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管道研究

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超声波流量计CBM系统在输气管道上的应用

来源:《管道保护》2021年第4期 作者:王康 时间:2021-8-19 阅读:

王康

太原燃气集团有限公司


摘要:使用两个不同厂家的超声波流量计,采取自行网络链路架构的方式,实现不同通讯模式下的网络链路搭建,使不同协议输出的超声波流量计远程诊断(CBM)功能在同一SCADA通讯网络中共同实现。将计量系统中各标准设备的实时数据通过光纤等网络方式传输至控制中心,通过对超声波流量计的自诊断参数(增益值、信号质量、信噪比、流量特性、声速)监测和声速核查来完成流量计的在线诊断。为输气生产中的工艺、计量等故障分析提供了重要依据,提高了计量管理工作水平。

关键词:超声波流量计;CBM系统;计量系统


超声波流量计是一种非接触式仪表,没有可移动部件,具有无压降损失、测量准确度高、智能程度高、可双向测量等优点,被广泛应用于天然气贸易计量。如何确保流量计精准、高效运行,超声波流量计远程诊断(Condition Based Maintenance,CBM)系统的应用,有效解决了这一难题。CBM系统可以对贸易交接计量系统实时监控,实时采集和分析相关计量数据,对各种故障和异常情况及时报警提示,确认计量系统的运行状态;定期地对贸易交接计量系统进行诊断,发现其微小变化及时调整和处理,始终保持计量系统的高性能;对现场进行远程访问、诊断,提高计量系统故障响应处理速度;基于对计量系统实际状态的实时监测,可诊断和预测维修需要,合理安排设备未来的维修调度时间。

1  输气管道概况

榆次—晋源输气管道设计压力4.0 MPa,管径D813 mm,设计年输气量为10.9×108 m3/a、最大日输气量为405×104 m3,管线全长23.3 km,气体在晋源区管理站过滤、计量、调压后直供嘉节电厂。管理站工艺由正输两路和反输两路管线及相关设备组成,均为一用一备。正输两路各安装一台elster Q.Sonicplus超声波流量计,反输两路各安装一台DANIEL3400型超声波流量计,流量计口径均为DN300,4台流量计均为商业贸易计量用。

按检定标准要求,流量计每两年标定一次,其拆卸、转运、标定、安装、调试不仅成本费用高而且大大增加了设备的损坏风险。因此,管理站4台流量计安装了CBM系统,以便及时发现隐患、排除故障、主动采取预防性维护。

2  CBM系统构建

管理站CBM系统是在原有计量系统硬件基础上,通过增设网络延伸器等通讯方式和服务器,将超声波流量计、流量计算机、温度/压力变送器、色谱分析仪的数据传输至管理站的CBM专用计算机,直接在站场进行CBM系统操作;管理站的数据通过原有光纤网络传送至公司调度室和集团调控中心CBM专用计算机,可实现对管理站计量系统远程诊断操作。

2.1  DANIEL流量计远程诊断网络构建

2台DANIEL超声波流量计支持TCP/IP通讯协议输出,因此只需增加网络延伸器,即可建立现场超声波流量计以太网端口与局域网交换机再到场站控制室SCADA监控终端(客户端)的局域网通信链路。依托站控系统与调控中心之间原有的通信光纤,实现站控系统局域网交换机到调控中心网络交换机的通信链路,然后对超声波流量计、流量计算机配置统一的IP网络连接,便可在公司调度室和集团调控中心的客户端上实现对现场流量计的远程诊断功能(图 1)。



1 DANIEL流量计CBM系统结构示意图


2.2  elster流量计远程诊断网络构建

2台elster超声波流量计现场诊断输出为Modbus通讯协议的485信号,需增加亚当模块将485信号转换为232信号,再经过MOXA协议转换器将232信号Modbus协议转换为TCP/IP协议输出,实现不同信号输出协议的转换统一,利用已构建的IP协议传输链路,对MOXA协议转换器、流量计算机配置统一的IP网络连接,利用站控系统与公司调度室和集团调控中心已有的SCADA通讯路由,即可实现远程客户端的诊断功能(图 2)。



2 elster流量计CBM网络结构示意图


管理站构建的两套CBM系统通过iFix软件对计量系统的数据进行管理,管理站、公司调度室、集团调控中心均可使用iFix软件的数据库服务器实现对站场计量系统各项数据进行实时监测、故障报警查询、流量计自诊断、声速核查等功能,及时发现问题并排除隐患。

3  CBM系统应用

3.1  诊断基本参数

超声波流量计诊断是CBM系统的核心,有5个基本参数[1]。

(1)增益值—识别问题探头及脏污情况。增益表示为达到所需的振幅强度,需要对接收到的信号增强的幅度。大部分厂家生产的超声波流量计能够对声道的信号进行自动增益,以保证信号发送的强度,避免因各种原因产生的信号强度衰减而造成的信号丢失。如果自动增益值超过厂家规定的要求时,应检查管道压力。如果压力在正常工作范围内,应检查流量计是否脏污。如果有,可对超声流量计的探头表面脏污进行清理、换能器进行清洗,清理脏污后增益值变化将非常明显。

(2)信号质量—低流速下提示仪表健康程度。超声波流量计能对接收的信号进行判断,剔除伪值,随时对数值进行检验。正常工作的流量计接收信号的比例通常为100%,且各探头接收信号的百分比差异不大。如果流量计某个声道接收信号的百分比明显变小,则可能是因为流速较快所致;中低流速时信号质量低于90% ,有可能是探头表面脏污,应对仪器内部进行必要的检查。

(3)信噪比—发现噪音源、提示管道工艺状况。信噪比指信号强度与干扰噪声的比值,正常工作的流量计信噪比高于厂家规定的正常值,各声道信噪比差异不大,距离长的声道的信噪比略低。如果某个声道的信噪比远小于厂家规定的正常值范围,则表明噪音对信号的影响过大,可能产生如下问题:探测不到超声波信号,计量中止;探测到错误的超声波信号,从而导致计量错误。此时,需要将噪音的来源隔离或消除。

(4)流速特性—识别管道脏污、异物状况。流速分布根据流量计声道设计的不同而有所区别,它是计量管段运行情况的重要指标,其值应该控制在一定范围内,否则应检查流量计上游直管段运行状态。流速特性是流量计受脏污影响的最佳指示器,对保持精度非常重要,流速特性的变化会转换为仪表精度的微小变化,通过流速剖面分析可识别管道异物、脏污等。

(5)声速—计量回路的状态检查。可通过对流量计每个声道声速值与平均声速的比值来判断该声道是否存在脏污及有异物等问题。这种声速的比较一般包括在流量计的自诊断信息中,与气体组分、温度和压力无关,可以在流动状态下进行。

3.2  诊断参数标准

实时监测5个基本参数值并与Emerson厂家建议的诊断参数标准对比,可以发现流量计各声道相应数据与诊断指标的差异,据此可初步判断数据异常声道可能存在脏污或探头故障等,需对相应探头进行拆检,清除探头表面脏污或者更换、调整探头参数。定期进行声速核查,基本可以辨别超声波流量计的整体表现。Emerson厂家建议的诊断参数标准如表 1所示。


1 Emerson厂家建议的诊断参数标准



4  CBM系统功能

(1)提高计量的精度和重复性。通过诊断,若出现设备故障或性能下降、脏污物引起流量计及仪表的性能、精度发生变化时,系统能够自动识别,CBM系统监控画面可以实时显示并及时报警,在自动或手动生成的报告中有详细呈现,维护人员可据此及时处理。通过远程诊断各数据和动态趋势信息获得计量系统各设备和动态趋势信息,及时预测或发现问题,便于采取预防性维护,从而提高计量精度和重复性,减少因计量精度偏离造成的经济损失,延长设备寿命。

(2)延长超声流量计的检定周期。根据JJG 1030-2007《国家计量检定规程—超声波流量计》第7.4条规定:检定周期一般不超过2年,对插入式流量计,如流量计具有自诊断功能,且能够保留报警记录,也可每 6 年检定一次并每年在使用现场进行使用中检定。通过安装CBM系统延长超声波流量计检定周期的许可已在国内外多国获得通过,例如:2007年广东LNG实施CBM检验,延长了检定周期;中乌天然气管道通过采用CBM技术将超声波流量计检定周期延长为4年[2]等。通过对流量计运行工况的监测和判断,可以有计划地进行维护和确定再标定周期。

(3)远程会诊设备故障。当系统设备发生故障时,可以远程获得相关技术人员的精确会诊,通过远程网络快速分析故障原因,并及时进行故障处理。

(4)减少停车和非正常工作时间。通过预防性操作维护、远程故障诊断、系统升级,可以减少停车和非正常工作时间,减少因突发计量故障造成的上下游贸易纠纷。

(5)实现低投入高回报。在现有硬件投资的基础上进行资源整合,无需大量投入即可发挥现有设备的巨大潜能,从而提高输气生产运行的效益。目前,西气东输管道、陕京输气管道[3]、川气东送天然气管道[4]、西南油气田公司等大流量交接计量超声波流量计远程诊断系统投入运行,国家能源通道中亚、东南亚等地区天然气管道[5]等均设置了气体超声流量计远程诊断系统并取得了很好的使用效果。其重要性和必要性已经得到广泛认可,正逐步成为流量计运行维护的必备手段。

5  结束语

榆次—晋源输气管道通过采用CBM技术,大大提高了计量系统运行的可靠性,提高了计量精度和复现性,减少了贸易纠纷,提高了天然气输差原因分析的科学性。同时CBM系统对计量系统各种故障和异常情况实时报警,可及时进行计量设备维护保养,降低了维护成本。若通过CBM系统应用将检定周期延长为4年或6年获得许可,将节省大笔检定费用,为保障计量系统稳定运行、提高精细化水平发挥重要作用。

 

参考文献:

[1]李瑾.气体超声波流量计远程诊断介绍[C].中国石油和化工自动化第九届(10)年会 . 深圳,2010.

[2]魏广锋,陈子鑫,等.中乌输气管道超声波流量计远程诊断技术应用实践[J].油气储运,2014,33(7):794-798.

[3]李锴,牛树伟,高洪智. 超声计量系统的远程诊断[J]. 油气储运,2010,29(12):921-924.

[4]全凯,蒋大旭,赵刚. 超声流量计现场故障诊断及处理方法[J].计量与测试技术,2009,36(3):33-34.

[5]吴兆鹏,邓东花,柯琳,谭钰山.气体超声流量计远程诊断功能在中亚管道的应用[J].油气储运,2013,32(4):448-453.

 


作者简介:王康,1991年生,本科,助理工程师,毕业于西安石油大学油气储运工程专业,现就职于太原燃气集团有限公司,从事燃气输配安全管理工作。联系方式:15535105712,wangkang612327@163.com。

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