陳飛

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)川氣東送天然氣管道有限公司

天然氣長(zhǎng)輸管道上計(jì)量站在天然氣貿(mào)易交接時(shí)既承擔(dān)上游天然氣購(gòu)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(zhǎng)輸管道管線長(zhǎng)、計(jì)量場(chǎng)站多且分布面廣、計(jì)量設(shè)備數(shù)量多，導(dǎo)致計(jì)量設(shè)備管理及輸差控制難度較大，若不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)計(jì)量設(shè)備問(wèn)題，則會(huì)導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)確，造成經(jīng)濟(jì)損失。

為及時(shí)發(fā)現(xiàn)計(jì)量系統(tǒng)的故障，需建立相關(guān)的遠(yuǎn)程計(jì)量診斷系統(tǒng)。早在2000年，英國(guó)北海油田已開(kāi)始對(duì)計(jì)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(jì)自帶的診斷軟件定位計(jì)量設(shè)備數(shù)據(jù)異常。此后，羅馬尼亞管道經(jīng)過(guò)多項(xiàng)驗(yàn)證后提出了計(jì)量遠(yuǎn)程診斷技術(shù)為主的解決方案并進(jìn)行推廣實(shí)施[1]。目前國(guó)內(nèi)多采用國(guó)外技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)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(jì)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷[2]。中國(guó)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(duì)各自管網(wǎng)的計(jì)量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)量設(shè)備的遠(yuǎn)程診斷[3-5]。

但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外已部署的計(jì)量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)還存在以下問(wèn)題：數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)性、安全性不足[6]；計(jì)量設(shè)備兼容性存在局限，系統(tǒng)兼容計(jì)量設(shè)備主要集中單一品牌的氣體超聲流量計(jì)及流量計(jì)算機(jī)等；超聲流量計(jì)及配套流量計(jì)算機(jī)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(dòng)識(shí)別，對(duì)數(shù)據(jù)異常的監(jiān)控多依賴于技術(shù)人員人工定位；報(bào)警功能存在局限性[9]；報(bào)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(duì)這些問(wèn)題開(kāi)發(fā)了一種新型計(jì)量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視、智能診斷定位、智能報(bào)警及分析、歷史數(shù)據(jù)追溯、趨勢(shì)分析、計(jì)量回路核查、聲速核查、流量核查、計(jì)量設(shè)備管理、報(bào)表報(bào)告管理等功能，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)異常的快速定位，最終對(duì)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量系統(tǒng)管理做出及時(shí)、準(zhǔn)確的指導(dǎo)，以保證計(jì)量的準(zhǔn)確性。

1 新型計(jì)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(shí)別

由于貿(mào)易交接數(shù)據(jù)是多項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型得出的計(jì)算值，所以需重點(diǎn)關(guān)注與計(jì)算天然氣貿(mào)易交接最終結(jié)果相關(guān)的計(jì)量設(shè)備數(shù)據(jù)。鑒于我國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管線已廣泛使用氣體超聲流量計(jì)，本研究以氣體超聲流量計(jì)為例識(shí)別貿(mào)易交接數(shù)據(jù)異常的影響因子。

新型計(jì)量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)采用能量計(jì)量數(shù)據(jù)定位異常[12-15]，如式(1)所示。能量計(jì)量數(shù)據(jù)與天然氣發(fā)熱量和瞬時(shí)流量均相關(guān)，其中瞬時(shí)流量可由式(2)所示的標(biāo)況體積計(jì)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(jì)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(shí)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(lái)，其計(jì)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(shí)體積流量， m3/h；qf為工作條件下的瞬時(shí)體積流量，m3/h；pn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的絕對(duì)靜壓力，MPa；pf為工作條件下的絕對(duì)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(jì)量異常數(shù)據(jù)的次級(jí)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(shí)際溫度； ③壓力，即實(shí)際壓力； ④壓縮因子； ⑤氣體超聲流量計(jì)工況體積流量。經(jīng)進(jìn)一步分析，可以得到各次級(jí)影響因子中可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的終極影響因子分布，三級(jí)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(guò)對(duì)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(shí)際溫度、壓力、在用組分、氣體超聲流量計(jì)的使用賦值方式、流量計(jì)算機(jī)及氣體超聲流量計(jì)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(guò)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(guò)設(shè)定異常數(shù)據(jù)診斷閾值實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一致性異常的智能定位，同時(shí)利用報(bào)警功能對(duì)其進(jìn)行輔助。報(bào)警遵循我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行邏輯判斷[21]，可實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用狀態(tài)下國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不一致的判定，同時(shí)將其設(shè)置為最高等級(jí)報(bào)警。

1.2.2動(dòng)態(tài)影響因子數(shù)據(jù)異常診斷算法

包括測(cè)量模式下的實(shí)際溫度、壓力、色譜分析儀分析結(jié)果、氣體超聲流量計(jì)狀態(tài)、流量計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果等影響因子。這些影響因子均對(duì)應(yīng)自動(dòng)獲取的工藝參數(shù)，隨儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程的進(jìn)行而實(shí)時(shí)變化。根據(jù)導(dǎo)致動(dòng)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(duì)實(shí)際溫度壓力采用直接讀取測(cè)量數(shù)據(jù)方式，結(jié)合現(xiàn)有的準(zhǔn)確度等級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)期保持不變。通過(guò)式(4)和式(5)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，可定位該類動(dòng)態(tài)因子異常。

(4)

(5)

式中:pt1、pt2、pT1、pT2分別為不同時(shí)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(zhǎng)期保持不變的長(zhǎng)周期間隔,s;Th1為數(shù)據(jù)突變率閾值;Th2為數(shù)據(jù)無(wú)波動(dòng)閾值(與變送器的精度等級(jí)相關(guān))。

針對(duì)色譜分析儀狀態(tài)因子，考慮到天然氣的色譜組分分析時(shí)間間隔較長(zhǎng)，該影響因子參數(shù)為準(zhǔn)動(dòng)態(tài)更新，色譜分析儀報(bào)告參數(shù)與流量計(jì)算機(jī)采用數(shù)據(jù)參數(shù)可能存在差異異常，需同時(shí)存儲(chǔ)分析組分?jǐn)?shù)據(jù)與流量計(jì)算機(jī)采用數(shù)據(jù)，根據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建立動(dòng)態(tài)列表對(duì)比判斷[22]，并進(jìn)行異常數(shù)據(jù)定位。

針對(duì)超聲流量計(jì)狀態(tài)，根據(jù)增益、信噪比、信號(hào)質(zhì)量、聲時(shí)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(duì)異常數(shù)據(jù)判斷[23-24]，由式(6)計(jì)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(guò)測(cè)量介質(zhì)的溫度、壓力及氣體組成數(shù)據(jù)可求得各計(jì)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(jì)使用中檢驗(yàn)聲速檢驗(yàn)法》 的技術(shù)要求, 被檢超聲流量計(jì)的測(cè)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(cè)量最大聲速差為αmax=0.5 m/s。

2 新型計(jì)量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)異常智能定位

根據(jù)以上需求建立了計(jì)量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)平臺(tái)，利用上述算法對(duì)獲取的遠(yuǎn)程計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，作為智能定位計(jì)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(duì)比功能(見(jiàn)表3)，某輸氣站計(jì)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(cè)量值與鍵盤值翻轉(zhuǎn)，經(jīng)核實(shí)，該路流量計(jì)算機(jī)正在進(jìn)行程序檢修?？梢?jiàn)，該功能有效記錄了固定參數(shù)的變化情況，計(jì)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(jì)量數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象。

表3 某輸氣站參數(shù)變化對(duì)比表參數(shù)名稱當(dāng)前值初始設(shè)置值變更時(shí)間溫度賦值方式測(cè)量值鍵盤值2019-10-11 15:47:52溫度賦值方式鍵盤值測(cè)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(bào)警實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)值根據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)確定，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行了邏輯判斷。基準(zhǔn)溫度及壓力的基準(zhǔn)值為20 ℃與101.325 kPa，此時(shí)表3中基準(zhǔn)溫度及壓力均會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)報(bào)警，而溫度賦值方式由于已經(jīng)修改為測(cè)量模式，因此不會(huì)出現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警，只有歷史報(bào)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(jiàn)表4)，壓力在30 s內(nèi)出現(xiàn)了-59%的變化率，絕對(duì)值大于報(bào)警閾值(50%)，此時(shí)出現(xiàn)壓力突變報(bào)警，同時(shí)查詢當(dāng)前歷史趨勢(shì)壓力變送器數(shù)值從7.8 MPa突變?yōu)?.2 MPa，與報(bào)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(shí)，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(bào)警表實(shí)際壓力突變實(shí)際壓力長(zhǎng)期保持不變間隔周期/s實(shí)際變化率/%設(shè)置絕對(duì)值/%報(bào)警間隔周期/s實(shí)際變化率/%設(shè)置絕對(duì)值/%報(bào)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(diǎn)在于報(bào)警設(shè)置中考慮了溫度變化的惰性采用不同的報(bào)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(dòng)生成色譜分析儀報(bào)告。如表5所列設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)中每日自動(dòng)進(jìn)行1次強(qiáng)制標(biāo)定標(biāo)氣，根據(jù)該站場(chǎng)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(cè)試合格，同時(shí)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(shí)，設(shè)備提供的組分?jǐn)?shù)據(jù)與流量計(jì)算機(jī)采用一致，歷史趨勢(shì)中二者趨勢(shì)也可印證設(shè)備數(shù)據(jù)正常傳輸。

表5 樣氣重復(fù)性測(cè)試表摩爾分?jǐn)?shù)/%項(xiàng)目CH4N2CO2C2H6C3H8i-C4H10n-C4H10i-C5H12n-C5H12C+6摩爾分?jǐn)?shù)合計(jì)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(cè)試結(jié)果通過(guò)通過(guò)通過(guò)通過(guò)通過(guò)通過(guò)通過(guò)通過(guò)通過(guò)通過(guò)通過(guò) 注:N/A為忽略不計(jì)。

2.4 氣體超聲流量計(jì)狀態(tài)異常的智能定位

系統(tǒng)的聲速核查報(bào)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(bào)告生成。該報(bào)表每日自動(dòng)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(shí)，基于設(shè)備存在閃發(fā)異常的情況，該報(bào)表也可根據(jù)需要手動(dòng)生成。例如，某站場(chǎng)計(jì)量回路某日自動(dòng)報(bào)表測(cè)量聲速為450.07 m/s，計(jì)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(wú)異常。但該日上午11時(shí)左右，手動(dòng)生成報(bào)表的測(cè)量聲速為450.32 m/s，計(jì)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(shí)，現(xiàn)場(chǎng)該計(jì)量回路進(jìn)氣口出現(xiàn)了短暫異常，與報(bào)表反饋數(shù)據(jù)一致。

2.5 流量計(jì)算機(jī)內(nèi)部算法異常的智能定位

流量計(jì)算機(jī)的流量核查報(bào)告每日自動(dòng)生成，實(shí)時(shí)監(jiān)控流量計(jì)算機(jī)內(nèi)部算法運(yùn)行故障。表6所列為某輸氣站流量核查報(bào)表，所核查的設(shè)備出現(xiàn)了內(nèi)部硬件報(bào)警，通過(guò)讀取實(shí)時(shí)的測(cè)量流速與其他相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)計(jì)算的標(biāo)況流量為143 826.75 m3/h(溫度為0 ℃、壓力為101.325 kPa時(shí))、能量流量為5 259.47 GJ/h，而流量計(jì)算機(jī)相應(yīng)值為144 065.63 m3/h(溫度為0 ℃、壓力為101.325 kPa時(shí))、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(jì)算機(jī)內(nèi)部算法已出現(xiàn)異常。

表6 流量計(jì)算機(jī)內(nèi)部流量核查表輸入數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)算流量流量偏差/%顯示流量計(jì)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(jì)量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)為設(shè)備數(shù)據(jù)異?？焖俣ㄎ惶峁┝素S富的功能，在實(shí)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(shí)，若有報(bào)警，應(yīng)優(yōu)先查看報(bào)警信息，再查看參數(shù)對(duì)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(bào)告、聲速核查報(bào)告及流量核查報(bào)告，最后再通過(guò)歷史趨勢(shì)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(jì)量系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的目的。

3 結(jié)論

該新型計(jì)量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)根據(jù)對(duì)天然氣能量計(jì)量過(guò)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(dòng)態(tài)影響因子，建立了影響因子異常定位算法。針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)備屬性，將終極影響因子轉(zhuǎn)換為對(duì)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(jì)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，并建立了相關(guān)異?？焖俣ㄎ还δ?，結(jié)合了系統(tǒng)自身及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集、多樣化及合理的報(bào)警生成、標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)比性的歷史趨勢(shì)特點(diǎn)，取得了以下優(yōu)點(diǎn)：①解決了設(shè)備受控參數(shù)的監(jiān)控難題；②創(chuàng)新的報(bào)警設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了壓力/溫度變送器的狀態(tài)判斷；③利用我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建立的報(bào)表可作為色譜分析儀狀態(tài)的依據(jù)；④針對(duì)性的報(bào)警、歷史趨勢(shì)及報(bào)表將氣體超聲流量計(jì)狀態(tài)呈現(xiàn)；⑤編寫算法來(lái)核查流量計(jì)算機(jī)內(nèi)部定位運(yùn)算異常。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)后，已證明其可對(duì)計(jì)量設(shè)備數(shù)據(jù)異常進(jìn)行智能定位。