超聲波流量計現(xiàn)場診斷CBM的意義課件

1、 2022/8/1 吳禹峰現(xiàn)場儀表設(shè)備1.1 超聲波流量計1.1.1基本概念超聲波計量系統(tǒng)的任務(wù) 準(zhǔn)確測量經(jīng)過在氣體輸送管道中安裝的超聲波流量計的天然氣量怎樣衡量天然氣的量A，體積計量：將經(jīng)過超聲波流量計的、在實際輸送狀況下的天然氣量轉(zhuǎn)換為某一指定狀態(tài)（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）下的天然氣量B，能量計量：將經(jīng)過超聲波流量計的、在實際輸送狀況下的天然氣量轉(zhuǎn)換為該氣量燃燒后可以發(fā)出的熱量1.1.2 天然氣計量系統(tǒng)的基本組成 1、工況流量測量儀表（如氣體超聲波流量計） 用于測量在管道中實際輸送狀態(tài)下的天然氣流量 2、溫度、壓力測量儀表（如溫度、壓力變送器） 用于測量管道實際輸送氣體的狀態(tài) 3、天然氣組成分析儀表（如

2、氣相色譜分析儀） 分析管道中輸送的天然氣成份，用于計算天然氣 的可壓縮程度或天然氣的可發(fā)熱程度4、計量二次儀表（如流量計算機(jī)） 綜合上述測量結(jié)果，計算出滿足貿(mào)易交接要求的量值1.1.3 丹尼爾超聲波流量計的發(fā)展歷史 八十年代初期, 英國煤氣公司開始研發(fā)四通道的超聲波流量計 1986: 英國煤氣公司授權(quán)Daniel公司作為唯一的開發(fā)商,進(jìn)一步開發(fā)該類型流量計的工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 1989: 第一臺模擬電路超聲波流量計順利出廠,在英國開始銷售并用于商業(yè)計量 1993: DANIEL公司采樣自動增益控制和數(shù)字信號處理技術(shù)改善了流量計的電子單元,提高了信號的保真度和流量計的精度 1994: DANIEL引

3、入防爆的Mark II電子處理裝置 1998: DANIEL開發(fā)出可在線拆裝的超聲波探頭器并可提供在線帶壓拆裝工具 2000: 中油西南分公司采用7臺DANIEL高級超聲波流量計用于貿(mào)易計量，向重慶和四川的大型天然氣用戶供氣。2001：大慶油田天然氣公司采用7臺DANIEL 中級超聲波流量計用于儲氣庫和內(nèi)部管線計量。2005: DANIEL 將Mark II升級為MarkIII電子處理裝置1.1.4 高含硫、帶有凝析液天然氣中使用超聲波流量計與孔板流量計的比較 精度 高級超聲波流量計精度:優(yōu)于0.5% 與孔板和渦輪流量計相比，精度不易受氣質(zhì)和分層的影響 孔板流量計在內(nèi)部骯臟的情況下,計量數(shù)據(jù)會

4、呈負(fù)偏差。DANIEL 超聲波流量計即使在表體內(nèi)部有大量污垢的情況下,仍能保持高精度. 高含硫氣體對儀表的壽命影響 硫化氫腐蝕孔板表面，造成金屬件疲勞，縮短壽命，具嚴(yán)重的安全隱患。超聲波內(nèi)部沒有可動部件，經(jīng)過特殊處理的內(nèi)表面可以耐受H2S的侵蝕，可延長維護(hù)保養(yǎng)的時間間隔。 無插入管道內(nèi)部的部件，即使管道中有殘渣也不會損壞儀表的任何組件。1.1.5 超聲波流量計的基本原理超聲波流量計的探頭 DANIEL 超聲波流量計是時間直通式超聲流量計 聲波由一個探頭發(fā)射另一個接收，不經(jīng)管壁反射 聲波由上游向下游傳輸?shù)臅r間(由于聲波被氣流推動)小于聲波由下游向上游傳輸?shù)臅r間(聲波被氣流反向阻擋) 這兩個時間之

5、差與氣流的速度存在某種關(guān)系 從上下游測得的傳輸時間可以計算出氣流的平均速度和聲波的速度本安型傳感器信號檢測回路高級超聲波流量機(jī)流量方程流量從上訴方程中求出多通道即多路流速測量權(quán)重因子僅取決于探頭的幾何分布情況!四通道超聲流量計流量計算的步驟 1. 測量每個通道的聲波傳輸時間 2. 計算每個通道的速度 3. 計算平均速度 4. 流速乘以截面積1.1.6 超聲波流量計現(xiàn)場診斷(CBM)的意義和影響 CBM 技術(shù)的發(fā)展變化和現(xiàn)狀 CBM技術(shù)的基本概念 CBM技術(shù)的應(yīng)用實例超聲波流量計現(xiàn)場診斷(CBM)的意義 超聲波流量計現(xiàn)場診斷(CBM)是一種基于現(xiàn)代技術(shù)的，關(guān)注于計量場站運(yùn)行管理的解決方案它可以實

6、現(xiàn)： 提高計量的精度和重復(fù)性 通過遠(yuǎn)程診斷獲取場站的各種數(shù)據(jù)和動態(tài)趨勢信息 方便維護(hù)人員采取預(yù)防性維護(hù) 減少昂貴的停車和非正常工作時間 有效計劃維護(hù)和再標(biāo)定周期，節(jié)約運(yùn)行成本 有效監(jiān)控各種設(shè)備的動態(tài)變化，延長設(shè)備壽命 在現(xiàn)有硬件投資的基礎(chǔ)上，無須大量投入就可以發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的巨大潛能， 從而提高生產(chǎn)運(yùn)行的效率1. CBM 技術(shù)的發(fā)展和演變: AGA10報告提出了SOS技術(shù)的論述，結(jié)合Daniel超聲波流量計診斷 軟件和的發(fā)展，逐步形成了以CUI/SOS技術(shù)為核心，同時結(jié)合溫度，壓力，氣體組分分析，場站控制，管路設(shè)計等多方因素影響最終形成了超聲波流量計現(xiàn)場診斷技術(shù)第一篇論述CBM的論文：Opera

7、tional Experience with USM in Fiscal Gas Service. North Sea Flow Mea. Workshop, 1998 根據(jù)AGA10號報告, ALLIANCE管線和加拿大計量局一起通過六年測試，獲準(zhǔn)每六年重復(fù)標(biāo)定計量用超聲波流量計自2000年起至今，英國殼牌公司在北海終端的DN300 Daniel 超聲波流量計開始每季度在Aukland, Bishop實流標(biāo)定，并使用CUI和CB記錄數(shù)據(jù),為CBM技術(shù)的成熟積累了大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗2005年月，在英國貿(mào)工部召開的會議上, CBM技術(shù)獲得了首個官方認(rèn)可2005年春，中國計量科學(xué)研究院開始編制新超聲波

8、流量計計量檢定手冊JJG198，明確提出：考慮在使用現(xiàn)場檢測等解決方案的基礎(chǔ)上，延長超聲波流量計的再標(biāo)定周期到年2005年，羅馬尼亞管線項目首先采用CBM解決方案2. CBM技術(shù)的基本概念Condition Based Monitoring CBM 基本介紹超聲波流量計多年前就已經(jīng)用于貿(mào)易交接計量,多個國家的管理機(jī)構(gòu),比如英國貿(mào)工部要求每年標(biāo)定客戶希望有可靠的診斷數(shù)據(jù)提示何時需要再標(biāo)定設(shè)計不同的超聲波流量計的高級診斷能力有很大差異本次討論“D”型聲道流量計的數(shù)據(jù)!Condition Based Monitoring (CBM)該理論表明，可通過數(shù)據(jù)診斷發(fā)現(xiàn)流量計性能,精度的變化通過CUI軟件能

9、夠自動的獲取儀表數(shù)據(jù)并加以分析 CUI 周期性的采集數(shù)據(jù)、生成Excel文件并形成圖形，可簡便地確定儀表的”健康”情況 CUI軟件生成周期性的數(shù)據(jù)的趨勢圖，幫助確定儀表的長期變化情況本次交流著重討論多數(shù)用戶經(jīng)常用到的五個基本診斷功能在Daniel Mark III 電子單元的“高級診斷”菜單中提供了附加信息用于支持CBM分析五個重要診斷信息的主要目的為當(dāng)儀表的精度發(fā)生變化時，系統(tǒng)能夠自動識別CBM的優(yōu)點(diǎn)為減少重新標(biāo)定的周期降低標(biāo)定周期可為為客戶節(jié)省大量的運(yùn)營費(fèi)用，同時保證場站的計量精度，減少錯誤計量或終止 計量造成的經(jīng)濟(jì)損失流量計故障診斷軟件五個重要的基本參數(shù) 增益值(Gain) 信號質(zhì)量(S

10、ignal Quality) 信-噪比(SNR) 流速特性(Velocity Profile) 聲速(Speed of Sound)增益值討論 流量計自動獲取增益值 根據(jù)介質(zhì)情況自動增加信號強(qiáng)度直至上限 增益隨壓力變化 增益隨高氣體流速而增加 增益可能隨臟污介質(zhì)情況而增加 污物很少能導(dǎo)致傳感器失靈各聲道增益值比較:D探頭發(fā)生問題的增益值正常的流量計趨勢圖定義趨勢圖由CUI Deluxe 軟件完成軟件將過去的維護(hù)日志自動轉(zhuǎn)化成Excel 圖形，用于察看/診斷儀表的變化情況所有重要參數(shù)均可察看其趨勢可以將多個Excel的維護(hù)日志合并成一個趨勢文件主要目的是準(zhǔn)確識別儀表性能在長期使用中的微小變化，該

11、變化較難通過單個維護(hù)數(shù)據(jù)來觀察到正常狀態(tài)下儀表增益趨勢圖傳感器故障狀態(tài)下增益趨勢圖增益值分析小結(jié)增益隨壓力變化會有所變化儀表有足夠的增益避免臟污對探頭的影響有足夠的時間識別有疑問的傳感器除非傳感器完全失靈，通常情況下儀表精度不會受到影響在計量出現(xiàn)偏差前,趨勢圖能快速識別潛在問題信號質(zhì)量(Signal Quality) 的定義 通常是儀表性能的重要表現(xiàn) 按通道表明脈沖的接受程度 不需100% 接受 如果不符合可用標(biāo)準(zhǔn)，脈沖信號將被拒絕采用 低流速下基本100% 接受 低于100% 不意味著精度的降低傳感器表現(xiàn)比較:小結(jié)信號質(zhì)量, 儀表表現(xiàn)Daniel超聲波流量計通常有100%信號質(zhì)量接近流量計所

12、允許的最大流速時,小于100%的信號質(zhì)量是可能發(fā)生的當(dāng)儀表內(nèi)流量僅僅達(dá)到最高流量的50%,但傳感器表現(xiàn)未達(dá)到100%時,應(yīng)對儀表進(jìn)行必要檢查小于100%的信號質(zhì)量不意味著精度偏差信噪比SNR: Signal-to-Noise Ratio 所有超聲波流量計都提供信噪比參數(shù) 不同的設(shè)計所提供的數(shù)據(jù)有所差別 提供了背景噪音的信息 有效處理減弱的信噪比在帶控制閥的計量站用CUI 獲取的信噪比(SNR)報告信- 噪比小結(jié)通常情況下流量計正常工作下有較高的SNR低信噪比（SNR）常常意味著控制閥噪聲的存在典型Daniel 超聲波流量計工作在大于1000 SNR信噪比小于250 會導(dǎo)致性能值小于100% 一

13、般情況下不會影響精度，直到信噪比（SNR）小于100流速剖面關(guān)鍵點(diǎn)儀表商有不同的聲道設(shè)計剖面分析依據(jù)設(shè)計而不同能夠診斷出整流器的工作狀況流速的變化 精度的降低周期性檢查使計量站的運(yùn)營更準(zhǔn)確可能是目前多數(shù)在用的超聲波流量計忽略的特性正常速度的剖面CPA50E CPA50E 部分阻塞整流器測試臟污介質(zhì)對精度的影響2004 NSFMW 論文說明幾臺SeniorSonic（高級超聲波流量計）儀表精度所受的影響較小大口徑儀表比小口徑的影響更小剖面系數(shù)較容易識別臟污情況污染現(xiàn)象在幾個月內(nèi)形成剖面系數(shù)是污染的最佳指示器SOS （聲速）與速度計算公式類似聲道流速的“健康” 檢查SOS 受氣體組分, 壓力和溫度

14、的影響氣體組分氣體組分, 壓力和溫度影響 一攝氏度引起SOS 0.23%的誤差 1 BAR 引起SOS 0.02%的誤差 氣體組分的影響很難用具體數(shù)值衡量16 16- 英寸SOS 在標(biāo)定實驗室的情況源于CUI 的反常SOS 分配圖用CUI Deluxe 軟件計算SOS 流量計實時計算SOSSOS 比較小結(jié)傳輸時間測量的有效性幫助辨別傳感器上是否有異物在中、低流速下進(jìn)行氣體組分的時間選擇非常重要良好的系統(tǒng)“健康檢查”應(yīng)用總結(jié) CBM 關(guān)鍵點(diǎn)超聲波流量計的5個基本診斷特性 增益, SNR(信噪比), 性能, 流速和SOS(聲速）監(jiān)測診斷可以辨別超聲波流量計的整體表現(xiàn)趨勢圖診斷對識別問題非常重要 剖

15、面系數(shù)較容易識別安裝儀表的管線的臟污情況 臟污不會對精度造成很大影響Mark III電子單元提供了高級診斷功能整流器提供穩(wěn)定的剖面系數(shù)剖面系數(shù)能夠準(zhǔn)確反映管線污染情況剖面系數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成儀表精度的微小變化趨勢圖診斷對長期的微小變化非常重要arkIII電子單元將安裝的預(yù)見性報警裝置將對即使解決儀表問題，延長再標(biāo)定周期起更大作用CBM是DANIEL的專利技術(shù)2.1 常用壓力表介紹彈簧管壓力表（彈性式壓力計） 彈簧管壓力表主要由彈簧管、傳動放大機(jī)構(gòu)、指示機(jī)構(gòu)和表殼四部分組成。彈簧管是一種彎曲成弧形的扁圓或橢圓截面的空心金屬管。它是一端封閉，并連接傳動機(jī)構(gòu)，是彈簧管的自由端，輸出其變形位移；另一端與螺

16、紋接頭焊接，并固定在表殼上，以便輸入被測壓力到彈簧管內(nèi)腔。傳動放大機(jī)構(gòu)的作用是將彈簧管自由端的變形線位移加以放大，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹羔樀慕俏灰?。表殼的作用是固定和保護(hù)上述三部分及其他零件。壓力傳感器 壓力傳感器是壓力檢測系統(tǒng)的重要組成部分，由各種壓力敏感元件將被測壓力信號轉(zhuǎn)變成容易測量的電信號輸出，給顯示儀表顯示壓力值，或供控制和報警使用。壓力傳感器的種類很多，下面介紹比較常用的四種： a）應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換成電阻值的變化來測量的。應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體，其阻值隨壓力所產(chǎn)生的應(yīng)變而變化。 b）壓電式壓力傳感器 壓電式壓力傳感器的原理是基于某些晶體材料的壓

17、電效應(yīng)。目前廣泛使用的壓電材料有石英和鈦酸鋇等，當(dāng)這些晶體受壓力作用發(fā)生機(jī)械變形時，在其相對的兩個側(cè)面上產(chǎn)生異性電荷，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。晶體上所產(chǎn)生的電荷的大小與外部施加的壓力成正比。 這種壓力傳感器的特點(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)簡單，不需外加電源，靈敏度和響應(yīng)頻率高，適用于動態(tài)壓力的測量，其測量范圍可從0700pa到070MPa，精確度可達(dá)0.1%。 c)光導(dǎo)纖維壓力傳感器 光導(dǎo)壓力傳感器與傳統(tǒng)的壓力傳感器相比，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：利用光波傳導(dǎo)壓力信息，不受電磁干擾，電氣絕緣好，耐腐蝕，無電火花，可以在高壓、易燃易爆的環(huán)境中測量壓力、流量、液位等。它靈敏度高，體積小，可撓性好，可插入狹窄的空間進(jìn)行測量，因此而得到重視，并且得到迅速發(fā)展。 d）霍爾片式壓力傳感器 霍爾片式壓力傳感器是應(yīng)用霍爾元件將壓力引起的位移變成電勢輸出，從而實現(xiàn)壓力的測量。2.2.3 智能壓力變送器 a）電容式壓力變送器 電容式壓力變送器是根據(jù)變電容原理工作的壓力檢測儀表，是利用彈性元件受壓變形來改變可變電容器的電容量，從而實現(xiàn)壓力電容的轉(zhuǎn)換。 b）擴(kuò)散硅式壓力變送器 擴(kuò)散硅式壓力變送器，其實質(zhì)是以硅杯壓阻傳感器為核心的變送器。它以N型單晶硅膜片作為敏感元件，通過擴(kuò)散雜質(zhì)，使其形成