摘 要

摘　要：闡述城市燃氣地理信息系統(tǒng)(GIS)中清管模塊開發(fā)的背景、需求、設(shè)計思路、模塊功能。通過該清管模塊在實際清管作業(yè)、變形檢測作業(yè)中的應(yīng)用，驗證清管模塊具有錄入設(shè)標點

摘　要：闡述城市燃氣地理信息系統(tǒng)(GIS)中清管模塊開發(fā)的背景、需求、設(shè)計思路、模塊功能。通過該清管模塊在實際清管作業(yè)、變形檢測作業(yè)中的應(yīng)用，驗證清管模塊具有錄入設(shè)標點信息、指導(dǎo)控制清管器和檢測器速度、預(yù)計清管器和檢測器通過各設(shè)標點時間、自動計算實際球速等功能，可節(jié)省人力成本，提高作業(yè)效率。指出該清管模塊的不足之處，給出了修正球速理論值與實際值之間偏差的方法和經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：清管；  內(nèi)檢測；  地理信息系統(tǒng)(GIS)；  清管模塊；  流量控制；  球速控制

Design and Application of Pigging Module in GIS System of City Gas

Abstract：The development background，demand，design thinking and functions of pigging module in geographic information system(GIS) of city gas are expounded．Through the application of pigging module in the actual pigging operation and deformation detection，it is verified that the pigging module has some functions including inputting pipeline mark data，instructing control of pig and detector velocity，forecasting the times of pig and detector passing through each mark and automatic calculation of actual pig velocity，which can save labor costs and improve the working efficiency．The shortcomings of pigging module are indicated．The method and empirical data to correct the deviation between the theoretical value and the actual value of pig velocity are given．

Keywords：pigging；internal detection；geographic information system(GIS)；pigging module；control of flow rate；control of pig velocity

 

1　工程概況

隨著環(huán)保要求的提高，天然氣需求增長迅速，天然氣管道建設(shè)速度將加快，預(yù)計到2015年中國天然氣管道長度將接近10×10⁴km。國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局特頒布了TSG D7003—2010《壓力管道定期檢驗規(guī)則——長輸(油氣)管道》，要求新建管道應(yīng)當在投產(chǎn)3a內(nèi)進行首次包括內(nèi)檢測的管道全面檢查，之后根據(jù)管道的最大允許壓力、運行條件下的應(yīng)力水平、失效壓力等條件確定內(nèi)檢測周期。

管道內(nèi)檢測又叫智能檢測，屬于在線檢測。檢測器在管道內(nèi)隨介質(zhì)運行并實時采集、記錄管道信息，實現(xiàn)對管道本體變形、內(nèi)腐蝕的檢測。內(nèi)檢測的主要工作包括前期踏勘及設(shè)標、管道清管、管道變形檢測、管道腐蝕檢測、檢測數(shù)據(jù)處理和分析、檢測結(jié)果驗證、管道變形和腐蝕檢測報告編制、管道完整性評價。前期踏勘管道沿線，確定清管器或檢測器跟蹤點(又稱設(shè)標點)的位置、間距、跟蹤方式。跟蹤方式分為人工跟蹤、埋設(shè)AMG盒。人工跟蹤方式是跟蹤人員在設(shè)標點使用接收機接收由清管器或檢測器上發(fā)射機發(fā)出的信號，確認清管器或檢測器通過設(shè)標點。當清管器或檢測器在管道中發(fā)生卡堵時，可用接收機準確判斷出清管器的卡堵位置。埋設(shè)AMG盒方式是在人員難以及時到達的設(shè)標點處預(yù)埋AMG盒，記錄清管器或檢測器的經(jīng)過時間。利用清管器或檢測器通過相鄰兩設(shè)標點的時間，可以計算管道內(nèi)的清管器或檢測器的運行速度并判斷運行的穩(wěn)定性。清管、變形檢測、腐蝕檢測這三項工作按序進行，作業(yè)開始時需在發(fā)球門站將清管器或檢測器發(fā)送至管道內(nèi)，清管器或檢測器以管道內(nèi)輸送介質(zhì)的壓差為動力，沿主管道進行管道的清掃或壁面變形、腐蝕缺陷的掃描檢測，至收球門站進入收球筒，完成全程的清管或檢測。清管器的類型通常有碟型清管器、測徑板清管器、鋼刷清管器、磁力清管器、鋼刷磁力組合清管器。這些清管器上都帶有皮碗，并根據(jù)實際情況在皮碗上開有數(shù)量、大小不同的泄流孔。受清管器的重量、摩擦力、泄流孔的面積等因素影響，正常運行的情況下，清管器或檢測器的運行速度小于管道內(nèi)氣體流速。在管道工況相同時，不同類型的清管器、變形檢測器、腐蝕檢測器的實際運行速度各不相同，這增加了速度控制的難度，而檢測器在管內(nèi)的運動狀態(tài)會直接影響到檢測數(shù)據(jù)的有效性。為保證穩(wěn)定的氣流，檢測器經(jīng)過分輸支線前后0.5h的時間區(qū)間內(nèi)，需進行支線的停供。支線停供對城市燃氣用戶供氣的影響使很多城市燃氣運營單位難以實施內(nèi)檢測。

深圳市天然氣次高壓管道安坪段于2006年8月投產(chǎn)，管道全長為68.8km，通過坪山門站、安托山門站接收廣東大鵬液化天然氣公司供應(yīng)的澳洲氣源。為安全供氣，安坪段管道連接了大工業(yè)區(qū)LNG應(yīng)急氣化站和梅林LNG應(yīng)急氣化站。隨著西氣東輸二線的氣源供應(yīng)深圳及其他高壓、次高壓管道、廠站的陸續(xù)投產(chǎn)，氣源保障逐步增強，在進行內(nèi)檢測作業(yè)時，城市燃氣用戶供氣得以保障。因此，于2013年首次進行了安坪線次高壓管道的內(nèi)檢測作業(yè)。發(fā)球門站為坪山門站，收球門站為安托山門站，安托山門站連接次高壓管道的東線(安坪線)和西線，西線連接由西氣東輸二線供應(yīng)的求雨嶺門站及留仙洞高壓一次高壓調(diào)壓站。次高壓管道的設(shè)計壓力為1.6MPa，實際運行壓力為1.5MPa，主線管道規(guī)格為Æ508×7.9，材質(zhì)為L360(X52)，采用3PE外防腐層。安坪段沿線共有閥室13座，分輸支線9條，支線上連接次高壓一中壓調(diào)壓站14座，經(jīng)過大中型河流4處，穿越公路118處，穿越鐵路7處，穿越施工方式包括大開挖、頂管、定向鉆。

2　內(nèi)檢測作業(yè)

2．1　內(nèi)檢測作業(yè)的輸送工藝要求^[1]

①保持清管器或檢測器所在管段的壓力、流量穩(wěn)定；

②保證檢測器所在管段氣體流向始終由坪山門站流向安托山門站，避免變形檢測器、腐蝕檢測器出現(xiàn)倒行而損壞設(shè)備；

③檢測設(shè)備所在管段內(nèi)氣體流速控制在0.5～3m／s，盡量保持流速穩(wěn)定；

④沿線調(diào)壓站在清管器、檢測器到達前30min臨時關(guān)閉，通過后30min再緩慢打開；

⑤通過作業(yè)開始時間及球速控制，盡量保證白天進行收發(fā)球、跟蹤作業(yè)，降低操作風(fēng)險。

2．2　內(nèi)檢測作業(yè)分工安排

為安全、有序、協(xié)調(diào)進行作業(yè)，建立了項目指揮部，分設(shè)管道現(xiàn)場指揮組、廠站現(xiàn)場指揮組、HSE(Health，Safety，Environment)組、應(yīng)急保障組、調(diào)度中心，作業(yè)涉及人員185人。管道現(xiàn)場指揮組設(shè)置4個跟球小組，滾動式作業(yè)，跟球小組需及時向調(diào)度中心匯報清管器或檢測器通過設(shè)標點的時間。廠站現(xiàn)場指揮組又分為發(fā)球組、收球組、工藝操作組。發(fā)球組、收球組分別負責(zé)在坪山門站發(fā)球，在安托山門站收球；工藝操作組則負責(zé)在清管器或檢測器通過支線前0.5h和通過后0.5h進行支線上次高壓—中壓調(diào)壓站的停止供氣和恢復(fù)供氣。

調(diào)度中心收集、匯總現(xiàn)場信息，計算分析清管器或檢測器實時速度，調(diào)整供氣門站、LNG應(yīng)急氣化站的流量，有效控制球速，滿足內(nèi)檢測作業(yè)的工藝要求。預(yù)測清管器或檢測器通過各分輸支線及收球門站的時間，提前通知廠站現(xiàn)場指揮組做好相應(yīng)操作準備。通過調(diào)整清管器或檢測器的發(fā)球時間和速度，避免在供氣高峰時段關(guān)停重要的調(diào)壓站而影響下游供氣。在清管器或檢測器卡堵的應(yīng)急情況下，進行管網(wǎng)運行工況調(diào)整及供氣保障的氣量調(diào)度。

3　清管模塊的設(shè)計

在作業(yè)過程中，調(diào)度中心綜合實現(xiàn)了信息收集、數(shù)據(jù)分析、管網(wǎng)工況調(diào)整、協(xié)調(diào)作業(yè)等功能。為有效調(diào)度，調(diào)度中心借助信息化手段，利用GIS中與SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的功能、拓撲空間計算能力及簡潔直觀的人機界面，開發(fā)了專用于清管和檢測作業(yè)的模塊(簡稱清管模塊)，拓展了GIS在城市燃氣內(nèi)檢測作業(yè)中的應(yīng)用。

3．1　清管模塊的總體思路

①利用GIS中的拓撲功能，通過人工選取收、發(fā)球門站，自動識別高壓、次高壓管道及調(diào)壓站的連接關(guān)系，定義上下游流向。

②利用GIS中原有的管道屬性信息及直觀的人機界面，錄入設(shè)標點的坐標、序號、周邊環(huán)境、跟蹤方式(人工跟蹤或AMG盒)，預(yù)先設(shè)定清管器或檢測器通過設(shè)標點的平均速度，記錄清管器或檢測器的實際通過時間、實際平均速度，預(yù)計通過下游設(shè)標點的時間。

③按原SY／T 6383—1999《長輸天然氣管道清管作業(yè)規(guī)程》中第5．1．7條，推導(dǎo)出清管器或檢測器理論推球流量的計算公式如下：

 

式中q0——清管器或檢測器理論推球輸氣流量(折算成標準狀態(tài))，m³／h

d——管道內(nèi)直徑，m，通過讀取GIS中管道屬性的外直徑、壁厚信息，自動計算出

內(nèi)直徑

v——清管器或檢測器通過設(shè)標點的預(yù)設(shè)平均速度，m／s，在模塊中設(shè)標點屬性欄中輸入

p——清管器或檢測器所在位置上游最近的閥室壓力或調(diào)壓站進站壓力的SCADA讀數(shù)，MPa

④有關(guān)理論控制流量的計算。本工程的次高壓管道涉及到門站、高壓—次高壓調(diào)壓站、次高壓—中壓調(diào)壓站、LNG應(yīng)急氣化站。其中門站、高壓—次高壓調(diào)壓站、LNG應(yīng)急氣化站是向次高壓管道供氣的設(shè)施，次高壓—中壓調(diào)壓站是由次高壓管道供氣的設(shè)施。在內(nèi)檢測作業(yè)中，門站按功能分為發(fā)球門站、收球門站、僅供氣用門站。城市燃氣輸配系統(tǒng)分輸支線較多，發(fā)球門站供氣除滿足推球輸氣流量外，尚應(yīng)保證清管器或檢測器上游分輸支線實時變化的次高壓—中壓調(diào)壓站的供氣需求。建立內(nèi)檢測作業(yè)輸配系統(tǒng)簡圖(見圖1)，計算發(fā)球門站的理論控制流量qs、清管器(檢測器)下游進氣的理論控制流量qd。

 

 

式中qs——發(fā)球門站的理論控制流量(折算成標準狀態(tài))，m³／h

Qt,i——各調(diào)壓站的供氣流量(折算成標準狀態(tài))，m³／h

i——以發(fā)球門站為始端，次高壓—中壓調(diào)壓站的序號，當i=0時，qt,0＝0

m——清管器或檢測器上游次高壓—中壓調(diào)壓站的數(shù)量

ql,j——清管器或檢測器上游各LNG應(yīng)急氣化站的供氣流量(折算成標準狀態(tài))，m³／h

j——以發(fā)球門站為始端，LNG應(yīng)急氣化站的序號，當j＝0時，ql,0＝0

k——清管器或檢測器上游LNG應(yīng)急氣化站的數(shù)量

qz——次高壓管道所需供氣流量(折算成標準狀態(tài))，m³／h

n——所有次高壓一中壓調(diào)壓站的總數(shù)量

 

式中qu——清管器或檢測器上游進氣流量(折算成標準狀態(tài))，m³／h

qd——清管器或檢測器下游進氣的理論控制流量(折算成標準狀態(tài))，m³／h

在1、2、3位置時，分別計算qs、qd的實例如下。

在位置1時，m＝1，k＝0，n＝22，則：

 

在位置2時，m＝4，k＝1，n＝22，則：

 

在位置3時，m＝13，k＝2，n＝22，則：

 

發(fā)球門站的實際流量為SCADA系統(tǒng)采集的坪山門站的流量值；下游進氣的實際流量為SCADA系統(tǒng)采集的安托山門站流量、留仙洞高壓—次高調(diào)壓站流量、求雨嶺門站高壓一次高調(diào)壓橇的流量、清管器或檢測器下游的LNG應(yīng)急氣化站流量之和。通過計算的理論控制值與SCADA系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)比較，調(diào)整進氣廠站的流量，進而控制清管器或檢測器的速度。

3．2　模塊功能

①內(nèi)檢測設(shè)標點錄入與維護

a．增加設(shè)標點圖層，在圖層導(dǎo)航樹增加節(jié)點，控制圖層的顯示，按清管設(shè)標點、檢測設(shè)標點分不同符號渲染。

b．增加設(shè)標點圖層的空間屬性錄入、查詢及渲染功能。

c．對設(shè)標點進行空間分析，利用GIS渲染功能，讓即將到達的設(shè)標點閃爍顯示。

②數(shù)據(jù)標簽管理

清管模塊增加門站、LNG應(yīng)急氣化站、次高壓—中壓調(diào)壓站、閥室的SCADA數(shù)據(jù)標簽管理：

a．增加門站進站流量、壓力及站內(nèi)次高壓—中壓調(diào)壓橇流量的SCADA數(shù)據(jù)標簽、LNG應(yīng)急氣化站流量的SCADA數(shù)據(jù)標簽。

b．增加次高壓—中壓調(diào)壓站流量、進站壓力的SCADA數(shù)據(jù)標簽。

c．增加閥室壓力的SCADA數(shù)據(jù)標簽。

③清管模塊中的作業(yè)管理

a．新建內(nèi)檢測作業(yè)，輸入內(nèi)檢測作業(yè)名稱、作業(yè)開始時間、預(yù)設(shè)清管器或檢測器的平均速度，選擇作業(yè)類型(清管作業(yè)或檢測作業(yè))、作業(yè)起止門站，確認輸入后，模塊對內(nèi)檢測設(shè)標點數(shù)據(jù)初始化處理。

b．作業(yè)過程中錄入清管器或檢測器到達設(shè)標點的實際時間及跟球人員信息。作業(yè)結(jié)束時，保存設(shè)標點的空間位置信息、環(huán)境信息、跟蹤方式、清管器或檢測器的預(yù)計到達時間、預(yù)設(shè)平均速度、實際平均速度、發(fā)球門站的理論控制流量、下游進氣理論控制流量、上游壓力、檢測人員等作業(yè)信息，信息可導(dǎo)出為Excel表格。

④作業(yè)路徑分析

a．根據(jù)起止門站進行拓撲分析，自動確定清管或檢測路徑。

b．根據(jù)選擇的作業(yè)類型自動過濾設(shè)標點。

c．對設(shè)標點進行空間分析，確定路徑上的點，逐點分析上游次高壓—中壓調(diào)壓站與最近的閥室，并自動計算其到發(fā)球門站的里程。

⑤作業(yè)過程相關(guān)參數(shù)的自動計算

a．獲取門站、次高壓—中壓調(diào)壓站、閥室壓力與流量的SCADA數(shù)據(jù)，利用GIS中支持SCADA數(shù)據(jù)標簽的算術(shù)表達式功能，解決次高壓—中壓調(diào)壓橇多路計量供氣的流量計算問題。

b．拓撲分析當前設(shè)標點的上游次高壓—中壓調(diào)壓站流量、上游最近閥室的壓力參數(shù)，根據(jù)給定公式計算理論推球輸氣流量、發(fā)球門站的理論控制流量、下游進氣理論控制流量。

c．選擇設(shè)標點，輸入實際到達時間與檢測人員，根據(jù)各設(shè)標點與門站的距離，自動計算通過該設(shè)標點的實際速度。

d．根據(jù)各設(shè)標點與門站的距離、作業(yè)開始時間、實際運行速度及清管器或檢測器下游各段的預(yù)設(shè)平均速度，計算清管器或檢測器下游各設(shè)標點的預(yù)計到達時間。每錄入一個清管器或檢測器通過設(shè)標點的實際時間，模塊就自動計算其實際運行速度，自動更新下游各設(shè)標點的預(yù)計到達時間。

e．即將到達的設(shè)標點閃爍顯示，并在GIS界面顯示發(fā)球門站的理論控制流量、發(fā)球門站實際流量、預(yù)設(shè)清管器或檢測器的平均速度和實際速度、預(yù)計到達時間等重要作業(yè)參數(shù)。

4　模塊的應(yīng)用效果

在29次的清管作業(yè)、1次變形檢測的作業(yè)中，該模塊滿足設(shè)計要求，直觀地給調(diào)度及作業(yè)人員提供了詳細的作業(yè)信息，見圖2。

 

該模塊的應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在如下4個方面：

①清管器或檢測器的運行速度控制易于實現(xiàn)。通過清管模塊的作業(yè)界面顯示的發(fā)球門站理論控制流量和實際流量、下游門站的控制流量和實際流量，調(diào)度人員根據(jù)理論值與實際值的偏差，結(jié)合上一設(shè)標點的實際平均速度，調(diào)整門站供氣流量，實現(xiàn)球速(指清管器或檢測器的速度)控制。如第22次的清管作業(yè)中，跟球人員記錄的人工跟蹤設(shè)標點的球速均控制在1～3m／s。

②準確預(yù)測清管器或檢測器到達各設(shè)標點的時間，調(diào)度人員及時通知工藝操作組進行次高壓—中壓調(diào)壓站的停供、恢復(fù)，減少了停氣對用戶的影響。也使管道跟球小組的滾動式安排更合理，節(jié)省了人力。

每次錄入通過設(shè)標點的實際時間后，模塊自動進行預(yù)測到達時間的重新計算，自動更新預(yù)測時間。因此，在正常運行的情況下，預(yù)測到達時間與實際到達時間的偏差一般在5min以內(nèi)。

③合理安排各供氣門站的供氣流量。界面顯示了下游進氣的理論流量、實際進氣流量、各供氣門站的實時流量，依據(jù)這些數(shù)據(jù)調(diào)整流量，與發(fā)球門站流量配合，實現(xiàn)球速的有效控制。

④數(shù)據(jù)的記錄、儲存功能。記錄、儲存的信息包括：設(shè)標點信息、預(yù)設(shè)清管器或檢測器的平均速度、實際速度、發(fā)球門站及下游進氣的理論控制流量、預(yù)計到達和實際到達設(shè)標點的時間、各設(shè)標點到發(fā)球門站的距離、上游閥室的壓力等。該信息為清管器或檢測器運行過程的分析、流量與球速關(guān)系的分析提供數(shù)據(jù)。

5　結(jié)語

在城市燃氣的GIS中進行清管模塊的開發(fā)，將信息化手段引入到內(nèi)檢測作業(yè)中，幫助調(diào)度人員快速、全面地掌控清管器和檢測器的運行情況，快速調(diào)整管網(wǎng)工況以適應(yīng)作業(yè)的工藝要求，有效調(diào)度各作業(yè)組，使人員安排更合理、有效，節(jié)省了人力成本，也提高了作業(yè)的可控性和安全性。

本模塊的不足之處在于無法完全依賴計算的理論控制流量實現(xiàn)球速的精確控制，雖然精度仍可滿足工程的要求。因為考慮模塊的通用性，在進行理論推球輸氣流量q0計算時忽略了以下方面因素對球速的影響：①壓力變化引起管道儲氣量變化，造成理論推球輸氣流量不等于實際推球輸氣流量。②不同類型的清管器及管道內(nèi)潔凈度不同造成阻力不同。③管道所處的地形、穿越施工方式不同使清管器或檢測器自重對速度的影響不同。所以完全按發(fā)球門站的理論控制流量qs、下游進氣理論控制流雖q。進行球速的控制時，實際球速與理論球速存在一定的偏差。因此，在應(yīng)用過程中需要調(diào)度人員根據(jù)前幾次清管器運行速度的歷史數(shù)據(jù)進行修正。通常實際球速與理論球速之比約為0.7～0.9，調(diào)度人員根據(jù)經(jīng)驗在門站的流量控制上按適當比值修正，以更好控制球速。

 

參考文獻：

[1]高慧明，孟悅，井帥，等．城市燃氣管道內(nèi)檢測技術(shù)[J]．煤氣與熱力，2011，31(5)：A34-A36．

 

 

本文作者：黎珍

作者單位：深圳市燃氣集團輸配分公司