天然氣計量系統監測與異常診斷技術研究

楊喜良 董紅軍 張麗穩 孟頔 李根臣 史威 李柏松

1國家能源油氣長輸管道技術裝備研發（試驗）中心

2北方管道公司

3北京管道公司

計量是國家管網公司運行管理的重要環節，超聲流量計遠程監測與異常報警具有重要的現實意義，也是推動公司高質量發展的需要。中俄東、西氣東輸、陜京管道、中緬等國內天然氣管道分輸口徑大于DN80 的計量設備基本選用超聲流量計進行交接計量[1-6]。超聲流量計的安全、可靠、準確運行，關系到管道企業運營水平和經營效益，尤其是管道獨立運行后，國家管網公司是用管道輸送原油、成品油、天然氣的運輸公司，只通過提供運輸服務獲得收入，交接計量顯得至關重要[7-11]。

1 超聲波流量計遠程診斷技術現狀

超聲波流量計遠程診斷技術是利用計算機實時分析計量系統參數，包括計量系統的溫度、壓力、天然氣組分、流量計自身運行狀態、通信狀態等，自動判斷計量系統正常與否，并對微小故障及時報警[12-16]。

1.1 國外情況

超聲波流量計遠程診斷（Condition Based Monitoring，簡 稱CBM）始 于1998 年North Sea Flow Measurement Workshop 出 版CBM 技 術 的 文 章[17]。2000 年至2004 年的每季度，英國殼牌公司對用在北海的Daniel（DN300）超聲波流量計進行了實流標定并使用CBM 記錄數據，為CBM 技術的發展奠定了數據與經驗基礎。2005年3月，在英國貿工部會議上，CBM技術首次獲得了官方認可[18-19]。

1.2 國內情況

2005 年中國計量科學研究院開始編制新超聲波流量計計量檢定手冊，明確提出在使用現場檢測等解決方案的基礎上，延長超聲波流量計的再標定周期為6年。2007年，廣東LNG（Liquefied Natural Gas）實施CBM檢驗，延長了檢定周期[19]。

近年來西氣東輸、中亞管道、西部管道等長輸管道陸續建立了計量遠程診斷系統，監測的流量計數量超過千臺（表1），為計量系統進行遠程監視和維護提供了重要技術手段。

表1 中國石油部分單位計量遠程診斷系統統計Tab.1 Statistic table of part of CNPC unit measurement remote diagnosis system

1.3 CBM存在的問題

國內外在用的CBM系統主要存在3個問題：

（1）主要針對常見典型計量系統問題進行診斷，趨勢分析和統計分析功能較弱，本體及輔助儀表異常工況診斷功能缺失。

（2）流量計廠家和型號較多，廠家自帶的診斷功能深度不一，沒有建立報警規則和故障模式庫，需要專業計量人員使用。

（3）系統智能化程度不足，多個計量回路同時監測管理時需要大量時間逐個回路進行分析，效率較低。

2 系統設計

超聲流量計計量系統主要包括流量計、輔助儀表、整流器、計量直管段及計量軟件，其中流量計包括超聲流量計和流量計算機，輔助儀表包括計量壓力變送器、溫度變送器、氣相色譜儀等[20]。天然氣計量準確性與流量計、輔助儀表等息息相關，因此可對流量計和輔助儀表參數進行實時監測，通過智能技術，及時發現異常并報警。

2.1 流量計診斷設計

流量計診斷系統在調控中心對現場計量系統壓力、溫度、流量、天然氣組分和超聲流量計的聲速、信噪比等參數進行采集[21]，通過對其進行相關性分析，挖掘其變化規律，從而實現超聲流量計實時預警與診斷[22]。

2.1.1 系統架構

流量計診斷系統由輸氣站場超聲流量計、流量計算機、網絡設備、監控操作站及診斷軟件組成（圖1）。控制中心建立流量計遠程診斷系統終端和后臺服務端，利用生產網建立與站場流量計的直接連接。后臺服務端分別負責對數據的存儲和監控分析，并將數據及結果推送至遠程診斷終端，以實現對流量計的遠程診斷功能。

圖1 流量計診斷系統架構Fig.1 Flow meter diagnosis system architecture

現場流量計、流量計算機等計量設備均通過交換機建立局域網絡，實現計量系統診斷數據的遠程傳輸。

該系統配有服務器，2 臺用于數據存儲，另1 臺用于數據分析。新增站場數據傳輸系統，每座站場1套，包括工業交換機、路由器等。

2.1.2 參數監測

超聲流量計診斷需要流量計多項參數，包括開關量、模擬量和事件3 類信息（表2）。建立單參數、多參數、縱向、橫向、重要度等綜合智能預警模型，通過多維度智能分析，對流量計本體異常情況進行分級報警。

表2 超聲流量計診斷監測參數Tab.2 Monitoring parameters of ultrasonic flowmeter diagnosis

2.1.3 診斷功能

計量遠程診斷系統應具備以下功能：①實時數據采集、數據處理；②歷史數據存儲與分析；③維護軟件的操作終端；④快速訪問現場流量計設備；⑤實時核查現場計量系統；⑥獲得現場設備的運行信息及設備運行趨勢曲線；⑦回路診斷結果自動提示；⑧按JJG1030—2007《超聲波流量計》標準進行流量計聲速核查；⑨診斷參數實時/歷史趨勢顯示；⑩產生計量回路、流量及聲速核查報告；○1通過專用軟件遠程監控各種參數的數據更新和儀表運行狀態的記錄及分析工作等內容；○12通過專用的軟件遠程完成對報警數據的分析，根據分析結果對報警上下限重新設定，或指導現場工作人員進行故障的排除工作；○13分析流量計的運行數據，與正常值進行比對，異常情況及早發現并處理。

2.2 輔助儀表異常診斷

流量計本體診斷難發現人為改變流量計輔助儀表如壓力、溫度、組分等行為，需引入第三方、第四方因素進行“獨立核查”、“獨立比對”，從而對參與流量計算的壓力、溫度、組分進行智能診斷。

（1）監測參數。監測參數包括計量壓力、溫度、天然氣組分、調壓閥開度，為對監測的儀表進行有效診斷還需要進站壓力、溫度。

（2）異常工況及報警方法。儀表異常工況主要有5 種，應針對不同異常采取相應的報警方法（表3）。

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

3 應用效果

3.1 超聲流量計本體參數監測應用

中俄東線黑河—長嶺段黑河首站及各分輸站場設置計量系統，用于首站海關、檢驗檢疫的交接計量比對和各站給下游分輸用戶的供氣計量。流量計口徑在DN80 以下時采用質量流量計，流量計口徑DN80 及以上時采用氣體超聲流量計。在黑河首站、大慶分輸站、長嶺分輸站設置在線色譜分析儀，為計量系統提供在線組分數據。

計量遠程診斷系統主要實現現場流量計與機柜間內流量計算機的故障診斷。由設置在廊坊分控中心的遠維服務器，通過站場遠維系統接口服務器采集現場設備的診斷及狀態信息，顯示診斷有關的HMI（Human Machine Interface）畫面，具備運維人員遠程對設備的監視與診斷功能，流量計診斷界面如圖2所示。

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

3.2 輔助儀表異常診斷

通過分析北方管道公司20 個站一年的歷史數據，應用關聯分析、趨勢分析等方法，識別了5種異常工況。

（1）壓力異常識別。在某站發現，因為中間沒有調壓和加壓的設備，計量壓力高于進站壓力0.1 MPa，當出現計量壓力降低時，斷定為壓力異常并報警（圖3）。

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

（2）溫度與輸量趨勢異常識別。當環境溫度低于進站天然氣溫度時，輸氣時計量溫度上升，停輸后計量溫度下降，否則存在人為改變計量溫度行為。如圖4 所示，1 月10 日07:00 左右出現了溫度突然上升又回落，但是流量計顯示沒有輸量，判斷為異常并報警。

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

（3）監測參數長時間恒定不變。正常情況溫度、壓力是隨時間不斷變化，輸量除停輸外也是不斷波動，若監測參數出現長時間不變，判定為異常并報警（圖5）。

圖5 流量、溫度長時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。因環境溫度關系，輸量與溫度成正向或反向變化，而非無規律變化，若無規律變化則為異常。如圖6所示，計量溫度成自震蕩形式，與輸量無任何關系，判斷為異常并報警。

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

（5）數據斷點。當監測參數出現斷點時，存在人為關閉計量系統行為，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、壓力等數據斷點的工況診斷（2020年）Fig.7 Condition diagnosis of data breakpoints such as quantity，temperature，and pressure(2020)

4 結束語

計量系統運行正常與否直接影響企業效益，在管網公司新形勢下顯得尤其重要。然而計量智能診斷還處于起步階段，在系統間融合、智能診斷提升等方面還需不斷探索。另外，在計量區安裝攝像頭，采用智能識別技術，當有人進入計量區時，推送至監控中心，及時發現人為操控計量，也可用于盜氣取證。