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上海飛奧燃氣設備有限公司 王耀生，朱紹光，陸鳴偉，王珂

作者簡介

王耀生，男，高級工程師，現(xiàn)就職于上海飛奧燃氣設備有限公司技術研發(fā)中心，長期從事燃氣輸配控制系統(tǒng)及控制產(chǎn)品的研究與開發(fā)工作。

摘要：本文以上海飛奧燃氣有限公司近年來利用成熟的技術提供典型燃氣管網(wǎng)智能化應用產(chǎn)品為背景。同時結合城市燃氣SCADA監(jiān)控系統(tǒng)，簡要闡述自動化控制技術在城市燃氣管網(wǎng)智能化發(fā)展中的應用方法和技術特征。

關鍵詞：燃氣調壓站；SCADA監(jiān)控系統(tǒng)；遠程調壓；遠程調流；智能調壓站

Abstract: According to several typical smart application and products using in natural gas pipeline network which were provided by Shanghai PF limited company through the mature technique. meanwhile concerned about the SCADA system of city's gas pipeline network, This article has concise discussed the application methods and technical features of the the automatic supervise and control technique in the development of intelligentization of city's natural gas pipeline network.

Key words: Gas regulating station; SCADA system; Remote pressure control; Remote flow rate control; Smart gas regulating station

隨著我國城市化建設的發(fā)展，特別是許多大中城市正在向智慧城市發(fā)展。同時，智慧城市的三個基本保障水網(wǎng)、電網(wǎng)、氣網(wǎng)同樣也隨著智慧化的理念向智慧水網(wǎng)、智慧電網(wǎng)、智慧氣網(wǎng)發(fā)展。今天，城市燃氣管網(wǎng)精益化和智能化的發(fā)展方向已成為行業(yè)發(fā)展的共識，并納入許多城市燃氣管網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃。同時，城市燃氣管網(wǎng)的智能化建設也在全國各地相繼展開。

1　城市燃氣管網(wǎng)智能化發(fā)展的主要特征

1.1　城市燃氣管網(wǎng)中的主要設備

在城市燃氣管網(wǎng)中，天然氣從高壓向低壓運行，并且城市燃氣管網(wǎng)分為三個壓力等級，即高壓、中壓和低壓。高壓燃氣不能直接入戶使用，必須把高壓變成低壓才能使用。而這種從高壓降到低壓的過程不是一個自然流動降壓的過程，而是通過一套完整的裝置來實現(xiàn)降壓的，這種裝置就稱為燃氣調壓站或稱為燃氣減壓站。而調壓站的核心設備是調壓器。燃氣調壓站根據(jù)其位置和壓力等級，又分為城市門站、分輸站、高壓調壓站、中壓調壓站、中低壓調壓站等。因此，燃氣調壓站就成為燃氣管網(wǎng)的核心，除此之外，其它的主要設備還包括閥門和燃氣管道。

圖1 城市燃氣調壓站門站

1.2　城市燃氣管網(wǎng)運行中的主要管理內(nèi)容和管理手段

城市燃氣的主要作用是安全供氣。要實現(xiàn)安全供氣，首先要保證供氣設備的安全。對于管網(wǎng)設備的管理，目前燃氣公司主要采用EMS（設備管理系統(tǒng)）和GIS（地理信息系統(tǒng)）來進行。同時也要保障燃氣管網(wǎng)中燃氣的運行安全，目前最普遍的手段是利用燃氣管網(wǎng)的SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)來保障。另一方面，由于燃氣管網(wǎng)是按壓力等級化分的，因此燃氣管網(wǎng)的壓力是燃氣管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)監(jiān)控的首要內(nèi)容。供氣是按燃氣的流量進行計量和結算的，所以，流量也是燃氣管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)監(jiān)控的重要內(nèi)容。作為燃氣管網(wǎng)運行的核心，燃氣調壓站的運行狀態(tài)基本代表著燃氣管網(wǎng)運行狀態(tài)，因此，目前的燃氣管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)基本上是針對燃氣調壓站的監(jiān)控來運行。除了壓力、流量，燃氣調壓站的安全運行狀態(tài)也是燃氣SCADA監(jiān)控的內(nèi)容，包括燃氣的溫度、調壓器的閥位、緊急切斷閥的狀態(tài)、泄漏報警的狀態(tài)、過濾器差壓的狀態(tài)等。

1.3 城市燃氣管網(wǎng)智能化應用的主要對象和主要特征

燃氣調壓站作為城市燃氣管網(wǎng)的核心，因此，城市燃氣管網(wǎng)智能化應用的主要表現(xiàn)在燃氣調壓站的智能化應用。目前，燃氣調壓站智能化應用主要體現(xiàn)在遠程監(jiān)控、動態(tài)管理、安全高效。而其中最能代表監(jiān)控技術的典型應用有三個方面：燃氣調壓站出口壓力遠程調節(jié)、燃氣調壓站流量遠程調節(jié)和限制、燃氣調壓站數(shù)據(jù)采集與報警。要實現(xiàn)燃氣調壓站的智能化應用還必須具備必要的應用條件，包括智能化應用遠程監(jiān)控平臺、智能化應用通訊網(wǎng)絡、智能化應用現(xiàn)場調節(jié)控制系統(tǒng)。

2　城市燃氣遠程流量控制系統(tǒng)的應用和特點

2.1　遠程流量調節(jié)控制系統(tǒng)的組成

遠程流量控制系統(tǒng)的作用是在保證燃氣管網(wǎng)能夠安全、平穩(wěn)、連續(xù)地為各下游用戶供氣的情況下，合理地對輸氣流量進行有效的控制。遠程調流系統(tǒng)一般是由SCADA調度中心調流子系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡和現(xiàn)場調流控制系統(tǒng)三部分組成。而現(xiàn)場調流控制系統(tǒng)主要由流量調節(jié)閥、執(zhí)行機構（電動）和系統(tǒng)控制器（PLC）三部分組成。

圖2 遠程流量調節(jié)控制系統(tǒng)工作原理圖

2.2　遠程流量調節(jié)控制系統(tǒng)的控制算法

由于流量調節(jié)閥采用電動執(zhí)行機構，同時為確保在調流和限流過程中管網(wǎng)不出現(xiàn)大的周期性振蕩，從而避免對管網(wǎng)設備和用戶造成不良影響。因此在控制方式上不采用PID算法。而采用獨特的人工智能方式實現(xiàn)對流量的控制。其基本方法是根據(jù)設定值和測量值的偏差，并結合控制精度，將偏差區(qū)間分成多個區(qū)間處理，采用不同的調節(jié)速率進行控制。這種控制方式的另一個優(yōu)點是：在管網(wǎng)工況和被控流量變化的情況下，不需要用戶過多地調整控制參數(shù)。能確保每一次調節(jié)都能夠在短時間內(nèi)（小于10min），達到流量設定值的限定范圍。

2.3　遠程流量調節(jié)控制系統(tǒng)的使用工況與控制通訊方式

圖3 調流系統(tǒng)的幾種工業(yè)應用環(huán)境

遠程調流控制系統(tǒng)主要以非腐蝕性氣作體為設計介質，在-20℃~60℃的環(huán)境溫度下，可廣泛應用于長輸管線分輸站、城市管網(wǎng)門站、高/中/低壓調壓站、燃氣電廠、鋼廠、化工廠等多種工況環(huán)境，進行天然氣的流量調節(jié)與控制。控制方式支持本地控制、遠程控制，供氣方式有恒流供氣、恒閥位供氣，其系統(tǒng)提供多種通訊接口：4~20mA、RS232、RS485、TCP/IP等。目前，現(xiàn)場流量調節(jié)控制系統(tǒng)和中心SCADA調度中心之間使用最普遍的通訊協(xié)議是Modbus協(xié)議。

3　城市燃氣遠程壓力流量控制系統(tǒng)的應用和特點

3.1　系統(tǒng)結構組成

遠程壓力流量調節(jié)系統(tǒng)一般是由SCADA調度中心壓力流量控制子系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡和現(xiàn)場壓力流量控制系統(tǒng)三部分組成。而這里的現(xiàn)場壓力流量控制系統(tǒng)主要由具有壓力流量調節(jié)功能的調壓火車包括緊急切斷閥、監(jiān)控調壓器、工作調壓器、氣動執(zhí)行機構（閥門定位器）、系統(tǒng)控制器和監(jiān)控設備組成。

圖4 調壓火車工藝結構圖

3.2　壓力流量調節(jié)控制系統(tǒng)結構

這種結構的壓力流量調節(jié)系統(tǒng)通常采用兩用一備或多用多備的模式供氣。因此現(xiàn)場壓力流量調節(jié)系統(tǒng)至少由三個結構完全相同的調壓火車并聯(lián)組成，多的可達到六路。為有效地實現(xiàn)壓力流量的調節(jié)控制，一般采用一套高性能的控制器和監(jiān)控設備同時控制多個調壓火車中的工作調壓器, 從而實現(xiàn)對調壓站出口壓力的控制或完成調壓站總流量的有效調節(jié)。由于工作調壓器采用氣動調節(jié)控制，控制算法仍以PID調節(jié)為主。

圖5 壓力流量控制系統(tǒng)原理圖

3.3　系統(tǒng)工作原理及功能

3.3.1　調壓火車的工作與聯(lián)動

現(xiàn)場調壓火車設備由緊急切斷閥、監(jiān)控調壓器、工作調壓器組成。根據(jù)工藝要求監(jiān)控調壓器選用失效關閉型，即FC型。而工作調壓器選用失效常開型，即FO型。系統(tǒng)正常工作時, 執(zhí)行機構定位器按照控制器給定的設定壓力和流量自動完成1至4路（以四路為例）工作調壓器的順序開啟和關閉，并能將壓力和流量穩(wěn)定在設定值的所允許的波動范圍以內(nèi)。當工作調壓器發(fā)生故障并全開時，監(jiān)控調壓器啟動監(jiān)控，并按照預先設定的壓力自動調節(jié)其開度。當監(jiān)控調壓器也發(fā)生故障時，這時緊急切斷閥投入安全保護，當出口壓力超過其設定值時會自動切斷以保證下游供氣的安全。

3.3.2　系統(tǒng)主要功能

壓力流量調節(jié)控制系統(tǒng)可通過本地和遠程兩種方式實現(xiàn)調壓和調流。同時本地控制系統(tǒng)也增加了保護功能供用戶選擇，使得輸配調度更加安全可靠。主要功能包括：

（1）本地控制、遠程控制。這里的本地控制是指控制權限在本地，控制指令由本地監(jiān)控設備（比如觸摸屏）發(fā)出，而遠程控制則是指控制權限在站控系統(tǒng)或SCADA調度中心，控制指令由站控系統(tǒng)或SCADA調度中心發(fā)出。

（2）恒壓供氣、恒流供氣。這里指的是調節(jié)模式，壓力流量調節(jié)系統(tǒng)在同一時刻只能選擇一種控制模式，或者調壓或者調流。當然系統(tǒng)在調壓時也可對流量上下限進行保護，即形成了流量范圍內(nèi)調壓的功能。同樣系統(tǒng)在調流時也可對壓力上下限進行保護，即形成了壓力范圍內(nèi)調流的功能。

（3）數(shù)據(jù)監(jiān)控與數(shù)據(jù)遠傳。壓力流量調節(jié)系統(tǒng)配有專用的監(jiān)控設備，比如觸摸屏，可實時顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)：遠程或本地控制、壓力或流量調節(jié)、自動或手動控制，顯示調節(jié)閥（工作調壓器）進出口壓力值、顯示調節(jié)閥開度反饋值、顯示緊急切斷閥反饋信號、顯示調節(jié)閥故障反饋信號、顯示標況/工況瞬時流量值、顯示系統(tǒng)故障記錄等。同時系統(tǒng)專用控制器通過Modbus通訊協(xié)議將現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)發(fā)往站控系統(tǒng)或SCADA調度中心。

圖6 本地系統(tǒng)監(jiān)控畫面

3.4　應用實例

目前這種系統(tǒng)已在國內(nèi)一些地區(qū)有了眾多的應用實例,現(xiàn)場設備由緊急切斷閥、監(jiān)控調壓器、工作調壓器組成的調壓火車多級并聯(lián)形成。最大調節(jié)壓力10MPa，單路調節(jié)流量大于20萬方/小時，站控流量可達80萬方/小時。控制設備由高品質的控制器和監(jiān)視器組成，結合專用的控制技術，壓力和流量控制精度均可達到1%。

這種系統(tǒng)專為天然氣的使用而設計，主要應用在長輸管線、城市管網(wǎng)的首站和大型門站，實現(xiàn)對天然氣的壓力及流量調節(jié)與控制。同時對有多氣源的城市，通過壓力流量調節(jié)控制系統(tǒng)可便捷地遠程實現(xiàn)對多氣源的分配和管理。其實現(xiàn)方法非常方便，根據(jù)高壓先行的原則，對于要加大供氣量的調壓站，只要增大出站壓力的設定值即可實現(xiàn)。反之, 對于要減小供氣量的調壓站，只要減小出站壓力的設定值即可實現(xiàn)。圖7為本系統(tǒng)應用在多氣源遠程調節(jié)，平衡管網(wǎng)供氣中的系統(tǒng)拓撲圖。

圖7 城市燃氣遠程調節(jié)系統(tǒng)應用拓撲圖

4　城市燃氣管網(wǎng)中智能調壓站監(jiān)控技術的應用和特點

4.1　智能調壓站的特點

智能調壓站和傳統(tǒng)的調壓站相比，最大的區(qū)別在于智能調壓站具有監(jiān)測控制、動態(tài)管理、安全高效的智能化特征。并以此進行設計和開發(fā)的智能調壓站可獨立的、自動化地實現(xiàn)對調壓站的監(jiān)測和控制。具體地講就是智能調壓站可利用自身的監(jiān)控系統(tǒng)，包括硬件和軟件，通過本地和遠程兩種方式實現(xiàn)對調壓站出口壓力和流量的調節(jié)和控制，同時可實現(xiàn)對調壓站運行狀態(tài)的監(jiān)控。所謂動態(tài)管理，即智能調壓站可通過移動終端，比如手機，以短信應答方式隨機取得調壓站的運行狀態(tài)參數(shù)，包括調壓站的進出口壓力、調壓站的瞬時流量、調壓器的閥位開度、燃氣介質的溫度、燃氣泄漏超壓或報警等。這樣管理者無需到智能調壓站的現(xiàn)場便可隨時隨地掌控智能調壓站的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)了動態(tài)管理。所謂安全高效，即智能調壓站具有多重安全預警和安全保護功能，比如可設置兩個壓力報警，當報警發(fā)生時，可將報警信號發(fā)往負責人員的移動設備上，例如手機，因此負責人員可第一時間掌握現(xiàn)場的報警信息，為即時應對作好必要的準備。同時智能調壓站本身可具有超壓自動切斷和欠壓人為切斷功能。所以，其安全性能比傳統(tǒng)調壓站更高。另一方面，智能調壓站可根據(jù)需要隨機遠程調整調壓器的出口壓力，同時可限制調壓器的瞬時流量，這不僅為平衡管網(wǎng)供氣提供了有效的手段，而且為控制和管理燃氣的用量提供了有效的途徑。并且智能調壓站可實現(xiàn)動態(tài)管理的功能，因此可減少人為的現(xiàn)場巡檢，這對燃氣公司的優(yōu)化用工成本，提供了新的選擇。綜上所述，智能調壓站更加高效、安全。具體功能表現(xiàn)在：（1）間接流量測量。（2）出口壓力遠程控制。（3）遠程限流。（4）遠程監(jiān)控。（5）動態(tài)管理。同時，和傳統(tǒng)的調壓站相比它新增了智能控制器、調壓器閥監(jiān)測裝置、調壓器氣動控制單元、電源通訊箱。

圖8 智能調壓站

4.2　智能調壓站的主要功能實現(xiàn)與監(jiān)控原理

4.2.1　間接流流量測量

在智能調壓站中，采用把閥位變送器和調壓器連接在一起，同時又將閥位變送器與控制器連接。當調壓器的閥芯移動開啟和關閉時，閥位變送器中的探測桿隨閥芯同步運動,而探測桿又與閥位變送器中的位移傳感器相連，從而將閥位開度信號轉換成了可供控制器識別的電子信號，而控制器又與調壓器進口管路與出口管路相連，從而可檢測到調壓器的進口壓力與出口壓力，控制器可根據(jù)內(nèi)置的計量公式Q=F（P1，P2，S，Cg）求得調壓器的瞬時流量值，從而達到監(jiān)測調壓器瞬時流量的目的。其中，Q為瞬時流量值，P1為進口壓力，P2為出口壓力，S為閥位開度，Cg為流量系數(shù)且為一常量。實現(xiàn)了瞬時流量的測量。

流量計算公式：

4.2.2　出口壓力遠程控制與流量限定

通過有線或無線方式，并通過網(wǎng)絡把控制器與智能監(jiān)控平臺（比如SCADA）連接在一起，再通過監(jiān)控平臺軟件遠程設定出口壓力或調節(jié)曲線，然后由控制器自動啟動內(nèi)置的智能監(jiān)控系統(tǒng)，來逐步完成調節(jié)過程。其遠程工作原理如圖9所示。智能調壓站新增的氣動控制單元，可通過調整螺栓調整彈簧的壓力從而改變調壓器的出口壓力，同時，新增了利用控制CS導閥的導閥下腔的壓力變化來改變調壓器出口壓力的變化，調壓器出口壓力約等于彈簧的壓力與CS導閥下腔的壓力之和。如果把調壓器的彈簧的壓力設定為調壓器最低保障壓力，不需要重復設定彈簧壓力，調壓器的出口壓力改變時，只需要改變CS導閥下腔的壓力即可。為有效控制CS導閥下腔的壓力，在氣動控制單元中設置了進氣電磁閥與排氣電磁閥。當進氣電磁閥開啟時，會使導閥下腔的壓力增加，從而引起調壓器出口壓力隨之增加。當排氣電磁閥開啟時，會使導閥下腔的壓力下降，從而引起調壓器出口壓力隨之下降。在控制算法上目前采用時間比例算法來完成出口壓力的調節(jié)過程。

在智能調壓站中，電源通訊箱中的通訊模塊還用于接收加載有限流設定值的遠程限流指令，當瞬時流量值大于限流設定值時，控制器向控制模塊發(fā)送降壓指令，電源通訊箱中的控制模塊控制開啟排氣電磁閥，CS導閥下腔壓力下降，調壓器的出口壓力隨之下降，下腔室壓力下降，閥芯向下關閉，調壓器的流量變小，從而有效實現(xiàn)遠程流量限定功能。

圖9 智能調壓站工作原理圖

5　結語

本文著重圍繞城市燃氣管網(wǎng)智能化建設中的遠程流量調節(jié)系統(tǒng)、遠程壓力流量調節(jié)系統(tǒng)以及智能調壓站的自動化監(jiān)控技術特點和使用方法功能進行了論述和分析。未來隨著城市燃氣智能化進程的不斷推進，自動化監(jiān)控技術在城市燃氣管網(wǎng)中的應用也將更加豐富多彩，這值得我們不斷地探索、實踐和創(chuàng)新。

摘自《2017今日自動化技術應用在中國》