尹 恒,喻 勇,周志昊

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán) 川氣東送天然氣管道有限公司,湖北 武漢 430079)

引 言

超聲流量計(jì)憑借其計(jì)量準(zhǔn)確、適用范圍廣等技術(shù)優(yōu)勢(shì),已經(jīng)成為我國(guó)天然氣管道輸送計(jì)量的主流計(jì)量交接設(shè)備[1]。隨著我國(guó)天然氣用量的穩(wěn)步增加,天然氣貿(mào)易交接公平性對(duì)天然氣管道公司的計(jì)量管理水平提出了更高的要求,超聲流量計(jì)的故障診斷和遠(yuǎn)程診斷技術(shù)得到了快速發(fā)展[2-5]。

國(guó)外率先開(kāi)展基于超聲流量計(jì)的計(jì)量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的研究,2000年英國(guó)就在北海油田利用超聲波流量計(jì)自帶診斷軟件定位計(jì)量設(shè)備數(shù)據(jù),開(kāi)始發(fā)展計(jì)量遠(yuǎn)程診斷技術(shù)。國(guó)內(nèi),以中石化川氣東送天然氣管道有限公司[6]、中石油西部管道有限公司[7]等為代表的企業(yè)團(tuán)隊(duì),在借鑒吸收國(guó)外技術(shù)特征后,基于超聲流量計(jì)使用過(guò)程中的故障形式,建立了基于各通道聲速、信號(hào)接收質(zhì)量、各聲道增益、信噪比等指標(biāo)參數(shù)的計(jì)量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。

目前,國(guó)內(nèi)外的計(jì)量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)更多的是分別針對(duì)各單一參數(shù)進(jìn)行異常診斷,應(yīng)用最多的綜合診斷指標(biāo)為基于聲速核查技術(shù)的聲速比對(duì)指標(biāo)[8-9]。該指標(biāo)雖然可以綜合利用多源數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行直接診斷,但一方面聲速對(duì)比指標(biāo)包含的系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)不全,無(wú)法全面應(yīng)用遠(yuǎn)程系統(tǒng)獲取的所有參數(shù);另一方面,聲速對(duì)比指標(biāo)只能基于聲速偏差進(jìn)行診斷報(bào)警,難以就超聲計(jì)量系統(tǒng)的整體運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)估,如在聲速偏差滿足計(jì)量要求的情況下對(duì)超聲流量計(jì)進(jìn)行異常評(píng)估判斷。

本文基于川氣東送天然氣管道公司建立的計(jì)量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)[6],為全面利用遠(yuǎn)程診斷參數(shù)進(jìn)行異常綜合分析,將遠(yuǎn)程系統(tǒng)所獲取的流量計(jì)算機(jī)診斷參數(shù)分為直接診斷指標(biāo)和輔助診斷指標(biāo),建立模糊綜合診斷模型,對(duì)川氣東送管道流量計(jì)進(jìn)行異常綜合評(píng)估,提供早期預(yù)警和異常分級(jí)判斷。

1 超聲流量計(jì)數(shù)據(jù)異常綜合評(píng)估模型

天然氣管道系統(tǒng)上應(yīng)用的超聲流量計(jì)是一個(gè)智能化綜合儀表系統(tǒng)。為了提供更為準(zhǔn)確的計(jì)量數(shù)據(jù),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)獲取基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù),包括各通道傳播時(shí)間、各通道聲速、平均聲速、理論聲速、聲速偏差、最大聲速偏差、信號(hào)增益值、信號(hào)接收質(zhì)量、信噪比、各通道流速、平均流速、通道流速比、通道聲速比等,也可以獲取流態(tài)數(shù)據(jù)如剖面系數(shù)、旋渦角、流態(tài)分布對(duì)稱性指標(biāo)等[10]。為了綜合利用相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)流量計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常評(píng)估,本文對(duì)數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)篩選,并建立各指標(biāo)的指標(biāo)權(quán)重體系和模糊綜合評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),利用各指標(biāo)進(jìn)行模糊綜合評(píng)估的流程如圖1所示[11]。

圖1 超聲流量計(jì)異常綜合模糊評(píng)估流程Fig.1 Comprehensive fuzzy evaluation process of ultrasonic flowmeterabnormal

1.1 指標(biāo)篩選與分級(jí)

超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程獲取多種流量計(jì)參數(shù)指標(biāo),其中部分指標(biāo)之間相關(guān)性較高,部分指標(biāo)對(duì)超聲流量計(jì)綜合性能影響不大,通過(guò)分析超聲流量計(jì)系統(tǒng)工作原理,借鑒其主要失效形式以及失效后對(duì)超聲流量計(jì)指標(biāo)的影響[6],確立超聲流量計(jì)的三層指標(biāo)體系(含目標(biāo)層、一級(jí)指標(biāo)層和二級(jí)指標(biāo)層)(表1)。系統(tǒng)異常指標(biāo)主要分為流量計(jì)傳感指標(biāo)和流動(dòng)特性指標(biāo)兩類一級(jí)指標(biāo),每個(gè)一級(jí)指標(biāo)層都由各自的二級(jí)指標(biāo)體系構(gòu)成。其中,聲速偏差指超聲流量計(jì)測(cè)量聲速與計(jì)算聲速(根據(jù)AGA10標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算)的偏差值;各通道最大聲速比偏差指流量計(jì)各通道中聲速比偏差最大值;各通道最大信號(hào)增益值指最大的信號(hào)增益強(qiáng)度; 各通道最低信號(hào)接收質(zhì)量指最低的信號(hào)接收質(zhì)量系數(shù);各通道最低信噪比指各通道的信噪比最低值;剖面系數(shù)指的是外側(cè)通道平均測(cè)量流速與內(nèi)側(cè)通道平均測(cè)量流速的比值,反映管道壁面對(duì)流速的影響;流態(tài)分布對(duì)稱性則指管道中心線一側(cè)通道平均測(cè)量流速與另一側(cè)通道平均測(cè)量流速的比值,反映流態(tài)是否對(duì)稱。

表1 超聲流量計(jì)異常綜合評(píng)估指標(biāo)層Tab.1 Comprehensive evaluation index layers of ultrasonic flowmeter anomaly

1.2 指標(biāo)權(quán)重構(gòu)建

對(duì)于指標(biāo)權(quán)重的構(gòu)建,采用問(wèn)卷形式,通過(guò)咨詢技術(shù)專家,根據(jù)各指標(biāo)的重要性進(jìn)行兩兩比較,由1～9標(biāo)度法[12]得出相應(yīng)的比較判斷矩陣(cij)N×N,其中cij為集合內(nèi)第i個(gè)指標(biāo)與第j個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要度,N為集合內(nèi)指標(biāo)總數(shù)。通過(guò)一致性檢驗(yàn)后,則可以通過(guò)

w=(w1,w2,…,wn)T

(1)

(2)

式中:wn為第n個(gè)次級(jí)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重。

將得到的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重與對(duì)應(yīng)一級(jí)指標(biāo)權(quán)重值相乘即可得到各一級(jí)指標(biāo)下的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重向量Wm。

根據(jù)超聲流量計(jì)異常綜合評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和專家意見(jiàn)確定比較判斷矩陣,見(jiàn)表2。代入式(1)—式(2)可得到系統(tǒng)一級(jí)指標(biāo)下的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重向量

表2 比較判斷矩陣Tab.2 Comparison judgement matrix (a)一級(jí)指標(biāo)比較判斷矩陣

(b)B1指標(biāo)下的二級(jí)指標(biāo)比較判斷矩陣

(c)B2指標(biāo)下的二級(jí)指標(biāo)比較判斷矩陣

W1=[0.384 6,0.196 1,0.025 0,0.096 8,0.047 6]

W2=[0.125 0,0.125 0]

1.3 模糊評(píng)判矩陣構(gòu)建

令評(píng)語(yǔ)集為V={V1,V2,V3}對(duì)應(yīng)如下矩陣V={正常,預(yù)警,報(bào)警},按照百分制相應(yīng)的分?jǐn)?shù)為V={0,50,90}。通過(guò)比對(duì)參數(shù)診斷標(biāo)準(zhǔn)(表3)[9],可以得出各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù),見(jiàn)表4。將每個(gè)二級(jí)指標(biāo)的參數(shù)值代入隸屬度函數(shù)式,即可得到指標(biāo)的隸屬度矩陣[14]

表3 指標(biāo)參數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Evaluation standard of indexes

表4 指標(biāo)的隸屬度函數(shù)Tab.4 Membership function of indexes

(3)

(4)

根據(jù)式(4),兩個(gè)一級(jí)指標(biāo)下的二級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的隸屬度矩陣R1、R2分別與權(quán)重向量W1、W2相乘,可得到兩個(gè)一級(jí)指標(biāo)的模糊評(píng)判矩陣B1、B2。

最終目標(biāo)層模糊評(píng)判矩陣

(5)

結(jié)合基本指標(biāo)的評(píng)語(yǔ)集分?jǐn)?shù),可計(jì)算目標(biāo)層模糊綜合評(píng)分P,即

(6)

式中:ai為目標(biāo)層模糊評(píng)判矩陣A中的元素;vi為各評(píng)語(yǔ)對(duì)應(yīng)的分值。

根據(jù)式(6)得到總體目標(biāo)的異常綜合評(píng)估分值,各分值區(qū)間對(duì)應(yīng)的超聲流量計(jì)工作狀態(tài)見(jiàn)表5。

表5 異常綜合評(píng)分與超聲流量計(jì)工作狀態(tài)分級(jí)對(duì)應(yīng)表Tab.5 Corresponding table of comprehensive evaluation score and working state of ultrasonic flowmeter anomaly

2 基于遠(yuǎn)程診斷數(shù)據(jù)的超聲流量計(jì)異常數(shù)據(jù)評(píng)估應(yīng)用

為了獲取綜合評(píng)估方法對(duì)超聲流量計(jì)異常數(shù)據(jù)評(píng)估的效果,選取了實(shí)際使用過(guò)程中的6組超聲流量計(jì)參數(shù),對(duì)該6組參數(shù)進(jìn)行了綜合評(píng)估。該6組超聲流量計(jì)參數(shù)組成3組未報(bào)警,3組觸發(fā)傳統(tǒng)遠(yuǎn)程診斷聲道報(bào)警,流量計(jì)參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 超聲流量計(jì)參數(shù)Tab.6 Parameter list of ultrasonic flowmeter

將表6所示的超聲流量計(jì)參數(shù)代入表5和式(4)—式(6),計(jì)算得到各組超聲流量計(jì)的異常綜合評(píng)估分值,見(jiàn)表7。

表7 各組超聲流量計(jì)異常綜合評(píng)估分值Tab.7 Comprehensive anomaly evaluation scores of ultrasonic flowmeters

傳統(tǒng)遠(yuǎn)程診斷方法雖然可以診斷第1～3組超聲流量計(jì)的工作狀態(tài)屬于正常,第4～6組超聲流量計(jì)屬于報(bào)警狀態(tài),但表7所示的異常綜合評(píng)估值卻表明即使同屬于正常狀態(tài)的第1～3 組超聲流量計(jì)在評(píng)分等級(jí)上仍有較大差異,4～6組處于報(bào)警狀態(tài)的超聲流量計(jì)也存在不一樣的評(píng)分估計(jì)。因此,異常綜合評(píng)估可以在各個(gè)狀態(tài)之內(nèi)對(duì)超聲流量計(jì)的性能狀態(tài)做出更精細(xì)的分值估計(jì),給出預(yù)警狀態(tài)區(qū)間,在流量計(jì)狀態(tài)進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)前進(jìn)行提前評(píng)估,給予計(jì)劃性維修的可能。另一方面,如果遠(yuǎn)程接入超聲流量計(jì)指標(biāo)體系的動(dòng)態(tài)參數(shù)值,也可以借助異常綜合評(píng)估方法對(duì)超聲流量計(jì)性能狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)分,根據(jù)綜合評(píng)分值隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化,對(duì)超聲流量計(jì)的性能狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控,在其實(shí)際發(fā)生故障報(bào)警前進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警,并采用相應(yīng)手段對(duì)流量計(jì)進(jìn)行計(jì)劃性調(diào)整,進(jìn)一步提升天然氣計(jì)量的準(zhǔn)確性。

為了在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中進(jìn)一步對(duì)比異常綜合診斷方法與傳統(tǒng)聲速偏差核查診斷方法的差異,導(dǎo)入某超聲流量計(jì)從3月1日至5月30日的遠(yuǎn)程診斷數(shù)據(jù),通過(guò)異常綜合評(píng)估算法計(jì)算每日的異常綜合評(píng)分,得到異常綜合評(píng)分及聲速偏差隨時(shí)間變化的規(guī)律,如圖2所示。從圖2可知,依據(jù)傳統(tǒng)聲速核查方法規(guī)定的聲速偏差報(bào)警閾值0.2%,診斷系統(tǒng)需要到5月15日才能夠做出診斷報(bào)警,即使增加聲速偏差接近0.2%的預(yù)警診斷標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)也需要5月9日才能做出預(yù)警診斷,5月9日以前聲速偏差一直處于平穩(wěn)狀態(tài)。而異常綜合評(píng)分方法的結(jié)果則表明,3月31日開(kāi)始,系統(tǒng)的異常綜合評(píng)分就開(kāi)始出現(xiàn)較大的波動(dòng),4月17日異常綜合評(píng)分達(dá)到需要預(yù)警的30分,并持續(xù)在30分左右波動(dòng);當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至5月9日,異常綜合評(píng)分突變?yōu)?0分以上的報(bào)警級(jí)別。綜上所述,相比于傳統(tǒng)聲速核查診斷方法,異常綜合評(píng)估由于綜合考慮了多種指標(biāo)因素,可以增加預(yù)警階段,在流量計(jì)系統(tǒng)性能退化開(kāi)始時(shí)即予以預(yù)警提醒;同時(shí),當(dāng)流量計(jì)系統(tǒng)發(fā)生臨界故障時(shí),異常綜合評(píng)估方法也可以更快確認(rèn)報(bào)警診斷,在聲速偏差接近0.2%的傳統(tǒng)報(bào)警閾值區(qū)間綜合其他指標(biāo)特性的劣化數(shù)據(jù),提前進(jìn)行診斷報(bào)警。

圖2 某超聲流量計(jì)異常綜合評(píng)分及聲速偏差隨時(shí)間變化曲線Fig.2 Comprehensive anomaly evaluation score and sound velocity deviation varying curves of some ultrasonic flowmeter with time

3 結(jié) 論

(1)利用異常綜合評(píng)估分值可以估計(jì)超聲流量計(jì)的精細(xì)化性能狀態(tài),有效地區(qū)分處于報(bào)警和正常狀態(tài)下的流量計(jì)算機(jī)的不同性能等級(jí),可以更有針對(duì)性地關(guān)注報(bào)警狀態(tài)下的超聲流量計(jì),并對(duì)正常狀態(tài)下的超聲流量計(jì)進(jìn)行分級(jí)預(yù)警。

(2)可以動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷參數(shù),根據(jù)其動(dòng)態(tài)綜合分值變化情況,對(duì)超聲流量計(jì)的性能狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估,為超聲流量計(jì)的早期故障預(yù)警和計(jì)劃性維修提供指導(dǎo)意見(jiàn)。