王華青 馬金山 孫 強(qiáng)

(中亞天然氣管道有限公司，北京 100086)

0 引言

中國(guó)-中亞天然氣管道起于土烏邊境的格達(dá)依母，經(jīng)烏茲別克斯坦(簡(jiǎn)稱(chēng)烏國(guó))和哈薩克斯坦(簡(jiǎn)稱(chēng)哈國(guó))，從霍爾果斯口岸進(jìn)入中國(guó)，于2009年12月投產(chǎn)通氣，年輸氣能力達(dá)300億立方米。

由于中國(guó)-中亞天然氣管道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高于中亞國(guó)家技術(shù)水平，用于過(guò)境計(jì)量的超聲波流量計(jì)在過(guò)境國(guó)—烏國(guó)屬于首次應(yīng)用，當(dāng)?shù)赜?jì)量機(jī)構(gòu)沒(méi)有檢定超聲波流量計(jì)的能力，只能運(yùn)到中國(guó)或歐美國(guó)家檢定，大大消耗人力、物力和財(cái)力。

針對(duì)此情況，中亞天然氣管道公司計(jì)量管理人員歷經(jīng)2年時(shí)間，完成超聲波遠(yuǎn)程診斷技術(shù)在烏國(guó)注冊(cè)應(yīng)用，有效的解決了這個(gè)難題。超聲波遠(yuǎn)程診斷技術(shù)是國(guó)際計(jì)量管理新技術(shù)，通過(guò)定期聲速核查，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量?jī)x表監(jiān)控和診斷，實(shí)現(xiàn)貿(mào)易計(jì)量集中監(jiān)控和管理，切實(shí)提高國(guó)際貿(mào)易計(jì)量站的計(jì)量管理水平。

1 超聲計(jì)量系統(tǒng)

烏茲別克斯坦天然氣管道建設(shè)已有30多年的歷史，國(guó)內(nèi)管道已聯(lián)網(wǎng)，但該國(guó)在新技術(shù)和新設(shè)備的應(yīng)用方面進(jìn)步較慢，目前天然氣管道貿(mào)易計(jì)量廣泛應(yīng)用孔板流量計(jì)，中亞天然氣管道在烏茲別克斯坦邊境計(jì)量站配置的16臺(tái)超聲流量計(jì)在烏國(guó)屬于首次引進(jìn)，當(dāng)?shù)胤ǘㄓ?jì)量機(jī)構(gòu)沒(méi)有相應(yīng)的檢定能力。

16臺(tái)超聲流量計(jì)首次檢定是送到中國(guó)國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站(簡(jiǎn)稱(chēng)：南京分站)。南京分站按照《JJG 1030—2007 超聲流量計(jì)檢定規(guī)程》出具了檢定周期2年的校驗(yàn)證書(shū)[1]。

2 超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷技術(shù)

2.1 超聲流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

超聲流量計(jì)結(jié)構(gòu)[2]主要分3部分，見(jiàn)圖1。

圖1 超聲流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖

1)流量計(jì)表體

超聲流量計(jì)的表體都是整體鑄造，減少了焊縫接口，有效減少了表體熱脹冷縮對(duì)計(jì)量的影響。

2)超聲換能器(探頭)

超聲流量計(jì)的換能器結(jié)構(gòu)緊湊，插入表體淺，不易受污垢的影響，壽命較長(zhǎng)。高頻率、低功耗，低電壓工作，高效安全。可以在線更換，更換電纜不影響工作及精度。

3)信號(hào)處理單元

根據(jù)換能器傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)進(jìn)行分析計(jì)算，算出當(dāng)前流體的流速，從而獲得天然氣工況流量。

2.2 超聲流量計(jì)聲速測(cè)量原理

氣體超聲流量計(jì)是通過(guò)測(cè)量超聲波在管道氣流中傳播時(shí)間得出氣體流量的速度式流量計(jì)。A、B超聲波探頭發(fā)出的超聲脈沖穿過(guò)管道如同渡船渡過(guò)河流一樣，讓聲脈沖在管道內(nèi)向上游和下游斜線方向傳播，如圖2所示。如果沒(méi)有流動(dòng)，聲波將以相同速度向兩個(gè)方向傳播。當(dāng)管道內(nèi)的氣體流速不為零時(shí)，沿氣流方向瞬流傳播的脈沖將加快速度，而逆流傳播的脈沖將減慢。因此，對(duì)于有氣流的情況，順流傳播的時(shí)間tD將縮短，逆流傳播的時(shí)間tU會(huì)增長(zhǎng)，分別測(cè)量它們的傳播時(shí)間(這兩個(gè)傳播時(shí)間都由電子電路進(jìn)行測(cè)量)，其傳播時(shí)間差與氣體的平均流速有關(guān)，時(shí)間差越大，則流速也越大，見(jiàn)式(1)。

圖2 超聲流量計(jì)聲速測(cè)量原理

L=D/sinφ

(1)

從式(1)可以看出，如果超聲流量計(jì)的聲速測(cè)量是準(zhǔn)確的，則可以判定流速的測(cè)量是準(zhǔn)確的。因此，進(jìn)行在線聲速檢驗(yàn)，可檢查超聲流量計(jì)是否處于準(zhǔn)確運(yùn)行狀態(tài)。

考慮到多種因素的影響，超聲流量計(jì)測(cè)量聲速的不確定度約為0.17%[3]。

2.3 理論聲速計(jì)算原理

聲速檢驗(yàn)是超聲流量計(jì)重要的自診斷功能之一。為了保證該功能中聲速計(jì)算的準(zhǔn)確度，美國(guó)燃?xì)鈪f(xié)會(huì)(AGA)于2003年推出了10號(hào)報(bào)告，用于計(jì)算氣體的流動(dòng)速度Speed of Sound (SOS)，ISO類(lèi)似的標(biāo)準(zhǔn)有ISO 20765:2005。AGA 10號(hào)報(bào)告是用于檢驗(yàn)超聲流量計(jì)的重要依據(jù)，計(jì)算的SOS不確定度約為0.1%，色譜分析儀的分析結(jié)果和壓力、溫度對(duì)于實(shí)現(xiàn)這一檢驗(yàn)非常重要,因?yàn)镾OS對(duì)于這些數(shù)據(jù)非常敏感[3-4]。

2.4 超聲流量計(jì)診斷技術(shù)

超聲流量計(jì)自帶CUI(客戶超聲波界面)軟件可實(shí)現(xiàn)智能、遠(yuǎn)程診斷。超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷技術(shù)是結(jié)合計(jì)量設(shè)備自身的診斷功能，通過(guò)構(gòu)建遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，在控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷的平臺(tái)。利用診斷平臺(tái)，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲流量計(jì)的增益、信噪比和聲速等各種參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視和診斷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)和計(jì)量數(shù)據(jù)存檔[5]。

超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)CBM)是一套解決方案，是對(duì)超聲計(jì)量系統(tǒng)包括壓力變送器、溫度變送器、色譜分析儀、超聲流量計(jì)和流量計(jì)算機(jī)5項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷的方案。

在實(shí)施中，CBM專(zhuān)用計(jì)算機(jī)可以通過(guò)以太網(wǎng)與流量計(jì)算機(jī)通訊，獲得實(shí)時(shí)工況溫度、壓力、組分以及超聲流量計(jì)的內(nèi)部測(cè)量參數(shù)，并通過(guò)專(zhuān)用軟件檢驗(yàn)參數(shù)的正常與否來(lái)判斷計(jì)量設(shè)備的工作狀態(tài)乃至整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

另外，超聲計(jì)量系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備還可以通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)獨(dú)立與CBM系統(tǒng)通訊，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

3.1 烏茲別克斯坦超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的構(gòu)成

超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)通過(guò)高速互聯(lián)網(wǎng)連接。因?yàn)闉跗潉e克斯坦網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量差，布哈拉調(diào)控中心與站場(chǎng)的通訊不穩(wěn)定，WKC1站、MS站各設(shè)計(jì)了CBM子系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)拓?fù)鋱D

系統(tǒng)中心站安裝在布哈拉調(diào)控中心，可對(duì)計(jì)量站的16套超聲計(jì)量回路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，監(jiān)測(cè)設(shè)備包括超聲流量計(jì)、流量計(jì)算機(jī)、色譜分析儀、溫度變送器和壓力變送器?，F(xiàn)場(chǎng)站安裝在計(jì)量站的站控室，對(duì)各自配置的8套計(jì)量回路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。

中心站人機(jī)界面 (HMI)采用全球領(lǐng)先自動(dòng)化監(jiān)控組態(tài)軟件iFIX，不但可以滿足當(dāng)前系統(tǒng)應(yīng)用的需要，還可以在將來(lái)需要的時(shí)候方便地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)規(guī)模。

3.2 實(shí)現(xiàn)的主要功能

1)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)WKC1站、MS站計(jì)量系統(tǒng)狀態(tài)，通過(guò)人機(jī)界面直觀的顯示各計(jì)量回路當(dāng)前工況流量、壓力、溫度和氣質(zhì)組分等參數(shù)。在緊急情況下，可以通過(guò)該系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)報(bào)表進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，避免因計(jì)量精度偏移造成經(jīng)濟(jì)損失。

2)自動(dòng)診斷

系統(tǒng)對(duì)超聲計(jì)量回路的5臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備包括壓力變送器、溫度變送器、色譜分析儀、超聲流量計(jì)和流量計(jì)算機(jī)進(jìn)行診斷，通過(guò)與設(shè)定的參數(shù)限值自動(dòng)比較，給出正確的診斷結(jié)果。

3)自動(dòng)進(jìn)行聲速檢驗(yàn)

啟動(dòng)自動(dòng)聲速檢驗(yàn)有自動(dòng)或手動(dòng)兩種方式。自動(dòng)方式啟動(dòng)后，系統(tǒng)自動(dòng)完成每一個(gè)計(jì)量回路的檢驗(yàn)，每日自動(dòng)生成聲速檢驗(yàn)報(bào)告并保存；手動(dòng)方式是自主選擇需要的計(jì)量回路進(jìn)行檢驗(yàn)。

4)故障報(bào)警

系統(tǒng)中設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可報(bào)警提示，并顯示報(bào)警詳細(xì)信息，包括故障設(shè)備、故障時(shí)間、故障描述和處理建議，同時(shí)保存報(bào)警記錄。

5)其他

系統(tǒng)還具備常規(guī)功能：報(bào)表管理、記錄管理、外部訪問(wèn)、數(shù)據(jù)維護(hù)。

4 超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷技術(shù)在烏國(guó)首次應(yīng)用的認(rèn)證程序

4.1 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況

1998年國(guó)內(nèi)有了第一篇論述超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷技術(shù)的論文[6]，ALLIANCE管線和加拿大計(jì)量局一起率先通過(guò)6年測(cè)試，獲準(zhǔn)每6年重復(fù)標(biāo)定超聲流量計(jì)。2005年3月在英國(guó)貿(mào)工部召開(kāi)的會(huì)議上，超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)獲得首個(gè)官方認(rèn)可，同年羅馬尼亞管線項(xiàng)目首先采用CBM解決方案。我國(guó)在2007年發(fā)布的《JJG 1030—2007 超聲流量計(jì)檢定規(guī)程》中明確規(guī)定“對(duì)于插入式流量計(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)行使用中檢驗(yàn)”[1]此后，我國(guó)西氣東輸管道、陜京管道等長(zhǎng)輸天然氣管道都采用該技術(shù)定期檢驗(yàn)超聲流量計(jì)，以延長(zhǎng)檢定周期。

超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷技術(shù)可方便地實(shí)現(xiàn)流量計(jì)使用中檢驗(yàn)，并將維護(hù)管理任務(wù)集中于一地，提高了工作效率。此技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了貿(mào)易計(jì)量管理的新模式。

4.2 新技術(shù)首次應(yīng)用的認(rèn)證程序

在烏茲別克斯坦，就流量計(jì)檢定和校準(zhǔn)而言，大口徑超聲流量計(jì)引進(jìn)后，沒(méi)有建立相應(yīng)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)。

中亞天然氣管道公司在推動(dòng)新技術(shù)-超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷技術(shù)首次應(yīng)用的認(rèn)證工作中，摸索出了一些經(jīng)驗(yàn)。

認(rèn)證的主要程序：

灌輸新技術(shù)的國(guó)際先進(jìn)性。向?yàn)鯂?guó)專(zhuān)家講解聲速檢驗(yàn)法和超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的作用，與烏國(guó)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)計(jì)量服務(wù)中心溝通，使其對(duì)系統(tǒng)有詳細(xì)的了解，認(rèn)可采用該系統(tǒng)延長(zhǎng)檢定周期的國(guó)際先進(jìn)性和現(xiàn)場(chǎng)可行性。

開(kāi)展認(rèn)證相關(guān)工作。依據(jù)烏國(guó)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的初步意見(jiàn)，與超聲流量計(jì)廠家EMERSON(DANIEL)溝通開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)的軟硬件要求，提前配置現(xiàn)場(chǎng)條件；對(duì)CBM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的功能提出明確要求；明確該系統(tǒng)必須采用美國(guó)氣體協(xié)會(huì)指定、烏國(guó)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)認(rèn)可的第三方聲速計(jì)算軟件進(jìn)行聲速檢驗(yàn)。

與烏國(guó)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)簽訂合同。協(xié)調(diào)廠家EMERSON(DANIEL)與烏國(guó)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)簽訂CBM技術(shù)認(rèn)證合同，并組織烏國(guó)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)專(zhuān)家參加該系統(tǒng)的工廠測(cè)試。

評(píng)審或驗(yàn)收通過(guò)獲得認(rèn)證。烏國(guó)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)對(duì)系統(tǒng)診斷的聲速檢驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行評(píng)審，評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后，以公函的形式對(duì)CBM技術(shù)給予認(rèn)證，將在用的16臺(tái)超聲流量計(jì)檢定周期延長(zhǎng)1年，并繼續(xù)按計(jì)劃進(jìn)行聲速檢驗(yàn)，如到期前的檢驗(yàn)結(jié)果均合格可再延長(zhǎng)1年。

5 結(jié)束語(yǔ)

超聲流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷技術(shù)在烏茲別克斯坦首次應(yīng)用獲得認(rèn)證，不僅大大減少烏國(guó)段流量計(jì)拆裝、跨國(guó)運(yùn)輸?shù)人蜋z工作量和費(fèi)用，避免送檢期間在用流量計(jì)無(wú)備用的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，還標(biāo)志著一種新的貿(mào)易計(jì)量管理模式在該國(guó)的使用。

在世界上第一條“分段分國(guó)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)”管理的跨多國(guó)管道上，探索新技術(shù)在烏茲別克斯坦的認(rèn)證程序，不僅為其他新技術(shù)在烏茲別克斯坦的首次應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)，而且過(guò)境國(guó)哈薩克斯坦段也可以借鑒烏國(guó)經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)此技術(shù)在哈國(guó)的首次應(yīng)用。遠(yuǎn)期，中亞天然氣管道公司北京總部可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)的方式，了解ABC線超聲流量計(jì)運(yùn)行狀況，獲得境外在用超聲流量計(jì)的相關(guān)診斷數(shù)據(jù)和計(jì)量數(shù)據(jù)。

[1] JJG 1030—2007 超聲流量計(jì)檢定規(guī)程

[2] 王華青.氣體超聲流量計(jì)測(cè)量原理、標(biāo)定和維護(hù)，計(jì)量技術(shù)，2006(2)

[3] 邱惠,王勁松.氣體超聲流量計(jì)聲速法使用中檢驗(yàn)的實(shí)踐和探討.中國(guó)油氣計(jì)量技術(shù)論壇論文集,2010

[4] AGA Transmimion Measurement Commiuttee Report No.10，Speed of Sound in Natural Gas and Other Related Hydrocarbon Gases,2003

[5] 李凱,牛樹(shù)偉.超聲計(jì)量系統(tǒng)的遠(yuǎn)程診斷[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2010(12)

[6] 錢(qián)成文,王惠智.國(guó)外天然氣的計(jì)量與檢定技術(shù)[J],油氣儲(chǔ)運(yùn),2005(6)