上海飛奧燃氣設(shè)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(shè)備有限公司技術(shù)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(shù)提供典型燃氣管網(wǎng)智能化應(yīng)用產(chǎn)品為背景。同時結(jié)合城市燃氣SCADA監(jiān)控系統(tǒng)，簡要闡述自動化控制技術(shù)在城市燃氣管網(wǎng)智能化發(fā)展中的應(yīng)用方法和技術(shù)特征。

關(guān)鍵詞：燃氣調(diào)壓站；SCADA監(jiān)控系統(tǒng)；遠程調(diào)壓；遠程調(diào)流；智能調(diào)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(shè)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(shè)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(shè)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(diào)壓站或稱為燃氣減壓站。而調(diào)壓站的核心設(shè)備是調(diào)壓器。燃氣調(diào)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(diào)壓站、中壓調(diào)壓站、中低壓調(diào)壓站等。因此，燃氣調(diào)壓站就成為燃氣管網(wǎng)的核心，除此之外，其它的主要設(shè)備還包括閥門和燃氣管道。

圖1 城市燃氣調(diào)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(shè)備的安全。對于管網(wǎng)設(shè)備的管理，目前燃氣公司主要采用EMS（設(shè)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(jié)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(diào)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(diào)壓站的監(jiān)控來運行。除了壓力、流量，燃氣調(diào)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(diào)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(yīng)用的主要對象和主要特征

燃氣調(diào)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(yīng)用的主要表現(xiàn)在燃氣調(diào)壓站的智能化應(yīng)用。目前，燃氣調(diào)壓站智能化應(yīng)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(shù)的典型應(yīng)用有三個方面：燃氣調(diào)壓站出口壓力遠程調(diào)節(jié)、燃氣調(diào)壓站流量遠程調(diào)節(jié)和限制、燃氣調(diào)壓站數(shù)據(jù)采集與報警。要實現(xiàn)燃氣調(diào)壓站的智能化應(yīng)用還必須具備必要的應(yīng)用條件，包括智能化應(yīng)用遠程監(jiān)控平臺、智能化應(yīng)用通訊網(wǎng)絡(luò)、智能化應(yīng)用現(xiàn)場調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

2　城市燃氣遠程流量控制系統(tǒng)的應(yīng)用和特點

2.1　遠程流量調(diào)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(diào)流系統(tǒng)一般是由SCADA調(diào)度中心調(diào)流子系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場調(diào)流控制系統(tǒng)三部分組成。而現(xiàn)場調(diào)流控制系統(tǒng)主要由流量調(diào)節(jié)閥、執(zhí)行機構(gòu)（電動）和系統(tǒng)控制器（PLC）三部分組成。

圖2 遠程流量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)工作原理圖

2.2　遠程流量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的控制算法

由于流量調(diào)節(jié)閥采用電動執(zhí)行機構(gòu)，同時為確保在調(diào)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(shè)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(shè)定值和測量值的偏差，并結(jié)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(diào)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(diào)整控制參數(shù)。能確保每一次調(diào)節(jié)都能夠在短時間內(nèi)（小于10min），達到流量設(shè)定值的限定范圍。

2.3　遠程流量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的使用工況與控制通訊方式

圖3 調(diào)流系統(tǒng)的幾種工業(yè)應(yīng)用環(huán)境

遠程調(diào)流控制系統(tǒng)主要以非腐蝕性氣作體為設(shè)計介質(zhì)，在-20℃~60℃的環(huán)境溫度下，可廣泛應(yīng)用于長輸管線分輸站、城市管網(wǎng)門站、高/中/低壓調(diào)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(diào)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(diào)節(jié)控制系統(tǒng)和中心SCADA調(diào)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(yīng)用和特點

3.1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

遠程壓力流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般是由SCADA調(diào)度中心壓力流量控制子系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)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(diào)節(jié)功能的調(diào)壓火車包括緊急切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器、工作調(diào)壓器、氣動執(zhí)行機構(gòu)（閥門定位器）、系統(tǒng)控制器和監(jiān)控設(shè)備組成。

圖4 調(diào)壓火車工藝結(jié)構(gòu)圖

3.2　壓力流量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)的壓力流量調(diào)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(diào)節(jié)系統(tǒng)至少由三個結(jié)構(gòu)完全相同的調(diào)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(diào)節(jié)控制，一般采用一套高性能的控制器和監(jiān)控設(shè)備同時控制多個調(diào)壓火車中的工作調(diào)壓器, 從而實現(xiàn)對調(diào)壓站出口壓力的控制或完成調(diào)壓站總流量的有效調(diào)節(jié)。由于工作調(diào)壓器采用氣動調(diào)節(jié)控制，控制算法仍以PID調(diào)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(diào)壓火車的工作與聯(lián)動

現(xiàn)場調(diào)壓火車設(shè)備由緊急切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器、工作調(diào)壓器組成。根據(jù)工藝要求監(jiān)控調(diào)壓器選用失效關(guān)閉型，即FC型。而工作調(diào)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(gòu)定位器按照控制器給定的設(shè)定壓力和流量自動完成1至4路（以四路為例）工作調(diào)壓器的順序開啟和關(guān)閉，并能將壓力和流量穩(wěn)定在設(shè)定值的所允許的波動范圍以內(nèi)。當工作調(diào)壓器發(fā)生故障并全開時，監(jiān)控調(diào)壓器啟動監(jiān)控，并按照預(yù)先設(shè)定的壓力自動調(diào)節(jié)其開度。當監(jiān)控調(diào)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(shè)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(diào)節(jié)控制系統(tǒng)可通過本地和遠程兩種方式實現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)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(diào)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(quán)限在本地，控制指令由本地監(jiān)控設(shè)備（比如觸摸屏）發(fā)出，而遠程控制則是指控制權(quán)限在站控系統(tǒng)或SCADA調(diào)度中心，控制指令由站控系統(tǒng)或SCADA調(diào)度中心發(fā)出。

（2）恒壓供氣、恒流供氣。這里指的是調(diào)節(jié)模式，壓力流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)在同一時刻只能選擇一種控制模式，或者調(diào)壓或者調(diào)流。當然系統(tǒng)在調(diào)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(diào)壓的功能。同樣系統(tǒng)在調(diào)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(diào)流的功能。

（3）數(shù)據(jù)監(jiān)控與數(shù)據(jù)遠傳。壓力流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)配有專用的監(jiān)控設(shè)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(diào)節(jié)、自動或手動控制，顯示調(diào)節(jié)閥（工作調(diào)壓器）進出口壓力值、顯示調(diào)節(jié)閥開度反饋值、顯示緊急切斷閥反饋信號、顯示調(diào)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(diào)度中心。

圖6 本地系統(tǒng)監(jiān)控畫面

3.4　應(yīng)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(yīng)用實例,現(xiàn)場設(shè)備由緊急切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器、工作調(diào)壓器組成的調(diào)壓火車多級并聯(lián)形成。最大調(diào)節(jié)壓力10MPa，單路調(diào)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(shè)備由高品質(zhì)的控制器和監(jiān)視器組成，結(jié)合專用的控制技術(shù)，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(shè)計，主要應(yīng)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(diào)節(jié)與控制。同時對有多氣源的城市，通過壓力流量調(diào)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(diào)壓站，只要增大出站壓力的設(shè)定值即可實現(xiàn)。反之, 對于要減小供氣量的調(diào)壓站，只要減小出站壓力的設(shè)定值即可實現(xiàn)。圖7為本系統(tǒng)應(yīng)用在多氣源遠程調(diào)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(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用拓撲圖

4　城市燃氣管網(wǎng)中智能調(diào)壓站監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用和特點

4.1　智能調(diào)壓站的特點

智能調(diào)壓站和傳統(tǒng)的調(diào)壓站相比，最大的區(qū)別在于智能調(diào)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(shè)計和開發(fā)的智能調(diào)壓站可獨立的、自動化地實現(xiàn)對調(diào)壓站的監(jiān)測和控制。具體地講就是智能調(diào)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(diào)壓站出口壓力和流量的調(diào)節(jié)和控制，同時可實現(xiàn)對調(diào)壓站運行狀態(tài)的監(jiān)控。所謂動態(tài)管理，即智能調(diào)壓站可通過移動終端，比如手機，以短信應(yīng)答方式隨機取得調(diào)壓站的運行狀態(tài)參數(shù)，包括調(diào)壓站的進出口壓力、調(diào)壓站的瞬時流量、調(diào)壓器的閥位開度、燃氣介質(zhì)的溫度、燃氣泄漏超壓或報警等。這樣管理者無需到智能調(diào)壓站的現(xiàn)場便可隨時隨地掌控智能調(diào)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(diào)壓站具有多重安全預(yù)警和安全保護功能，比如可設(shè)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(shè)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(yīng)對作好必要的準備。同時智能調(diào)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(diào)壓站更高。另一方面，智能調(diào)壓站可根據(jù)需要隨機遠程調(diào)整調(diào)壓器的出口壓力，同時可限制調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)壓站相比它新增了智能控制器、調(diào)壓器閥監(jiān)測裝置、調(diào)壓器氣動控制單元、電源通訊箱。

圖8 智能調(diào)壓站

4.2　智能調(diào)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(diào)壓站中，采用把閥位變送器和調(diào)壓器連接在一起，同時又將閥位變送器與控制器連接。當調(diào)壓器的閥芯移動開啟和關(guān)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(zhuǎn)換成了可供控制器識別的電子信號，而控制器又與調(diào)壓器進口管路與出口管路相連，從而可檢測到調(diào)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(diào)壓器的瞬時流量值，從而達到監(jiān)測調(diào)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(luò)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(shè)定出口壓力或調(diào)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(diào)節(jié)過程。其遠程工作原理如圖9所示。智能調(diào)壓站新增的氣動控制單元，可通過調(diào)整螺栓調(diào)整彈簧的壓力從而改變調(diào)壓器的出口壓力，同時，新增了利用控制CS導(dǎo)閥的導(dǎo)閥下腔的壓力變化來改變調(diào)壓器出口壓力的變化，調(diào)壓器出口壓力約等于彈簧的壓力與CS導(dǎo)閥下腔的壓力之和。如果把調(diào)壓器的彈簧的壓力設(shè)定為調(diào)壓器最低保障壓力，不需要重復(fù)設(shè)定彈簧壓力，調(diào)壓器的出口壓力改變時，只需要改變CS導(dǎo)閥下腔的壓力即可。為有效控制CS導(dǎo)閥下腔的壓力，在氣動控制單元中設(shè)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(dǎo)閥下腔的壓力增加，從而引起調(diào)壓器出口壓力隨之增加。當排氣電磁閥開啟時，會使導(dǎo)閥下腔的壓力下降，從而引起調(diào)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(diào)節(jié)過程。

在智能調(diào)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(shè)定值的遠程限流指令，當瞬時流量值大于限流設(shè)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(dǎo)閥下腔壓力下降，調(diào)壓器的出口壓力隨之下降，下腔室壓力下降，閥芯向下關(guān)閉，調(diào)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(diào)壓站工作原理圖

5　結(jié)語

本文著重圍繞城市燃氣管網(wǎng)智能化建設(shè)中的遠程流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、遠程壓力流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及智能調(diào)壓站的自動化監(jiān)控技術(shù)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(shù)在城市燃氣管網(wǎng)中的應(yīng)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(shù)應(yīng)用在中國》