guó)內(nèi)外許多新建長(zhǎng)輸天然氣管道一樣，榆濟(jì)管道大范圍采用了超聲波流量計(jì)作為貿(mào)易交接計(jì)量器具。相比于孔板、渦輪等傳統(tǒng)天然氣用流量計(jì)，超聲流量計(jì)具有計(jì)量精度高、量程大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐污性好、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于大口徑高壓輸氣管道的計(jì)量，近年來(lái)發(fā)展迅速[1]。

1 超聲波流量計(jì)原理簡(jiǎn)述

以常見的時(shí)差式超聲波流量計(jì)為例，同通道的兩個(gè)換能器分別安裝在管道上下游，可發(fā)射和接收超聲波信號(hào)。超聲波信號(hào)在兩個(gè)換能器間傳播時(shí)受氣體流速影響，會(huì)產(chǎn)生傳播時(shí)間差。而氣體流速與此時(shí)間差理論上成正比。

實(shí)際應(yīng)用中，氣體流速沿圓形管道截面的分布是不均勻的。因此常使用多通道測(cè)量不同徑向位置的氣體流速，經(jīng)特定的函數(shù)及修正系數(shù)，計(jì)算獲得更準(zhǔn)確的計(jì)量數(shù)據(jù)。

2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)搭建

隨著國(guó)家管網(wǎng)改革推進(jìn)，天然氣長(zhǎng)輸管道的發(fā)展由“單線運(yùn)行、流向單一、氣量較小、用氣穩(wěn)定”的特點(diǎn)，逐漸向“聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行、流向復(fù)雜、用氣量大、峰谷差大”轉(zhuǎn)變，調(diào)控難度增加，對(duì)運(yùn)行安全和優(yōu)化程度的要求逐漸增加。調(diào)控管理模式也由“分散控制、分線管理”向“一級(jí)調(diào)度”即“統(tǒng)一調(diào)度指揮、分級(jí)管控負(fù)責(zé)”轉(zhuǎn)變。

“一級(jí)調(diào)度”具有優(yōu)化資源調(diào)配、提高操作效率及準(zhǔn)確性、快速應(yīng)急處置、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、釋放人力資源等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)“一級(jí)調(diào)度”需要具備良好的設(shè)備完備性、完善的控制邏輯、高效的通信網(wǎng)絡(luò)及可靠的自動(dòng)化技術(shù)等條件。

通過沿線鋪設(shè)通信光纜，依托SCADA上位機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)，榆濟(jì)線已建成了完善的局域網(wǎng)遠(yuǎn)程通信鏈路，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站控制室、基層管理處、濟(jì)南調(diào)控中心的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)在線監(jiān)控。

榆濟(jì)線現(xiàn)有局域網(wǎng)絡(luò)通過RCI接入第三方設(shè)備數(shù)據(jù)。如圖3所示，以目前應(yīng)用普遍的埃爾斯特超聲波流量計(jì)為例，其與配套流量計(jì)算機(jī)通過Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊，經(jīng)串口轉(zhuǎn)換后，由RCI轉(zhuǎn)為IEC104協(xié)議，與上位機(jī)通訊（包括站控室、管理處和調(diào)控中心）。

此外，通過SCADA上位機(jī)系統(tǒng)，還接入了ESD控制系統(tǒng)、電動(dòng)閥門、計(jì)量?jī)x表等其他第三方設(shè)備后。計(jì)量數(shù)據(jù)同其他設(shè)備信息的跨平臺(tái)、跨區(qū)域整合，大大促進(jìn)了計(jì)量工作的遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化、智能化。通過集成化遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以及時(shí)掌握沿線輸氣情況，進(jìn)而便捷、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)計(jì)量交接管理、氣質(zhì)組分檢測(cè)、輸差分析、調(diào)峰處理、到量停輸、恒壓供氣、緊急事故關(guān)斷等[3]。

3 超聲波流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷

3.1 實(shí)現(xiàn)超聲波流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷的意義

遠(yuǎn)程診斷技術(shù)是針對(duì)超聲波流量計(jì)管理的一種高效解決方案，通過實(shí)時(shí)調(diào)取流量計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分析和診斷。相比于現(xiàn)場(chǎng)診斷，其優(yōu)勢(shì)在于：實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)趨勢(shì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證計(jì)量的精度和重復(fù)性;方便技術(shù)人員采取預(yù)防性維護(hù);降低了標(biāo)定頻次，大大減少停用時(shí)間，節(jié)省大批費(fèi)用;在沿線現(xiàn)有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，無(wú)需額外大量投入，即可進(jìn)一步發(fā)揮設(shè)備潛能，提高生產(chǎn)運(yùn)行效率。

3.2 遠(yuǎn)程診斷功能

遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)超聲波流量計(jì)的流速特性、聲速特性、信號(hào)質(zhì)量、增益值、信噪比等5項(xiàng)核心指標(biāo)的監(jiān)測(cè)和記錄。

當(dāng)流量計(jì)精度異常時(shí)，遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)通過對(duì)上述指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可自動(dòng)識(shí)別并觸發(fā)報(bào)警和自診斷等相關(guān)功能。此外，結(jié)合色譜分析儀、壓力變送器、溫度變送器等相關(guān)計(jì)量設(shè)備的數(shù)據(jù)接入，可實(shí)現(xiàn)更加全面的遠(yuǎn)程診斷分析。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

流量計(jì)與流量計(jì)算機(jī)間通過Modbus端口傳輸計(jì)量數(shù)據(jù)，而遠(yuǎn)程診斷需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)相對(duì)較多。若共用此端口進(jìn)行通訊，可能會(huì)降低流量計(jì)與流量計(jì)算機(jī)間的通訊成功率，進(jìn)而影響到貿(mào)易交接。因此，更穩(wěn)妥的方式是利用流量計(jì)、流量計(jì)算機(jī)的以太網(wǎng)口與遠(yuǎn)程局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通訊。

榆濟(jì)線現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，已能夠滿足構(gòu)建遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的硬件需求：場(chǎng)站、管理處及調(diào)控中心現(xiàn)有的SCADA客戶端為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)工作站，滿足遠(yuǎn)程診斷相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析需求;色譜分析儀、壓力變送器、溫度變送器等相關(guān)計(jì)量設(shè)備已接入SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);流量計(jì)算機(jī)已接入局域網(wǎng)絡(luò)。

2020年一季度，榆濟(jì)線緊抓技術(shù)發(fā)展的脈搏，利用現(xiàn)有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)鏈路的優(yōu)勢(shì)，率先實(shí)現(xiàn)了沿線超聲波流量計(jì)（含用戶方貿(mào)易計(jì)量用超聲波流量計(jì)）的遠(yuǎn)程聲速核查。后續(xù)又添加了站內(nèi)互聯(lián)互通區(qū)陜京線塔榆末站、用戶分輸圓恒門站的超聲波流量計(jì)聲速參數(shù)。借助SCADA上位機(jī)系統(tǒng)，已完成沿線超聲波流量計(jì)聲速特性參數(shù)的遠(yuǎn)程、集成化存儲(chǔ)和分析，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)流量計(jì)計(jì)量回路狀態(tài)及測(cè)量準(zhǔn)確度的檢測(cè)功能。

結(jié)束語(yǔ)

如何合理、高效地使用超聲波流量計(jì)，深入發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前天然氣長(zhǎng)輸管線均需面對(duì)的課題。面對(duì)當(dāng)前天然氣行業(yè)的發(fā)展形勢(shì)和國(guó)家管網(wǎng)資源整合的戰(zhàn)略需求，計(jì)量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的重要性和必要性已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，正逐步成為流量計(jì)運(yùn)行維護(hù)的必備手段。超聲波流量計(jì)、流量計(jì)算機(jī)、溫度變送器、壓力變送器及氣相色譜分析儀均已具備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)及故障診斷的能力。我們要加快探索的步伐，深挖資源利用和技術(shù)革新，助力天然氣事業(yè)的積極發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 王池，丘逢春，苗豫生，等.JJG 1030-2007 中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程：超聲流量計(jì)[S].北京：國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局出版社，2007.

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作者簡(jiǎn)介：

張偉峰（1989-），男，助理師，西南石油大學(xué)，油氣儲(chǔ)運(yùn)中心榆濟(jì)項(xiàng)目部技術(shù)員。719000、陜西省榆林市榆陽(yáng)區(qū)駝峰路街道榆麻路老年公寓北中石化陜西維搶修中心。