新型計量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)技術(shù)研究

陳飛

國家管網(wǎng)集團(tuán)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(mào)易交接時既承擔(dān)上游天然氣購買方也承擔(dān)下游天然氣銷售方的角色，其數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性是保證天然氣貿(mào)易交接公平合理的重要基礎(chǔ)。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(shè)備數(shù)量多，導(dǎo)致計量設(shè)備管理及輸差控制難度較大，若不能及時地發(fā)現(xiàn)計量設(shè)備問題，則會導(dǎo)致計量不準(zhǔn)確，造成經(jīng)濟(jì)損失。

為及時發(fā)現(xiàn)計量系統(tǒng)的故障，需建立相關(guān)的遠(yuǎn)程計量診斷系統(tǒng)。早在2000年，英國北海油田已開始對計量遠(yuǎn)程診斷技術(shù)進(jìn)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(shè)備數(shù)據(jù)異常。此后，羅馬尼亞管道經(jīng)過多項驗證后提出了計量遠(yuǎn)程診斷技術(shù)為主的解決方案并進(jìn)行推廣實施[1]。目前國內(nèi)多采用國外技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行計量遠(yuǎn)程診斷，如中石化西北油田構(gòu)建了氣體超聲流量計遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，對現(xiàn)場異常數(shù)據(jù)進(jìn)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(wǎng)均建立了針對各自管網(wǎng)的計量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)了計量設(shè)備的遠(yuǎn)程診斷[3-5]。

但經(jīng)過長時間的運行發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外已部署的計量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)還存在以下問題：數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)性、安全性不足[6]；計量設(shè)備兼容性存在局限，系統(tǒng)兼容計量設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)異常的監(jiān)控多依賴于技術(shù)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(fā)了一種新型計量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)計量系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視、智能診斷定位、智能報警及分析、歷史數(shù)據(jù)追溯、趨勢分析、計量回路核查、聲速核查、流量核查、計量設(shè)備管理、報表報告管理等功能，并且實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)異常的快速定位，最終對現(xiàn)場計量系統(tǒng)管理做出及時、準(zhǔn)確的指導(dǎo)，以保證計量的準(zhǔn)確性。

1 新型計量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的異常數(shù)據(jù)診斷方法

1.1 異常數(shù)據(jù)影響因子識別

由于貿(mào)易交接數(shù)據(jù)是多項現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)通過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型得出的計算值，所以需重點關(guān)注與計算天然氣貿(mào)易交接最終結(jié)果相關(guān)的計量設(shè)備數(shù)據(jù)。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(mào)易交接數(shù)據(jù)異常的影響因子。

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

能量流量由標(biāo)況體積發(fā)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(biāo)準(zhǔn)參比條件下的瞬時流量， m3/h或者kg/h；HS為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的氣體體積發(fā)熱量或質(zhì)量發(fā)熱量， J/m3或J/kg。

體積流量則由修正工況流量轉(zhuǎn)換而來，其計算公式如式(2)所示[19]：

(2)

式中:qn為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)參比條件下的熱力學(xué)溫度， K；Tf為工作條件下的熱力學(xué)溫度，K；Zn為標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)的次級影響因子主要分為5類：①天然氣標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)進(jìn)一步分析，可以得到各次級影響因子中可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)異常的智能診斷與定位方法存在不同[20]。

1.2.1靜態(tài)影響因子數(shù)據(jù)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(shè)備受控參數(shù)(包括基準(zhǔn)溫度、壓力、楊氏模量、溫度膨脹系數(shù)、管道內(nèi)外徑等)。在人為修改前均為靜態(tài)參數(shù)，其數(shù)據(jù)調(diào)整多為人為誤操作修改或檢定后調(diào)整，可通過式(3)直接遠(yuǎn)程判斷是否數(shù)據(jù)異常。

(3)

式中:En和Eo分別代表影響因子的當(dāng)前值和初始設(shè)置值;Th代表異常數(shù)據(jù)診斷閾值。

通過設(shè)定異常數(shù)據(jù)診斷閾值實現(xiàn)數(shù)據(jù)一致性異常的智能定位，同時利用報警功能對其進(jìn)行輔助。報警遵循我國國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行邏輯判斷[21]，可實現(xiàn)不同應(yīng)用狀態(tài)下國家標(biāo)準(zhǔn)不一致的判定，同時將其設(shè)置為最高等級報警。

1.2.2動態(tài)影響因子數(shù)據(jù)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(jié)果、氣體超聲流量計狀態(tài)、流量計算機計算結(jié)果等影響因子。這些影響因子均對應(yīng)自動獲取的工藝參數(shù)，隨儲運過程的進(jìn)行而實時變化。根據(jù)導(dǎo)致動態(tài)影響因子異常的故障因素不同，其快速定位算法也有區(qū)別。

針對實際溫度壓力采用直接讀取測量數(shù)據(jù)方式，結(jié)合現(xiàn)有的準(zhǔn)確度等級與現(xiàn)場多年的故障模式總結(jié)，溫度和壓力傳感設(shè)備主要發(fā)生斷線、板卡鎖定、虛接等故障，其異常數(shù)據(jù)多為突變或長期保持不變。通過式(4)和式(5)對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析，可定位該類動態(tài)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(shù)據(jù)突變的短周期間隔，s；ΔT為數(shù)據(jù)長期保持不變的長周期間隔,s;Th1為數(shù)據(jù)突變率閾值;Th2為數(shù)據(jù)無波動閾值(與變送器的精度等級相關(guān))。

針對色譜分析儀狀態(tài)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(shù)為準(zhǔn)動態(tài)更新，色譜分析儀報告參數(shù)與流量計算機采用數(shù)據(jù)參數(shù)可能存在差異異常，需同時存儲分析組分?jǐn)?shù)據(jù)與流量計算機采用數(shù)據(jù)，根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)建立動態(tài)列表對比判斷[22]，并進(jìn)行異常數(shù)據(jù)定位。

針對超聲流量計狀態(tài)，根據(jù)增益、信噪比、信號質(zhì)量、聲時等診斷參數(shù)，以及剖面系數(shù)、紊流系數(shù)等流態(tài)參數(shù)建立的綜合聲速參數(shù)對異常數(shù)據(jù)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(shù)，J/(kg·K)；T為氣體的熱力學(xué)溫度，K；M為氣體的摩爾質(zhì)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(zhì)的溫度、壓力及氣體組成數(shù)據(jù)可求得各計算參數(shù), 代入式(6)可求得理論聲速[23]。依據(jù)GB/T 30500—2014《氣體超聲流量計使用中檢驗聲速檢驗法》 的技術(shù)要求, 被檢超聲流量計的測量聲速應(yīng)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(yuǎn)程診斷系統(tǒng)對設(shè)備數(shù)據(jù)異常智能定位

根據(jù)以上需求建立了計量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)平臺，利用上述算法對獲取的遠(yuǎn)程計量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，作為智能定位計量設(shè)備數(shù)據(jù)異常的輔助手段[25]。

2.1 設(shè)備受控參數(shù)異常的智能定位

系統(tǒng)根據(jù)式(3)建立了參數(shù)對比功能(見表3)，某輸氣站計量101B路中出現(xiàn)了溫度賦值方式變更，該變更在約40 min之內(nèi)發(fā)生了測量值與鍵盤值翻轉(zhuǎn)，經(jīng)核實，該路流量計算機正在進(jìn)行程序檢修?？梢?，該功能有效記錄了固定參數(shù)的變化情況，計量人員可快速查看該表，以確保非固定參數(shù)變化引起了計量數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象。

表3 某輸氣站參數(shù)變化對比表參數(shù)名稱當(dāng)前值初始設(shè)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(zhǔn)溫度15 ℃20 ℃2019-10-11 15:03:11基準(zhǔn)壓力103.421 kPa101.325 kPa2019-10-11 15:03:11

報警實現(xiàn)基準(zhǔn)值根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)及實際運行狀態(tài)確定，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行了邏輯判斷?；鶞?zhǔn)溫度及壓力的基準(zhǔn)值為20 ℃與101.325 kPa，此時表3中基準(zhǔn)溫度及壓力均會出現(xiàn)相應(yīng)報警，而溫度賦值方式由于已經(jīng)修改為測量模式，因此不會出現(xiàn)實時報警，只有歷史報警。

2.2 壓力及溫度變送器狀態(tài)異常的智能定位

以壓力變送器為例(見表4)，壓力在30 s內(nèi)出現(xiàn)了-59%的變化率，絕對值大于報警閾值(50%)，此時出現(xiàn)壓力突變報警，同時查詢當(dāng)前歷史趨勢壓力變送器數(shù)值從7.8 MPa突變?yōu)?.2 MPa，與報警判斷一致，直接定位該壓力變送器出現(xiàn)了異常。事后處理該設(shè)備時，發(fā)現(xiàn)板卡已損壞，更換后異?；謴?fù)。

表4 壓力變送器狀態(tài)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(shè)置絕對值/%報警間隔周期/s實際變化率/%設(shè)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(tài)的定位與壓力變送器一致，不同點在于報警設(shè)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(tài)異常的智能定位

系統(tǒng)每日將自動生成色譜分析儀報告。如表5所列設(shè)備，在實際生產(chǎn)中每日自動進(jìn)行1次強制標(biāo)定標(biāo)氣，根據(jù)該站場的色譜分析儀設(shè)置了合理判定標(biāo)準(zhǔn)，而其余參數(shù)的判斷標(biāo)準(zhǔn)沿用。表5中甲烷最大偏差達(dá)到0.008 1%，小于允許偏差范圍(0.2%)，其余參數(shù)也滿足標(biāo)準(zhǔn)，該重復(fù)性測試合格，同時標(biāo)氣偏差合格，響應(yīng)因子有效性滿足遞增變化，該色譜分析儀狀態(tài)正常。一旦各判定標(biāo)準(zhǔn)中出現(xiàn)部分異常，則設(shè)備狀態(tài)異常。同時，設(shè)備提供的組分?jǐn)?shù)據(jù)與流量計算機采用一致，歷史趨勢中二者趨勢也可印證設(shè)備數(shù)據(jù)正常傳輸。

表5 樣氣重復(fù)性測試表摩爾分?jǐn)?shù)/%項目CH4N2CO2C2H6C3H8i-C4H10n-C4H10i-C5H12n-C5H12C+6摩爾分?jǐn)?shù)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(jié)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(tài)異常的智能定位

系統(tǒng)的聲速核查報表在生成前判定流態(tài)是否處于穩(wěn)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(jié)果，為聲速狀態(tài)判斷提供歷史存檔。同時，基于設(shè)備存在閃發(fā)異常的情況，該報表也可根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)核實，現(xiàn)場該計量回路進(jìn)氣口出現(xiàn)了短暫異常，與報表反饋數(shù)據(jù)一致。

2.5 流量計算機內(nèi)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(jiān)控流量計算機內(nèi)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(shè)備出現(xiàn)了內(nèi)部硬件報警，通過讀取實時的測量流速與其他相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)計算的標(biāo)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(yīng)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(dá)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(nèi)部算法已出現(xiàn)異常。

表6 流量計算機內(nèi)部流量核查表輸入數(shù)據(jù)計算常量流速/(m·s-1)溫度/℃壓力/MPa內(nèi)徑/m外徑/m基準(zhǔn)溫度/℃基準(zhǔn)壓力(A)/kPa楊氏模量溫度膨脹系數(shù)16.1019.367.440.193 750.25420101.325206 8430.000 001 512檢查結(jié)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(biāo)況,溫度為0 ℃、壓力為101.325 kPa。

由上所述，計量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)為設(shè)備數(shù)據(jù)異常快速定位提供了豐富的功能，在實際使用中應(yīng)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(yīng)優(yōu)先查看報警信息，再查看參數(shù)對比記錄，檢查固定參數(shù)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(tài)數(shù)據(jù)變化情況。依次遞進(jìn)，從而達(dá)到快速定位，徹底排查計量系統(tǒng)風(fēng)險的目的。

3 結(jié)論

該新型計量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)根據(jù)對天然氣能量計量過程及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的理解，分解出靜態(tài)影響因子和動態(tài)影響因子，建立了影響因子異常定位算法。針對實際系統(tǒng)的設(shè)備屬性，將終極影響因子轉(zhuǎn)換為對相關(guān)設(shè)備的受控參數(shù)、壓力/溫度變送器狀態(tài)、色譜分析儀狀態(tài)與超聲流量計狀態(tài)的監(jiān)測，并建立了相關(guān)異?？焖俣ㄎ还δ?，結(jié)合了系統(tǒng)自身及時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集、多樣化及合理的報警生成、標(biāo)準(zhǔn)及對比性的歷史趨勢特點，取得了以下優(yōu)點：①解決了設(shè)備受控參數(shù)的監(jiān)控難題；②創(chuàng)新的報警設(shè)計實現(xiàn)了壓力/溫度變送器的狀態(tài)判斷；③利用我國國家標(biāo)準(zhǔn)建立的報表可作為色譜分析儀狀態(tài)的依據(jù)；④針對性的報警、歷史趨勢及報表將氣體超聲流量計狀態(tài)呈現(xiàn)；⑤編寫算法來核查流量計算機內(nèi)部定位運算異常。該系統(tǒng)經(jīng)過多項實驗后，已證明其可對計量設(shè)備數(shù)據(jù)異常進(jìn)行智能定位。