★蘇祥偉，俞舟平，俞寬，洪嘯（浙江浙能天然氣運行有限公司，浙江杭州310000）

摘要：貿易計量數據分析是每個(gè)天然氣輸送企業(yè)都會(huì )重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟效益，通過(guò)智能判斷計量支路處于比對運行狀態(tài)，并對運行過(guò)程中的計量數據進(jìn)行采集和分析，建立智能比對模型，及時(shí)對計量設備出現測量偏差提供設備故障報警信號。并對計量設備運行數據的深度挖掘分析，形成一系列診斷指標和方法，及時(shí)發(fā)現其潛在的問(wèn)題，為檢修、維護提供決策依據。

關(guān)鍵詞：貿易計量設備；在線(xiàn)監測系統；設計管理

1 現狀和目標

天然氣長(cháng)輸管道具有地理空間跨度較大、生產(chǎn)時(shí)效性較強、運行連續、壓力高、流量大和計量點(diǎn)眾多的特點(diǎn)，目前計量設備狀態(tài)的管理主要是基于設備自身故障診斷，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現了設備自身故障診斷的集中報警。但是對于計量設備來(lái)說(shuō)，除了要求功能性完好，還對準確性有較高的要求。通常計量設備剛出現測量偏差時(shí)并不能產(chǎn)生設備故障報警信號，而當計量設備出現報警信號時(shí)，已經(jīng)造成了較長(cháng)時(shí)間的測量不準確。對于上述這種計量設備自身性能的劣變，計量設備自身無(wú)法完成自我診斷，需要借助外部系統對設備的性能狀態(tài)進(jìn)行分析、核查。計量設備的日常比對是檢驗計量設備是否計量準確的常用方法，但是目前該項工作完全由人工完成，由人工進(jìn)行計量比對數據的采集、填報、分析和判斷，據統計每年需要分析約2000份數據樣本，耗時(shí)費力。由于供氣點(diǎn)多、分析頻次高、人工統計和分析流程繁瑣，將導致分析周期長(cháng)、效率低、易出錯、異常無(wú)法及時(shí)發(fā)現等問(wèn)題。

針對上述問(wèn)題和現狀開(kāi)發(fā)一套集自動(dòng)管存氣計算、管網(wǎng)輸差計算、計量比對分析、計量設備性能狀態(tài)智能診斷于一體的系統，具有非常重要的作用。

2 設計思路和內容構成

2.1 管網(wǎng)輸差實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計算及監控

管道輸送是天然氣運輸的主要工具，長(cháng)輸管道的首末分別是氣田和用戶(hù)，我國的管道租用呈現網(wǎng)狀結構布置，具有長(cháng)、點(diǎn)多、面廣的特點(diǎn)，在資源計量方面一般都是在進(jìn)氣點(diǎn)、出氣點(diǎn)安裝計量設備。天然氣在輸送過(guò)程中均會(huì )因儀表精度、人員操作及計算方法等原因，造成進(jìn)銷(xiāo)資源不平衡，也就產(chǎn)生輸送輸差。輸差在輸送過(guò)程中是必然會(huì )存在的問(wèn)題，但如何將輸差控制在合理范圍內，是管理管理企業(yè)面臨的技術(shù)問(wèn)題，也是考核經(jīng)營(yíng)管理水平的關(guān)鍵指標。

傳統的輸差管理方式多采用人工對昨天進(jìn)氣和供氣點(diǎn)輸氣量進(jìn)行簡(jiǎn)單的匯總，通過(guò)總體的加減計算估算出管網(wǎng)的輸差率，作為第二天管網(wǎng)調度的依據。這種方式不僅對于人力資源的消耗大，且對異常狀況的反應也會(huì )有一定的延遲，安全生產(chǎn)存在漏洞。

針對人工統計的不足之處，我們采用在線(xiàn)實(shí)時(shí)計算的方式。根據天然氣管網(wǎng)物理結構，綜合考慮元件、節點(diǎn)在水力學(xué)、熱力學(xué)和拓撲學(xué)上的相互關(guān)系，建立天然氣管網(wǎng)的輸差計算模型，通過(guò)從PI數據庫和本地數據庫中采集天然氣管網(wǎng)的進(jìn)氣量、輸氣量、自用氣量以及放空氣量數據，并結合管網(wǎng)管容的變化量，實(shí)時(shí)計算天然氣管網(wǎng)輸差。上述輸差分為絕對輸差和相對輸差，主要包括：時(shí)輸差、日輸差、周輸差、月輸差、年輸差等，相應數據存儲在本地數據庫中。同時(shí)以圖、表、文字等表現方式展示分析過(guò)程及分析結果，并能智能給予相應的決策建議，另外根據輸差參數指標，如日波動(dòng)幅度、日輸差變化速度等進(jìn)行檢測判斷，出現異常及時(shí)通過(guò)系統界面報警及短信方式進(jìn)行報警信息推送。

2.2 計量設備智能計量比對

系統通過(guò)從PI數據庫中讀取相關(guān)聯(lián)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、開(kāi)度大小，以及流量計的流量數據等，智能識別計量支路是否處于串聯(lián)比對運行狀態(tài)。系統在確認計量支路處于比對運行狀態(tài)后，通過(guò)讀取PI數據庫中相應計量數據，按照計量比對分析方法，計量比對持續時(shí)間一般大于24小時(shí)，計量比對分析采用總體和分段方式，即需要計算總體計量比對偏差，以及各分段計量比對偏差，分段方式主要分為5種模式，主要包括流量分段模式、時(shí)間分段模式、平均時(shí)間分段模式、平均流量分段模式、綜合模式^[2]。計量比對分析包括工況體積流量、標準體積流量、溫度、壓力等項目的比對分析。

在線(xiàn)比對過(guò)程一般包括以下步驟：（1）智能判斷計量支路處于比對運行狀態(tài)。（2）并對比對運行過(guò)程中的計量數據進(jìn)行采集和分析。（3）由征兆和其他診斷比對知識來(lái)識別系統的狀態(tài)，對異常表計進(jìn)行分類(lèi)判斷和定位。在線(xiàn)比對的過(guò)程可以看作一系列過(guò)程數據集的轉化，即測量—比對—決策—故障分類(lèi)和定位。

圖1 典型計量比對工藝流程圖

如圖1典型計量比對工藝流程圖，當表計FT301和表計FT302處于串聯(lián)狀態(tài)時(shí)，且流量計瞬時(shí)工況數據大于0且維持時(shí)間大于5分鐘，這可判斷表計處于比對狀態(tài)，利用建模模型判斷其是否出現測量偏差，再通過(guò)多個(gè)診斷周期的疊加判斷，確認表計的最終狀態(tài)。

關(guān)鍵點(diǎn)在與根據輸入的工況流量、累計流量、溫度、壓力及持續的時(shí)間進(jìn)行計算，并通過(guò)多個(gè)比對周期的疊加，提高比對判斷準確率，具體流程如圖2所示。

圖2 流量計比對流程

流量計在線(xiàn)智能比對，即通過(guò)工況流量、標況流量、溫度、壓力，偏差幅值、幅值變化率、分段分析、歷史比較、深度學(xué)習等手段建立比對模型，利用人工智能的方式（包括專(zhuān)家系統、模糊邏輯、因果分析等）自動(dòng)完成整個(gè)比對和診斷過(guò)程。

計量比對模塊可實(shí)現同一計量設備不同運行時(shí)段、不同計量設備相同運行時(shí)段的狀態(tài)參數比對，以分析計量設備可能存在的異常。對于同一計量設備不同運行時(shí)段的狀態(tài)參數比對，可分析計量設備的變化趨勢進(jìn)行預測和報警提醒，并通過(guò)各種數據處理與分析方法（如多元統計方法、聚類(lèi)分析）[4]挖掘出數據中隱含的信息，從而形成一系列診斷指標和方法，及時(shí)發(fā)現其潛在的問(wèn)題，為檢修、維護提供決策依據。

2.3 精準管網(wǎng)管存動(dòng)態(tài)計算

天然氣長(cháng)輸管道管存是指管道中實(shí)際儲存的天然氣在標態(tài)下的體積，是反映管道運行時(shí)的壓力、溫度、運行配置以及運行效率的綜合指標，是控制管道進(jìn)出氣平衡的重要指標。管道管存計算對輸差分析、損耗率分析等有重要的作用。

目前大多數輸氣管道管存采用穩態(tài)計算方法，計算管道平均溫度、平均言論及平均溫度下壓縮因子，根據氣體狀態(tài)平衡方程推導得出。管道系統的實(shí)際運行工況是連續變化的非穩態(tài)過(guò)程，使用穩態(tài)公式計算存在較大誤差。為精確地計算天然氣長(cháng)輸管道管存，應更加精準地計算管段氣體的溫度、壓力及壓縮因子。根據管存氣計算公式（1）

從微積分角度計算（P/TZ）zj精確值，由于公式設計參數較多且較為復雜，為減少計算誤差，可對計算管道采用分段累加，分段越多計算越精準。

為驗證管存計算精度，對天然氣管道2020年1月份管存進(jìn)行計算，用TGNET軟件模擬日管存變化，計算所用到的數據均取自管道SCADA系統，由結果比對可知，迭代后的公式計算管存值與TGNET軟件模擬值最相近，精度最高。

2.4 計量設備性能在線(xiàn)診斷

天然氣長(cháng)輸管道具有地理空間跨度較大、生產(chǎn)時(shí)效性較強、運行連續、壓力高、流量大和計量點(diǎn)眾多的特點(diǎn)，目前計量設備狀態(tài)的管理主要是基于設備自身故障診斷，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現了設備自身故障診斷的集中報警。但是對于計量設備來(lái)說(shuō)，除了要求功能性完好，還對準確性有較高的要求。通常計量設備剛出現測量偏差時(shí)并不能產(chǎn)生設備故障報警信號，而當計量設備出現報警信號時(shí)，已經(jīng)造成了較長(cháng)時(shí)間的測量不準確。對于上述這種計量設備自身性能的劣變，計量設備自身無(wú)法完成自我診斷，需要借助外部系統對設備的性能狀態(tài)進(jìn)行分析、核查。

遠程在線(xiàn)診斷是將遠程采集到的流場(chǎng)和流量計的參數通過(guò)數學(xué)模型計算得出參數與參考值比較，從而判斷流量計運行狀態(tài)是否正常。

遠程在線(xiàn)檢測采用聲速檢驗法，將流量計測得的聲速與理論計算的聲速（將遠程采集到的天然氣溫度、壓力、組分等參數通過(guò)數學(xué)模型計算得出）^[3]進(jìn)行比較，計算兩種偏差并判斷其是否符合相關(guān)規定。遠程在線(xiàn)診斷項目包括增益、信號接收率、信噪比、脈動(dòng)比、各聲道聲速與平均聲速的偏差、剖面系數、旋窩角、對此性系數、橫向流系數等。

3 實(shí)施內容和效果

本項目已經(jīng)進(jìn)行部署運行，現在對管網(wǎng)用于貿易比對的30臺流量計進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和比對分析，同時(shí)設立了網(wǎng)頁(yè)端的管理平臺，可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)對監測、報警的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行查看：首頁(yè)提供了各類(lèi)型設備狀態(tài)總覽，可直觀(guān)看到設備最新?tīng)顟B(tài)、最新的比對記錄以及對應的計算過(guò)程畫(huà)面，各設備的實(shí)時(shí)、歷史數據記錄可在分設的單獨頁(yè)面進(jìn)行查看，在具體類(lèi)型的頁(yè)面中可指定查看該類(lèi)型下屬設備的比對記錄和報警歷史記錄。

通過(guò)實(shí)測驗證，天然氣貿易計量數據在線(xiàn)智能分析系統實(shí)現瞬態(tài)監控，包括設備狀態(tài)、流量、管輸效率變化趨勢，并進(jìn)行設備周期檢測的智能預測。由模型輸出圖形，當初始異常時(shí)，將進(jìn)行提醒。

隨著(zhù)天然氣貿易計量數據在線(xiàn)智能分析系統在管網(wǎng)的成功試點(diǎn)，管網(wǎng)將進(jìn)一步優(yōu)化管理流程，利用數據變化趨勢進(jìn)行數據分析，并通過(guò)大數據模型、機器深度學(xué)習模型來(lái)實(shí)現預測預警、業(yè)務(wù)優(yōu)化和智能輔助決策，以支持管網(wǎng)降本增效。

4 結論

天然氣貿易計量數據分析系統的建設提高調度人員分析的效率和準確性，每年可節省大量人力和物力，降低公司經(jīng)營(yíng)成本，同時(shí)實(shí)現了對計量設備在線(xiàn)核查和劣變趨勢分析，實(shí)時(shí)掌控計量設備性能變化狀態(tài)，為檢修提供決策依據，同時(shí)提高天然氣貿易計量設備管理水平。

此系統不僅可以遠程獲取計量設備運行信息，還能實(shí)時(shí)監測計量設備自身狀態(tài)、運行狀況和性能，自診斷信息的及時(shí)上報，對管網(wǎng)運營(yíng)單位的管理發(fā)揮重要作用，通過(guò)收集計量設備運行的相關(guān)信息，結合采集到設備生命周期內的誤差監測管理，進(jìn)行大數據分析，可提前預測計量設備運行趨勢，針對于計量設備的更新?lián)Q代做好有計劃的更換，可以使管網(wǎng)建設更加高效、便捷、智能化。

作者簡(jiǎn)介：

蘇祥偉（1986-），男，山東棗莊人，高級工程師，碩士，就職于浙江浙能天然氣運行有限公司，研究方向是天然氣計量。

俞舟平（1988-），男，浙江杭州人，工程師，碩士，就職于浙江浙能天然氣運行有限公司，研究方向是天然氣計量。

俞   寬（1994-），男，浙江紹興人，工程師，學(xué)士，就職于浙江浙能天然氣運行有限公司，研究方向是天然氣計量。

洪   嘯（1992-），男，浙江金華人，助理工程師，學(xué)士，就職于浙江浙能天然氣運行有限公司，研究方向是天然氣計量。

參考文獻：

[1] 金浩哲. 基于不平衡度的加氫空冷系統失效分析及優(yōu)化研究[D]. 杭州: 浙江理工大學(xué).

[2] 于國軍. 天然氣交接計量監控系統開(kāi)發(fā)與應用[J]. 計量技術(shù), 2017 (5) : 37 - 40.

[3] 韓斌. 計量管理中計量?jì)x表數據采集系統的應用分析[J]. 中國高新區, 2019 (14) : 19.

[4] 史新云. 降低天然氣管道交接計量誤差的技術(shù)探討[J]. 中國石油和化工標準與質(zhì)量, 2019, 39 (20) : 243 - 244.

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年11月刊