超声流量计由于具有可双向测量、无压损、无可动部件以及大量程比和高精度等优点, 特别适合大口径、高压力、大流量的输气条件, 目前已经在天然气管道行业中广泛应用。但是超声流量计量系统结构复杂, 对维护人员的素质要求比较高, 分输计量点往往比较分散, 站场管理人员配备少, 大型维护和故障处理以集中管理的专业队伍为主, 维修响应时间长, 现场维护成本高。因此, 可以建立一个集计量数据监视、自动诊断、流量核查和数据处理等功能于一体的远程计量诊断平台, 使技术人员在一地即可对全线超声计量设备进行监视和维护, 既提高了设备管理维护的工作效率, 又有效地降低了管理和维护成本。

1.   功能设计

典型的超声计量系统包括超声流量计、流量计算机、温度测量装置、压力测量装置、在线组分分析仪及配套的工艺管路等。对计量系统进行诊断, 就是对流量计等仪表的各种重要参数进行监视、配置, 及时发现问题并处理问题。

超声计量系统诊断平台应具备5个方面的功能。其一, 参数实时监测: 诊断平台可以实时监测站场计量系统状态, 直观显示计量系统当前工况下的流量、压力、温度、气质组分以及关键阀门状态等参数。在紧急情况下, 可以通过该系统提供的数据进行正确决策, 避免事故的发生。其二, 超声流量计自动诊断: 可以对超声流量计的增益、信噪比、平均流速、声速、流速剖面系数等参数进行诊断, 通过与设定的参数限值进行自动比较, 给出正确的诊断结果。其三, 自动进行声速核查: 为实现超声流量计进行使用中检验和自动声速核查的功能, 还需根据不同流量计的实际特点, 进行流速特性、信号处理单元、声道等运行情况的监测, 并保存相关运行数据, 与历史运行数据进行对比, 确定流量计是否运行正常。其四, 故障报警: 当超声计量系统中的设备发生故障时, 诊断系统应及时报警, 并显示报警详细信息, 包括故障设备、故障时间、故障描述和处理建议, 同时保存报警记录。其五, 系统功能: 诊断系统应具备所有日常计量数据报表的生成功能, 对于诊断类报表, 系统应每日自动生成并存储, 且可方便查询利用; 可以根据需要配置用户及其权限, 保证系统的安全性; 除了从服务器本地进行访问外, 还应允许授权用户从外部网络访问; 对所存储的数据可定期自动维护, 用户也可方便地进行数据更新和备份。

2.   诊断平台的实现

2.1   应用条件

西气东输管道是国内现役距离最长、输量最大、自动化程度最高的天然气管道之一, 整个管道系统共有站场70余座, 其中设置超声流量计的计量站22座, 分输量占总输气量的70%以上。超声流量计量系统主要设备均为Emerson公司产品, 超声流量计为Daniel 3400系列, 流量计算机为S600型, 配套组分分析仪器为Daniel 570型气相色谱仪。为加强对超声计量设备的管理, 开发了超声计量系统远程诊断平台(CBM)。

2.2   平台构成

诊断平台由现场计量仪表、远程通信网络和控制中心设备(主服务器、数据采集处理器和数据库服务器)组成(图 1)。

图  1  超声计量系统远程诊断平台结构示意图

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现场计量数据通过远程通信网络传输至控制中心数据采集器, 采集器对数据进行分类处理后存入实时数据库, 主服务器利用实时数据库进行数据诊断, 并向操作用户提供图形转化、报警、报表等服务。超过一定期限(一般设置为1个月)的数据将自动进行处理后归档存入历史数据库中。

2.3   网络构建

保证现场设备至各访问点的网络通畅是远程诊断的前提, 为此需要完成3个方面的工作。

首先, 组建站场以太局域网络。将站场计量仪表的以太网络接口与站场中的网络交换机相连, 并为所有计量设备分配统一的IP地址和网关, 使站场内所有有关计量仪表的局域网互联互通。温度、压力参数通过流量计算机上传。对于不具备以太网通信功能的超声流量计电子单元Mark Ⅱ, 应升级为Mark Ⅲ, 对气相色谱仪则增加以太网卡。

其次, 组建计量站场与控制中心之间的远程数据传输网络。从计量站场到控制中心之间, 利用管道同沟敷设的光缆进行网络通信。为了确保计量诊断数据功能的安全、稳定和高效, 开通2M带宽的独立通道。对部分无光缆通信的支线站场可利用公共数字通信网(DDN)进行通信。

最后, 设置控制中心的VPN访问控制机制。为使授权用户能够从外部网络与诊断平台进行通信, 需开通诊断平台的VPN通信服务功能, 这需要与当地电信运营商进行配合。

2.4   控制中心软硬件配置

诊断平台采用GE公司的iFix组态软件进行数据采集处理和人机界面的功能开发, 历史归档数据的存储利用微软公司的SQL Server数据库。控制中心配置1台iFix主服务器, 用于诊断平台人机界面主程序的运行; 另配置1台数据库服务器, 用于数据库软件的运行, 同时也提供浏览器方式访问数据库的服务。为了保证现场数据采集的及时性, 设置4台专用计算机作为数据采集器, 每台采集器采集对应的5座或6座站场的数据。数据采集器安装iFix STD 75 I/O运行版软件, 支持MODBUS TCP协议的OPC驱动器MBE。iFix STD 75 I/O对MBE驱动器进行控制并对其管理的计量站进行循检, 将采集的数据直接存入采集器自身的实时数据库中。

3.   诊断平台的应用

3.1   监视与报警

监视与报警是诊断平台的基本功能。根据远程诊断平台的主界面(图 2, 无锡站), 当该站超声计量系统中的设备发生故障时, 诊断界面中相应的计量站图标变为红色, 并显示报警详细信息, 包括故障设备、故障时间、故障描述和处理建议。进入该站显示画面, 即可方便地查看各回路的有关参数; 点击流量计算机图标, 还可查看流量计算机在用的压力、温度、压缩因数及组分数据等参数。

图  2  西气东输管道超声计量系统诊断平台主界面

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3.2   计量系统自动诊断

诊断平台根据采集到的现场计量仪表原始数据自动进行流量计算, 实时核查流量计算机的计算结果, 发现异常即刻报警, 起到了在线自动监控的作用。通过对超声流量计进行远程自动诊断, 可即时显示现场流量计的接收率、增益、流速剖面系数、信噪比等参数, 且诊断平台每天自动生成所有计量站流量计的回路诊断报告, 维护人员只需定期查看报告, 即可掌握每台流量计近期的运行状况(图 3)。

图  3  西气东输管道超声计量系统回路诊断界面

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3.3   远程维护

通过该平台, 工程师无需再奔赴现场就能方便地查看设备运行参数, 分析设备的故障原因, 及时向现场下达处理指令。通过VPN访问功能, 在全世界任何可接入因特网的地方均可指导现场进行维护作业, 便于邀请外方专家处理高难度技术问题。

3.4   使用中检验

通过平台内嵌的专业软件(KELTON)计算理论声速, 形成符合检定规程测量数据要求的声速核查报表后, 即可远程进行超声流量计的使用中检验, 极大地降低了检定成本和时间。根据文献[1]的相关要求, 超声流量计若每年进行一次使用中检验, 则可将检定周期由2年延长至6年。目前, 国家石油天然气大流量计量站南京分站已对诊断平台的该项功能进行了确认, 并利用该功能对西气东输管道上海站、甪直站、常州站、扬子扬巴站等多台超声流量计实施了使用中检验。

3.5   计量数据存档

在贸易计量中, 原始数据的记录存档是必不可少的, 但目前的流量计算机由于寄存器容量的限制, 一般只保存一个月之内的数据, 且容易因断电、重启等操作导致数据丢失。利用诊断平台的SQL Server数据库管理功能, 海量数据存储和集中数据备份可轻易完成, 同时可详细记录现场任何人为的数据改动, 杜绝了现场人为修改数据并清理痕迹的可能性。

3.6   远程组态和培训

诊断平台内嵌了超声流量计、色谱分析仪等设备的组态软件(CUI、MON2000), 依靠平台构建的网络进行远程访问, 可实现对每一台流量计、色谱分析仪的操作和组态。

通过远程网络访问, 接受培训的设备维护人员能够方便地访问任何指定的计量设备, 解决了现场培训时实际操作机会过少的问题。同时, 通过为用户设置限制性权限, 可避免因误操作而导致的计量事故。

远程诊断平台不仅是为用户提供远程访问超声计量设备的网络, 更是集计量数据监视、自动诊断、流量核查、数据处理等多功能为一体的综合性诊断平台。目前西气东输管道已完全实现了对全线22座超声计量站共64个计量回路的远程自动诊断, 有效实现了对计量系统的实时监控, 大大提高了计量管理的效率, 开创了长输管道贸易计量管理的新模式。