浅谈超声波流量计在榆济天然气管道上的应用

张伟峰 李强 李刚

摘要：较为系统地讲述了超声波流量计的优势、工作原理及多通道数据计算方法。从榆济管道实际应用出发，介绍超声波流量计接入SCADA系统，实现计量数据远程传输、处理及自动化控制的远程数据网络实现途径。讨论发展超声波流量计远程诊断技术相较于现场诊断的优势，阐述远程诊断的五项核心参数指标，并结合榆济线实际情况介绍远程诊断的必要性、实现方式及建设现状。借此探讨在新技术、新形势下超声波流量计管理方法的发展方向。

关键词：超声波流量计;远程诊断;计量：榆济管道

榆济输气管道是中石化继川气东送管道之后北方地区首条大管径、高压力天然气长输管道，管网里程达1546.85公里，共设22座场站。投运10年来，累计输气逾405亿立方米，为陕西、山西、河南、河北、山东等5省10市提供清洁能源，沿线千余家企业、近2亿居民从中受益。2019年9月16日，鄂安沧输气管道一期工程建成投产，线路全长673.682km，进一步拓展了沿线省市地区的输气能力。

与国内外许多新建长输天然气管道一样，榆济管道大范围采用了超声波流量计作为贸易交接计量器具。相比于孔板、涡轮等传统天然气用流量计，超声流量计具有计量精度高、量程大、结构简单、耐污性好、维护成本低等优点，尤其适用于大口径高压输气管道的计量，近年来发展迅速[1]。

1 超声波流量计原理简述

以常见的时差式超声波流量计为例，同通道的两个换能器分别安装在管道上下游，可发射和接收超声波信号。超声波信号在两个换能器间传播时受气体流速影响，会产生传播时间差。而气体流速与此时间差理论上成正比。

实际应用中，气体流速沿圆形管道截面的分布是不均匀的。因此常使用多通道测量不同径向位置的气体流速，经特定的函数及修正系数，计算获得更准确的计量数据。

2 远程数据网络搭建

随着国家管网改革推进，天然气长输管道的发展由“单线运行、流向单一、气量较小、用气稳定”的特点，逐渐向“联网运行、流向复杂、用气量大、峰谷差大”转变，调控难度增加，对运行安全和优化程度的要求逐渐增加。调控管理模式也由“分散控制、分线管理”向“一级调度”即“统一调度指挥、分级管控负责”转变。

“一级调度”具有优化资源调配、提高操作效率及准确性、快速应急处置、降低劳动强度、释放人力资源等优点。实现“一级调度”需要具备良好的设备完备性、完善的控制逻辑、高效的通信网络及可靠的自动化技术等条件。

通过沿线铺设通信光缆，依托SCADA上位机系统平台，榆济线已建成了完善的局域网远程通信链路，实现场站控制室、基层管理处、济南调控中心的实时生产数据在线监控。

榆济线现有局域网络通过RCI接入第三方设备数据。如图3所示，以目前应用普遍的埃尔斯特超声波流量计为例，其与配套流量计算机通过Modbus协议进行通讯，经串口转换后，由RCI转为IEC104协议，与上位机通讯（包括站控室、管理处和调控中心）。

此外，通过SCADA上位机系统，还接入了ESD控制系统、电动阀门、计量仪表等其他第三方設备后。计量数据同其他设备信息的跨平台、跨区域整合，大大促进了计量工作的远程化、自动化、智能化。通过集成化远程监控，可以及时掌握沿线输气情况，进而便捷、准确地实现计量交接管理、气质组分检测、输差分析、调峰处理、到量停输、恒压供气、紧急事故关断等[3]。

3 超声波流量计远程诊断

3.1 实现超声波流量计远程诊断的意义

远程诊断技术是针对超声波流量计管理的一种高效解决方案，通过实时调取流量计数据，实现远程分析和诊断。相比于现场诊断，其优势在于：实现多种数据和动态趋势的实时监控，保证计量的精度和重复性;方便技术人员采取预防性维护;降低了标定频次，大大减少停用时间，节省大批费用;在沿线现有远程数据网络基础上，无需额外大量投入，即可进一步发挥设备潜能，提高生产运行效率。

3.2 远程诊断功能

远程诊断系统主要实现超声波流量计的流速特性、声速特性、信号质量、增益值、信噪比等5项核心指标的监测和记录。

当流量计精度异常时，远程诊断系统通过对上述指标的实时监测，可自动识别并触发报警和自诊断等相关功能。此外，结合色谱分析仪、压力变送器、温度变送器等相关计量设备的数据接入，可实现更加全面的远程诊断分析。

3.3 现场应用

流量计与流量计算机间通过Modbus端口传输计量数据，而远程诊断需要传输的数据相对较多。若共用此端口进行通讯，可能会降低流量计与流量计算机间的通讯成功率，进而影响到贸易交接。因此，更稳妥的方式是利用流量计、流量计算机的以太网口与远程局域网实现通讯。

榆济线现有的SCADA系统网络架构，已能够满足构建远程诊断系统的硬件需求：场站、管理处及调控中心现有的SCADA客户端为标准计算机工作站，满足远程诊断相关数据的存储和分析需求;色谱分析仪、压力变送器、温度变送器等相关计量设备已接入SCADA系统网络架构;流量计算机已接入局域网络。

2020年一季度，榆济线紧抓技术发展的脉搏，利用现有远程数据链路的优势，率先实现了沿线超声波流量计（含用户方贸易计量用超声波流量计）的远程声速核查。后续又添加了站内互联互通区陕京线塔榆末站、用户分输圆恒门站的超声波流量计声速参数。借助SCADA上位机系统，已完成沿线超声波流量计声速特性参数的远程、集成化存储和分析，初步实现了对流量计计量回路状态及测量准确度的检测功能。

结束语

如何合理、高效地使用超声波流量计，深入发挥其优势，是当前天然气长输管线均需面对的课题。面对当前天然气行业的发展形势和国家管网资源整合的战略需求，计量远程诊断系统的重要性和必要性已经得到广泛认可，正逐步成为流量计运行维护的必备手段。超声波流量计、流量计算机、温度变送器、压力变送器及气相色谱分析仪均已具备实现远程维护及故障诊断的能力。我们要加快探索的步伐，深挖资源利用和技术革新，助力天然气事业的积极发展。

参考文献：

[1] 汲海波.超声波流量计的应用[J].自动化应用，2012（1）：60-62.

[2] 董志勇.浅谈超声波流量计的基本原理及类型[J].计量与测试技术，2008（10 ）：8+10.

[3] 王哲，郭浩.天然气站场的供气计量[J].化工设计通讯，2019，45（03 ）：31.

[4] 王池，丘逢春，苗豫生，等.JJG 1030-2007 中华人民共和国国家计量检定规程：超声流量计[S].北京：国家质量监督检验检疫总局出版社，2007.

[5] 李瑾.气体超声波流量计远程诊断介绍[C].中国石油和化工自动化第九届（2010）年会，深圳，中国，2010.

作者简介：

张伟峰（1989-），男，助理师，西南石油大学，油气储运中心榆济项目部技术员。719000、陕西省榆林市榆阳区驼峰路街道榆麻路老年公寓北中石化陕西维抢修中心。