基于远程诊断的天然气超声流量计异常综合评估方法

尹 恒,喻 勇,周志昊

(国家管网集团 川气东送天然气管道有限公司,湖北 武汉 430079)

引 言

超声流量计凭借其计量准确、适用范围广等技术优势,已经成为我国天然气管道输送计量的主流计量交接设备[1]。随着我国天然气用量的稳步增加,天然气贸易交接公平性对天然气管道公司的计量管理水平提出了更高的要求,超声流量计的故障诊断和远程诊断技术得到了快速发展[2-5]。

国外率先开展基于超声流量计的计量远程诊断系统的研究,2000年英国就在北海油田利用超声波流量计自带诊断软件定位计量设备数据,开始发展计量远程诊断技术。国内,以中石化川气东送天然气管道有限公司[6]、中石油西部管道有限公司[7]等为代表的企业团队,在借鉴吸收国外技术特征后,基于超声流量计使用过程中的故障形式,建立了基于各通道声速、信号接收质量、各声道增益、信噪比等指标参数的计量远程诊断系统。

目前,国内外的计量远程诊断系统更多的是分别针对各单一参数进行异常诊断,应用最多的综合诊断指标为基于声速核查技术的声速比对指标[8-9]。该指标虽然可以综合利用多源数据对计量系统进行直接诊断,但一方面声速对比指标包含的系统指标参数不全,无法全面应用远程系统获取的所有参数;另一方面,声速对比指标只能基于声速偏差进行诊断报警,难以就超声计量系统的整体运行质量进行综合评估,如在声速偏差满足计量要求的情况下对超声流量计进行异常评估判断。

本文基于川气东送天然气管道公司建立的计量远程诊断系统[6],为全面利用远程诊断参数进行异常综合分析,将远程系统所获取的流量计算机诊断参数分为直接诊断指标和辅助诊断指标,建立模糊综合诊断模型,对川气东送管道流量计进行异常综合评估,提供早期预警和异常分级判断。

1 超声流量计数据异常综合评估模型

天然气管道系统上应用的超声流量计是一个智能化综合仪表系统。为了提供更为准确的计量数据,系统会自动获取基础测量数据,包括各通道传播时间、各通道声速、平均声速、理论声速、声速偏差、最大声速偏差、信号增益值、信号接收质量、信噪比、各通道流速、平均流速、通道流速比、通道声速比等,也可以获取流态数据如剖面系数、旋涡角、流态分布对称性指标等[10]。为了综合利用相关数据对流量计算机数据进行异常评估,本文对数据指标进行分级筛选,并建立各指标的指标权重体系和模糊综合评估标准,利用各指标进行模糊综合评估的流程如图1所示[11]。

图1 超声流量计异常综合模糊评估流程Fig.1 Comprehensive fuzzy evaluation process of ultrasonic flowmeterabnormal

1.1 指标筛选与分级

超声流量计远程诊断系统可以远程获取多种流量计参数指标,其中部分指标之间相关性较高,部分指标对超声流量计综合性能影响不大,通过分析超声流量计系统工作原理,借鉴其主要失效形式以及失效后对超声流量计指标的影响[6],确立超声流量计的三层指标体系(含目标层、一级指标层和二级指标层)(表1)。系统异常指标主要分为流量计传感指标和流动特性指标两类一级指标,每个一级指标层都由各自的二级指标体系构成。其中,声速偏差指超声流量计测量声速与计算声速(根据AGA10标准计算)的偏差值;各通道最大声速比偏差指流量计各通道中声速比偏差最大值;各通道最大信号增益值指最大的信号增益强度; 各通道最低信号接收质量指最低的信号接收质量系数;各通道最低信噪比指各通道的信噪比最低值;剖面系数指的是外侧通道平均测量流速与内侧通道平均测量流速的比值,反映管道壁面对流速的影响;流态分布对称性则指管道中心线一侧通道平均测量流速与另一侧通道平均测量流速的比值,反映流态是否对称。

表1 超声流量计异常综合评估指标层Tab.1 Comprehensive evaluation index layers of ultrasonic flowmeter anomaly

1.2 指标权重构建

对于指标权重的构建,采用问卷形式,通过咨询技术专家,根据各指标的重要性进行两两比较,由1～9标度法[12]得出相应的比较判断矩阵(cij)N×N,其中cij为集合内第i个指标与第j个指标的相对重要度,N为集合内指标总数。通过一致性检验后,则可以通过

w=(w1,w2,…,wn)T

(1)

(2)

式中:wn为第n个次级指标的相对权重。

将得到的二级指标权重与对应一级指标权重值相乘即可得到各一级指标下的二级指标权重向量Wm。

根据超声流量计异常综合评估标准和专家意见确定比较判断矩阵,见表2。代入式(1)—式(2)可得到系统一级指标下的二级指标权重向量

表2 比较判断矩阵Tab.2 Comparison judgement matrix (a)一级指标比较判断矩阵

(b)B1指标下的二级指标比较判断矩阵

(c)B2指标下的二级指标比较判断矩阵

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 模糊评判矩阵构建

令评语集为V={V1,V2,V3}对应如下矩阵V={正常,预警,报警},按照百分制相应的分数为V={0,50,90}。通过比对参数诊断标准(表3)[9],可以得出各指标对应的隶属度函数,见表4。将每个二级指标的参数值代入隶属度函数式,即可得到指标的隶属度矩阵[14]

表3 指标参数评价标准Tab.3 Evaluation standard of indexes

表4 指标的隶属度函数Tab.4 Membership function of indexes

(3)

(4)

根据式(4),两个一级指标下的二级指标对应的隶属度矩阵R1、R2分别与权重向量W1、W2相乘,可得到两个一级指标的模糊评判矩阵B1、B2。

最终目标层模糊评判矩阵

(5)

结合基本指标的评语集分数,可计算目标层模糊综合评分P,即

(6)

式中:ai为目标层模糊评判矩阵A中的元素;vi为各评语对应的分值。

根据式(6)得到总体目标的异常综合评估分值,各分值区间对应的超声流量计工作状态见表5。

表5 异常综合评分与超声流量计工作状态分级对应表Tab.5 Corresponding table of comprehensive evaluation score and working state of ultrasonic flowmeter anomaly

2 基于远程诊断数据的超声流量计异常数据评估应用

为了获取综合评估方法对超声流量计异常数据评估的效果,选取了实际使用过程中的6组超声流量计参数,对该6组参数进行了综合评估。该6组超声流量计参数组成3组未报警,3组触发传统远程诊断声道报警,流量计参数见表6。

表6 超声流量计参数Tab.6 Parameter list of ultrasonic flowmeter

将表6所示的超声流量计参数代入表5和式(4)—式(6),计算得到各组超声流量计的异常综合评估分值,见表7。

表7 各组超声流量计异常综合评估分值Tab.7 Comprehensive anomaly evaluation scores of ultrasonic flowmeters

传统远程诊断方法虽然可以诊断第1～3组超声流量计的工作状态属于正常,第4～6组超声流量计属于报警状态,但表7所示的异常综合评估值却表明即使同属于正常状态的第1～3 组超声流量计在评分等级上仍有较大差异,4～6组处于报警状态的超声流量计也存在不一样的评分估计。因此,异常综合评估可以在各个状态之内对超声流量计的性能状态做出更精细的分值估计,给出预警状态区间,在流量计状态进入报警状态前进行提前评估,给予计划性维修的可能。另一方面,如果远程接入超声流量计指标体系的动态参数值,也可以借助异常综合评估方法对超声流量计性能状态进行动态评分,根据综合评分值随时间的动态变化,对超声流量计的性能状态进行动态监控,在其实际发生故障报警前进行预测预警,并采用相应手段对流量计进行计划性调整,进一步提升天然气计量的准确性。

为了在动态监测过程中进一步对比异常综合诊断方法与传统声速偏差核查诊断方法的差异,导入某超声流量计从3月1日至5月30日的远程诊断数据,通过异常综合评估算法计算每日的异常综合评分,得到异常综合评分及声速偏差随时间变化的规律,如图2所示。从图2可知,依据传统声速核查方法规定的声速偏差报警阈值0.2%,诊断系统需要到5月15日才能够做出诊断报警,即使增加声速偏差接近0.2%的预警诊断标准,系统也需要5月9日才能做出预警诊断,5月9日以前声速偏差一直处于平稳状态。而异常综合评分方法的结果则表明,3月31日开始,系统的异常综合评分就开始出现较大的波动,4月17日异常综合评分达到需要预警的30分,并持续在30分左右波动;当系统运行至5月9日,异常综合评分突变为60分以上的报警级别。综上所述,相比于传统声速核查诊断方法,异常综合评估由于综合考虑了多种指标因素,可以增加预警阶段,在流量计系统性能退化开始时即予以预警提醒;同时,当流量计系统发生临界故障时,异常综合评估方法也可以更快确认报警诊断,在声速偏差接近0.2%的传统报警阈值区间综合其他指标特性的劣化数据,提前进行诊断报警。

图2 某超声流量计异常综合评分及声速偏差随时间变化曲线Fig.2 Comprehensive anomaly evaluation score and sound velocity deviation varying curves of some ultrasonic flowmeter with time

3 结 论

(1)利用异常综合评估分值可以估计超声流量计的精细化性能状态,有效地区分处于报警和正常状态下的流量计算机的不同性能等级,可以更有针对性地关注报警状态下的超声流量计,并对正常状态下的超声流量计进行分级预警。

(2)可以动态关联超声流量计远程诊断参数,根据其动态综合分值变化情况,对超声流量计的性能状态进行动态评估,为超声流量计的早期故障预警和计划性维修提供指导意见。