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★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(mào)易計量數(shù)據(jù)分析是每個天然氣輸送企業(yè)都會重點考慮的問題，直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟效益，通過智能判斷計量支路處于比對運行狀態(tài)，并對運行過程中的計量數(shù)據(jù)進行采集和分析，建立智能比對模型，及時對計量設(shè)備出現(xiàn)測量偏差提供設(shè)備故障報警信號。并對計量設(shè)備運行數(shù)據(jù)的深度挖掘分析，形成一系列診斷指標(biāo)和方法，及時發(fā)現(xiàn)其潛在的問題，為檢修、維護提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：貿(mào)易計量設(shè)備；在線監(jiān)測系統(tǒng)；設(shè)計管理

1 現(xiàn)狀和目標(biāo)

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

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

2 設(shè)計思路和內(nèi)容構(gòu)成

2.1 管網(wǎng)輸差實時動態(tài)計算及監(jiān)控

管道輸送是天然氣運輸?shù)闹饕ぞ撸L輸管道的首末分別是氣田和用戶，我國的管道租用呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)布置，具有長、點多、面廣的特點，在資源計量方面一般都是在進氣點、出氣點安裝計量設(shè)備。天然氣在輸送過程中均會因儀表精度、人員操作及計算方法等原因，造成進銷資源不平衡，也就產(chǎn)生輸送輸差。輸差在輸送過程中是必然會存在的問題，但如何將輸差控制在合理范圍內(nèi)，是管理管理企業(yè)面臨的技術(shù)問題，也是考核經(jīng)營管理水平的關(guān)鍵指標(biāo)。

傳統(tǒng)的輸差管理方式多采用人工對昨天進氣和供氣點輸氣量進行簡單的匯總，通過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(diào)度的依據(jù)。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(yīng)也會有一定的延遲，安全生產(chǎn)存在漏洞。

針對人工統(tǒng)計的不足之處，我們采用在線實時計算的方式。根據(jù)天然氣管網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)，綜合考慮元件、節(jié)點在水力學(xué)、熱力學(xué)和拓?fù)鋵W(xué)上的相互關(guān)系，建立天然氣管網(wǎng)的輸差計算模型，通過從PI數(shù)據(jù)庫和本地數(shù)據(jù)庫中采集天然氣管網(wǎng)的進氣量、輸氣量、自用氣量以及放空氣量數(shù)據(jù)，并結(jié)合管網(wǎng)管容的變化量，實時計算天然氣管網(wǎng)輸差。上述輸差分為絕對輸差和相對輸差，主要包括：時輸差、日輸差、周輸差、月輸差、年輸差等，相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲在本地數(shù)據(jù)庫中。同時以圖、表、文字等表現(xiàn)方式展示分析過程及分析結(jié)果，并能智能給予相應(yīng)的決策建議，另外根據(jù)輸差參數(shù)指標(biāo)，如日波動幅度、日輸差變化速度等進行檢測判斷，出現(xiàn)異常及時通過系統(tǒng)界面報警及短信方式進行報警信息推送。

2.2 計量設(shè)備智能計量比對

系統(tǒng)通過從PI數(shù)據(jù)庫中讀取相關(guān)聯(lián)閥門的開關(guān)狀態(tài)、開度大小，以及流量計的流量數(shù)據(jù)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(tǒng)在確認(rèn)計量支路處于比對運行狀態(tài)后，通過讀取PI數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)計量數(shù)據(jù)，按照計量比對分析方法，計量比對持續(xù)時間一般大于24小時，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、時間分段模式、平均時間分段模式、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(biāo)準(zhǔn)體積流量、溫度、壓力等項目的比對分析。

在線比對過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）并對比對運行過程中的計量數(shù)據(jù)進行采集和分析。（3）由征兆和其他診斷比對知識來識別系統(tǒng)的狀態(tài)，對異常表計進行分類判斷和定位。在線比對的過程可以看作一系列過程數(shù)據(jù)集的轉(zhuǎn)化，即測量—比對—決策—故障分類和定位。

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(dāng)表計FT301和表計FT302處于串聯(lián)狀態(tài)時，且流量計瞬時工況數(shù)據(jù)大于0且維持時間大于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(xiàn)測量偏差，再通過多個診斷周期的疊加判斷，確認(rèn)表計的最終狀態(tài)。

關(guān)鍵點在與根據(jù)輸入的工況流量、累計流量、溫度、壓力及持續(xù)的時間進行計算，并通過多個比對周期的疊加，提高比對判斷準(zhǔn)確率，具體流程如圖2所示。

圖2 流量計比對流程

流量計在線智能比對，即通過工況流量、標(biāo)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(xí)等手段建立比對模型，利用人工智能的方式（包括專家系統(tǒng)、模糊邏輯、因果分析等）自動完成整個比對和診斷過程。

計量比對模塊可實現(xiàn)同一計量設(shè)備不同運行時段、不同計量設(shè)備相同運行時段的狀態(tài)參數(shù)比對，以分析計量設(shè)備可能存在的異常。對于同一計量設(shè)備不同運行時段的狀態(tài)參數(shù)比對，可分析計量設(shè)備的變化趨勢進行預(yù)測和報警提醒，并通過各種數(shù)據(jù)處理與分析方法（如多元統(tǒng)計方法、聚類分析）[4]挖掘出數(shù)據(jù)中隱含的信息，從而形成一系列診斷指標(biāo)和方法，及時發(fā)現(xiàn)其潛在的問題，為檢修、維護提供決策依據(jù)。

2.3 精準(zhǔn)管網(wǎng)管存動態(tài)計算

天然氣長輸管道管存是指管道中實際儲存的天然氣在標(biāo)態(tài)下的體積，是反映管道運行時的壓力、溫度、運行配置以及運行效率的綜合指標(biāo)，是控制管道進出氣平衡的重要指標(biāo)。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(shù)輸氣管道管存采用穩(wěn)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(jù)氣體狀態(tài)平衡方程推導(dǎo)得出。管道系統(tǒng)的實際運行工況是連續(xù)變化的非穩(wěn)態(tài)過程，使用穩(wěn)態(tài)公式計算存在較大誤差。為精確地計算天然氣長輸管道管存，應(yīng)更加精準(zhǔn)地計算管段氣體的溫度、壓力及壓縮因子。根據(jù)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(shè)計參數(shù)較多且較為復(fù)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(zhǔn)。

為驗證管存計算精度，對天然氣管道2020年1月份管存進行計算，用TGNET軟件模擬日管存變化，計算所用到的數(shù)據(jù)均取自管道SCADA系統(tǒng)，由結(jié)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(shè)備性能在線診斷

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

遠(yuǎn)程在線診斷是將遠(yuǎn)程采集到的流場和流量計的參數(shù)通過數(shù)學(xué)模型計算得出參數(shù)與參考值比較，從而判斷流量計運行狀態(tài)是否正常。

遠(yuǎn)程在線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(yuǎn)程采集到的天然氣溫度、壓力、組分等參數(shù)通過數(shù)學(xué)模型計算得出）^[3]進行比較，計算兩種偏差并判斷其是否符合相關(guān)規(guī)定。遠(yuǎn)程在線診斷項目包括增益、信號接收率、信噪比、脈動比、各聲道聲速與平均聲速的偏差、剖面系數(shù)、旋窩角、對此性系數(shù)、橫向流系數(shù)等。

3 實施內(nèi)容和效果

本項目已經(jīng)進行部署運行，現(xiàn)在對管網(wǎng)用于貿(mào)易比對的30臺流量計進行實時采集和比對分析，同時設(shè)立了網(wǎng)頁端的管理平臺，可通過網(wǎng)頁對監(jiān)測、報警的實時信息進行查看：首頁提供了各類型設(shè)備狀態(tài)總覽，可直觀看到設(shè)備最新狀態(tài)、最新的比對記錄以及對應(yīng)的計算過程畫面，各設(shè)備的實時、歷史數(shù)據(jù)記錄可在分設(shè)的單獨頁面進行查看，在具體類型的頁面中可指定查看該類型下屬設(shè)備的比對記錄和報警歷史記錄。

通過實測驗證，天然氣貿(mào)易計量數(shù)據(jù)在線智能分析系統(tǒng)實現(xiàn)瞬態(tài)監(jiān)控，包括設(shè)備狀態(tài)、流量、管輸效率變化趨勢，并進行設(shè)備周期檢測的智能預(yù)測。由模型輸出圖形，當(dāng)初始異常時，將進行提醒。

隨著天然氣貿(mào)易計量數(shù)據(jù)在線智能分析系統(tǒng)在管網(wǎng)的成功試點，管網(wǎng)將進一步優(yōu)化管理流程，利用數(shù)據(jù)變化趨勢進行數(shù)據(jù)分析，并通過大數(shù)據(jù)模型、機器深度學(xué)習(xí)模型來實現(xiàn)預(yù)測預(yù)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(jié)論

天然氣貿(mào)易計量數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的建設(shè)提高調(diào)度人員分析的效率和準(zhǔn)確性，每年可節(jié)省大量人力和物力，降低公司經(jīng)營成本，同時實現(xiàn)了對計量設(shè)備在線核查和劣變趨勢分析，實時掌控計量設(shè)備性能變化狀態(tài)，為檢修提供決策依據(jù)，同時提高天然氣貿(mào)易計量設(shè)備管理水平。

此系統(tǒng)不僅可以遠(yuǎn)程獲取計量設(shè)備運行信息，還能實時監(jiān)測計量設(shè)備自身狀態(tài)、運行狀況和性能，自診斷信息的及時上報，對管網(wǎng)運營單位的管理發(fā)揮重要作用，通過收集計量設(shè)備運行的相關(guān)信息，結(jié)合采集到設(shè)備生命周期內(nèi)的誤差監(jiān)測管理，進行大數(shù)據(jù)分析，可提前預(yù)測計量設(shè)備運行趨勢，針對于計量設(shè)備的更新?lián)Q代做好有計劃的更換，可以使管網(wǎng)建設(shè)更加高效、便捷、智能化。

作者簡介：

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(xiàn)：

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摘自《自動化博覽》2022年11月刊