天然氣計量檢定智能化技術(shù)探索與展望

王濤

摘要：隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，主要國際管道公司開始建設(shè)數(shù)字孿生體和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，天然氣計量檢定跟蹤技術(shù)發(fā)展趨勢，探索智能化計量檢定研究，實現(xiàn)智能技術(shù)與計量檢定的融合。另外，從在線實流檢定校準、計量技術(shù)升級等方面對天然氣計量檢定智能化技術(shù)進行了展望。

關(guān)鍵詞：天然氣;計量檢定;智能化

在天然氣的實流檢定過程中，諸如流程切換、流量調(diào)節(jié)、檢定操作等，主要由檢定員手動進行，檢定結(jié)果也受檢定員工作經(jīng)驗與操作習慣影響。中高壓天然氣計量檢定系統(tǒng)復(fù)雜程度高，流量調(diào)節(jié)精度要求高，難以精確控制天然氣實時流量，處理時滯調(diào)節(jié)不能快速達到預(yù)期流量。檢定過程應(yīng)具有穩(wěn)定準確的流量，傳統(tǒng)的手動調(diào)節(jié)需在多個工藝系統(tǒng)和閥門之間不斷調(diào)整，即便操作人員經(jīng)驗豐富，在長期的操作過程中依然存在工藝調(diào)節(jié)錯誤、超流量、超流速的風險。

一、檢定智能化研究與應(yīng)用

1. 基于站控系統(tǒng)，建立工藝模擬仿真模型，利用物理模型、歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)真實的生產(chǎn)狀態(tài)，集成多物理量的仿真過程，在系統(tǒng)內(nèi)完成映射，直觀形象地對工藝流程進行數(shù)字化管理，從而控制閥門開關(guān)邏輯并將調(diào)節(jié)命令下達至調(diào)節(jié)閥進行動作。對檢定系統(tǒng)進行智能化升級，完成標準裝置自動確認、自動核查檢定數(shù)據(jù)有效性、檢定任務(wù)自動啟動、流量點自動計算及設(shè)定、流量壓力溫度穩(wěn)定性自動判斷、檢定結(jié)果智能判斷等工作，實現(xiàn)檢定全過程的實時監(jiān)控，以及智能分析處理檢定結(jié)果。

2. 基于數(shù)字孿生體的智能檢測。研究設(shè)定合理的約束條件，利用水力仿真軟件應(yīng)用工藝管線布置、配置運行數(shù)據(jù)、設(shè)備技術(shù)參數(shù)以及檢定數(shù)據(jù)，建立工藝管網(wǎng)水力分析的穩(wěn)態(tài)模型;建立一種用于設(shè)計和調(diào)節(jié)壓力、流量的智能控制器，并利用歷史數(shù)據(jù)驗證，開發(fā)實時數(shù)據(jù)學習的自動學習算法、用于優(yōu)化檢定系統(tǒng)過程控制的分析預(yù)測方法，使得水力仿真與智能控制器的預(yù)測模型精準匹配，并快速驗證方案優(yōu)劣，比較分析最佳方案。檢定任務(wù)需求下達給數(shù)字孿生體，通過仿真模型多次迭代，快速將最優(yōu)指令下達給站控系統(tǒng)智能切換邏輯，按照檢定校準規(guī)程進行檢定或校準。

3. 根據(jù)大量數(shù)據(jù)和動態(tài)調(diào)整生產(chǎn)計劃。智能檢定和控制管理平臺可以統(tǒng)一管理檢定工作，包括組織制定檢定計劃、合同處理、樣品接收、檢定和校準操作、流轉(zhuǎn)檢定和校準證書等。該系統(tǒng)包括一個在線系統(tǒng)、一個APP系統(tǒng)和一個微信公眾號，可以通過在線演示、文件導(dǎo)出、模型打印等三種方式輸出數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)合控制時間和流量計參數(shù)計算出的最佳流量計組隊和安裝方案，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)得檢定校準計劃安排與實時調(diào)整。樣品接收發(fā)送部分采用立體倉庫匹配智能堆放系統(tǒng)，實現(xiàn)流量計的自動輸送和自動堆垛，減少人工操作所導(dǎo)致的錯誤，完成檢定樣品的自動收發(fā)環(huán)節(jié)。

4. 完整性計量標準技術(shù)。（1）定期比對計量器具。對于標準計量器具，每周抽取溫度變送器送實驗室進行比較，每周通過壓力變送器進行在線比較，每天在線比對色譜儀的分析結(jié)果，并結(jié)合設(shè)備的不確定性進行合理比較。（2）在線核查計量標準。作為評價數(shù)據(jù)分析技術(shù)測量標準的有益試驗，工作層標準智能控制系統(tǒng)的受控制圖方法采用在線評價技術(shù)。分析流量計的歷史數(shù)據(jù)，使用控制圖法構(gòu)建動態(tài)報警閾值模型，根據(jù)測量標準的不確定性定義控制閾值，實時檢測測量標準流量計的變化。如果超過了動態(tài)警告限制，則當檢測限制要求加強質(zhì)量監(jiān)視、確保檢定或校準狀態(tài)時，被報警有問題的管路將停用。在此基礎(chǔ)上，可以實時檢測標準裝置的偏差和趨勢，提高其檢測價值水平，實時保證測量標準的準確性和可靠性。

二、天然氣計量誤差產(chǎn)生的原因

1. 由于安裝不到位，出現(xiàn)了流量安裝條件與檢定規(guī)程規(guī)定發(fā)生了較大偏差。流量計的合理安裝實際上是非常重要的，在實際中，安裝條件因現(xiàn)場情況不同而異。在天然氣使用過程中， 頻繁波動的流量、量程超標和脈動流等問題也會造成誤差。脈動流主要是由于管道中的氣體壓力和流速突然波動形成的， 如果節(jié)流裝置中有脈動流存在， 在計量過程中， 就會出現(xiàn)較大的誤差。例如，由于安裝臺位布置不同，或多或少存在流量計安裝在不合理位置的地方，因此流量計的安裝不到位可能導(dǎo)致流量計計量產(chǎn)生較大的誤差。

2. 天然氣從地層開采出來經(jīng)過了過濾、除塵和分離等處理措施， 但依然存在處理不徹底的情況，固液雜質(zhì)殘留在流速突變和管道截面收縮等位置， 容易出現(xiàn)測量誤差。另外， 這些雜質(zhì)還會沖刷腐蝕管內(nèi)壁等位置， 造成實際尺寸與設(shè)計數(shù)據(jù)不符，造成測量精度降低。另外， 天然氣的含水量也會對計量誤差造成一定的影響。

3. 配套計量儀表引起的誤差。天然氣計量系統(tǒng)配套的壓力、溫度、組分檢測儀表都會引入一定的不確定度，合成流量計自身的計量不確定度，會使整個計量系統(tǒng)的不確定度等級明顯降低。另外，天然氣管道內(nèi)存在的節(jié)流裝置或凸入物，流量調(diào)整器的安裝和選擇不合適，也會導(dǎo)致計量誤差。

三、天然氣計量檢定智能化展望

1. 在線驗證和校準技術(shù)。今后，將開發(fā)一體化平臺，利用大型平臺和虛擬化應(yīng)用程序模型來整合邊緣計算和云計算，以提高數(shù)據(jù)處理能力。利用儀器制造商的先進儀器和數(shù)字設(shè)備、設(shè)計部門制定的工藝和儀器參數(shù)、項目實施人員提供的安裝信息、校準數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的運行情況，從而實現(xiàn)計量設(shè)備的在線驗證和校準。

2. 計量技術(shù)的智能更新。隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)和數(shù)字化現(xiàn)場儀器的發(fā)展，可以利用儀器實時發(fā)送數(shù)據(jù)和報警信息。數(shù)據(jù)中心利用人工智能、專家經(jīng)驗和大數(shù)據(jù)分析工具，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析和人工智能的多維、多類型和多周期應(yīng)用，為計量管理提供可靠的基礎(chǔ)，為決策制定提供有效支持。

3. 計量技術(shù)產(chǎn)業(yè)化平臺。建立一個基于計量標準和計量跟蹤系統(tǒng)的國家天然氣計量智能服務(wù)平臺。利用科研機構(gòu)、高等教育機構(gòu)、企業(yè)等資源，創(chuàng)造一個開放共享的計量研究和實驗環(huán)境，研究關(guān)鍵工業(yè)領(lǐng)域的天然氣特性和測量參數(shù)，并基于服務(wù)產(chǎn)品的整個生命周期開發(fā)智能實驗標準和檢測儀器，改善數(shù)據(jù)交互，提高檢測工具的自我診斷能力。

天然氣計量檢定的智能化研究和管理，不僅能夠大大降低安全管理風險、智能管控風險、合規(guī)風險，還能顯著提高檢定機構(gòu)的運行效率，節(jié)省了大量人力和物力資源。

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