作者：龔明，趙夢，楊炯，田勝
第一作者單位：北京市煤氣熱力工程設(shè)計院有限公司
摘自《煤氣與熱力》2018年9月刊
1 概述
智慧燃氣的建設(shè)，不僅是一個綜合的信息化軟件體系提升過程，也是一個基礎(chǔ)的硬件設(shè)施提升過程，智能燃氣設(shè)備的應(yīng)用是智慧燃氣建設(shè)過程中非常重要的一環(huán)，也是智慧燃氣建設(shè)的基礎(chǔ)。
智能燃氣管網(wǎng)主要包括更透徹感知各項運行參數(shù)、更高效暢通的通信、管網(wǎng)的完整性管理、更精準的調(diào)控、對生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的邏輯分析以及智慧的決策等。
城市天然氣廠站作為城市燃氣輸配的重要節(jié)點，承擔著承接上游氣源，調(diào)節(jié)和分輸給下游管網(wǎng)、用戶的重要功能，其智能化建設(shè)必然是城市智慧燃氣的重要一環(huán)。
通過對某高壓A調(diào)壓站的智能化設(shè)計思路的解析，剖析城市天然氣廠站工藝設(shè)計中對智能設(shè)備的設(shè)計和應(yīng)用思路，以研究現(xiàn)階段廠站設(shè)計智能化需求及可實現(xiàn)的功能，為城市燃氣基礎(chǔ)設(shè)施的智能化設(shè)計和燃氣輸配系統(tǒng)的智能化發(fā)展提供參考。
2 現(xiàn)階段智能設(shè)備的應(yīng)用
自2013年，北京某燃氣企業(yè)根據(jù)實際情況啟動了各壓力級制調(diào)壓站的遠程調(diào)控改造。經(jīng)過設(shè)備調(diào)試和運行，獲得大量的運行數(shù)據(jù)，調(diào)度部門通過對這些數(shù)據(jù)的分析總結(jié)，認為智能化遠程調(diào)控設(shè)備主要實現(xiàn)了以下4方面。
①在調(diào)壓模式下對供氣壓力可較準確控制，滿足對供氣壓力要求嚴格的用戶需求；
②在調(diào)流模式下實現(xiàn)負荷集中區(qū)域的調(diào)壓站按設(shè)定流量運行，解決超流問題，避免造成調(diào)壓、計量設(shè)備損壞，在多氣源和多氣質(zhì)條件下，實現(xiàn)調(diào)壓站及時、合理的流量調(diào)配；
③通過單路調(diào)壓器、調(diào)節(jié)閥獨立調(diào)控方式，探索多路調(diào)壓器流量均衡控制的可行性；
④通過低流模式的實際運行，初步實現(xiàn)夏季貿(mào)易計量站在低峰時段的流量準確計量。
目前的遠程調(diào)壓調(diào)流只是實現(xiàn)了一定程度的單體、局部的有限智能控制，要實現(xiàn)全網(wǎng)的智能調(diào)節(jié)還有很長的路要走，智能管網(wǎng)集中了調(diào)度人員長期以來經(jīng)過優(yōu)化的調(diào)控和應(yīng)急處置工作經(jīng)驗，據(jù)此需要建立一個大型分析計算軟件，從而根據(jù)不同的工況乃至突發(fā)事件選擇最優(yōu)調(diào)度方案，并迅捷實施。
參考國內(nèi)某大型能源企業(yè)對于智能調(diào)壓的建設(shè)方案，可知其調(diào)壓裝置在初期僅考慮了調(diào)壓功能。但隨著下游用戶的增加，對流量控制的需求逐漸明顯，調(diào)壓調(diào)流模式應(yīng)運而生。
目前，大多數(shù)長輸管道分輸站或末站實現(xiàn)壓力流量控制的方案有兩種，分別為安全切斷閥+監(jiān)控調(diào)壓器+電動調(diào)節(jié)閥、雙切斷（2個安全切斷閥串聯(lián)）+電動調(diào)節(jié)閥。這兩種方案都是利用電動調(diào)節(jié)閥及相應(yīng)的控制環(huán)節(jié)，通過調(diào)節(jié)閥門的開度來控制流量的變化進而控制流體的壓力和流速等參數(shù)。
3 調(diào)壓站智能調(diào)壓、調(diào)流設(shè)備的工藝設(shè)計
根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備水平和應(yīng)用經(jīng)驗，設(shè)置電動調(diào)節(jié)閥是現(xiàn)階段實現(xiàn)智能調(diào)壓、調(diào)流的主要手段。調(diào)壓系統(tǒng)的安全設(shè)備的設(shè)置可參考GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》第8.4.3條第2款：當上游最大操作壓力大于下游最大操作壓力1.6 MPa以上，以及上游最大操作壓力大于下游管道和設(shè)備強度試驗壓力時，單個的（第一級）壓力安全設(shè)備還應(yīng)同時加上第二個安全設(shè)備。
根據(jù)以上條款，現(xiàn)階段以電動調(diào)節(jié)閥為主的調(diào)壓、調(diào)流工藝流程根據(jù)上下游壓差可分為以下兩種［1］。
①安全切斷閥+監(jiān)控調(diào)壓器+電動調(diào)節(jié)閥
此工藝適用于上下游壓差＞1.6 MPa的工況。該壓力流量控制系統(tǒng)包括：安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器、電動調(diào)節(jié)閥、專用壓力流量控制器、壓力變送器、壓力表及相關(guān)設(shè)備、異徑管、管路附件等。安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器、電動調(diào)節(jié)閥為相互獨立的設(shè)備，按照從上游至下游的順序，串聯(lián)在一起組成安全監(jiān)控式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用以PLC（帶PID調(diào)節(jié)模塊）為基礎(chǔ)組成獨立的壓力流量控制器，對廠站出站壓力、流量進行控制。其中，安全切斷閥和監(jiān)控調(diào)壓器的壓力檢測點均獨立設(shè)在電動調(diào)節(jié)閥的下游且與電動調(diào)節(jié)閥的壓力檢測點鄰近布置。
a. 供氣流量低于流量上限設(shè)定值
當供氣流量低于流量上限設(shè)定值時，安全切斷閥和監(jiān)控調(diào)壓器處于全開位置。專用壓力流量控制器和電動調(diào)節(jié)閥處于壓力調(diào)節(jié)狀態(tài)。此時，專用壓力流量控制器和電動調(diào)節(jié)閥的作用是控制下游的供氣壓力在規(guī)定的范圍內(nèi)。
b. 供氣流量接近或超過流量上限值
當供氣流量接近或超過流量上限值時，安全切斷閥和監(jiān)控調(diào)壓器處于全開位置，專用壓力流量控制器和電動調(diào)節(jié)閥處于流量控制狀態(tài)。專用壓力流量控制器輸出控制信號，減小調(diào)節(jié)閥開度，控制供氣流量不超過流量上限值。
c. 電動調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障
電動調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障導(dǎo)致下游供氣壓力超過壓力上限值達到一定范圍時，監(jiān)控調(diào)壓器（第一級安全設(shè)備）自動投入工作，以維持下游供氣壓力在一個安全、合理范圍。此時，系統(tǒng)處于自力式壓力調(diào)節(jié)狀態(tài)，不能控制供氣流量。故障時電動調(diào)節(jié)閥的閥位狀態(tài)可根據(jù)需要選擇，全開或維持故障前閥位。
d. 電動調(diào)節(jié)閥、監(jiān)控調(diào)壓器均出現(xiàn)故障
電動調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障后，監(jiān)控調(diào)壓器也出現(xiàn)故障，不能控制下游壓力時，安全切斷閥（第二級安全設(shè)備）自動切斷該回路氣源，并由站控系統(tǒng)開啟備用回路，關(guān)閉故障回路，以確保連續(xù)供氣及下游管道、設(shè)備的安全。
②監(jiān)控調(diào)壓器+電動調(diào)節(jié)閥
此工藝適用于上下游壓差≤1.6 MPa的工況。當調(diào)壓系統(tǒng)進出口壓力變化不大時，可采用監(jiān)控調(diào)壓器（或安全切斷閥）+電動調(diào)節(jié)閥的一級安全設(shè)備的模式。
對于以上兩種方式，均要求電動調(diào)節(jié)閥的壓力流量控制系統(tǒng)應(yīng)能向站控系統(tǒng)傳遞本系統(tǒng)的各種運行狀態(tài)參數(shù)，如壓力、閥門開度等狀態(tài)信息。其控制器應(yīng)具有就地顯示功能，能夠顯示壓力流量控制系統(tǒng)實時的工作狀態(tài)、故障信息（如：調(diào)節(jié)閥開度、壓力信號錯誤、設(shè)備故障等），并能顯示設(shè)定值。控制器能夠預(yù)先設(shè)定壓力上限值、一定時間內(nèi)流量上限值（即限制流量曲線），并根據(jù)預(yù)設(shè)流量上限值對流量進行控制，保持實際供氣流量不超過流量上限值?？刂破饔辛己玫恼{(diào)節(jié)特性輸出，能夠控制出口壓力，限制最大流量。壓力和流量控制的切換過程要求十分平穩(wěn)，不能使被調(diào)節(jié)對象出現(xiàn)大的擾動。
電動調(diào)節(jié)閥的智能控制精度，對其所在支路的流量信號反饋十分敏感，為了更好地發(fā)揮電動調(diào)節(jié)閥自我調(diào)節(jié)的智能化功能，應(yīng)將流量計的流量信號直接反饋至電動調(diào)節(jié)閥，以供電動調(diào)節(jié)閥實時精確地調(diào)節(jié)燃氣的流量、壓力［2］。
因此在設(shè)計調(diào)壓流程中，應(yīng)將流量計串聯(lián)在有電動調(diào)節(jié)閥的調(diào)壓支路中，以達到流量信號與電動調(diào)節(jié)閥一一對應(yīng)的效果。這樣設(shè)置，不但實現(xiàn)了調(diào)壓站對于上、下游管網(wǎng)負荷的實時反應(yīng)和主動調(diào)整，同時也可解決傳統(tǒng)工作調(diào)壓器多支路流量不均導(dǎo)致的“偏流”問題。這一效果已得到運行試驗的初步證明。
在流量計與電動調(diào)節(jié)閥串聯(lián)設(shè)置的設(shè)計中，還應(yīng)該注意燃氣流態(tài)對流量計的影響。由于電動調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)需要流量數(shù)據(jù)反饋信息，進而使燃氣流量在極大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。所以流量計的計量精度與范圍，對于實現(xiàn)精確的實時調(diào)壓調(diào)流具有重要意義?，F(xiàn)階段計量精度較高、計量范圍較大的流量計多為超聲波形式。超聲波流量計是通過檢測流體流動時對超聲束（或超聲脈沖）的作用來測量流量的，其測量精度對流體的流態(tài)較敏感。另一方面，流量計所在支路串聯(lián)的電動調(diào)節(jié)閥在工作時對于流量信號會實時作出反饋動作，這必然會對支路內(nèi)的燃氣流態(tài)產(chǎn)生干擾，在實際應(yīng)用中應(yīng)對這一現(xiàn)象采取措施，穩(wěn)定流態(tài)以提高超聲波流量計的計量精度。
4 某高壓A調(diào)壓站的智能化設(shè)計思路
以北京某燃氣企業(yè)的高壓A調(diào)壓站為例，其進口設(shè)計壓力4.0 MPa，經(jīng)站內(nèi)過濾、計量、調(diào)壓，分別輸出次高壓A和中壓A燃氣，設(shè)計壓力分別為1.0 MPa和0.4 MPa。站內(nèi)設(shè)2級調(diào)壓，4.0 MPa燃氣先統(tǒng)一調(diào)至1.0 MPa后，一路出站輸向次高壓A管網(wǎng)，另一路由1.0 MPa繼續(xù)調(diào)至0.4 MPa，輸送至中壓A管網(wǎng)。
其中高壓A調(diào)至次高壓A的工藝流程設(shè)置3路調(diào)壓工藝裝置2用1備，每路調(diào)壓工藝裝置配置安全切斷閥+監(jiān)控調(diào)壓器+電動調(diào)節(jié)閥，并串聯(lián)一臺超聲波流量計。這種設(shè)置不但在多路調(diào)壓并行的情況下避免了偏流問題，同時可以在不同的管網(wǎng)負荷下，根據(jù)調(diào)度要求切換運行模式，以實現(xiàn)更加經(jīng)濟、安全的管網(wǎng)工況。
對于電動調(diào)節(jié)閥與超聲波流量計串聯(lián)設(shè)置對后者的干擾問題，結(jié)合國內(nèi)外先進經(jīng)驗和作者團隊的深入研究，本站采用π形彎的方式進行降噪，即利用4個三通拼接成一個π形［3］。在不同的方案中，可根據(jù)現(xiàn)場條件、場地大小形狀及檢修通道的布置來考慮π形彎是以平行還是垂直于地面的方式布置。π形彎布置［3］見圖1。
圖1 π形彎布置
5 遠程調(diào)控功能的實現(xiàn)
現(xiàn)階段北京某燃氣企業(yè)的智能化建設(shè)正在由“只監(jiān)不控”向“可監(jiān)可控”過渡，根據(jù)調(diào)壓廠站的運行需求和調(diào)度定位，其遠程調(diào)控功能的實現(xiàn)可大致分為以下3個階段。
①調(diào)壓站遠程切斷
根據(jù)現(xiàn)階段智能燃氣建設(shè)的進度及可行性，以及調(diào)壓站室外進出口管道上電動閥門地下設(shè)置操作不便，存在安全隱患，將其進出口管道上的電動閥門移至地上設(shè)置，操作權(quán)限按相關(guān)生產(chǎn)運營管理規(guī)定。調(diào)壓站進出口管道上電動閥門距調(diào)壓站的距離應(yīng)符合GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定。
②調(diào)壓站無人值守、遠程控制
若做到調(diào)壓廠站完全無人值守自動化運行，還需將局部手動閥門更換為電動閥門并配以相應(yīng)的自控系統(tǒng)。工藝專業(yè)的自動化設(shè)計，是要求將主要工藝流程上的手動球閥及其導(dǎo)壓管上的球閥替換為可遠程開閉的電動閥門。同時為了降低成本、提高運行安全，保留計量儀表前管段閥門為手動型，同時在運行中保持其常開狀態(tài)。所有電動閥門均應(yīng)具有遠程控制、開關(guān)就地顯示及狀態(tài)遠傳、記錄功能。
北京某燃氣企業(yè)將投入運行首個無人值守自動化高壓A調(diào)壓站，以上設(shè)計思路也將得到實踐的檢驗。具體運行效果及可達到的智能化調(diào)度程度，考驗著工藝專業(yè)設(shè)計者對于智能設(shè)備應(yīng)用的理解及設(shè)計思路，同時對于城市燃氣運行調(diào)度系統(tǒng)的智能化建設(shè)也提出了更高的要求。
③更透徹的感知
現(xiàn)階段的智能設(shè)備技術(shù)和解決方案還無法滿足天然氣調(diào)壓廠站更加智能、安全地運行，如工藝放散系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和放散量分析、監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備小型化和采集精確化、供電系統(tǒng)的發(fā)電方式和利用效率升級、遠傳系統(tǒng)的無線帶寬擴展以及調(diào)壓站管理系統(tǒng)的人工智能提升等。這些領(lǐng)域都是現(xiàn)階段廠站智能設(shè)計中面臨的現(xiàn)實問題，也是相關(guān)單位在設(shè)備智能化研究的努力方向。
參考文獻：
［1］桑薇薇. 天然氣站場的計量調(diào)壓設(shè)計分析［J］. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（31）：296.
［2］王鋒. 電動調(diào)節(jié)閥自適應(yīng)控制在天然氣調(diào)壓中的應(yīng)用［J］. 中國化工貿(mào)易，2013（3）：87.
［3］International Organization for Standardization. Measurement of fluid flow in closed conduits — Ultrasonic meters for gas — Part 2：Meters for industrial applications（ISO 17089—2：2012）［EB/OL］. ［2011-06-29］. http：//www.doc88.com/p-9532132180716.html.
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