★苏祥伟，俞舟平，俞宽，洪啸（浙江浙能天然气运行有限公司，浙江杭州310000）

摘要：贸易计量数据分析是每个天然气输送企业都会重点考虑的问题，直接影响到企业的经济效益，通过智能判断计量支路处于比对运行状态，并对运行过程中的计量数据进行采集和分析，建立智能比对模型，及时对计量设备出现测量偏差提供设备故障报警信号。并对计量设备运行数据的深度挖掘分析，形成一系列诊断指标和方法，及时发现其潜在的问题，为检修、维护提供决策依据。

关键词：贸易计量设备；在线监测系统；设计管理

1 现状和目标

天然气长输管道具有地理空间跨度较大、生产时效性较强、运行连续、压力高、流量大和计量点众多的特点，目前计量设备状态的管理主要是基于设备自身故障诊断，通过互联网技术实现了设备自身故障诊断的集中报警。但是对于计量设备来说，除了要求功能性完好，还对准确性有较高的要求。通常计量设备刚出现测量偏差时并不能产生设备故障报警信号，而当计量设备出现报警信号时，已经造成了较长时间的测量不准确。对于上述这种计量设备自身性能的劣变，计量设备自身无法完成自我诊断，需要借助外部系统对设备的性能状态进行分析、核查。计量设备的日常比对是检验计量设备是否计量准确的常用方法，但是目前该项工作完全由人工完成，由人工进行计量比对数据的采集、填报、分析和判断，据统计每年需要分析约2000份数据样本，耗时费力。由于供气点多、分析频次高、人工统计和分析流程繁琐，将导致分析周期长、效率低、易出错、异常无法及时发现等问题。

针对上述问题和现状开发一套集自动管存气计算、管网输差计算、计量比对分析、计量设备性能状态智能诊断于一体的系统，具有非常重要的作用。

2 设计思路和内容构成

2.1 管网输差实时动态计算及监控

管道输送是天然气运输的主要工具，长输管道的首末分别是气田和用户，我国的管道租用呈现网状结构布置，具有长、点多、面广的特点，在资源计量方面一般都是在进气点、出气点安装计量设备。天然气在输送过程中均会因仪表精度、人员操作及计算方法等原因，造成进销资源不平衡，也就产生输送输差。输差在输送过程中是必然会存在的问题，但如何将输差控制在合理范围内，是管理管理企业面临的技术问题，也是考核经营管理水平的关键指标。

传统的输差管理方式多采用人工对昨天进气和供气点输气量进行简单的汇总，通过总体的加减计算估算出管网的输差率，作为第二天管网调度的依据。这种方式不仅对于人力资源的消耗大，且对异常状况的反应也会有一定的延迟，安全生产存在漏洞。

针对人工统计的不足之处，我们采用在线实时计算的方式。根据天然气管网物理结构，综合考虑元件、节点在水力学、热力学和拓扑学上的相互关系，建立天然气管网的输差计算模型，通过从PI数据库和本地数据库中采集天然气管网的进气量、输气量、自用气量以及放空气量数据，并结合管网管容的变化量，实时计算天然气管网输差。上述输差分为绝对输差和相对输差，主要包括：时输差、日输差、周输差、月输差、年输差等，相应数据存储在本地数据库中。同时以图、表、文字等表现方式展示分析过程及分析结果，并能智能给予相应的决策建议，另外根据输差参数指标，如日波动幅度、日输差变化速度等进行检测判断，出现异常及时通过系统界面报警及短信方式进行报警信息推送。

2.2 计量设备智能计量比对

系统通过从PI数据库中读取相关联阀门的开关状态、开度大小，以及流量计的流量数据等，智能识别计量支路是否处于串联比对运行状态。系统在确认计量支路处于比对运行状态后，通过读取PI数据库中相应计量数据，按照计量比对分析方法，计量比对持续时间一般大于24小时，计量比对分析采用总体和分段方式，即需要计算总体计量比对偏差，以及各分段计量比对偏差，分段方式主要分为5种模式，主要包括流量分段模式、时间分段模式、平均时间分段模式、平均流量分段模式、综合模式^[2]。计量比对分析包括工况体积流量、标准体积流量、温度、压力等项目的比对分析。

在线比对过程一般包括以下步骤：（1）智能判断计量支路处于比对运行状态。（2）并对比对运行过程中的计量数据进行采集和分析。（3）由征兆和其他诊断比对知识来识别系统的状态，对异常表计进行分类判断和定位。在线比对的过程可以看作一系列过程数据集的转化，即测量—比对—决策—故障分类和定位。

图1 典型计量比对工艺流程图

如图1典型计量比对工艺流程图，当表计FT301和表计FT302处于串联状态时，且流量计瞬时工况数据大于0且维持时间大于5分钟，这可判断表计处于比对状态，利用建模模型判断其是否出现测量偏差，再通过多个诊断周期的叠加判断，确认表计的最终状态。

关键点在与根据输入的工况流量、累计流量、温度、压力及持续的时间进行计算，并通过多个比对周期的叠加，提高比对判断准确率，具体流程如图2所示。

图2 流量计比对流程

流量计在线智能比对，即通过工况流量、标况流量、温度、压力，偏差幅值、幅值变化率、分段分析、历史比较、深度学习等手段建立比对模型，利用人工智能的方式（包括专家系统、模糊逻辑、因果分析等）自动完成整个比对和诊断过程。

计量比对模块可实现同一计量设备不同运行时段、不同计量设备相同运行时段的状态参数比对，以分析计量设备可能存在的异常。对于同一计量设备不同运行时段的状态参数比对，可分析计量设备的变化趋势进行预测和报警提醒，并通过各种数据处理与分析方法（如多元统计方法、聚类分析）[4]挖掘出数据中隐含的信息，从而形成一系列诊断指标和方法，及时发现其潜在的问题，为检修、维护提供决策依据。

2.3 精准管网管存动态计算

天然气长输管道管存是指管道中实际储存的天然气在标态下的体积，是反映管道运行时的压力、温度、运行配置以及运行效率的综合指标，是控制管道进出气平衡的重要指标。管道管存计算对输差分析、损耗率分析等有重要的作用。

目前大多数输气管道管存采用稳态计算方法，计算管道平均温度、平均言论及平均温度下压缩因子，根据气体状态平衡方程推导得出。管道系统的实际运行工况是连续变化的非稳态过程，使用稳态公式计算存在较大误差。为精确地计算天然气长输管道管存，应更加精准地计算管段气体的温度、压力及压缩因子。根据管存气计算公式（1）

从微积分角度计算（P/TZ）zj精确值，由于公式设计参数较多且较为复杂，为减少计算误差，可对计算管道采用分段累加，分段越多计算越精准。

为验证管存计算精度，对天然气管道2020年1月份管存进行计算，用TGNET软件模拟日管存变化，计算所用到的数据均取自管道SCADA系统，由结果比对可知，迭代后的公式计算管存值与TGNET软件模拟值最相近，精度最高。

2.4 计量设备性能在线诊断

天然气长输管道具有地理空间跨度较大、生产时效性较强、运行连续、压力高、流量大和计量点众多的特点，目前计量设备状态的管理主要是基于设备自身故障诊断，通过互联网技术实现了设备自身故障诊断的集中报警。但是对于计量设备来说，除了要求功能性完好，还对准确性有较高的要求。通常计量设备刚出现测量偏差时并不能产生设备故障报警信号，而当计量设备出现报警信号时，已经造成了较长时间的测量不准确。对于上述这种计量设备自身性能的劣变，计量设备自身无法完成自我诊断，需要借助外部系统对设备的性能状态进行分析、核查。

远程在线诊断是将远程采集到的流场和流量计的参数通过数学模型计算得出参数与参考值比较，从而判断流量计运行状态是否正常。

远程在线检测采用声速检验法，将流量计测得的声速与理论计算的声速（将远程采集到的天然气温度、压力、组分等参数通过数学模型计算得出）^[3]进行比较，计算两种偏差并判断其是否符合相关规定。远程在线诊断项目包括增益、信号接收率、信噪比、脉动比、各声道声速与平均声速的偏差、剖面系数、旋窝角、对此性系数、横向流系数等。

3 实施内容和效果

本项目已经进行部署运行，现在对管网用于贸易比对的30台流量计进行实时采集和比对分析，同时设立了网页端的管理平台，可通过网页对监测、报警的实时信息进行查看：首页提供了各类型设备状态总览，可直观看到设备最新状态、最新的比对记录以及对应的计算过程画面，各设备的实时、历史数据记录可在分设的单独页面进行查看，在具体类型的页面中可指定查看该类型下属设备的比对记录和报警历史记录。

通过实测验证，天然气贸易计量数据在线智能分析系统实现瞬态监控，包括设备状态、流量、管输效率变化趋势，并进行设备周期检测的智能预测。由模型输出图形，当初始异常时，将进行提醒。

随着天然气贸易计量数据在线智能分析系统在管网的成功试点，管网将进一步优化管理流程，利用数据变化趋势进行数据分析，并通过大数据模型、机器深度学习模型来实现预测预警、业务优化和智能辅助决策，以支持管网降本增效。

4 结论

天然气贸易计量数据分析系统的建设提高调度人员分析的效率和准确性，每年可节省大量人力和物力，降低公司经营成本，同时实现了对计量设备在线核查和劣变趋势分析，实时掌控计量设备性能变化状态，为检修提供决策依据，同时提高天然气贸易计量设备管理水平。

此系统不仅可以远程获取计量设备运行信息，还能实时监测计量设备自身状态、运行状况和性能，自诊断信息的及时上报，对管网运营单位的管理发挥重要作用，通过收集计量设备运行的相关信息，结合采集到设备生命周期内的误差监测管理，进行大数据分析，可提前预测计量设备运行趋势，针对于计量设备的更新换代做好有计划的更换，可以使管网建设更加高效、便捷、智能化。

作者简介：

苏祥伟（1986-），男，山东枣庄人，高级工程师，硕士，就职于浙江浙能天然气运行有限公司，研究方向是天然气计量。

俞舟平（1988-），男，浙江杭州人，工程师，硕士，就职于浙江浙能天然气运行有限公司，研究方向是天然气计量。

俞   宽（1994-），男，浙江绍兴人，工程师，学士，就职于浙江浙能天然气运行有限公司，研究方向是天然气计量。

洪   啸（1992-），男，浙江金华人，助理工程师，学士，就职于浙江浙能天然气运行有限公司，研究方向是天然气计量。

参考文献：

[1] 金浩哲. 基于不平衡度的加氢空冷系统失效分析及优化研究[D]. 杭州: 浙江理工大学.

[2] 于国军. 天然气交接计量监控系统开发与应用[J]. 计量技术, 2017 (5) : 37 - 40.

[3] 韩斌. 计量管理中计量仪表数据采集系统的应用分析[J]. 中国高新区, 2019 (14) : 19.

[4] 史新云. 降低天然气管道交接计量误差的技术探讨[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2019, 39 (20) : 243 - 244.

摘自《自动化博览》2022年11月刊