王華青 馬金山 孫 強

(中亞天然氣管道有限公司，北京 100086)

0 引言

中國-中亞天然氣管道起于土烏邊境的格達依母，經(jīng)烏茲別克斯坦(簡稱烏國)和哈薩克斯坦(簡稱哈國)，從霍爾果斯口岸進入中國，于2009年12月投產(chǎn)通氣，年輸氣能力達300億立方米。

由于中國-中亞天然氣管道建設(shè)標準高于中亞國家技術(shù)水平，用于過境計量的超聲波流量計在過境國—烏國屬于首次應(yīng)用，當?shù)赜嬃繖C構(gòu)沒有檢定超聲波流量計的能力，只能運到中國或歐美國家檢定，大大消耗人力、物力和財力。

針對此情況，中亞天然氣管道公司計量管理人員歷經(jīng)2年時間，完成超聲波遠程診斷技術(shù)在烏國注冊應(yīng)用，有效的解決了這個難題。超聲波遠程診斷技術(shù)是國際計量管理新技術(shù)，通過定期聲速核查，加強現(xiàn)場計量儀表監(jiān)控和診斷，實現(xiàn)貿(mào)易計量集中監(jiān)控和管理，切實提高國際貿(mào)易計量站的計量管理水平。

1 超聲計量系統(tǒng)

烏茲別克斯坦天然氣管道建設(shè)已有30多年的歷史，國內(nèi)管道已聯(lián)網(wǎng)，但該國在新技術(shù)和新設(shè)備的應(yīng)用方面進步較慢，目前天然氣管道貿(mào)易計量廣泛應(yīng)用孔板流量計，中亞天然氣管道在烏茲別克斯坦邊境計量站配置的16臺超聲流量計在烏國屬于首次引進，當?shù)胤ǘㄓ嬃繖C構(gòu)沒有相應(yīng)的檢定能力。

16臺超聲流量計首次檢定是送到中國國家石油天然氣大流量計量站南京分站(簡稱：南京分站)。南京分站按照《JJG 1030—2007 超聲流量計檢定規(guī)程》出具了檢定周期2年的校驗證書[1]。

2 超聲流量計遠程診斷技術(shù)

2.1 超聲流量計的結(jié)構(gòu)

超聲流量計結(jié)構(gòu)[2]主要分3部分，見圖1。

圖1 超聲流量計結(jié)構(gòu)圖

1)流量計表體

超聲流量計的表體都是整體鑄造，減少了焊縫接口，有效減少了表體熱脹冷縮對計量的影響。

2)超聲換能器(探頭)

超聲流量計的換能器結(jié)構(gòu)緊湊，插入表體淺，不易受污垢的影響，壽命較長。高頻率、低功耗，低電壓工作，高效安全?？梢栽诰€更換，更換電纜不影響工作及精度。

3)信號處理單元

根據(jù)換能器傳輸?shù)碾妷盒盘栠M行分析計算，算出當前流體的流速，從而獲得天然氣工況流量。

2.2 超聲流量計聲速測量原理

氣體超聲流量計是通過測量超聲波在管道氣流中傳播時間得出氣體流量的速度式流量計。A、B超聲波探頭發(fā)出的超聲脈沖穿過管道如同渡船渡過河流一樣，讓聲脈沖在管道內(nèi)向上游和下游斜線方向傳播，如圖2所示。如果沒有流動，聲波將以相同速度向兩個方向傳播。當管道內(nèi)的氣體流速不為零時，沿氣流方向瞬流傳播的脈沖將加快速度，而逆流傳播的脈沖將減慢。因此，對于有氣流的情況，順流傳播的時間tD將縮短，逆流傳播的時間tU會增長，分別測量它們的傳播時間(這兩個傳播時間都由電子電路進行測量)，其傳播時間差與氣體的平均流速有關(guān)，時間差越大，則流速也越大，見式(1)。

圖2 超聲流量計聲速測量原理

L=D/sinφ

(1)

從式(1)可以看出，如果超聲流量計的聲速測量是準確的，則可以判定流速的測量是準確的。因此，進行在線聲速檢驗，可檢查超聲流量計是否處于準確運行狀態(tài)。

考慮到多種因素的影響，超聲流量計測量聲速的不確定度約為0.17%[3]。

2.3 理論聲速計算原理

聲速檢驗是超聲流量計重要的自診斷功能之一。為了保證該功能中聲速計算的準確度，美國燃氣協(xié)會(AGA)于2003年推出了10號報告，用于計算氣體的流動速度Speed of Sound (SOS)，ISO類似的標準有ISO 20765:2005。AGA 10號報告是用于檢驗超聲流量計的重要依據(jù)，計算的SOS不確定度約為0.1%，色譜分析儀的分析結(jié)果和壓力、溫度對于實現(xiàn)這一檢驗非常重要,因為SOS對于這些數(shù)據(jù)非常敏感[3-4]。

2.4 超聲流量計診斷技術(shù)

超聲流量計自帶CUI(客戶超聲波界面)軟件可實現(xiàn)智能、遠程診斷。超聲流量計遠程診斷技術(shù)是結(jié)合計量設(shè)備自身的診斷功能，通過構(gòu)建遠程網(wǎng)絡(luò)，在控制中心進行遠程診斷的平臺。利用診斷平臺，可自動實現(xiàn)對超聲流量計的增益、信噪比和聲速等各種參數(shù)的實時監(jiān)視和診斷，實現(xiàn)自動診斷、遠程維護和計量數(shù)據(jù)存檔[5]。

超聲流量計遠程診斷系統(tǒng)(簡稱CBM)是一套解決方案，是對超聲計量系統(tǒng)包括壓力變送器、溫度變送器、色譜分析儀、超聲流量計和流量計算機5項標準設(shè)備進行遠程診斷的方案。

在實施中，CBM專用計算機可以通過以太網(wǎng)與流量計算機通訊，獲得實時工況溫度、壓力、組分以及超聲流量計的內(nèi)部測量參數(shù)，并通過專用軟件檢驗參數(shù)的正常與否來判斷計量設(shè)備的工作狀態(tài)乃至整個計量系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

另外，超聲計量系統(tǒng)的各個設(shè)備還可以通過以太網(wǎng)交換機獨立與CBM系統(tǒng)通訊，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 超聲流量計遠程診斷系統(tǒng)的設(shè)計方案

3.1 烏茲別克斯坦超聲流量計遠程診斷系統(tǒng)的構(gòu)成

超聲流量計遠程診斷系統(tǒng)通過高速互聯(lián)網(wǎng)連接。因為烏茲別克斯坦網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量差，布哈拉調(diào)控中心與站場的通訊不穩(wěn)定，WKC1站、MS站各設(shè)計了CBM子系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 超聲流量計遠程診斷系統(tǒng)拓撲圖

系統(tǒng)中心站安裝在布哈拉調(diào)控中心，可對計量站的16套超聲計量回路進行實時監(jiān)測和分析，監(jiān)測設(shè)備包括超聲流量計、流量計算機、色譜分析儀、溫度變送器和壓力變送器?，F(xiàn)場站安裝在計量站的站控室，對各自配置的8套計量回路進行實時監(jiān)測和分析。

中心站人機界面 (HMI)采用全球領(lǐng)先自動化監(jiān)控組態(tài)軟件iFIX，不但可以滿足當前系統(tǒng)應(yīng)用的需要，還可以在將來需要的時候方便地擴展系統(tǒng)規(guī)模。

3.2 實現(xiàn)的主要功能

1)參數(shù)實時監(jiān)測

系統(tǒng)實時監(jiān)測WKC1站、MS站計量系統(tǒng)狀態(tài)，通過人機界面直觀的顯示各計量回路當前工況流量、壓力、溫度和氣質(zhì)組分等參數(shù)。在緊急情況下，可以通過該系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)報表進行準確判斷，避免因計量精度偏移造成經(jīng)濟損失。

2)自動診斷

系統(tǒng)對超聲計量回路的5臺標準設(shè)備包括壓力變送器、溫度變送器、色譜分析儀、超聲流量計和流量計算機進行診斷，通過與設(shè)定的參數(shù)限值自動比較，給出正確的診斷結(jié)果。

3)自動進行聲速檢驗

啟動自動聲速檢驗有自動或手動兩種方式。自動方式啟動后，系統(tǒng)自動完成每一個計量回路的檢驗，每日自動生成聲速檢驗報告并保存；手動方式是自主選擇需要的計量回路進行檢驗。

4)故障報警

系統(tǒng)中設(shè)備發(fā)生故障時，可報警提示，并顯示報警詳細信息，包括故障設(shè)備、故障時間、故障描述和處理建議，同時保存報警記錄。

5)其他

系統(tǒng)還具備常規(guī)功能：報表管理、記錄管理、外部訪問、數(shù)據(jù)維護。

4 超聲流量計遠程診斷技術(shù)在烏國首次應(yīng)用的認證程序

4.1 國內(nèi)外應(yīng)用情況

1998年國內(nèi)有了第一篇論述超聲流量計遠程診斷技術(shù)的論文[6]，ALLIANCE管線和加拿大計量局一起率先通過6年測試，獲準每6年重復(fù)標定超聲流量計。2005年3月在英國貿(mào)工部召開的會議上，超聲流量計遠程診斷系統(tǒng)獲得首個官方認可，同年羅馬尼亞管線項目首先采用CBM解決方案。我國在2007年發(fā)布的《JJG 1030—2007 超聲流量計檢定規(guī)程》中明確規(guī)定“對于插入式流量計，如流量計具有自診斷功能，且能夠保留報警記錄，也可每6年檢定一次并每年在使用現(xiàn)場進行使用中檢驗”[1]此后，我國西氣東輸管道、陜京管道等長輸天然氣管道都采用該技術(shù)定期檢驗超聲流量計，以延長檢定周期。

超聲流量計遠程診斷技術(shù)可方便地實現(xiàn)流量計使用中檢驗，并將維護管理任務(wù)集中于一地，提高了工作效率。此技術(shù)的應(yīng)用開創(chuàng)了貿(mào)易計量管理的新模式。

4.2 新技術(shù)首次應(yīng)用的認證程序

在烏茲別克斯坦，就流量計檢定和校準而言，大口徑超聲流量計引進后，沒有建立相應(yīng)的規(guī)范、標準。

中亞天然氣管道公司在推動新技術(shù)-超聲流量計遠程診斷技術(shù)首次應(yīng)用的認證工作中，摸索出了一些經(jīng)驗。

認證的主要程序：

灌輸新技術(shù)的國際先進性。向烏國專家講解聲速檢驗法和超聲流量計遠程診斷系統(tǒng)的作用，與烏國標準委員會計量服務(wù)中心溝通，使其對系統(tǒng)有詳細的了解，認可采用該系統(tǒng)延長檢定周期的國際先進性和現(xiàn)場可行性。

開展認證相關(guān)工作。依據(jù)烏國標準委員會的初步意見，與超聲流量計廠家EMERSON(DANIEL)溝通開發(fā)該系統(tǒng)的軟硬件要求，提前配置現(xiàn)場條件；對CBM技術(shù)實現(xiàn)的功能提出明確要求；明確該系統(tǒng)必須采用美國氣體協(xié)會指定、烏國標準委員會認可的第三方聲速計算軟件進行聲速檢驗。

與烏國標準委員會簽訂合同。協(xié)調(diào)廠家EMERSON(DANIEL)與烏國標準委員會簽訂CBM技術(shù)認證合同，并組織烏國標準委員會專家參加該系統(tǒng)的工廠測試。

評審或驗收通過獲得認證。烏國標準委員會對系統(tǒng)診斷的聲速檢驗報告進行評審，評審?fù)ㄟ^后，以公函的形式對CBM技術(shù)給予認證，將在用的16臺超聲流量計檢定周期延長1年，并繼續(xù)按計劃進行聲速檢驗，如到期前的檢驗結(jié)果均合格可再延長1年。

5 結(jié)束語

超聲流量計遠程診斷技術(shù)在烏茲別克斯坦首次應(yīng)用獲得認證，不僅大大減少烏國段流量計拆裝、跨國運輸?shù)人蜋z工作量和費用，避免送檢期間在用流量計無備用的運行風險，還標志著一種新的貿(mào)易計量管理模式在該國的使用。

在世界上第一條“分段分國建設(shè)和運營”管理的跨多國管道上，探索新技術(shù)在烏茲別克斯坦的認證程序，不僅為其他新技術(shù)在烏茲別克斯坦的首次應(yīng)用提供經(jīng)驗，而且過境國哈薩克斯坦段也可以借鑒烏國經(jīng)驗，推動此技術(shù)在哈國的首次應(yīng)用。遠期，中亞天然氣管道公司北京總部可以通過網(wǎng)頁訪問的方式，了解ABC線超聲流量計運行狀況，獲得境外在用超聲流量計的相關(guān)診斷數(shù)據(jù)和計量數(shù)據(jù)。

[1] JJG 1030—2007 超聲流量計檢定規(guī)程

[2] 王華青.氣體超聲流量計測量原理、標定和維護，計量技術(shù)，2006(2)

[3] 邱惠,王勁松.氣體超聲流量計聲速法使用中檢驗的實踐和探討.中國油氣計量技術(shù)論壇論文集,2010

[4] AGA Transmimion Measurement Commiuttee Report No.10，Speed of Sound in Natural Gas and Other Related Hydrocarbon Gases,2003

[5] 李凱,牛樹偉.超聲計量系統(tǒng)的遠程診斷[J].油氣儲運,2010(12)

[6] 錢成文,王惠智.國外天然氣的計量與檢定技術(shù)[J],油氣儲運,2005(6)