天然气大流量计量检定工艺主动控制方法研究

黄联江

新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市检验检测中心 新疆乌鲁木齐 830063

近五年，我国天然气消费量年均增长10%左右。2020年，中国年天然气消费量将超过3200×108m3，占能源消费结构的8.8%。预计2035年天然气年消费量将超过6000×108m3，天然气行业仍处于快速发展阶段。传统计量检定对操作者经验要求高，耗时长，在操作过程中存在误操作、流量超限、流量超限等隐患，检定效率不高。随着人工智能技术的不断发展，对智能管道和智能管网的探索逐渐深入。利用智能技术，实现流量计检定全过程的质量控制，确保在整个检定过程中实时监控测量仪器的性能，监测检定结果，进行智能分析处理[1]。

1 中国天然气计量需求分析

1.1 天然气流量测量技术

1990年代中期以前，国外标准流量不低于105m3/h的A级计量系统主要采用单流量计和在线分析仪。此后，两台流量计和两台在线色谱分析仪大多用于相互验证。实时监控仪器是否处于正常运行状态。两种仪器的测试结果数据一般控制在0.3%以内，不超过0.5%。近10年来，通过两台流量计和两台在线色谱分析测量数据的平均值用于贸易结算，以减少测量不确定度，及时发现故障或问题。计量系统投入运行和设备维修保养后，委托技术权威机构对计量系统的性能进行评价，即评价计量系统电能计量的不确定度，利用信息化、智能化和大数据分析，确保流量计运行数据可靠。在国内主要是通过上下游测量的差异来控制的。一般控制在1.0%以内即可满足要求。A级计量系统主要采用单台流量测量仪表和单台在线色谱分析仪（部分采用离线分析），通常无需校验如果现场出现问题，流量计和分析系统无法及时发现和处理时间。我国已经颁布了《天然气计量系统性能评价：GB/T35186-2017》和《天然气在线分析系统性能评价：GB/T28766-2018》，但国内仅有西部管道、深圳等少数企业燃气管道，已进行设备现场性能评估[2]。

2 有效性核查

有效性验证是利用大数据分析技术，通过数据库中的大量历史验证数据，建立基于流量参数（温度、压力、流量）的预测模型，比较预测值与实测值的偏差。值，且偏差超过控制限度的情况报警并提示人员调查。该方法已成为广州变电站验证前智能监测标准装置流量、温度、压力参数是否存在异常的重要手段。

2.1 算法设计

结合天然气流量标准装置历史运行产生的历史压力、温度、流量等数据，建立校验数据与质量（有效性）数据之间的关联数据矩阵，实现参数数据的对接。对于新获取的数据矩阵，每个行向量都被视为一个独立的流标准设备行为数据。利用大数据的关联分析和频繁模式识别方法，识别历史流量标准设备行为数据的关联模式，并根据设定的关联置信度、支持度等有效阈值对数据挖掘结果进行过滤和排除图案；最终输出满足阈值设置的潜在相关模式，在数据统计分析中具有普遍意义[3]。

2.2 线性回归预测模型

计算回归模型后，需要对模型进行检验。多元线性回归模型的检验方法有：判定系数检验、回归系数显著性检验、回归方程显著性检验等。在此采用判定系数检验法，多元线性回归模型判定系数R的计算公式为：

式中：β0，β1，β2，…，βi分别为回归系数；x1，x2，…，xi分别为数据库中的i个自变量；ε为随机误差。根据式（1），当R2接近1，则模型效果较好；当R2接近0，则模型不适合表征的关系。利用80%的历史数据分别建立温度、压力及流量的预测模型，采用20%的历史数据分析各模型的预测精度：①温度线性回归预测后得到的模型参数为截距1.00089365，系数0.018025。从温度参数预测精度统计图（图1）可知：线性回归预测模型误差统计分析得到预测的温度误差在士0.1℃范围内。②压力线性回归预测后得到的模型参数为截距-0.0038，系数1.00180从压力参数的预测精度统计（图2）可知：压力误差在-0.01～0.015MPa范围内。③流量线性回归预测后得到的模型参数为截距-3.7723，系数1.0036。

图1 线性回归模型在温度参数的预测精度统计图

图2 线性回归模型在压力参数的预测精度统计图

3 在线实时核查

通过校验超声波流量计运行数据对标准涡轮流量计进行在线实时校验，可以有效监测标准涡轮流量计运行中的偏差。采用控制图法，对每对标准涡轮流量计和检定超声波流量计，根据历史偏差的平均值和标准差，制定动态控制图预警限值，实时监测其运行是否正常。

3.1 控制图法

控制图分为两类：用于分析的控制图和用于控制的控制图。用于计量标准检定时，分析控制图可用于检定后的数据分析，评价计量标准设备的稳定性和受控状态；用于控制的控制图可用于验证过程中，在验证实施的同时进行质量监控和监控。衡量标准检查实施过程是否处于稳定可控的状态。可以转换控制图功能。待分析控制图数据稳定后，可延长时限，再转换为控制图进行控制。

将控制图方法应用于计量检定过程的在线实时检定。验证过程数据是建立分析控制图的基本抽样数据。应确保验证过程中收集的数据处于随机控制之下。在重复条件下，对确定的标准涡轮流量计进行m次独立的重复测量。当采用标准偏差控制图时，要求测量次数m≥10，该m次测量结果称为一个子组。在检定规程和技术规范规定的测量条件下，重复上面的过程测量q个子组，要求q≥20。采用平均值和标准偏差控制图。在平均值控制图中，其中心线CL1、控制上限UCL1、控制下限LCL1分别为：

在标准偏差控制图（s图）中，其中心线CL2、控制上限UCL2、控制下限LCL2分别为：

式中：x-为每个子组的平均值；x-为每个子组平均值的平均值；s-为各子组标准偏差的平均值；s-为各子组标准偏差平均值的平均值；A3、B3、B4均为系数。

3.2 在线实时核查实践

读取广州分站原数据库中核查超声流量计流量数据，按涡轮流量计量程进行流量分段设置，计算标准涡轮流量计与核查超声流量计偏差（以下简称标准流量计偏差），覆盖各路标准涡轮流量计全量程范围。按照式（2）、式（3）建立预警控制限模型，计算预警限，控制限为标准装置不确定度（0.29%）。获取核查超声流量计数据并计算示值误差，将示值误差与预警控制限对比，若超过预警限则给予提示；若超过控制限则判定该点为在线核查不合格点。在平均值控制图中，预警限随历史数据的增加而不断更新，该图用于实时监控标准流量计偏差是否超出动态预警限，也可用于查看标准流量计偏差的变化趋势。标准偏差控制图用于监控标准流量计偏差的离散情况。将平均值控制图与标准偏差控制图结合可以在检定过程中实时、准确地对异常值进行判定，技术人员通过阶段性数据趋势以及预警限的变化情况，评价标准涡轮流量计和核查超声流量计的稳定性，从而基本实现了基于在线核查的流量超限预判、报警、处理功能。

4 检定前后智能化判断

4.1 完整性判断提示

为提醒技术人员在检定工作正式开始前检查标准涡轮流量计的运行状态、使用频率状态、关键阀门状态、特种设备状态、液氮系统状态、拆卸工具状态等，可结合设备设施的完整性。

4.2 自启自闭

对于校验工作开始前的试运行阶段，当校验前气体流量参数状态波动平稳，且试运行时间超过5分钟时，校验工作将自动开始。完成当前检定任务后，计算被测仪表的显示值误差、重复性等数据。确认数据有效性后，点击保存按钮，自动触发验证自关闭功能，完成当前样本测试数据页面和整体验证客户端的关闭。

4.3 检定证书数据的验证

在证书签发过程中智能判断基础数据库中的主要信息和验证数据，如有问题给出提示。在准备证书的过程中，核对基础数据库计量标准信息的有效期和检定机构的信息，发现问题及时提示。在验证证书中，主要检查基础数据库中的验证条件。如果在校验过程中基础数据库中的介质压力、介质温度、环境压力和环境湿度异常，会给出提示。在抽样证明过程中，确认验证数据等数据中的示值误差是否符合验证结论。如果在签发证书的过程中有任何疏忽，则会提示。

5 天然气计量检定智能化的前景

5.1 在线检定校准技术

未来将进一步建立边缘计算与云计算相结合的综合平台，采用大平台和虚拟化应用模型，提升大数据处理能力。通过仪表制造商计量设备数字化模型、设计单位设计的工艺和计量参数、工程建设方提供的设备信息、计量检定机构的检定校准数据、生产现场产生的工况数据在线查看仪表运行状态，横向对比同型号仪表状态，纵向对比仪表输出结果变化趋势，提供在线校验校准结果。

5.2 计量技术智能化升级

随着物联网、5G、数字仪表等技术的发展，现场使用的仪表可以实时回传数据和报警信息。循环海量数据的应用分析，指导国家计量技术的规划、规范制定和工作部署，使其更加精准高效。大数据和人工智能的应用将为计量管理提供可靠依据，为决策提供有效支持。

5.3 计量科技产业化平台

建立以计量标准建设为主体，以金额传输溯源体系为基本架构的国家天然气计量智能服务平台。借助科研院所、高等院校、企业等资源，打造开放共享的计量研究实验环境，研究具有天然气特色的价值转移技术和关键技术的智能化、数字化技术。行业关键领域的参数。制定智能测量标准和测试仪器，研究基于服务产品全生命周期的大数据测量技术，进一步提高数据交互速度，增强测试仪器自诊断能力。

6 结语

天然气流量计检定程序和质量控制要求通过智能化手段在检定系统中实现，减少人为错误，规范检定流程，有效提高检定效率，大大提高质量控制的及时性和准确性。①基于历史运行大数据，建立了标准装置温度、压力、流量的有效监测模型，在检定前和检定过程中实时比较预测值和实测值监控标准设备仪表，实现验证过程的动态化。集成和智能的有效性验证可以及时发现和处理仪表偏差。②采用控制图法，根据历史偏差的平均值和标准偏差，为每对标准涡轮流量计和检定超声波流量计开发动态控制图，并实时更新预警限值。大大提高了标准涡轮流量计的监测精度，可以检测标准涡轮流量计的趋势偏差和运行稳定性，及时检查控制限内的超声波流量计，这是有利于标准涡轮流量计通过超声波流量计性能验证进行评估。③基于检定程序的要求，实现了计量标准装置的完整性判断、检定自启动状态的判断和检定结果的智能检定功能。