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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，現就職于上海飛奧燃氣設備有限公司技術研發中心，長期從事燃氣輸配控制系統及控制產品的研究與開發工作。

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智能化應用產品為背景。同時結合城市燃氣SCADA監控系統，簡要闡述自動化控制技術在城市燃氣管網智能化發展中的應用方法和技術特征。

關鍵詞：燃氣調壓站；SCADA監控系統；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展，特別是許多大中城市正在向智慧城市發展。同時，智慧城市的三個基本保障水網、電網、氣網同樣也隨著智慧化的理念向智慧水網、智慧電網、智慧氣網發展。今天，城市燃氣管網精益化和智能化的發展方向已成為行業發展的共識，并納入許多城市燃氣管網發展規劃。同時，城市燃氣管網的智能化建設也在全國各地相繼展開。

1　城市燃氣管網智能化發展的主要特征

1.1　城市燃氣管網中的主要設備

在城市燃氣管網中，天然氣從高壓向低壓運行，并且城市燃氣管網分為三個壓力等級，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　城市燃氣管網運行中的主要管理內容和管理手段

城市燃氣的主要作用是安全供氣。要實現安全供氣，首先要保證供氣設備的安全。對于管網設備的管理，目前燃氣公司主要采用EMS（設備管理系統）和GIS（地理信息系統）來進行。同時也要保障燃氣管網中燃氣的運行安全，目前最普遍的手段是利用燃氣管網的SCADA（監控和數據采集）系統來保障。另一方面，由于燃氣管網是按壓力等級化分的，因此燃氣管網的壓力是燃氣管網SCADA系統監控的首要內容。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SCADA系統監控的重要內容。作為燃氣管網運行的核心，燃氣調壓站的運行狀態基本代表著燃氣管網運行狀態，因此，目前的燃氣管網SCADA系統基本上是針對燃氣調壓站的監控來運行。除了壓力、流量，燃氣調壓站的安全運行狀態也是燃氣SCADA監控的內容，包括燃氣的溫度、調壓器的閥位、緊急切斷閥的狀態、泄漏報警的狀態、過濾器差壓的狀態等。

1.3 城市燃氣管網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的核心，因此，城市燃氣管網智能化應用的主要表現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在遠程監控、動態管理、安全高效。而其中最能代表監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、燃氣調壓站流量遠程調節和限制、燃氣調壓站數據采集與報警。要實現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控平臺、智能化應用通訊網絡、智能化應用現場調節控制系統。

2　城市燃氣遠程流量控制系統的應用和特點

2.1　遠程流量調節控制系統的組成

遠程流量控制系統的作用是在保證燃氣管網能夠安全、平穩、連續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。遠程調流系統一般是由SCADA調度中心調流子系統、通訊網絡和現場調流控制系統三部分組成。而現場調流控制系統主要由流量調節閥、執行機構（電動）和系統控制器（PLC）三部分組成。

圖2 遠程流量調節控制系統工作原理圖

2.2　遠程流量調節控制系統的控制算法

由于流量調節閥采用電動執行機構，同時為確保在調流和限流過程中管網不出現大的周期性振蕩，從而避免對管網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對流量的控制。其基本方法是根據設定值和測量值的偏差，并結合控制精度，將偏差區間分成多個區間處理，采用不同的調節速率進行控制。這種控制方式的另一個優點是：在管網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。能確保每一次調節都能夠在短時間內（小于10min），達到流量設定值的限定范圍。

2.3　遠程流量調節控制系統的使用工況與控制通訊方式

圖3 調流系統的幾種工業應用環境

遠程調流控制系統主要以非腐蝕性氣作體為設計介質，在-20℃~60℃的環境溫度下，可廣泛應用于長輸管線分輸站、城市管網門站、高/中/低壓調壓站、燃氣電廠、鋼廠、化工廠等多種工況環境，進行天然氣的流量調節與控制。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，其系統提供多種通訊接口：4~20mA、RS232、RS485、TCP/IP等。目前，現場流量調節控制系統和中心SCADA調度中心之間使用最普遍的通訊協議是Modbus協議。

3　城市燃氣遠程壓力流量控制系統的應用和特點

3.1　系統結構組成

遠程壓力流量調節系統一般是由SCADA調度中心壓力流量控制子系統、通訊網絡和現場壓力流量控制系統三部分組成。而這里的現場壓力流量控制系統主要由具有壓力流量調節功能的調壓火車包括緊急切斷閥、監控調壓器、工作調壓器、氣動執行機構（閥門定位器）、系統控制器和監控設備組成。

圖4 調壓火車工藝結構圖

3.2　壓力流量調節控制系統結構

這種結構的壓力流量調節系統通常采用兩用一備或多用多備的模式供氣。因此現場壓力流量調節系統至少由三個結構完全相同的調壓火車并聯組成，多的可達到六路。為有效地實現壓力流量的調節控制，一般采用一套高性能的控制器和監控設備同時控制多個調壓火車中的工作調壓器, 從而實現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。由于工作調壓器采用氣動調節控制，控制算法仍以PID調節為主。

圖5 壓力流量控制系統原理圖

3.3　系統工作原理及功能

3.3.1　調壓火車的工作與聯動

現場調壓火車設備由緊急切斷閥、監控調壓器、工作調壓器組成。根據工藝要求監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。系統正常工作時, 執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定在設定值的所允許的波動范圍以內。當工作調壓器發生故障并全開時，監控調壓器啟動監控，并按照預先設定的壓力自動調節其開度。當監控調壓器也發生故障時，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　系統主要功能

壓力流量調節控制系統可通過本地和遠程兩種方式實現調壓和調流。同時本地控制系統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，控制指令由本地監控設備（比如觸摸屏）發出，而遠程控制則是指控制權限在站控系統或SCADA調度中心，控制指令由站控系統或SCADA調度中心發出。

（2）恒壓供氣、恒流供氣。這里指的是調節模式，壓力流量調節系統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調壓的功能。同樣系統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調流的功能。

（3）數據監控與數據遠傳。壓力流量調節系統配有專用的監控設備，比如觸摸屏，可實時顯示系統的工作狀態：遠程或本地控制、壓力或流量調節、自動或手動控制，顯示調節閥（工作調壓器）進出口壓力值、顯示調節閥開度反饋值、顯示緊急切斷閥反饋信號、顯示調節閥故障反饋信號、顯示標況/工況瞬時流量值、顯示系統故障記錄等。同時系統專用控制器通過Modbus通訊協議將現場實時數據發往站控系統或SCADA調度中心。

圖6 本地系統監控畫面

3.4　應用實例

目前這種系統已在國內一些地區有了眾多的應用實例,現場設備由緊急切斷閥、監控調壓器、工作調壓器組成的調壓火車多級并聯形成。最大調節壓力10MPa，單路調節流量大于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%。

這種系統專為天然氣的使用而設計，主要應用在長輸管線、城市管網的首站和大型門站，實現對天然氣的壓力及流量調節與控制。同時對有多氣源的城市，通過壓力流量調節控制系統可便捷地遠程實現對多氣源的分配和管理。其實現方法非常方便，根據高壓先行的原則，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。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。圖7為本系統應用在多氣源遠程調節，平衡管網供氣中的系統拓撲圖。

圖7 城市燃氣遠程調節系統應用拓撲圖

4　城市燃氣管網中智能調壓站監控技術的應用和特點

4.1　智能調壓站的特點

智能調壓站和傳統的調壓站相比，最大的區別在于智能調壓站具有監測控制、動態管理、安全高效的智能化特征。并以此進行設計和開發的智能調壓站可獨立的、自動化地實現對調壓站的監測和控制。具體地講就是智能調壓站可利用自身的監控系統，包括硬件和軟件，通過本地和遠程兩種方式實現對調壓站出口壓力和流量的調節和控制，同時可實現對調壓站運行狀態的監控。所謂動態管理，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參數，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場便可隨時隨地掌控智能調壓站的運行狀態，從而實現了動態管理。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，當報警發生時，可將報警信號發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，其安全性能比傳統調壓站更高。另一方面，智能調壓站可根據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動態管理的功能，因此可減少人為的現場巡檢，這對燃氣公司的優化用工成本，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）遠程監控。（5）動態管理。同時，和傳統的調壓站相比它新增了智能控制器、調壓器閥監測裝置、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與監控原理

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，控制器可根據內置的計量公式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為流量系數且為一常量。實現了瞬時流量的測量。

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，并通過網絡把控制器與智能監控平臺（比如SCADA）連接在一起，再通過監控平臺軟件遠程設定出口壓力或調節曲線，然后由控制器自動啟動內置的智能監控系統，來逐步完成調節過程。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智能化建設中的遠程流量調節系統、遠程壓力流量調節系統以及智能調壓站的自動化監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，自動化監控技術在城市燃氣管網中的應用也將更加豐富多彩，這值得我們不斷地探索、實踐和創新。

摘自《2017今日自動化技術應用在中國》