天然氣計(jì)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與異常診斷技術(shù)研究

楊喜良 董紅軍 張麗穩(wěn) 孟頔 李根臣 史威 李柏松

1國(guó)家能源油氣長(zhǎng)輸管道技術(shù)裝備研發(fā)（試驗(yàn)）中心

2北方管道公司

3北京管道公司

計(jì)量是國(guó)家管網(wǎng)公司運(yùn)行管理的重要環(huán)節(jié)，超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與異常報(bào)警具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，也是推動(dòng)公司高質(zhì)量發(fā)展的需要。中俄東、西氣東輸、陜京管道、中緬等國(guó)內(nèi)天然氣管道分輸口徑大于DN80 的計(jì)量設(shè)備基本選用超聲流量計(jì)進(jìn)行交接計(jì)量[1-6]。超聲流量計(jì)的安全、可靠、準(zhǔn)確運(yùn)行，關(guān)系到管道企業(yè)運(yùn)營(yíng)水平和經(jīng)營(yíng)效益，尤其是管道獨(dú)立運(yùn)行后，國(guó)家管網(wǎng)公司是用管道輸送原油、成品油、天然氣的運(yùn)輸公司，只通過(guò)提供運(yùn)輸服務(wù)獲得收入，交接計(jì)量顯得至關(guān)重要[7-11]。

1 超聲波流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷技術(shù)現(xiàn)狀

超聲波流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)分析計(jì)量系統(tǒng)參數(shù)，包括計(jì)量系統(tǒng)的溫度、壓力、天然氣組分、流量計(jì)自身運(yùn)行狀態(tài)、通信狀態(tài)等，自動(dòng)判斷計(jì)量系統(tǒng)正常與否，并對(duì)微小故障及時(shí)報(bào)警[12-16]。

1.1 國(guó)外情況

超聲波流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷（Condition Based Monitoring，簡(jiǎn) 稱CBM）始 于1998 年North Sea Flow Measurement Workshop 出 版CBM 技 術(shù) 的 文 章[17]。2000 年至2004 年的每季度，英國(guó)殼牌公司對(duì)用在北海的Daniel（DN300）超聲波流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)流標(biāo)定并使用CBM 記錄數(shù)據(jù)，為CBM 技術(shù)的發(fā)展奠定了數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。2005年3月，在英國(guó)貿(mào)工部會(huì)議上，CBM技術(shù)首次獲得了官方認(rèn)可[18-19]。

1.2 國(guó)內(nèi)情況

2005 年中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院開始編制新超聲波流量計(jì)計(jì)量檢定手冊(cè)，明確提出在使用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等解決方案的基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)超聲波流量計(jì)的再標(biāo)定周期為6年。2007年，廣東LNG（Liquefied Natural Gas）實(shí)施CBM檢驗(yàn)，延長(zhǎng)了檢定周期[19]。

近年來(lái)西氣東輸、中亞管道、西部管道等長(zhǎng)輸管道陸續(xù)建立了計(jì)量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)的流量計(jì)數(shù)量超過(guò)千臺(tái)（表1），為計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和維護(hù)提供了重要技術(shù)手段。

表1 中國(guó)石油部分單位計(jì)量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistic table of part of CNPC unit measurement remote diagnosis system

1.3 CBM存在的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外在用的CBM系統(tǒng)主要存在3個(gè)問(wèn)題：

（1）主要針對(duì)常見典型計(jì)量系統(tǒng)問(wèn)題進(jìn)行診斷，趨勢(shì)分析和統(tǒng)計(jì)分析功能較弱，本體及輔助儀表異常工況診斷功能缺失。

（2）流量計(jì)廠家和型號(hào)較多，廠家自帶的診斷功能深度不一，沒(méi)有建立報(bào)警規(guī)則和故障模式庫(kù)，需要專業(yè)計(jì)量人員使用。

（3）系統(tǒng)智能化程度不足，多個(gè)計(jì)量回路同時(shí)監(jiān)測(cè)管理時(shí)需要大量時(shí)間逐個(gè)回路進(jìn)行分析，效率較低。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超聲流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)主要包括流量計(jì)、輔助儀表、整流器、計(jì)量直管段及計(jì)量軟件，其中流量計(jì)包括超聲流量計(jì)和流量計(jì)算機(jī)，輔助儀表包括計(jì)量壓力變送器、溫度變送器、氣相色譜儀等[20]。天然氣計(jì)量準(zhǔn)確性與流量計(jì)、輔助儀表等息息相關(guān)，因此可對(duì)流量計(jì)和輔助儀表參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)智能技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并報(bào)警。

2.1 流量計(jì)診斷設(shè)計(jì)

流量計(jì)診斷系統(tǒng)在調(diào)控中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量系統(tǒng)壓力、溫度、流量、天然氣組分和超聲流量計(jì)的聲速、信噪比等參數(shù)進(jìn)行采集[21]，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性分析，挖掘其變化規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)超聲流量計(jì)實(shí)時(shí)預(yù)警與診斷[22]。

2.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

流量計(jì)診斷系統(tǒng)由輸氣站場(chǎng)超聲流量計(jì)、流量計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、監(jiān)控操作站及診斷軟件組成（圖1）?？刂浦行慕⒘髁坑?jì)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)終端和后臺(tái)服務(wù)端，利用生產(chǎn)網(wǎng)建立與站場(chǎng)流量計(jì)的直接連接。后臺(tái)服務(wù)端分別負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和監(jiān)控分析，并將數(shù)據(jù)及結(jié)果推送至遠(yuǎn)程診斷終端，以實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)的遠(yuǎn)程診斷功能。

圖1 流量計(jì)診斷系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Flow meter diagnosis system architecture

現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)、流量計(jì)算機(jī)等計(jì)量設(shè)備均通過(guò)交換機(jī)建立局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

該系統(tǒng)配有服務(wù)器，2 臺(tái)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，另1 臺(tái)用于數(shù)據(jù)分析。新增站場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，每座站場(chǎng)1套，包括工業(yè)交換機(jī)、路由器等。

2.1.2 參數(shù)監(jiān)測(cè)

超聲流量計(jì)診斷需要流量計(jì)多項(xiàng)參數(shù)，包括開關(guān)量、模擬量和事件3 類信息（表2）。建立單參數(shù)、多參數(shù)、縱向、橫向、重要度等綜合智能預(yù)警模型，通過(guò)多維度智能分析，對(duì)流量計(jì)本體異常情況進(jìn)行分級(jí)報(bào)警。

表2 超聲流量計(jì)診斷監(jiān)測(cè)參數(shù)Tab.2 Monitoring parameters of ultrasonic flowmeter diagnosis

2.1.3 診斷功能

計(jì)量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理；②歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析；③維護(hù)軟件的操作終端；④快速訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)設(shè)備；⑤實(shí)時(shí)核查現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量系統(tǒng)；⑥獲得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行信息及設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)曲線；⑦回路診斷結(jié)果自動(dòng)提示；⑧按JJG1030—2007《超聲波流量計(jì)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行流量計(jì)聲速核查；⑨診斷參數(shù)實(shí)時(shí)/歷史趨勢(shì)顯示；⑩產(chǎn)生計(jì)量回路、流量及聲速核查報(bào)告；○1通過(guò)專用軟件遠(yuǎn)程監(jiān)控各種參數(shù)的數(shù)據(jù)更新和儀表運(yùn)行狀態(tài)的記錄及分析工作等內(nèi)容；○12通過(guò)專用的軟件遠(yuǎn)程完成對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)的分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)報(bào)警上下限重新設(shè)定，或指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行故障的排除工作；○13分析流量計(jì)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，與正常值進(jìn)行比對(duì)，異常情況及早發(fā)現(xiàn)并處理。

2.2 輔助儀表異常診斷

流量計(jì)本體診斷難發(fā)現(xiàn)人為改變流量計(jì)輔助儀表如壓力、溫度、組分等行為，需引入第三方、第四方因素進(jìn)行“獨(dú)立核查”、“獨(dú)立比對(duì)”，從而對(duì)參與流量計(jì)算的壓力、溫度、組分進(jìn)行智能診斷。

（1）監(jiān)測(cè)參數(shù)。監(jiān)測(cè)參數(shù)包括計(jì)量壓力、溫度、天然氣組分、調(diào)壓閥開度，為對(duì)監(jiān)測(cè)的儀表進(jìn)行有效診斷還需要進(jìn)站壓力、溫度。

（2）異常工況及報(bào)警方法。儀表異常工況主要有5 種，應(yīng)針對(duì)不同異常采取相應(yīng)的報(bào)警方法（表3）。

表3 異常工況及報(bào)警方法Tab.3 Abnormal working conditions and alarm methods

3 應(yīng)用效果

3.1 超聲流量計(jì)本體參數(shù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

中俄東線黑河—長(zhǎng)嶺段黑河首站及各分輸站場(chǎng)設(shè)置計(jì)量系統(tǒng)，用于首站海關(guān)、檢驗(yàn)檢疫的交接計(jì)量比對(duì)和各站給下游分輸用戶的供氣計(jì)量。流量計(jì)口徑在DN80 以下時(shí)采用質(zhì)量流量計(jì)，流量計(jì)口徑DN80 及以上時(shí)采用氣體超聲流量計(jì)。在黑河首站、大慶分輸站、長(zhǎng)嶺分輸站設(shè)置在線色譜分析儀，為計(jì)量系統(tǒng)提供在線組分?jǐn)?shù)據(jù)。

計(jì)量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)與機(jī)柜間內(nèi)流量計(jì)算機(jī)的故障診斷。由設(shè)置在廊坊分控中心的遠(yuǎn)維服務(wù)器，通過(guò)站場(chǎng)遠(yuǎn)維系統(tǒng)接口服務(wù)器采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的診斷及狀態(tài)信息，顯示診斷有關(guān)的HMI（Human Machine Interface）畫面，具備運(yùn)維人員遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備的監(jiān)視與診斷功能，流量計(jì)診斷界面如圖2所示。

圖2 單路流量計(jì)診斷界面Fig.2 Diagnostic interface of single-channel flowmeter

3.2 輔助儀表異常診斷

通過(guò)分析北方管道公司20 個(gè)站一年的歷史數(shù)據(jù)，應(yīng)用關(guān)聯(lián)分析、趨勢(shì)分析等方法，識(shí)別了5種異常工況。

（1）壓力異常識(shí)別。在某站發(fā)現(xiàn)，因?yàn)橹虚g沒(méi)有調(diào)壓和加壓的設(shè)備，計(jì)量壓力高于進(jìn)站壓力0.1 MPa，當(dāng)出現(xiàn)計(jì)量壓力降低時(shí)，斷定為壓力異常并報(bào)警（圖3）。

圖3 計(jì)量壓力突降的工況診斷（2020年）Fig.3 Condition diagnosis of sudden drop of measurement pressure(2020)

（2）溫度與輸量趨勢(shì)異常識(shí)別。當(dāng)環(huán)境溫度低于進(jìn)站天然氣溫度時(shí)，輸氣時(shí)計(jì)量溫度上升，停輸后計(jì)量溫度下降，否則存在人為改變計(jì)量溫度行為。如圖4 所示，1 月10 日07:00 左右出現(xiàn)了溫度突然上升又回落，但是流量計(jì)顯示沒(méi)有輸量，判斷為異常并報(bào)警。

圖4 溫度與輸量沒(méi)有同時(shí)變化的工況診斷（2020年）Fig.4 Condition diagnosis of temperature and quantity not changing simultaneously(2020)

（3）監(jiān)測(cè)參數(shù)長(zhǎng)時(shí)間恒定不變。正常情況溫度、壓力是隨時(shí)間不斷變化，輸量除停輸外也是不斷波動(dòng)，若監(jiān)測(cè)參數(shù)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間不變，判定為異常并報(bào)警（圖5）。

圖5 流量、溫度長(zhǎng)時(shí)間恒定不變的工況診斷（2020年6月10日）Fig.5 Condtion diagnosis of quantity and temperature constant for a long time(2020.6.10)

（4）輸量與溫度不相關(guān)。因環(huán)境溫度關(guān)系，輸量與溫度成正向或反向變化，而非無(wú)規(guī)律變化，若無(wú)規(guī)律變化則為異常。如圖6所示，計(jì)量溫度成自震蕩形式，與輸量無(wú)任何關(guān)系，判斷為異常并報(bào)警。

圖6 輸量與溫度變化不相關(guān)的工況診斷（2020年1月1日）Fig.6 Condition diagnosis of no correlation between the quantity and the temperature change(2020.1.1)

（5）數(shù)據(jù)斷點(diǎn)。當(dāng)監(jiān)測(cè)參數(shù)出現(xiàn)斷點(diǎn)時(shí)，存在人為關(guān)閉計(jì)量系統(tǒng)行為，如圖7 所示，4 月25 日03:00至07:00判定為異常。

圖7 流量、溫度、壓力等數(shù)據(jù)斷點(diǎn)的工況診斷（2020年）Fig.7 Condition diagnosis of data breakpoints such as quantity，temperature，and pressure(2020)

4 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)量系統(tǒng)運(yùn)行正常與否直接影響企業(yè)效益，在管網(wǎng)公司新形勢(shì)下顯得尤其重要。然而計(jì)量智能診斷還處于起步階段，在系統(tǒng)間融合、智能診斷提升等方面還需不斷探索。另外，在計(jì)量區(qū)安裝攝像頭，采用智能識(shí)別技術(shù)，當(dāng)有人進(jìn)入計(jì)量區(qū)時(shí)，推送至監(jiān)控中心，及時(shí)發(fā)現(xiàn)人為操控計(jì)量，也可用于盜氣取證。