王康

太原燃氣集團有限公司

摘要：使用兩個不同廠家的超聲波流量計，采取自行網絡鏈路架構的方式，實現不同通訊模式下的網絡鏈路搭建，使不同協議輸出的超聲波流量計遠程診斷（CBM）功能在同一SCADA通訊網絡中共同實現。將計量系統中各標準設備的實時數據通過光纖等網絡方式傳輸至控制中心，通過對超聲波流量計的自診斷參數（增益值、信號質量、信噪比、流量特性、聲速）監測和聲速核查來完成流量計的在線診斷。為輸氣生產中的工藝、計量等故障分析提供了重要依據，提高了計量管理工作水平。

關鍵詞：超聲波流量計；CBM系統；計量系統

超聲波流量計是一種非接觸式儀表，沒有可移動部件，具有無壓降損失、測量準確度高、智能程度高、可雙向測量等優點，被廣泛應用于天然氣貿易計量。如何確保流量計精準、高效運行，超聲波流量計遠程診斷（Condition Based Maintenance，CBM）系統的應用，有效解決了這一難題。CBM系統可以對貿易交接計量系統實時監控，實時采集和分析相關計量數據，對各種故障和異常情況及時報警提示，確認計量系統的運行狀態；定期地對貿易交接計量系統進行診斷，發現其微小變化及時調整和處理，始終保持計量系統的高性能；對現場進行遠程訪問、診斷，提高計量系統故障響應處理速度；基于對計量系統實際狀態的實時監測，可診斷和預測維修需要，合理安排設備未來的維修調度時間。

1  輸氣管道概況

榆次—晉源輸氣管道設計壓力4.0 MPa，管徑D813 mm，設計年輸氣量為10.9×108 m3/a、最大日輸氣量為405×104 m3，管線全長23.3 km，氣體在晉源區管理站過濾、計量、調壓后直供嘉節電廠。管理站工藝由正輸兩路和反輸兩路管線及相關設備組成，均為一用一備。正輸兩路各安裝一臺elster Q.Sonicplus超聲波流量計，反輸兩路各安裝一臺DANIEL3400型超聲波流量計，流量計口徑均為DN300，4臺流量計均為商業貿易計量用。

按檢定標準要求，流量計每兩年標定一次，其拆卸、轉運、標定、安裝、調試不僅成本費用高而且大大增加了設備的損壞風險。因此，管理站4臺流量計安裝了CBM系統，以便及時發現隱患、排除故障、主動采取預防性維護。

2  CBM系統構建

管理站CBM系統是在原有計量系統硬件基礎上，通過增設網絡延伸器等通訊方式和服務器，將超聲波流量計、流量計算機、溫度/壓力變送器、色譜分析儀的數據傳輸至管理站的CBM專用計算機，直接在站場進行CBM系統操作；管理站的數據通過原有光纖網絡傳送至公司調度室和集團調控中心CBM專用計算機，可實現對管理站計量系統遠程診斷操作。

2.1  DANIEL流量計遠程診斷網絡構建

2臺DANIEL超聲波流量計支持TCP/IP通訊協議輸出，因此只需增加網絡延伸器，即可建立現場超聲波流量計以太網端口與局域網交換機再到場站控制室SCADA監控終端（客戶端）的局域網通信鏈路。依托站控系統與調控中心之間原有的通信光纖，實現站控系統局域網交換機到調控中心網絡交換機的通信鏈路，然后對超聲波流量計、流量計算機配置統一的IP網絡連接，便可在公司調度室和集團調控中心的客戶端上實現對現場流量計的遠程診斷功能（圖 1）。

圖 1 DANIEL流量計CBM系統結構示意圖

2.2  elster流量計遠程診斷網絡構建

2臺elster超聲波流量計現場診斷輸出為Modbus通訊協議的485信號，需增加亞當模塊將485信號轉換為232信號，再經過MOXA協議轉換器將232信號Modbus協議轉換為TCP/IP協議輸出，實現不同信號輸出協議的轉換統一，利用已構建的IP協議傳輸鏈路，對MOXA協議轉換器、流量計算機配置統一的IP網絡連接，利用站控系統與公司調度室和集團調控中心已有的SCADA通訊路由，即可實現遠程客戶端的診斷功能（圖 2）。

圖 2 elster流量計CBM網絡結構示意圖

管理站構建的兩套CBM系統通過iFix軟件對計量系統的數據進行管理，管理站、公司調度室、集團調控中心均可使用iFix軟件的數據庫服務器實現對站場計量系統各項數據進行實時監測、故障報警查詢、流量計自診斷、聲速核查等功能，及時發現問題并排除隱患。

3  CBM系統應用

3.1  診斷基本參數

超聲波流量計診斷是CBM系統的核心，有5個基本參數[1]。

（1）增益值—識別問題探頭及臟污情況。增益表示為達到所需的振幅強度，需要對接收到的信號增強的幅度。大部分廠家生產的超聲波流量計能夠對聲道的信號進行自動增益，以保證信號發送的強度，避免因各種原因產生的信號強度衰減而造成的信號丟失。如果自動增益值超過廠家規定的要求時，應檢查管道壓力。如果壓力在正常工作范圍內，應檢查流量計是否臟污。如果有，可對超聲流量計的探頭表面臟污進行清理、換能器進行清洗，清理臟污后增益值變化將非常明顯。

（2）信號質量—低流速下提示儀表健康程度。超聲波流量計能對接收的信號進行判斷，剔除偽值，隨時對數值進行檢驗。正常工作的流量計接收信號的比例通常為100%，且各探頭接收信號的百分比差異不大。如果流量計某個聲道接收信號的百分比明顯變小，則可能是因為流速較快所致；中低流速時信號質量低于90% ，有可能是探頭表面臟污，應對儀器內部進行必要的檢查。

（3）信噪比—發現噪音源、提示管道工藝狀況。信噪比指信號強度與干擾噪聲的比值，正常工作的流量計信噪比高于廠家規定的正常值，各聲道信噪比差異不大，距離長的聲道的信噪比略低。如果某個聲道的信噪比遠小于廠家規定的正常值范圍，則表明噪音對信號的影響過大，可能產生如下問題：探測不到超聲波信號，計量中止；探測到錯誤的超聲波信號，從而導致計量錯誤。此時，需要將噪音的來源隔離或消除。

（4）流速特性—識別管道臟污、異物狀況。流速分布根據流量計聲道設計的不同而有所區別，它是計量管段運行情況的重要指標，其值應該控制在一定范圍內，否則應檢查流量計上游直管段運行狀態。流速特性是流量計受臟污影響的最佳指示器，對保持精度非常重要，流速特性的變化會轉換為儀表精度的微小變化，通過流速剖面分析可識別管道異物、臟污等。

（5）聲速—計量回路的狀態檢查。可通過對流量計每個聲道聲速值與平均聲速的比值來判斷該聲道是否存在臟污及有異物等問題。這種聲速的比較一般包括在流量計的自診斷信息中，與氣體組分、溫度和壓力無關，可以在流動狀態下進行。

3.2  診斷參數標準

實時監測5個基本參數值并與Emerson廠家建議的診斷參數標準對比，可以發現流量計各聲道相應數據與診斷指標的差異，據此可初步判斷數據異常聲道可能存在臟污或探頭故障等，需對相應探頭進行拆檢，清除探頭表面臟污或者更換、調整探頭參數。定期進行聲速核查，基本可以辨別超聲波流量計的整體表現。Emerson廠家建議的診斷參數標準如表 1所示。

表 1 Emerson廠家建議的診斷參數標準

4  CBM系統功能

（1）提高計量的精度和重復性。通過診斷，若出現設備故障或性能下降、臟污物引起流量計及儀表的性能、精度發生變化時，系統能夠自動識別，CBM系統監控畫面可以實時顯示并及時報警，在自動或手動生成的報告中有詳細呈現，維護人員可據此及時處理。通過遠程診斷各數據和動態趨勢信息獲得計量系統各設備和動態趨勢信息，及時預測或發現問題，便于采取預防性維護，從而提高計量精度和重復性，減少因計量精度偏離造成的經濟損失，延長設備壽命。

（2）延長超聲流量計的檢定周期。根據JJG 1030-2007《國家計量檢定規程—超聲波流量計》第7.4條規定：檢定周期一般不超過2年，對插入式流量計，如流量計具有自診斷功能，且能夠保留報警記錄，也可每 6 年檢定一次并每年在使用現場進行使用中檢定。通過安裝CBM系統延長超聲波流量計檢定周期的許可已在國內外多國獲得通過，例如：2007年廣東LNG實施CBM檢驗，延長了檢定周期；中烏天然氣管道通過采用CBM技術將超聲波流量計檢定周期延長為4年[2]等。通過對流量計運行工況的監測和判斷，可以有計劃地進行維護和確定再標定周期。

（3）遠程會診設備故障。當系統設備發生故障時，可以遠程獲得相關技術人員的精確會診，通過遠程網絡快速分析故障原因，并及時進行故障處理。

（4）減少停車和非正常工作時間。通過預防性操作維護、遠程故障診斷、系統升級，可以減少停車和非正常工作時間，減少因突發計量故障造成的上下游貿易糾紛。

（5）實現低投入高回報。在現有硬件投資的基礎上進行資源整合，無需大量投入即可發揮現有設備的巨大潛能，從而提高輸氣生產運行的效益。目前，西氣東輸管道、陜京輸氣管道[3]、川氣東送天然氣管道[4]、西南油氣田公司等大流量交接計量超聲波流量計遠程診斷系統投入運行，國家能源通道中亞、東南亞等地區天然氣管道[5]等均設置了氣體超聲流量計遠程診斷系統并取得了很好的使用效果。其重要性和必要性已經得到廣泛認可，正逐步成為流量計運行維護的必備手段。

5  結束語

榆次—晉源輸氣管道通過采用CBM技術，大大提高了計量系統運行的可靠性，提高了計量精度和復現性，減少了貿易糾紛，提高了天然氣輸差原因分析的科學性。同時CBM系統對計量系統各種故障和異常情況實時報警，可及時進行計量設備維護保養，降低了維護成本。若通過CBM系統應用將檢定周期延長為4年或6年獲得許可，將節省大筆檢定費用，為保障計量系統穩定運行、提高精細化水平發揮重要作用。

 

參考文獻：

[1]李瑾.氣體超聲波流量計遠程診斷介紹[C].中國石油和化工自動化第九屆（10）年會 . 深圳，2010.

[2]魏廣鋒，陳子鑫，等.中烏輸氣管道超聲波流量計遠程診斷技術應用實踐[J].油氣儲運，2014，33(7)：794-798.

[3]李鍇，牛樹偉，高洪智. 超聲計量系統的遠程診斷[J]. 油氣儲運，2010，29(12)：921-924.

[4]全凱，蔣大旭，趙剛. 超聲流量計現場故障診斷及處理方法[J].計量與測試技術，2009，36(3)：33-34.

[5]吳兆鵬，鄧東花，柯琳，譚鈺山.氣體超聲流量計遠程診斷功能在中亞管道的應用[J].油氣儲運，2013，32(4)：448-453.

 

作者簡介：王康，1991年生，本科，助理工程師，畢業于西安石油大學油氣儲運工程專業，現就職于太原燃氣集團有限公司，從事燃氣輸配安全管理工作。聯系方式：15535105712，wangkang612327@163.com。