天然气计量系统监测与异常诊断技术研究

杨喜良 董红军 张丽稳 孟頔 李根臣 史威 李柏松

1国家能源油气长输管道技术装备研发（试验）中心

2北方管道公司

3北京管道公司

计量是国家管网公司运行管理的重要环节，超声流量计远程监测与异常报警具有重要的现实意义，也是推动公司高质量发展的需要。中俄东、西气东输、陕京管道、中缅等国内天然气管道分输口径大于DN80 的计量设备基本选用超声流量计进行交接计量[1-6]。超声流量计的安全、可靠、准确运行，关系到管道企业运营水平和经营效益，尤其是管道独立运行后，国家管网公司是用管道输送原油、成品油、天然气的运输公司，只通过提供运输服务获得收入，交接计量显得至关重要[7-11]。

1 超声波流量计远程诊断技术现状

超声波流量计远程诊断技术是利用计算机实时分析计量系统参数，包括计量系统的温度、压力、天然气组分、流量计自身运行状态、通信状态等，自动判断计量系统正常与否，并对微小故障及时报警[12-16]。

1.1 国外情况

超声波流量计远程诊断（Condition Based Monitoring，简 称CBM）始 于1998 年North Sea Flow Measurement Workshop 出 版CBM 技 术 的 文 章[17]。2000 年至2004 年的每季度，英国壳牌公司对用在北海的Daniel（DN300）超声波流量计进行了实流标定并使用CBM 记录数据，为CBM 技术的发展奠定了数据与经验基础。2005年3月，在英国贸工部会议上，CBM技术首次获得了官方认可[18-19]。

1.2 国内情况

2005 年中国计量科学研究院开始编制新超声波流量计计量检定手册，明确提出在使用现场检测等解决方案的基础上，延长超声波流量计的再标定周期为6年。2007年，广东LNG（Liquefied Natural Gas）实施CBM检验，延长了检定周期[19]。

近年来西气东输、中亚管道、西部管道等长输管道陆续建立了计量远程诊断系统，监测的流量计数量超过千台（表1），为计量系统进行远程监视和维护提供了重要技术手段。

表1 中国石油部分单位计量远程诊断系统统计Tab.1 Statistic table of part of CNPC unit measurement remote diagnosis system

1.3 CBM存在的问题

国内外在用的CBM系统主要存在3个问题：

（1）主要针对常见典型计量系统问题进行诊断，趋势分析和统计分析功能较弱，本体及辅助仪表异常工况诊断功能缺失。

（2）流量计厂家和型号较多，厂家自带的诊断功能深度不一，没有建立报警规则和故障模式库，需要专业计量人员使用。

（3）系统智能化程度不足，多个计量回路同时监测管理时需要大量时间逐个回路进行分析，效率较低。

2 系统设计

超声流量计计量系统主要包括流量计、辅助仪表、整流器、计量直管段及计量软件，其中流量计包括超声流量计和流量计算机，辅助仪表包括计量压力变送器、温度变送器、气相色谱仪等[20]。天然气计量准确性与流量计、辅助仪表等息息相关，因此可对流量计和辅助仪表参数进行实时监测，通过智能技术，及时发现异常并报警。

2.1 流量计诊断设计

流量计诊断系统在调控中心对现场计量系统压力、温度、流量、天然气组分和超声流量计的声速、信噪比等参数进行采集[21]，通过对其进行相关性分析，挖掘其变化规律，从而实现超声流量计实时预警与诊断[22]。

2.1.1 系统架构

流量计诊断系统由输气站场超声流量计、流量计算机、网络设备、监控操作站及诊断软件组成（图1）。控制中心建立流量计远程诊断系统终端和后台服务端，利用生产网建立与站场流量计的直接连接。后台服务端分别负责对数据的存储和监控分析，并将数据及结果推送至远程诊断终端，以实现对流量计的远程诊断功能。

图1 流量计诊断系统架构Fig.1 Flow meter diagnosis system architecture

现场流量计、流量计算机等计量设备均通过交换机建立局域网络，实现计量系统诊断数据的远程传输。

该系统配有服务器，2 台用于数据存储，另1 台用于数据分析。新增站场数据传输系统，每座站场1套，包括工业交换机、路由器等。

2.1.2 参数监测

超声流量计诊断需要流量计多项参数，包括开关量、模拟量和事件3 类信息（表2）。建立单参数、多参数、纵向、横向、重要度等综合智能预警模型，通过多维度智能分析，对流量计本体异常情况进行分级报警。

表2 超声流量计诊断监测参数Tab.2 Monitoring parameters of ultrasonic flowmeter diagnosis

2.1.3 诊断功能

计量远程诊断系统应具备以下功能：①实时数据采集、数据处理；②历史数据存储与分析；③维护软件的操作终端；④快速访问现场流量计设备；⑤实时核查现场计量系统；⑥获得现场设备的运行信息及设备运行趋势曲线；⑦回路诊断结果自动提示；⑧按JJG1030—2007《超声波流量计》标准进行流量计声速核查；⑨诊断参数实时/历史趋势显示；⑩产生计量回路、流量及声速核查报告；○1通过专用软件远程监控各种参数的数据更新和仪表运行状态的记录及分析工作等内容；○12通过专用的软件远程完成对报警数据的分析，根据分析结果对报警上下限重新设定，或指导现场工作人员进行故障的排除工作；○13分析流量计的运行数据，与正常值进行比对，异常情况及早发现并处理。

2.2 辅助仪表异常诊断

流量计本体诊断难发现人为改变流量计辅助仪表如压力、温度、组分等行为，需引入第三方、第四方因素进行“独立核查”、“独立比对”，从而对参与流量计算的压力、温度、组分进行智能诊断。

（1）监测参数。监测参数包括计量压力、温度、天然气组分、调压阀开度，为对监测的仪表进行有效诊断还需要进站压力、温度。

（2）异常工况及报警方法。仪表异常工况主要有5 种，应针对不同异常采取相应的报警方法（表3）。

表3 异常工况及报警方法Tab.3 Abnormal working conditions and alarm methods

3 应用效果

3.1 超声流量计本体参数监测应用

中俄东线黑河—长岭段黑河首站及各分输站场设置计量系统，用于首站海关、检验检疫的交接计量比对和各站给下游分输用户的供气计量。流量计口径在DN80 以下时采用质量流量计，流量计口径DN80 及以上时采用气体超声流量计。在黑河首站、大庆分输站、长岭分输站设置在线色谱分析仪，为计量系统提供在线组分数据。

计量远程诊断系统主要实现现场流量计与机柜间内流量计算机的故障诊断。由设置在廊坊分控中心的远维服务器，通过站场远维系统接口服务器采集现场设备的诊断及状态信息，显示诊断有关的HMI（Human Machine Interface）画面，具备运维人员远程对设备的监视与诊断功能，流量计诊断界面如图2所示。

图2 单路流量计诊断界面Fig.2 Diagnostic interface of single-channel flowmeter

3.2 辅助仪表异常诊断

通过分析北方管道公司20 个站一年的历史数据，应用关联分析、趋势分析等方法，识别了5种异常工况。

（1）压力异常识别。在某站发现，因为中间没有调压和加压的设备，计量压力高于进站压力0.1 MPa，当出现计量压力降低时，断定为压力异常并报警（图3）。

图3 计量压力突降的工况诊断（2020年）Fig.3 Condition diagnosis of sudden drop of measurement pressure(2020)

（2）温度与输量趋势异常识别。当环境温度低于进站天然气温度时，输气时计量温度上升，停输后计量温度下降，否则存在人为改变计量温度行为。如图4 所示，1 月10 日07:00 左右出现了温度突然上升又回落，但是流量计显示没有输量，判断为异常并报警。

图4 温度与输量没有同时变化的工况诊断（2020年）Fig.4 Condition diagnosis of temperature and quantity not changing simultaneously(2020)

（3）监测参数长时间恒定不变。正常情况温度、压力是随时间不断变化，输量除停输外也是不断波动，若监测参数出现长时间不变，判定为异常并报警（图5）。

图5 流量、温度长时间恒定不变的工况诊断（2020年6月10日）Fig.5 Condtion diagnosis of quantity and temperature constant for a long time(2020.6.10)

（4）输量与温度不相关。因环境温度关系，输量与温度成正向或反向变化，而非无规律变化，若无规律变化则为异常。如图6所示，计量温度成自震荡形式，与输量无任何关系，判断为异常并报警。

图6 输量与温度变化不相关的工况诊断（2020年1月1日）Fig.6 Condition diagnosis of no correlation between the quantity and the temperature change(2020.1.1)

（5）数据断点。当监测参数出现断点时，存在人为关闭计量系统行为，如图7 所示，4 月25 日03:00至07:00判定为异常。

图7 流量、温度、压力等数据断点的工况诊断（2020年）Fig.7 Condition diagnosis of data breakpoints such as quantity，temperature，and pressure(2020)

4 结束语

计量系统运行正常与否直接影响企业效益，在管网公司新形势下显得尤其重要。然而计量智能诊断还处于起步阶段，在系统间融合、智能诊断提升等方面还需不断探索。另外，在计量区安装摄像头，采用智能识别技术，当有人进入计量区时，推送至监控中心，及时发现人为操控计量，也可用于盗气取证。