王康

太原燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司

摘要：使用兩個(gè)不同廠家的超聲波流量計(jì)，采取自行網(wǎng)絡(luò)鏈路架構(gòu)的方式，實(shí)現(xiàn)不同通訊模式下的網(wǎng)絡(luò)鏈路搭建，使不同協(xié)議輸出的超聲波流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷（CBM）功能在同一SCADA通訊網(wǎng)絡(luò)中共同實(shí)現(xiàn)。將計(jì)量系統(tǒng)中各標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)光纖等網(wǎng)絡(luò)方式傳輸至控制中心，通過(guò)對(duì)超聲波流量計(jì)的自診斷參數(shù)（增益值、信號(hào)質(zhì)量、信噪比、流量特性、聲速）監(jiān)測(cè)和聲速核查來(lái)完成流量計(jì)的在線診斷。為輸氣生產(chǎn)中的工藝、計(jì)量等故障分析提供了重要依據(jù)，提高了計(jì)量管理工作水平。

關(guān)鍵詞：超聲波流量計(jì)；CBM系統(tǒng)；計(jì)量系統(tǒng)

超聲波流量計(jì)是一種非接觸式儀表，沒(méi)有可移動(dòng)部件，具有無(wú)壓降損失、測(cè)量準(zhǔn)確度高、智能程度高、可雙向測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于天然氣貿(mào)易計(jì)量。如何確保流量計(jì)精準(zhǔn)、高效運(yùn)行，超聲波流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷（Condition Based Maintenance，CBM）系統(tǒng)的應(yīng)用，有效解決了這一難題。CBM系統(tǒng)可以對(duì)貿(mào)易交接計(jì)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)采集和分析相關(guān)計(jì)量數(shù)據(jù)，對(duì)各種故障和異常情況及時(shí)報(bào)警提示，確認(rèn)計(jì)量系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；定期地對(duì)貿(mào)易交接計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行診斷，發(fā)現(xiàn)其微小變化及時(shí)調(diào)整和處理，始終保持計(jì)量系統(tǒng)的高性能；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)、診斷，提高計(jì)量系統(tǒng)故障響應(yīng)處理速度；基于對(duì)計(jì)量系統(tǒng)實(shí)際狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可診斷和預(yù)測(cè)維修需要，合理安排設(shè)備未來(lái)的維修調(diào)度時(shí)間。

1  輸氣管道概況

榆次—晉源輸氣管道設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa，管徑D813 mm，設(shè)計(jì)年輸氣量為10.9×108 m3/a、最大日輸氣量為405×104 m3，管線全長(zhǎng)23.3 km，氣體在晉源區(qū)管理站過(guò)濾、計(jì)量、調(diào)壓后直供嘉節(jié)電廠。管理站工藝由正輸兩路和反輸兩路管線及相關(guān)設(shè)備組成，均為一用一備。正輸兩路各安裝一臺(tái)elster Q.Sonicplus超聲波流量計(jì)，反輸兩路各安裝一臺(tái)DANIEL3400型超聲波流量計(jì)，流量計(jì)口徑均為DN300，4臺(tái)流量計(jì)均為商業(yè)貿(mào)易計(jì)量用。

按檢定標(biāo)準(zhǔn)要求，流量計(jì)每?jī)赡陿?biāo)定一次，其拆卸、轉(zhuǎn)運(yùn)、標(biāo)定、安裝、調(diào)試不僅成本費(fèi)用高而且大大增加了設(shè)備的損壞風(fēng)險(xiǎn)。因此，管理站4臺(tái)流量計(jì)安裝了CBM系統(tǒng)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患、排除故障、主動(dòng)采取預(yù)防性維護(hù)。

2  CBM系統(tǒng)構(gòu)建

管理站CBM系統(tǒng)是在原有計(jì)量系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上，通過(guò)增設(shè)網(wǎng)絡(luò)延伸器等通訊方式和服務(wù)器，將超聲波流量計(jì)、流量計(jì)算機(jī)、溫度/壓力變送器、色譜分析儀的數(shù)據(jù)傳輸至管理站的CBM專用計(jì)算機(jī)，直接在站場(chǎng)進(jìn)行CBM系統(tǒng)操作；管理站的數(shù)據(jù)通過(guò)原有光纖網(wǎng)絡(luò)傳送至公司調(diào)度室和集團(tuán)調(diào)控中心CBM專用計(jì)算機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)管理站計(jì)量系統(tǒng)遠(yuǎn)程診斷操作。

2.1  DANIEL流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

2臺(tái)DANIEL超聲波流量計(jì)支持TCP/IP通訊協(xié)議輸出，因此只需增加網(wǎng)絡(luò)延伸器，即可建立現(xiàn)場(chǎng)超聲波流量計(jì)以太網(wǎng)端口與局域網(wǎng)交換機(jī)再到場(chǎng)站控制室SCADA監(jiān)控終端（客戶端）的局域網(wǎng)通信鏈路。依托站控系統(tǒng)與調(diào)控中心之間原有的通信光纖，實(shí)現(xiàn)站控系統(tǒng)局域網(wǎng)交換機(jī)到調(diào)控中心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的通信鏈路，然后對(duì)超聲波流量計(jì)、流量計(jì)算機(jī)配置統(tǒng)一的IP網(wǎng)絡(luò)連接，便可在公司調(diào)度室和集團(tuán)調(diào)控中心的客戶端上實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)的遠(yuǎn)程診斷功能（圖 1）。

圖 1 DANIEL流量計(jì)CBM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2  elster流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

2臺(tái)elster超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)診斷輸出為Modbus通訊協(xié)議的485信號(hào)，需增加亞當(dāng)模塊將485信號(hào)轉(zhuǎn)換為232信號(hào)，再經(jīng)過(guò)MOXA協(xié)議轉(zhuǎn)換器將232信號(hào)Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換為T(mén)CP/IP協(xié)議輸出，實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)輸出協(xié)議的轉(zhuǎn)換統(tǒng)一，利用已構(gòu)建的IP協(xié)議傳輸鏈路，對(duì)MOXA協(xié)議轉(zhuǎn)換器、流量計(jì)算機(jī)配置統(tǒng)一的IP網(wǎng)絡(luò)連接，利用站控系統(tǒng)與公司調(diào)度室和集團(tuán)調(diào)控中心已有的SCADA通訊路由，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端的診斷功能（圖 2）。

圖 2 elster流量計(jì)CBM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

管理站構(gòu)建的兩套CBM系統(tǒng)通過(guò)iFix軟件對(duì)計(jì)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，管理站、公司調(diào)度室、集團(tuán)調(diào)控中心均可使用iFix軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)站場(chǎng)計(jì)量系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警查詢、流量計(jì)自診斷、聲速核查等功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并排除隱患。

3  CBM系統(tǒng)應(yīng)用

3.1  診斷基本參數(shù)

超聲波流量計(jì)診斷是CBM系統(tǒng)的核心，有5個(gè)基本參數(shù)[1]。

（1）增益值—識(shí)別問(wèn)題探頭及臟污情況。增益表示為達(dá)到所需的振幅強(qiáng)度，需要對(duì)接收到的信號(hào)增強(qiáng)的幅度。大部分廠家生產(chǎn)的超聲波流量計(jì)能夠?qū)β暤赖男盘?hào)進(jìn)行自動(dòng)增益，以保證信號(hào)發(fā)送的強(qiáng)度，避免因各種原因產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度衰減而造成的信號(hào)丟失。如果自動(dòng)增益值超過(guò)廠家規(guī)定的要求時(shí)，應(yīng)檢查管道壓力。如果壓力在正常工作范圍內(nèi)，應(yīng)檢查流量計(jì)是否臟污。如果有，可對(duì)超聲流量計(jì)的探頭表面臟污進(jìn)行清理、換能器進(jìn)行清洗，清理臟污后增益值變化將非常明顯。

（2）信號(hào)質(zhì)量—低流速下提示儀表健康程度。超聲波流量計(jì)能對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行判斷，剔除偽值，隨時(shí)對(duì)數(shù)值進(jìn)行檢驗(yàn)。正常工作的流量計(jì)接收信號(hào)的比例通常為100%，且各探頭接收信號(hào)的百分比差異不大。如果流量計(jì)某個(gè)聲道接收信號(hào)的百分比明顯變小，則可能是因?yàn)榱魉佥^快所致；中低流速時(shí)信號(hào)質(zhì)量低于90% ，有可能是探頭表面臟污，應(yīng)對(duì)儀器內(nèi)部進(jìn)行必要的檢查。

（3）信噪比—發(fā)現(xiàn)噪音源、提示管道工藝狀況。信噪比指信號(hào)強(qiáng)度與干擾噪聲的比值，正常工作的流量計(jì)信噪比高于廠家規(guī)定的正常值，各聲道信噪比差異不大，距離長(zhǎng)的聲道的信噪比略低。如果某個(gè)聲道的信噪比遠(yuǎn)小于廠家規(guī)定的正常值范圍，則表明噪音對(duì)信號(hào)的影響過(guò)大，可能產(chǎn)生如下問(wèn)題：探測(cè)不到超聲波信號(hào)，計(jì)量中止；探測(cè)到錯(cuò)誤的超聲波信號(hào)，從而導(dǎo)致計(jì)量錯(cuò)誤。此時(shí)，需要將噪音的來(lái)源隔離或消除。

（4）流速特性—識(shí)別管道臟污、異物狀況。流速分布根據(jù)流量計(jì)聲道設(shè)計(jì)的不同而有所區(qū)別，它是計(jì)量管段運(yùn)行情況的重要指標(biāo)，其值應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)，否則應(yīng)檢查流量計(jì)上游直管段運(yùn)行狀態(tài)。流速特性是流量計(jì)受臟污影響的最佳指示器，對(duì)保持精度非常重要，流速特性的變化會(huì)轉(zhuǎn)換為儀表精度的微小變化，通過(guò)流速剖面分析可識(shí)別管道異物、臟污等。

（5）聲速—計(jì)量回路的狀態(tài)檢查�？赏ㄟ^(guò)對(duì)流量計(jì)每個(gè)聲道聲速值與平均聲速的比值來(lái)判斷該聲道是否存在臟污及有異物等問(wèn)題。這種聲速的比較一般包括在流量計(jì)的自診斷信息中，與氣體組分、溫度和壓力無(wú)關(guān)，可以在流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行。

3.2  診斷參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)5個(gè)基本參數(shù)值并與Emerson廠家建議的診斷參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)流量計(jì)各聲道相應(yīng)數(shù)據(jù)與診斷指標(biāo)的差異，據(jù)此可初步判斷數(shù)據(jù)異常聲道可能存在臟污或探頭故障等，需對(duì)相應(yīng)探頭進(jìn)行拆檢，清除探頭表面臟污或者更換、調(diào)整探頭參數(shù)。定期進(jìn)行聲速核查，基本可以辨別超聲波流量計(jì)的整體表現(xiàn)。Emerson廠家建議的診斷參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表 1所示。

表 1 Emerson廠家建議的診斷參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

4  CBM系統(tǒng)功能

（1）提高計(jì)量的精度和重復(fù)性。通過(guò)診斷，若出現(xiàn)設(shè)備故障或性能下降、臟污物引起流量計(jì)及儀表的性能、精度發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別，CBM系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面可以實(shí)時(shí)顯示并及時(shí)報(bào)警，在自動(dòng)或手動(dòng)生成的報(bào)告中有詳細(xì)呈現(xiàn)，維護(hù)人員可據(jù)此及時(shí)處理。通過(guò)遠(yuǎn)程診斷各數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)趨勢(shì)信息獲得計(jì)量系統(tǒng)各設(shè)備和動(dòng)態(tài)趨勢(shì)信息，及時(shí)預(yù)測(cè)或發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，便于采取預(yù)防性維護(hù)，從而提高計(jì)量精度和重復(fù)性，減少因計(jì)量精度偏離造成的經(jīng)濟(jì)損失，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

（2）延長(zhǎng)超聲流量計(jì)的檢定周期。根據(jù)JJG 1030-2007《國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程—超聲波流量計(jì)》第7.4條規(guī)定：檢定周期一般不超過(guò)2年，對(duì)插入式流量計(jì)，如流量計(jì)具有自診斷功能，且能夠保留報(bào)警記錄，也可每 6 年檢定一次并每年在使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行使用中檢定。通過(guò)安裝CBM系統(tǒng)延長(zhǎng)超聲波流量計(jì)檢定周期的許可已在國(guó)內(nèi)外多國(guó)獲得通過(guò)，例如：2007年廣東LNG實(shí)施CBM檢驗(yàn)，延長(zhǎng)了檢定周期；中烏天然氣管道通過(guò)采用CBM技術(shù)將超聲波流量計(jì)檢定周期延長(zhǎng)為4年[2]等。通過(guò)對(duì)流量計(jì)運(yùn)行工況的監(jiān)測(cè)和判斷，可以有計(jì)劃地進(jìn)行維護(hù)和確定再標(biāo)定周期。

（3）遠(yuǎn)程會(huì)診設(shè)備故障。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以遠(yuǎn)程獲得相關(guān)技術(shù)人員的精確會(huì)診，通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)快速分析故障原因，并及時(shí)進(jìn)行故障處理。

（4）減少停車和非正常工作時(shí)間。通過(guò)預(yù)防性操作維護(hù)、遠(yuǎn)程故障診斷、系統(tǒng)升級(jí)，可以減少停車和非正常工作時(shí)間，減少因突發(fā)計(jì)量故障造成的上下游貿(mào)易糾紛。

（5）實(shí)現(xiàn)低投入高回報(bào)。在現(xiàn)有硬件投資的基礎(chǔ)上進(jìn)行資源整合，無(wú)需大量投入即可發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的巨大潛能，從而提高輸氣生產(chǎn)運(yùn)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(jì)量超聲波流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)投入運(yùn)行，國(guó)家能源通道中亞、東南亞等地區(qū)天然氣管道[5]等均設(shè)置了氣體超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)并取得了很好的使用效果。其重要性和必要性已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，正逐步成為流量計(jì)運(yùn)行維護(hù)的必備手段。

5  結(jié)束語(yǔ)

榆次—晉源輸氣管道通過(guò)采用CBM技術(shù)，大大提高了計(jì)量系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，提高了計(jì)量精度和復(fù)現(xiàn)性，減少了貿(mào)易糾紛，提高了天然氣輸差原因分析的科學(xué)性。同時(shí)CBM系統(tǒng)對(duì)計(jì)量系統(tǒng)各種故障和異常情況實(shí)時(shí)報(bào)警，可及時(shí)進(jìn)行計(jì)量設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，降低了維護(hù)成本。若通過(guò)CBM系統(tǒng)應(yīng)用將檢定周期延長(zhǎng)為4年或6年獲得許可，將節(jié)省大筆檢定費(fèi)用，為保障計(jì)量系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、提高精細(xì)化水平發(fā)揮重要作用。

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作者簡(jiǎn)介：王康，1991年生，本科，助理工程師，畢業(yè)于西安石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，現(xiàn)就職于太原燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，從事燃?xì)廨斉浒踩�管理工作。�?lián)系方式：15535105712，wangkang612327@163.com。