淺談超聲波流量計在榆濟天然氣管道上的應用

張偉峰 李強 李剛

摘要：較為系統地講述了超聲波流量計的優勢、工作原理及多通道數據計算方法。從榆濟管道實際應用出發，介紹超聲波流量計接入SCADA系統，實現計量數據遠程傳輸、處理及自動化控制的遠程數據網絡實現途徑。討論發展超聲波流量計遠程診斷技術相較于現場診斷的優勢，闡述遠程診斷的五項核心參數指標，并結合榆濟線實際情況介紹遠程診斷的必要性、實現方式及建設現狀。借此探討在新技術、新形勢下超聲波流量計管理方法的發展方向。

關鍵詞：超聲波流量計;遠程診斷;計量：榆濟管道

榆濟輸氣管道是中石化繼川氣東送管道之后北方地區首條大管徑、高壓力天然氣長輸管道，管網里程達1546.85公里，共設22座場站。投運10年來，累計輸氣逾405億立方米，為陜西、山西、河南、河北、山東等5省10市提供清潔能源，沿線千余家企業、近2億居民從中受益。2019年9月16日，鄂安滄輸氣管道一期工程建成投產，線路全長673.682km，進一步拓展了沿線省市地區的輸氣能力。

與國內外許多新建長輸天然氣管道一樣，榆濟管道大范圍采用了超聲波流量計作為貿易交接計量器具。相比于孔板、渦輪等傳統天然氣用流量計，超聲流量計具有計量精度高、量程大、結構簡單、耐污性好、維護成本低等優點，尤其適用于大口徑高壓輸氣管道的計量，近年來發展迅速[1]。

1 超聲波流量計原理簡述

以常見的時差式超聲波流量計為例，同通道的兩個換能器分別安裝在管道上下游，可發射和接收超聲波信號。超聲波信號在兩個換能器間傳播時受氣體流速影響，會產生傳播時間差。而氣體流速與此時間差理論上成正比。

實際應用中，氣體流速沿圓形管道截面的分布是不均勻的。因此常使用多通道測量不同徑向位置的氣體流速，經特定的函數及修正系數，計算獲得更準確的計量數據。

2 遠程數據網絡搭建

隨著國家管網改革推進，天然氣長輸管道的發展由“單線運行、流向單一、氣量較小、用氣穩定”的特點，逐漸向“聯網運行、流向復雜、用氣量大、峰谷差大”轉變，調控難度增加，對運行安全和優化程度的要求逐漸增加。調控管理模式也由“分散控制、分線管理”向“一級調度”即“統一調度指揮、分級管控負責”轉變。

“一級調度”具有優化資源調配、提高操作效率及準確性、快速應急處置、降低勞動強度、釋放人力資源等優點。實現“一級調度”需要具備良好的設備完備性、完善的控制邏輯、高效的通信網絡及可靠的自動化技術等條件。

通過沿線鋪設通信光纜，依托SCADA上位機系統平臺，榆濟線已建成了完善的局域網遠程通信鏈路，實現場站控制室、基層管理處、濟南調控中心的實時生產數據在線監控。

榆濟線現有局域網絡通過RCI接入第三方設備數據。如圖3所示，以目前應用普遍的埃爾斯特超聲波流量計為例，其與配套流量計算機通過Modbus協議進行通訊，經串口轉換后，由RCI轉為IEC104協議，與上位機通訊（包括站控室、管理處和調控中心）。

此外，通過SCADA上位機系統，還接入了ESD控制系統、電動閥門、計量儀表等其他第三方設備后。計量數據同其他設備信息的跨平臺、跨區域整合，大大促進了計量工作的遠程化、自動化、智能化。通過集成化遠程監控，可以及時掌握沿線輸氣情況，進而便捷、準確地實現計量交接管理、氣質組分檢測、輸差分析、調峰處理、到量停輸、恒壓供氣、緊急事故關斷等[3]。

3 超聲波流量計遠程診斷

3.1 實現超聲波流量計遠程診斷的意義

遠程診斷技術是針對超聲波流量計管理的一種高效解決方案，通過實時調取流量計數據，實現遠程分析和診斷。相比于現場診斷，其優勢在于：實現多種數據和動態趨勢的實時監控，保證計量的精度和重復性;方便技術人員采取預防性維護;降低了標定頻次，大大減少停用時間，節省大批費用;在沿線現有遠程數據網絡基礎上，無需額外大量投入，即可進一步發揮設備潛能，提高生產運行效率。

3.2 遠程診斷功能

遠程診斷系統主要實現超聲波流量計的流速特性、聲速特性、信號質量、增益值、信噪比等5項核心指標的監測和記錄。

當流量計精度異常時，遠程診斷系統通過對上述指標的實時監測，可自動識別并觸發報警和自診斷等相關功能。此外，結合色譜分析儀、壓力變送器、溫度變送器等相關計量設備的數據接入，可實現更加全面的遠程診斷分析。

3.3 現場應用

流量計與流量計算機間通過Modbus端口傳輸計量數據，而遠程診斷需要傳輸的數據相對較多。若共用此端口進行通訊，可能會降低流量計與流量計算機間的通訊成功率，進而影響到貿易交接。因此，更穩妥的方式是利用流量計、流量計算機的以太網口與遠程局域網實現通訊。

榆濟線現有的SCADA系統網絡架構，已能夠滿足構建遠程診斷系統的硬件需求：場站、管理處及調控中心現有的SCADA客戶端為標準計算機工作站，滿足遠程診斷相關數據的存儲和分析需求;色譜分析儀、壓力變送器、溫度變送器等相關計量設備已接入SCADA系統網絡架構;流量計算機已接入局域網絡。

2020年一季度，榆濟線緊抓技術發展的脈搏，利用現有遠程數據鏈路的優勢，率先實現了沿線超聲波流量計（含用戶方貿易計量用超聲波流量計）的遠程聲速核查。后續又添加了站內互聯互通區陜京線塔榆末站、用戶分輸圓恒門站的超聲波流量計聲速參數。借助SCADA上位機系統，已完成沿線超聲波流量計聲速特性參數的遠程、集成化存儲和分析，初步實現了對流量計計量回路狀態及測量準確度的檢測功能。

結束語

如何合理、高效地使用超聲波流量計，深入發揮其優勢，是當前天然氣長輸管線均需面對的課題。面對當前天然氣行業的發展形勢和國家管網資源整合的戰略需求，計量遠程診斷系統的重要性和必要性已經得到廣泛認可，正逐步成為流量計運行維護的必備手段。超聲波流量計、流量計算機、溫度變送器、壓力變送器及氣相色譜分析儀均已具備實現遠程維護及故障診斷的能力。我們要加快探索的步伐，深挖資源利用和技術革新，助力天然氣事業的積極發展。

參考文獻：

[1] 汲海波.超聲波流量計的應用[J].自動化應用，2012（1）：60-62.

[2] 董志勇.淺談超聲波流量計的基本原理及類型[J].計量與測試技術，2008（10 ）：8+10.

[3] 王哲，郭浩.天然氣站場的供氣計量[J].化工設計通訊，2019，45（03 ）：31.

[4] 王池，丘逢春，苗豫生，等.JJG 1030-2007 中華人民共和國國家計量檢定規程：超聲流量計[S].北京：國家質量監督檢驗檢疫總局出版社，2007.

[5] 李瑾.氣體超聲波流量計遠程診斷介紹[C].中國石油和化工自動化第九屆（2010）年會，深圳，中國，2010.

作者簡介：

張偉峰（1989-），男，助理師，西南石油大學，油氣儲運中心榆濟項目部技術員。719000、陜西省榆林市榆陽區駝峰路街道榆麻路老年公寓北中石化陜西維搶修中心。