新型計量遠程診斷系統技術研究

陳飛

國家管網集團川氣東送天然氣管道有限公司

天然氣長輸管道上計量站在天然氣貿易交接時既承擔上游天然氣購買方也承擔下游天然氣銷售方的角色，其數據準確性是保證天然氣貿易交接公平合理的重要基礎。但由于天然氣長輸管道管線長、計量場站多且分布面廣、計量設備數量多，導致計量設備管理及輸差控制難度較大，若不能及時地發現計量設備問題，則會導致計量不準確，造成經濟損失。

為及時發現計量系統的故障，需建立相關的遠程計量診斷系統。早在2000年，英國北海油田已開始對計量遠程診斷技術進行研究，該油田使用氣體超聲流量計自帶的診斷軟件定位計量設備數據異常。此后，羅馬尼亞管道經過多項驗證后提出了計量遠程診斷技術為主的解決方案并進行推廣實施[1]。目前國內多采用國外技術和產品進行計量遠程診斷，如中石化西北油田構建了氣體超聲流量計遠程診斷系統，對現場異常數據進行診斷[2]。中國石油西南油氣田公司、塔里木油田及上海天然氣管網均建立了針對各自管網的計量遠程診斷系統，實現了計量設備的遠程診斷[3-5]。

但經過長時間的運行發現，國內外已部署的計量遠程診斷系統還存在以下問題：數據采集精準性、安全性不足[6]；計量設備兼容性存在局限，系統兼容計量設備主要集中單一品牌的氣體超聲流量計及流量計算機等；超聲流量計及配套流量計算機的采集數據單一[7]；溫度/壓力變送器、色譜分析儀的診斷功能不夠全面[8]；缺少自動識別，對數據異常的監控多依賴于技術人員人工定位；報警功能存在局限性[9]；報表生成條件考慮不夠周全，功能性存在不足[10-11]。

本研究針對這些問題開發了一種新型計量遠程診斷系統，實現計量系統的遠程監視、智能診斷定位、智能報警及分析、歷史數據追溯、趨勢分析、計量回路核查、聲速核查、流量核查、計量設備管理、報表報告管理等功能，并且實現了對數據異常的快速定位，最終對現場計量系統管理做出及時、準確的指導，以保證計量的準確性。

1 新型計量遠程診斷系統的異常數據診斷方法

1.1 異常數據影響因子識別

由于貿易交接數據是多項現場測量數據通過相關標準的數學模型得出的計算值，所以需重點關注與計算天然氣貿易交接最終結果相關的計量設備數據。鑒于我國天然氣長輸管線已廣泛使用氣體超聲流量計，本研究以氣體超聲流量計為例識別貿易交接數據異常的影響因子。

新型計量遠程診斷系統采用能量計量數據定位異常[12-15]，如式(1)所示。能量計量數據與天然氣發熱量和瞬時流量均相關，其中瞬時流量可由式(2)所示的標況體積計算公式獲得，而天然氣發熱量與氣體組成相關，其由色譜分析儀的分析結果給出[16-17]。

能量流量由標況體積發熱量生成，其計算公式如式(1)所示[18]：

qe=qn×HS

(1)

式中:qe為能量流量， J/h；qn為標準參比條件下的瞬時流量， m3/h或者kg/h；HS為標準參比條件下的氣體體積發熱量或質量發熱量， J/m3或J/kg。

體積流量則由修正工況流量轉換而來，其計算公式如式(2)所示[19]：

(2)

式中:qn為標準參比條件下的瞬時體積流量， m3/h；qf為工作條件下的瞬時體積流量，m3/h；pn為標準參比條件下的絕對靜壓力，MPa；pf為工作條件下的絕對靜壓力，MPa；Tn為標準參比條件下的熱力學溫度， K；Tf為工作條件下的熱力學溫度，K；Zn為標準參比條件下的壓縮因子；Zf為工作條件下的壓縮因子。

綜合分析得知，計量異常數據的次級影響因子主要分為5類：①天然氣標準參比條件的溫度與壓力；②溫度，即實際溫度； ③壓力，即實際壓力； ④壓縮因子； ⑤氣體超聲流量計工況體積流量。經進一步分析，可以得到各次級影響因子中可實現遠程監控的終極影響因子分布，三級影響因子如圖1所示。

1.2 異常數據智能診斷方法

通過對影響因子的分析可知，影響因子可分為兩大類，其數據異常的智能診斷與定位方法存在不同[20]。

1.2.1靜態影響因子數據異常診斷算法

包括實際溫度、壓力、在用組分、氣體超聲流量計的使用賦值方式、流量計算機及氣體超聲流量計設備受控參數(包括基準溫度、壓力、楊氏模量、溫度膨脹系數、管道內外徑等)。在人為修改前均為靜態參數，其數據調整多為人為誤操作修改或檢定后調整，可通過式(3)直接遠程判斷是否數據異常。

(3)

式中:En和Eo分別代表影響因子的當前值和初始設置值;Th代表異常數據診斷閾值。

通過設定異常數據診斷閾值實現數據一致性異常的智能定位，同時利用報警功能對其進行輔助。報警遵循我國國家標準進行邏輯判斷[21]，可實現不同應用狀態下國家標準不一致的判定，同時將其設置為最高等級報警。

1.2.2動態影響因子數據異常診斷算法

包括測量模式下的實際溫度、壓力、色譜分析儀分析結果、氣體超聲流量計狀態、流量計算機計算結果等影響因子。這些影響因子均對應自動獲取的工藝參數，隨儲運過程的進行而實時變化。根據導致動態影響因子異常的故障因素不同，其快速定位算法也有區別。

針對實際溫度壓力采用直接讀取測量數據方式，結合現有的準確度等級與現場多年的故障模式總結，溫度和壓力傳感設備主要發生斷線、板卡鎖定、虛接等故障，其異常數據多為突變或長期保持不變。通過式(4)和式(5)對采樣數據進行趨勢分析，可定位該類動態因子異常。

(4)

(5)

式中:pt1、pt2、pT1、pT2分別為不同時刻的壓力，Pa；Δt為數據突變的短周期間隔，s；ΔT為數據長期保持不變的長周期間隔,s;Th1為數據突變率閾值;Th2為數據無波動閾值(與變送器的精度等級相關)。

針對色譜分析儀狀態因子，考慮到天然氣的色譜組分分析時間間隔較長，該影響因子參數為準動態更新，色譜分析儀報告參數與流量計算機采用數據參數可能存在差異異常，需同時存儲分析組分數據與流量計算機采用數據，根據我國國家標準建立動態列表對比判斷[22]，并進行異常數據定位。

針對超聲流量計狀態，根據增益、信噪比、信號質量、聲時等診斷參數，以及剖面系數、紊流系數等流態參數建立的綜合聲速參數對異常數據判斷[23-24]，由式(6)計算得到聲速。

(6)

式中：V為理論聲速，m/s；cv為氣體的定容比熱容，J/(kg·K)；cp為氣體的定壓比熱容，J/(kg·K)；R為通用氣體常數，J/(kg·K)；T為氣體的熱力學溫度，K；M為氣體的摩爾質量，g/mol；Z為氣體的壓縮因子；ρ為氣體摩爾濃度，mol/L。

通過測量介質的溫度、壓力及氣體組成數據可求得各計算參數, 代入式(6)可求得理論聲速[23]。依據GB/T 30500—2014《氣體超聲流量計使用中檢驗聲速檢驗法》 的技術要求, 被檢超聲流量計的測量聲速應滿足如下要求：聲速偏差允許范圍σ為±0.2 %, 各聲道測量最大聲速差為αmax=0.5 m/s。

2 新型計量遠程診斷系統對設備數據異常智能定位

根據以上需求建立了計量遠程診斷系統平臺，利用上述算法對獲取的遠程計量數據進行分析，作為智能定位計量設備數據異常的輔助手段[25]。

2.1 設備受控參數異常的智能定位

系統根據式(3)建立了參數對比功能(見表3)，某輸氣站計量101B路中出現了溫度賦值方式變更，該變更在約40 min之內發生了測量值與鍵盤值翻轉，經核實，該路流量計算機正在進行程序檢修。可見，該功能有效記錄了固定參數的變化情況，計量人員可快速查看該表，以確保非固定參數變化引起了計量數據異常現象。

表3 某輸氣站參數變化對比表參數名稱當前值初始設置值變更時間溫度賦值方式測量值鍵盤值2019-10-11 15:47:52溫度賦值方式鍵盤值測量值2019-10-11 15:03:11基準溫度15 ℃20 ℃2019-10-11 15:03:11基準壓力103.421 kPa101.325 kPa2019-10-11 15:03:11

報警實現基準值根據我國國家標準及實際運行狀態確定，對異常數據進行了邏輯判斷。基準溫度及壓力的基準值為20 ℃與101.325 kPa，此時表3中基準溫度及壓力均會出現相應報警，而溫度賦值方式由于已經修改為測量模式，因此不會出現實時報警，只有歷史報警。

2.2 壓力及溫度變送器狀態異常的智能定位

以壓力變送器為例(見表4)，壓力在30 s內出現了-59%的變化率，絕對值大于報警閾值(50%)，此時出現壓力突變報警，同時查詢當前歷史趨勢壓力變送器數值從7.8 MPa突變為3.2 MPa，與報警判斷一致，直接定位該壓力變送器出現了異常。事后處理該設備時，發現板卡已損壞，更換后異常恢復。

表4 壓力變送器狀態報警表實際壓力突變實際壓力長期保持不變間隔周期/s實際變化率/%設置絕對值/%報警間隔周期/s實際變化率/%設置絕對值/%報警30-11<50否3000.02>0.05是30-59<50是3000.07>0.05否

同理，溫度變送器狀態的定位與壓力變送器一致，不同點在于報警設置中考慮了溫度變化的惰性采用不同的報警閾值。

2.3 色譜分析儀狀態異常的智能定位

系統每日將自動生成色譜分析儀報告。如表5所列設備，在實際生產中每日自動進行1次強制標定標氣，根據該站場的色譜分析儀設置了合理判定標準，而其余參數的判斷標準沿用。表5中甲烷最大偏差達到0.008 1%，小于允許偏差范圍(0.2%)，其余參數也滿足標準，該重復性測試合格，同時標氣偏差合格，響應因子有效性滿足遞增變化，該色譜分析儀狀態正常。一旦各判定標準中出現部分異常，則設備狀態異常。同時，設備提供的組分數據與流量計算機采用一致，歷史趨勢中二者趨勢也可印證設備數據正常傳輸。

表5 樣氣重復性測試表摩爾分數/%項目CH4N2CO2C2H6C3H8i-C4H10n-C4H10i-C5H12n-C5H12C+6摩爾分數合計允許偏差<0.2<0.1<0.1<0.07<0.04<0.01<0.01<0.01<0.01<0.0498～102第1組98.153 70.757 20.871 90.212 7000000.004 598.774 7第2組98.153 70.757 20.871 90.212 7000000.004 598.774 7第1、2組偏差0000000000N/A第3組98.156 90.756 30.869 40.212 9000000.004 598.753 3第2、3組偏差+0.003 20.000 090.002 5+0.000 2000000N/A第4組98.163 50.756 10.862 60.213 3000000.004 598.786 2第3、4組偏差+0.006 6-0.000 20.006 8+0.000 4000000.004 5N/A第5組98.171 60.753 90.857 20.212 8000000.004 598.819 9第4、5組偏差+0.008 1-0.002 20.005 4-0.000 5000000.004 5N/A測試結果通過通過通過通過通過通過通過通過通過通過通過 注:N/A為忽略不計。

2.4 氣體超聲流量計狀態異常的智能定位

系統的聲速核查報表在生成前判定流態是否處于穩定工況，防止不可信報告生成。該報表每日自動生成，提供核查結果，為聲速狀態判斷提供歷史存檔。同時，基于設備存在閃發異常的情況，該報表也可根據需要手動生成。例如，某站場計量回路某日自動報表測量聲速為450.07 m/s，計算聲速為449.99 m/s，聲速偏差為0.018%，符合小于0.2%的標準，聲速無異常。但該日上午11時左右，手動生成報表的測量聲速為450.32 m/s，計算聲速為448.81 m/s，聲速偏差為0.336%，超出標準。經核實，現場該計量回路進氣口出現了短暫異常，與報表反饋數據一致。

2.5 流量計算機內部算法異常的智能定位

流量計算機的流量核查報告每日自動生成，實時監控流量計算機內部算法運行故障。表6所列為某輸氣站流量核查報表，所核查的設備出現了內部硬件報警，通過讀取實時的測量流速與其他相關參數，系統計算的標況流量為143 826.75 m3/h(溫度為0 ℃、壓力為101.325 kPa時)、能量流量為5 259.47 GJ/h，而流量計算機相應值為144 065.63 m3/h(溫度為0 ℃、壓力為101.325 kPa時)、5 272.36 GJ/h，偏差達到了0.152%、0.245%，均不滿足0.05%的偏差要求。由此可知，該流量計算機內部算法已出現異常。

表6 流量計算機內部流量核查表輸入數據計算常量流速/(m·s-1)溫度/℃壓力/MPa內徑/m外徑/m基準溫度/℃基準壓力(A)/kPa楊氏模量溫度膨脹系數16.1019.367.440.193 750.25420101.325206 8430.000 001 512檢查結果體積流量/(m3·h-1)①能量流量/(GJ·h-1)顯示流量計算流量流量偏差/%顯示流量計算流量流量偏差/%143 846.75144 065.630.1525 259.475 272.360.245 注:①標況,溫度為0 ℃、壓力為101.325 kPa。

由上所述，計量遠程診斷系統為設備數據異常快速定位提供了豐富的功能，在實際使用中應按照難易程度順序依次排查異常。在排查異常時，若有報警，應優先查看報警信息，再查看參數對比記錄，檢查固定參數變化記錄，再次查看色譜分析儀核查報告、聲速核查報告及流量核查報告，最后再通過歷史趨勢逐步檢查狀態數據變化情況。依次遞進，從而達到快速定位，徹底排查計量系統風險的目的。

3 結論

該新型計量遠程診斷系統根據對天然氣能量計量過程及其相關標準的理解，分解出靜態影響因子和動態影響因子，建立了影響因子異常定位算法。針對實際系統的設備屬性，將終極影響因子轉換為對相關設備的受控參數、壓力/溫度變送器狀態、色譜分析儀狀態與超聲流量計狀態的監測，并建立了相關異常快速定位功能，結合了系統自身及時準確的數據采集、多樣化及合理的報警生成、標準及對比性的歷史趨勢特點，取得了以下優點：①解決了設備受控參數的監控難題；②創新的報警設計實現了壓力/溫度變送器的狀態判斷；③利用我國國家標準建立的報表可作為色譜分析儀狀態的依據；④針對性的報警、歷史趨勢及報表將氣體超聲流量計狀態呈現；⑤編寫算法來核查流量計算機內部定位運算異常。該系統經過多項實驗后，已證明其可對計量設備數據異常進行智能定位。