计量系统远程在线诊断技术（Conditioning Based Monitoring，CBM）系统基于运行状态下的在线计量与监测，通过对计量系统各设备数据信息进行实时记录、整合和分析，为计量系统提供全面、安全、个性化的数据管理服务。CBM 系统是一种基于现有技术、关注于计量场站运行管理的解决方案。CBM 系统持续监控计量设备的运行情况，传输诊断信息以预测维修需求，降低计量系统的不确定性，保障系统可靠时间的最大化。CBM 技术虽然诞生时间较晚，但很快得到推广和应用。1998年，International North Sea Flow Measurement Workshop 第一次刊载了关于CBM 技术的论文。根据AGA10号报告，ALLIANCE 管道与加拿大计量局共同进行了测试试验，得出“每6 年重复标定计量用超声波流量计”的结论。2000 年至今，英国壳牌公司在北海终端的DN300 Daniel 超声波流量计开始每季度对Aukland、Bishop 进行实流标定，并使用CUI 和CBM记录数据，为CBM 技术的成熟发展积累了大量数据和经验。2005 年3 月，在英国贸工部的会议上， CBM技术获得了首个官方认可2005 年，中国计量科学研究院开始编制新超声波流量计计量检定手册，明确提出在使用现场检测等解决方案的基础上，延长超声波流量计的再标定周期为6 年。2007 年，广东LNG 实施CBM 检验，延长了检定周期。为了提高跨国贸易交接计量仪表精度，延长检定周期，在中乌天然气管道的乌兹别克斯坦首、末站安装了CBM 系统，减少了大量因重复安装调试维护所投入的费用和时间，同时，也为输气生产中的工艺、计量等故障分析提供了依据，进一步提高了中乌天然气管道计量管理的工作水平。

中乌天然气管道计量系统概况

中乌天然气管道始于土乌边境，止于乌哈边境，单线线路长约529 km，全线设3 座压气站和1 座计量站。为了对土库曼斯坦来气（A 线）和进入哈萨克斯坦境内的天然气（B 线）进行计量，分别在起点和终点建立了WKC1 和MS 两个计量站，共安装Emerson Daniel 3400 DN400 超声波流量计16 台，其中8台用于WKC1 站的监督计量，8 台用于MS 站的商业计量。各配有1 套天然气在线气质分析小屋，其主要设备包括Daniel 570 型在线天然气色谱分析仪1 套，以及硫化氢分析仪、烃露点和水露点分析仪，可实现气体在线组分分析及水露点、烃露点、H₂S 含量等分析。

根据乌国法律法规，用于贸易的流量计要求每两年标定一次。实流标定可以消除系统误差的影响，周期性的实流标定是保证流量计精确度最有效的方法，但因跨国流量计转运进出口周期及乌国当地法律、环境等问题，每2 年对全线16 台超声波流量计进行一次实流标定给流量计的维护周期安排带来巨大挑战，流量计的拆卸、转运、标定、安装、测试和进出口工作将大大提高运行维护难度和成本。为此，中乌天然气管道引入了CBM 系统，采用完整的超声波流量计远程诊断方案，提前发现隐患，排除故障，提高流量计的可维护性，从而推动延长实流标定的间隔周期。

CBM 诊断技术

在 CBM 系统结构（图1）中，站场层级通过光电转换、以太网、网络延伸等通讯方式和网络交换机，将超声波流量计、流量计算机、色谱分析仪的数据传输至站场一级的 CBM 系统专用计算机，可以直接在站场进行CBM 系统的操作；各站间数据通过光纤等网络方式传送至控制中心 CBM 专用计算机，实现远程诊断操作；通过VPN 管理服务器、内部访问管理服务器等方式，可对 CBM 系统实现更加方便地远程操作。

1. CBM 采用的技术 CBM 系统是在原有计量系统硬件的基础上，增设网络延伸器等通讯方式和服务器，将计量系统、设备系统进行远传和记录。通过iFix 软件设计整个CBM 系统的人机交互界面，使各设备运行参数、趋势、报警信息通过友好的人机交互界面呈现给用户；自动完成数据记录、报表生成、报警信息管理；实现了多设备诊断数据的整合和分析诊断，其软件技术核心是 CUI 软件的声速核查（SOS）技术功能。通过获得在流量计运行稳定工况下超声波流量计的流速、声速、增益值、信噪比、信号质量等参数，生成报告，从而判断流量计运行状态，为流量计本体维护工作提供依据。AGA10 报告提出了SOS技术的论述，结合Daniel 超声波流量计诊断软件 CUI 的发展，以及温度、压力、气体组分分析等多方因素影响最终形成了超声波流量计现场诊断技术CBM，CBM 系统同时接入诊断功能软件 CUI 和MON2000 软件。

2. 超声波流量计诊断基本参数 CBM 系统包含对流量计算机、流量计、变送器、色谱分析仪五个计量系统的诊断功能，其中流量计诊断是CBM 系统的核心。超声波流量计诊断有五个基本参数：①增益值（gain），流量计自动获取增益值，根据介质情况自动增加信号强度至上限，增益值随压力、气体流速的变化而变化；②信号质量（signal quality），超声波流量计通常有100％ 信号质量，接近流量计所允许的最大流速时，信号质量可能小于100％，若在最高流速50％的条件下信号质量未达100％，应对流量计进行检查；③信噪比（SNR），通常情况下，流量计正常工作时有较高的信噪比，超声波流量计正常工作时信噪比大于1 000，流量控制阀噪音的存在会降低信噪比，信噪比小于250 将导致信号质量小于100％，信噪比小于100 时，计量精度会受到影响；④流速特性（velocity profile），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；⑤声速（speed of sound），声速计算有助于辨别探头上是否有异物，声速受气体组分、压力和温度的影响，1℃ 可引起 SOS 0.17％ 的误差，34.5kPa 可引起 SOS 0.01％ 的误差。对以上参数的实时检测诊断过程中，流量计若出现设备故障或性能下降、脏污物引起仪表显示精度发生变化等的情况，CBM 系统监控画面可以实时显示并及时产生相关报警，在自动或手动生成的报告中有详细体现。

3. 系统功能 ①提高计量的精度和重复性。对数据进行分析诊断过程中，当流量计及仪表的性能、精度发生变化时，系统能够自动识别，维护人员可以根据提示及时处理，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。通过安装CBM系统延长超声波流量计检定周期的许可已在多国获得通过，通过对流量计运行工况的观察和判断，可大大降低因拆装、运输、检定、调试所投入的费用，有效计划维护和再标定周期，节约运行成本。③对设备故障进行远程会诊。通过数据的远程诊断功能，当系统设备发生故障时，可以远程获得相关专家的精确会诊，通过远程网络可以快速分析故障原因，并快速进行故障处理。④减少停车和非正常工作时间。通过预防性的操作维护、远程故障诊断、系统升级，可以减少停车和非正常工作时间，减少因突然计量故障造成的国际贸易纠纷。⑤低投入获得高回报。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。

CBM 系统在中乌天然气管道的应用

中乌管道 CBM 系统（图2）在首、末站各设计安装了一套站场 CBM 系统，采集温变、压变、色谱分析仪数据以及流量计、流量计算机数据，通过 iFix 软件进行数据管理；在布哈拉调控中心设计安装一套控制中心CBM 系统，通过光纤通讯将数据传送至布哈拉控制中心，使用 iFix 软件及高性能的数据库服务器实现站场超声波流量计数据的实时显示，实现流量计的远程诊断。

1. 中乌管道超声波流量计诊断参数标准 自中乌管道投产以来，诊断报告获得了乌国计量院的认可，为延长流量计标定时间，乌国计量院人员定期到首末站进行声速核查，而在CBM 系统投用后只需要定期在布哈拉对首末站进行远程超声波流量计声速核查。以首站 FT5101 流量计为例，对 2011年6月-2012年7月声速核查报告中五个基本诊断数据进行统计（见下图，因每个流量计有八个探头，数据量大，故各数据均取自核查报告中各探头数据的平均数）。根据近两年中乌天然气管道的统计数据，参考 Emerson 厂家建议，首站在完成计量系统设备故障修复和维护后，五项基本诊断参数指标能够达到相关要求，可长期作为超声波流量计诊断依据。通过以上五项基本参数的监测诊断基本可以辨别超声波流量计的整体表现，CBM 系统关于流量计诊断还包含其他高级诊断内容（漩涡、对称性、横向流、紊流等），以提供附加信息，用于更准确地判断事故。

   
   
   
   
   

2. CBM 应用案例 2011 年7 月，对中乌天然气管道进行声速核查时，发现FT5201 流量计A 声道信号质量为99％、增益为68 dB、信噪比为995 dB、流速特性为1.218、声速偏差约0.136％，对比其他声道相应数据，变化较明显。由此初步判断为天然气管道粉尘或者烃类等残液造成A声道脏污，导致数据异常。此声道的数据虽完全能够达到指标要求，对计量精度也不会造成影响，但为了防止发生异常情况，对该支路流量计探头进行拆检，清除探头表面脏污物，并在CUI 软件中开启流量计降噪过滤功能，声速核查指标恢复正常。2011 年2 月，中乌天然气管道首站A 线来气各支路流量计在支路流量控制阀全开的情况下，运行的6、7 支路流量明显小于并列运行的5、8 支路流量，但是A 线流量计总流量和上游流量数据基本一致。通过检查进站压力、温度和各运行支路计量压力、温度，发现数据基本一致，排除了因变送器故障或者流量计算机I/O 板故障导致的计量偏差，并可以根据此数据判断计量管道进口阀门不存在开不到位的情况。根据各声道声速正常、流速特性良好、管道天然气流态良好、只是气体流速明显小于并列运行的其他支路流量计的工况，排除了整流盘被堵以及流量计故障导致计量偏差的工况。6、7 支路流量与其他支路之间的流量差异问题初步判断为流量计下游阀门故障。根据对下游管道各阀门前后温度的测量，并与其他支路进行对比，初步判断为单向阀故障。此后对CV5601 单向阀进行拆检，发现单向阀已经卡死，进一步验证根据流量计诊断参数得到的判断结果是准确的。2012 年5 月，定期进行声速核查时，发现FT5201流量计D 声道信号质量为 99％、增益为71dB、信噪比为1102dB、流速特性为1.1609、声速偏差约0.21％，已经无法达到中亚管道运行指标要求。结合D 声道探头位于管道底部易出现脏污的推测，初步判断为天然气管道粉尘或者烃类等残液造成D 声道脏污或者探头故障，导致流量计诊断数据异常。2012 年6 月1 日对FT5201 流量计D 声道探头进行拆检，发现探头脏污情况并不严重，清除探头表面脏污物后进行测试，效果不明显，立即对探头进行更换并调整探头参数，之后进行运行测试，声速核查指标恢复正常。

中乌天然气管道通过采用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，有效提高了天然气输差原因分析的科学性，同时降低了维护成本，为该管道计量系统的稳定运行、提高计量管理工作的精细化管理发挥了重要作用。此外，CBM技术将核查超声波流量计的实流检定周期延长为四年，可节约检定费用约八十万美元。