天然氣大流量計(jì)量檢定工藝主動(dòng)控制方法研究

黃聯(lián)江

新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市檢驗(yàn)檢測(cè)中心 新疆烏魯木齊 830063

近五年，我國(guó)天然氣消費(fèi)量年均增長(zhǎng)10%左右。2020年，中國(guó)年天然氣消費(fèi)量將超過(guò)3200×108m3，占能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的8.8%。預(yù)計(jì)2035年天然氣年消費(fèi)量將超過(guò)6000×108m3，天然氣行業(yè)仍處于快速發(fā)展階段。傳統(tǒng)計(jì)量檢定對(duì)操作者經(jīng)驗(yàn)要求高，耗時(shí)長(zhǎng)，在操作過(guò)程中存在誤操作、流量超限、流量超限等隱患，檢定效率不高。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)智能管道和智能管網(wǎng)的探索逐漸深入。利用智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)檢定全過(guò)程的質(zhì)量控制，確保在整個(gè)檢定過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量?jī)x器的性能，監(jiān)測(cè)檢定結(jié)果，進(jìn)行智能分析處理[1]。

1 中國(guó)天然氣計(jì)量需求分析

1.1 天然氣流量測(cè)量技術(shù)

1990年代中期以前，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)流量不低于105m3/h的A級(jí)計(jì)量系統(tǒng)主要采用單流量計(jì)和在線分析儀。此后，兩臺(tái)流量計(jì)和兩臺(tái)在線色譜分析儀大多用于相互驗(yàn)證。實(shí)時(shí)監(jiān)控儀器是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)。兩種儀器的測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)一般控制在0.3%以?xún)?nèi)，不超過(guò)0.5%。近10年來(lái)，通過(guò)兩臺(tái)流量計(jì)和兩臺(tái)在線色譜分析測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值用于貿(mào)易結(jié)算，以減少測(cè)量不確定度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障或問(wèn)題。計(jì)量系統(tǒng)投入運(yùn)行和設(shè)備維修保養(yǎng)后，委托技術(shù)權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)計(jì)量系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，即評(píng)價(jià)計(jì)量系統(tǒng)電能計(jì)量的不確定度，利用信息化、智能化和大數(shù)據(jù)分析，確保流量計(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)可靠。在國(guó)內(nèi)主要是通過(guò)上下游測(cè)量的差異來(lái)控制的。一般控制在1.0%以?xún)?nèi)即可滿(mǎn)足要求。A級(jí)計(jì)量系統(tǒng)主要采用單臺(tái)流量測(cè)量?jī)x表和單臺(tái)在線色譜分析儀（部分采用離線分析），通常無(wú)需校驗(yàn)如果現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)問(wèn)題，流量計(jì)和分析系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理時(shí)間。我國(guó)已經(jīng)頒布了《天然氣計(jì)量系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)：GB/T35186-2017》和《天然氣在線分析系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)：GB/T28766-2018》，但國(guó)內(nèi)僅有西部管道、深圳等少數(shù)企業(yè)燃?xì)夤艿溃堰M(jìn)行設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)性能評(píng)估[2]。

2 有效性核查

有效性驗(yàn)證是利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)中的大量歷史驗(yàn)證數(shù)據(jù)，建立基于流量參數(shù)（溫度、壓力、流量）的預(yù)測(cè)模型，比較預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的偏差。值，且偏差超過(guò)控制限度的情況報(bào)警并提示人員調(diào)查。該方法已成為廣州變電站驗(yàn)證前智能監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)裝置流量、溫度、壓力參數(shù)是否存在異常的重要手段。

2.1 算法設(shè)計(jì)

結(jié)合天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置歷史運(yùn)行產(chǎn)生的歷史壓力、溫度、流量等數(shù)據(jù)，建立校驗(yàn)數(shù)據(jù)與質(zhì)量（有效性）數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)矩陣，實(shí)現(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)的對(duì)接。對(duì)于新獲取的數(shù)據(jù)矩陣，每個(gè)行向量都被視為一個(gè)獨(dú)立的流標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備行為數(shù)據(jù)。利用大數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析和頻繁模式識(shí)別方法，識(shí)別歷史流量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備行為數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)模式，并根據(jù)設(shè)定的關(guān)聯(lián)置信度、支持度等有效閾值對(duì)數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果進(jìn)行過(guò)濾和排除圖案；最終輸出滿(mǎn)足閾值設(shè)置的潛在相關(guān)模式，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析中具有普遍意義[3]。

2.2 線性回歸預(yù)測(cè)模型

計(jì)算回歸模型后，需要對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。多元線性回歸模型的檢驗(yàn)方法有：判定系數(shù)檢驗(yàn)、回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)、回歸方程顯著性檢驗(yàn)等。在此采用判定系數(shù)檢驗(yàn)法，多元線性回歸模型判定系數(shù)R的計(jì)算公式為：

式中：β0，β1，β2，…，βi分別為回歸系數(shù)；x1，x2，…，xi分別為數(shù)據(jù)庫(kù)中的i個(gè)自變量；ε為隨機(jī)誤差。根據(jù)式（1），當(dāng)R2接近1，則模型效果較好；當(dāng)R2接近0，則模型不適合表征的關(guān)系。利用80%的歷史數(shù)據(jù)分別建立溫度、壓力及流量的預(yù)測(cè)模型，采用20%的歷史數(shù)據(jù)分析各模型的預(yù)測(cè)精度：①溫度線性回歸預(yù)測(cè)后得到的模型參數(shù)為截距1.00089365，系數(shù)0.018025。從溫度參數(shù)預(yù)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)圖（圖1）可知：線性回歸預(yù)測(cè)模型誤差統(tǒng)計(jì)分析得到預(yù)測(cè)的溫度誤差在士0.1℃范圍內(nèi)。②壓力線性回歸預(yù)測(cè)后得到的模型參數(shù)為截距-0.0038，系數(shù)1.00180從壓力參數(shù)的預(yù)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)（圖2）可知：壓力誤差在-0.01～0.015MPa范圍內(nèi)。③流量線性回歸預(yù)測(cè)后得到的模型參數(shù)為截距-3.7723，系數(shù)1.0036。

圖1 線性回歸模型在溫度參數(shù)的預(yù)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)圖

圖2 線性回歸模型在壓力參數(shù)的預(yù)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)圖

3 在線實(shí)時(shí)核查

通過(guò)校驗(yàn)超聲波流量計(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)校驗(yàn)，可以有效監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)運(yùn)行中的偏差。采用控制圖法，對(duì)每對(duì)標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)和檢定超聲波流量計(jì)，根據(jù)歷史偏差的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，制定動(dòng)態(tài)控制圖預(yù)警限值，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行是否正常。

3.1 控制圖法

控制圖分為兩類(lèi)：用于分析的控制圖和用于控制的控制圖。用于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)檢定時(shí)，分析控制圖可用于檢定后的數(shù)據(jù)分析，評(píng)價(jià)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的穩(wěn)定性和受控狀態(tài)；用于控制的控制圖可用于驗(yàn)證過(guò)程中，在驗(yàn)證實(shí)施的同時(shí)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控和監(jiān)控。衡量標(biāo)準(zhǔn)檢查實(shí)施過(guò)程是否處于穩(wěn)定可控的狀態(tài)?？梢赞D(zhuǎn)換控制圖功能。待分析控制圖數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，可延長(zhǎng)時(shí)限，再轉(zhuǎn)換為控制圖進(jìn)行控制。

將控制圖方法應(yīng)用于計(jì)量檢定過(guò)程的在線實(shí)時(shí)檢定。驗(yàn)證過(guò)程數(shù)據(jù)是建立分析控制圖的基本抽樣數(shù)據(jù)。應(yīng)確保驗(yàn)證過(guò)程中收集的數(shù)據(jù)處于隨機(jī)控制之下。在重復(fù)條件下，對(duì)確定的標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)進(jìn)行m次獨(dú)立的重復(fù)測(cè)量。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)偏差控制圖時(shí)，要求測(cè)量次數(shù)m≥10，該m次測(cè)量結(jié)果稱(chēng)為一個(gè)子組。在檢定規(guī)程和技術(shù)規(guī)范規(guī)定的測(cè)量條件下，重復(fù)上面的過(guò)程測(cè)量q個(gè)子組，要求q≥20。采用平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差控制圖。在平均值控制圖中，其中心線CL1、控制上限UCL1、控制下限LCL1分別為：

在標(biāo)準(zhǔn)偏差控制圖（s圖）中，其中心線CL2、控制上限UCL2、控制下限LCL2分別為：

式中：x-為每個(gè)子組的平均值；x-為每個(gè)子組平均值的平均值；s-為各子組標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值；s-為各子組標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值的平均值；A3、B3、B4均為系數(shù)。

3.2 在線實(shí)時(shí)核查實(shí)踐

讀取廣州分站原數(shù)據(jù)庫(kù)中核查超聲流量計(jì)流量數(shù)據(jù)，按渦輪流量計(jì)量程進(jìn)行流量分段設(shè)置，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)與核查超聲流量計(jì)偏差（以下簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)偏差），覆蓋各路標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)全量程范圍。按照式（2）、式（3）建立預(yù)警控制限模型，計(jì)算預(yù)警限，控制限為標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度（0.29%）。獲取核查超聲流量計(jì)數(shù)據(jù)并計(jì)算示值誤差，將示值誤差與預(yù)警控制限對(duì)比，若超過(guò)預(yù)警限則給予提示；若超過(guò)控制限則判定該點(diǎn)為在線核查不合格點(diǎn)。在平均值控制圖中，預(yù)警限隨歷史數(shù)據(jù)的增加而不斷更新，該圖用于實(shí)時(shí)監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)偏差是否超出動(dòng)態(tài)預(yù)警限，也可用于查看標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)偏差的變化趨勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)偏差控制圖用于監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)偏差的離散情況。將平均值控制圖與標(biāo)準(zhǔn)偏差控制圖結(jié)合可以在檢定過(guò)程中實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)異常值進(jìn)行判定，技術(shù)人員通過(guò)階段性數(shù)據(jù)趨勢(shì)以及預(yù)警限的變化情況，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)和核查超聲流量計(jì)的穩(wěn)定性，從而基本實(shí)現(xiàn)了基于在線核查的流量超限預(yù)判、報(bào)警、處理功能。

4 檢定前后智能化判斷

4.1 完整性判斷提示

為提醒技術(shù)人員在檢定工作正式開(kāi)始前檢查標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)的運(yùn)行狀態(tài)、使用頻率狀態(tài)、關(guān)鍵閥門(mén)狀態(tài)、特種設(shè)備狀態(tài)、液氮系統(tǒng)狀態(tài)、拆卸工具狀態(tài)等，可結(jié)合設(shè)備設(shè)施的完整性。

4.2 自啟自閉

對(duì)于校驗(yàn)工作開(kāi)始前的試運(yùn)行階段，當(dāng)校驗(yàn)前氣體流量參數(shù)狀態(tài)波動(dòng)平穩(wěn)，且試運(yùn)行時(shí)間超過(guò)5分鐘時(shí)，校驗(yàn)工作將自動(dòng)開(kāi)始。完成當(dāng)前檢定任務(wù)后，計(jì)算被測(cè)儀表的顯示值誤差、重復(fù)性等數(shù)據(jù)。確認(rèn)數(shù)據(jù)有效性后，點(diǎn)擊保存按鈕，自動(dòng)觸發(fā)驗(yàn)證自關(guān)閉功能，完成當(dāng)前樣本測(cè)試數(shù)據(jù)頁(yè)面和整體驗(yàn)證客戶(hù)端的關(guān)閉。

4.3 檢定證書(shū)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證

在證書(shū)簽發(fā)過(guò)程中智能判斷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的主要信息和驗(yàn)證數(shù)據(jù)，如有問(wèn)題給出提示。在準(zhǔn)備證書(shū)的過(guò)程中，核對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)信息的有效期和檢定機(jī)構(gòu)的信息，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)提示。在驗(yàn)證證書(shū)中，主要檢查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的驗(yàn)證條件。如果在校驗(yàn)過(guò)程中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的介質(zhì)壓力、介質(zhì)溫度、環(huán)境壓力和環(huán)境濕度異常，會(huì)給出提示。在抽樣證明過(guò)程中，確認(rèn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)中的示值誤差是否符合驗(yàn)證結(jié)論。如果在簽發(fā)證書(shū)的過(guò)程中有任何疏忽，則會(huì)提示。

5 天然氣計(jì)量檢定智能化的前景

5.1 在線檢定校準(zhǔn)技術(shù)

未來(lái)將進(jìn)一步建立邊緣計(jì)算與云計(jì)算相結(jié)合的綜合平臺(tái)，采用大平臺(tái)和虛擬化應(yīng)用模型，提升大數(shù)據(jù)處理能力。通過(guò)儀表制造商計(jì)量設(shè)備數(shù)字化模型、設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)的工藝和計(jì)量參數(shù)、工程建設(shè)方提供的設(shè)備信息、計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)的檢定校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的工況數(shù)據(jù)在線查看儀表運(yùn)行狀態(tài)，橫向?qū)Ρ韧吞?hào)儀表狀態(tài)，縱向?qū)Ρ葍x表輸出結(jié)果變化趨勢(shì)，提供在線校驗(yàn)校準(zhǔn)結(jié)果。

5.2 計(jì)量技術(shù)智能化升級(jí)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G、數(shù)字儀表等技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)使用的儀表可以實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)和報(bào)警信息。循環(huán)海量數(shù)據(jù)的應(yīng)用分析，指導(dǎo)國(guó)家計(jì)量技術(shù)的規(guī)劃、規(guī)范制定和工作部署，使其更加精準(zhǔn)高效。大數(shù)據(jù)和人工智能的應(yīng)用將為計(jì)量管理提供可靠依據(jù)，為決策提供有效支持。

5.3 計(jì)量科技產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)

建立以計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)為主體，以金額傳輸溯源體系為基本架構(gòu)的國(guó)家天然氣計(jì)量智能服務(wù)平臺(tái)。借助科研院所、高等院校、企業(yè)等資源，打造開(kāi)放共享的計(jì)量研究實(shí)驗(yàn)環(huán)境，研究具有天然氣特色的價(jià)值轉(zhuǎn)移技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)的智能化、數(shù)字化技術(shù)。行業(yè)關(guān)鍵領(lǐng)域的參數(shù)。制定智能測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試儀器，研究基于服務(wù)產(chǎn)品全生命周期的大數(shù)據(jù)測(cè)量技術(shù)，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)交互速度，增強(qiáng)測(cè)試儀器自診斷能力。

6 結(jié)語(yǔ)

天然氣流量計(jì)檢定程序和質(zhì)量控制要求通過(guò)智能化手段在檢定系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，減少人為錯(cuò)誤，規(guī)范檢定流程，有效提高檢定效率，大大提高質(zhì)量控制的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。①基于歷史運(yùn)行大數(shù)據(jù)，建立了標(biāo)準(zhǔn)裝置溫度、壓力、流量的有效監(jiān)測(cè)模型，在檢定前和檢定過(guò)程中實(shí)時(shí)比較預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備儀表，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證過(guò)程的動(dòng)態(tài)化。集成和智能的有效性驗(yàn)證可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理儀表偏差。②采用控制圖法，根據(jù)歷史偏差的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，為每對(duì)標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)和檢定超聲波流量計(jì)開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)控制圖，并實(shí)時(shí)更新預(yù)警限值。大大提高了標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)的監(jiān)測(cè)精度，可以檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)的趨勢(shì)偏差和運(yùn)行穩(wěn)定性，及時(shí)檢查控制限內(nèi)的超聲波流量計(jì)，這是有利于標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)通過(guò)超聲波流量計(jì)性能驗(yàn)證進(jìn)行評(píng)估。③基于檢定程序的要求，實(shí)現(xiàn)了計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的完整性判斷、檢定自啟動(dòng)狀態(tài)的判斷和檢定結(jié)果的智能檢定功能。