超声流量计远程诊断技术在乌兹别克斯坦的应用

王华青 马金山 孙 强

(中亚天然气管道有限公司，北京 100086)

0 引言

中国-中亚天然气管道起于土乌边境的格达依母，经乌兹别克斯坦(简称乌国)和哈萨克斯坦(简称哈国)，从霍尔果斯口岸进入中国，于2009年12月投产通气，年输气能力达300亿立方米。

由于中国-中亚天然气管道建设标准高于中亚国家技术水平，用于过境计量的超声波流量计在过境国—乌国属于首次应用，当地计量机构没有检定超声波流量计的能力，只能运到中国或欧美国家检定，大大消耗人力、物力和财力。

针对此情况，中亚天然气管道公司计量管理人员历经2年时间，完成超声波远程诊断技术在乌国注册应用，有效的解决了这个难题。超声波远程诊断技术是国际计量管理新技术，通过定期声速核查，加强现场计量仪表监控和诊断，实现贸易计量集中监控和管理，切实提高国际贸易计量站的计量管理水平。

1 超声计量系统

乌兹别克斯坦天然气管道建设已有30多年的历史，国内管道已联网，但该国在新技术和新设备的应用方面进步较慢，目前天然气管道贸易计量广泛应用孔板流量计，中亚天然气管道在乌兹别克斯坦边境计量站配置的16台超声流量计在乌国属于首次引进，当地法定计量机构没有相应的检定能力。

16台超声流量计首次检定是送到中国国家石油天然气大流量计量站南京分站(简称：南京分站)。南京分站按照《JJG 1030—2007 超声流量计检定规程》出具了检定周期2年的校验证书[1]。

2 超声流量计远程诊断技术

2.1 超声流量计的结构

超声流量计结构[2]主要分3部分，见图1。

图1 超声流量计结构图

1)流量计表体

超声流量计的表体都是整体铸造，减少了焊缝接口，有效减少了表体热胀冷缩对计量的影响。

2)超声换能器(探头)

超声流量计的换能器结构紧凑，插入表体浅，不易受污垢的影响，寿命较长。高频率、低功耗，低电压工作，高效安全。可以在线更换，更换电缆不影响工作及精度。

3)信号处理单元

根据换能器传输的电压信号进行分析计算，算出当前流体的流速，从而获得天然气工况流量。

2.2 超声流量计声速测量原理

气体超声流量计是通过测量超声波在管道气流中传播时间得出气体流量的速度式流量计。A、B超声波探头发出的超声脉冲穿过管道如同渡船渡过河流一样，让声脉冲在管道内向上游和下游斜线方向传播，如图2所示。如果没有流动，声波将以相同速度向两个方向传播。当管道内的气体流速不为零时，沿气流方向瞬流传播的脉冲将加快速度，而逆流传播的脉冲将减慢。因此，对于有气流的情况，顺流传播的时间tD将缩短，逆流传播的时间tU会增长，分别测量它们的传播时间(这两个传播时间都由电子电路进行测量)，其传播时间差与气体的平均流速有关，时间差越大，则流速也越大，见式(1)。

图2 超声流量计声速测量原理

L=D/sinφ

(1)

从式(1)可以看出，如果超声流量计的声速测量是准确的，则可以判定流速的测量是准确的。因此，进行在线声速检验，可检查超声流量计是否处于准确运行状态。

考虑到多种因素的影响，超声流量计测量声速的不确定度约为0.17%[3]。

2.3 理论声速计算原理

声速检验是超声流量计重要的自诊断功能之一。为了保证该功能中声速计算的准确度，美国燃气协会(AGA)于2003年推出了10号报告，用于计算气体的流动速度Speed of Sound (SOS)，ISO类似的标准有ISO 20765:2005。AGA 10号报告是用于检验超声流量计的重要依据，计算的SOS不确定度约为0.1%，色谱分析仪的分析结果和压力、温度对于实现这一检验非常重要,因为SOS对于这些数据非常敏感[3-4]。

2.4 超声流量计诊断技术

超声流量计自带CUI(客户超声波界面)软件可实现智能、远程诊断。超声流量计远程诊断技术是结合计量设备自身的诊断功能，通过构建远程网络，在控制中心进行远程诊断的平台。利用诊断平台，可自动实现对超声流量计的增益、信噪比和声速等各种参数的实时监视和诊断，实现自动诊断、远程维护和计量数据存档[5]。

超声流量计远程诊断系统(简称CBM)是一套解决方案，是对超声计量系统包括压力变送器、温度变送器、色谱分析仪、超声流量计和流量计算机5项标准设备进行远程诊断的方案。

在实施中，CBM专用计算机可以通过以太网与流量计算机通讯，获得实时工况温度、压力、组分以及超声流量计的内部测量参数，并通过专用软件检验参数的正常与否来判断计量设备的工作状态乃至整个计量系统的工作状态。

另外，超声计量系统的各个设备还可以通过以太网交换机独立与CBM系统通讯，获得相关数据。

3 超声流量计远程诊断系统的设计方案

3.1 乌兹别克斯坦超声流量计远程诊断系统的构成

超声流量计远程诊断系统通过高速互联网连接。因为乌兹别克斯坦网络质量差，布哈拉调控中心与站场的通讯不稳定，WKC1站、MS站各设计了CBM子系统，如图3所示。

图3 超声流量计远程诊断系统拓扑图

系统中心站安装在布哈拉调控中心，可对计量站的16套超声计量回路进行实时监测和分析，监测设备包括超声流量计、流量计算机、色谱分析仪、温度变送器和压力变送器。现场站安装在计量站的站控室，对各自配置的8套计量回路进行实时监测和分析。

中心站人机界面 (HMI)采用全球领先自动化监控组态软件iFIX，不但可以满足当前系统应用的需要，还可以在将来需要的时候方便地扩展系统规模。

3.2 实现的主要功能

1)参数实时监测

系统实时监测WKC1站、MS站计量系统状态，通过人机界面直观的显示各计量回路当前工况流量、压力、温度和气质组分等参数。在紧急情况下，可以通过该系统提供的数据报表进行准确判断，避免因计量精度偏移造成经济损失。

2)自动诊断

系统对超声计量回路的5台标准设备包括压力变送器、温度变送器、色谱分析仪、超声流量计和流量计算机进行诊断，通过与设定的参数限值自动比较，给出正确的诊断结果。

3)自动进行声速检验

启动自动声速检验有自动或手动两种方式。自动方式启动后，系统自动完成每一个计量回路的检验，每日自动生成声速检验报告并保存；手动方式是自主选择需要的计量回路进行检验。

4)故障报警

系统中设备发生故障时，可报警提示，并显示报警详细信息，包括故障设备、故障时间、故障描述和处理建议，同时保存报警记录。

5)其他

系统还具备常规功能：报表管理、记录管理、外部访问、数据维护。

4 超声流量计远程诊断技术在乌国首次应用的认证程序

4.1 国内外应用情况

1998年国内有了第一篇论述超声流量计远程诊断技术的论文[6]，ALLIANCE管线和加拿大计量局一起率先通过6年测试，获准每6年重复标定超声流量计。2005年3月在英国贸工部召开的会议上，超声流量计远程诊断系统获得首个官方认可，同年罗马尼亚管线项目首先采用CBM解决方案。我国在2007年发布的《JJG 1030—2007 超声流量计检定规程》中明确规定“对于插入式流量计，如流量计具有自诊断功能，且能够保留报警记录，也可每6年检定一次并每年在使用现场进行使用中检验”[1]此后，我国西气东输管道、陕京管道等长输天然气管道都采用该技术定期检验超声流量计，以延长检定周期。

超声流量计远程诊断技术可方便地实现流量计使用中检验，并将维护管理任务集中于一地，提高了工作效率。此技术的应用开创了贸易计量管理的新模式。

4.2 新技术首次应用的认证程序

在乌兹别克斯坦，就流量计检定和校准而言，大口径超声流量计引进后，没有建立相应的规范、标准。

中亚天然气管道公司在推动新技术-超声流量计远程诊断技术首次应用的认证工作中，摸索出了一些经验。

认证的主要程序：

灌输新技术的国际先进性。向乌国专家讲解声速检验法和超声流量计远程诊断系统的作用，与乌国标准委员会计量服务中心沟通，使其对系统有详细的了解，认可采用该系统延长检定周期的国际先进性和现场可行性。

开展认证相关工作。依据乌国标准委员会的初步意见，与超声流量计厂家EMERSON(DANIEL)沟通开发该系统的软硬件要求，提前配置现场条件；对CBM技术实现的功能提出明确要求；明确该系统必须采用美国气体协会指定、乌国标准委员会认可的第三方声速计算软件进行声速检验。

与乌国标准委员会签订合同。协调厂家EMERSON(DANIEL)与乌国标准委员会签订CBM技术认证合同，并组织乌国标准委员会专家参加该系统的工厂测试。

评审或验收通过获得认证。乌国标准委员会对系统诊断的声速检验报告进行评审，评审通过后，以公函的形式对CBM技术给予认证，将在用的16台超声流量计检定周期延长1年，并继续按计划进行声速检验，如到期前的检验结果均合格可再延长1年。

5 结束语

超声流量计远程诊断技术在乌兹别克斯坦首次应用获得认证，不仅大大减少乌国段流量计拆装、跨国运输等送检工作量和费用，避免送检期间在用流量计无备用的运行风险，还标志着一种新的贸易计量管理模式在该国的使用。

在世界上第一条“分段分国建设和运营”管理的跨多国管道上，探索新技术在乌兹别克斯坦的认证程序，不仅为其他新技术在乌兹别克斯坦的首次应用提供经验，而且过境国哈萨克斯坦段也可以借鉴乌国经验，推动此技术在哈国的首次应用。远期，中亚天然气管道公司北京总部可以通过网页访问的方式，了解ABC线超声流量计运行状况，获得境外在用超声流量计的相关诊断数据和计量数据。

[1] JJG 1030—2007 超声流量计检定规程

[2] 王华青.气体超声流量计测量原理、标定和维护，计量技术，2006(2)

[3] 邱惠,王劲松.气体超声流量计声速法使用中检验的实践和探讨.中国油气计量技术论坛论文集,2010

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

[5] 李凯,牛树伟.超声计量系统的远程诊断[J].油气储运,2010(12)

[6] 钱成文,王惠智.国外天然气的计量与检定技术[J],油气储运,2005(6)