燃?xì)夤艿拦r模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要

摘要：依據(jù)城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)燃?xì)夤艿拦r模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，為調(diào)控、檢測(cè)、模擬等技術(shù)方法的研究提供試驗(yàn)條件，為燃?xì)鈶?yīng)用軟件提供現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)。關(guān)鍵詞：燃?xì)夤艿?；工況模擬；試驗(yàn)系
摘要：依據(jù)城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)燃?xì)夤艿拦r模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，為調(diào)控、檢測(cè)、模擬等技術(shù)方法的研究提供試驗(yàn)條件，為燃?xì)鈶?yīng)用軟件提供現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)。
關(guān)鍵詞：燃?xì)夤艿?；工況模擬；試驗(yàn)系統(tǒng)；軟件測(cè)試
Design and Implementation of Test System Simulating Gas Pipeline Conditions
HAO Ran-ran，ZHANG Xiu-qin，CHEN Hao，YUE Ming，WANG Hong-lin. ZHA0 Zi-jun
Abstract：A test system for simulating gas pipeline conditions is designed based on the structure of city gas pipeline network. It provides test conditions for studying gas control，testing，simulation and other techniques and methods as well as a field testing platform for gas application software.
Key words：gas pipeline；condition simulation；test system；software testing
    近幾年來，隨著供氣規(guī)模的日益擴(kuò)大，為保證安全、可靠供氣和燃?xì)庥行Ю?，燃?xì)夤芫W(wǎng)優(yōu)化調(diào)度問題受到了普遍重視。為實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤芫W(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化，解決燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)工況優(yōu)化以及管道事故分析等問題，涌現(xiàn)出了許多監(jiān)督控制、數(shù)據(jù)采集、仿真模擬、泄漏分析與定位軟件。這些軟件運(yùn)行結(jié)果的準(zhǔn)確與否，直接影響管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、投資和運(yùn)行的可靠性。由于燃?xì)夤芫W(wǎng)的特殊性，即使將軟件安裝在現(xiàn)場(chǎng)，也無法設(shè)置各種工況來檢驗(yàn)軟件的可靠性，只能依靠軟件本身設(shè)定參數(shù)進(jìn)行前期虛擬調(diào)試，軟件計(jì)算的準(zhǔn)確度、能否適應(yīng)不同工況、能否對(duì)運(yùn)行中的突發(fā)事故做出正確響應(yīng)均無法得到有效驗(yàn)證。本文介紹的燃?xì)夤艿拦r模擬試驗(yàn)系統(tǒng)是在充分研究城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，運(yùn)行環(huán)境接近實(shí)際，工況設(shè)定靈活，可以模擬事故，為燃?xì)鈶?yīng)用軟件提供現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)。
1 試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1.1 總體結(jié)構(gòu)概述
    2008年底，燃?xì)夤艿拦r模擬試驗(yàn)系統(tǒng)建成于國家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，是我國建成的第一個(gè)集合模擬試驗(yàn)、工況分析與SCADA技術(shù)的綜合試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)系統(tǒng)由壓縮機(jī)、儲(chǔ)罐、調(diào)壓器、流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器、電磁閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等儀器設(shè)施組成。儲(chǔ)罐分高壓罐和中壓罐，容積均為100m3。試驗(yàn)管道設(shè)計(jì)流量為0～5000m3/h，試驗(yàn)壓力為0～2.5MPa，管徑為100mm，管道長(zhǎng)度為400m，試驗(yàn)系統(tǒng)氣源為螺桿壓縮機(jī)增壓儲(chǔ)存的壓縮空氣。借助球閥組，試驗(yàn)管道可以組合成單管枝狀管道、單環(huán)狀管網(wǎng)、多環(huán)狀管網(wǎng)以及枝狀與環(huán)狀相結(jié)合的復(fù)雜管網(wǎng)。
試驗(yàn)系統(tǒng)有4個(gè)試驗(yàn)區(qū)，分別為高壓試驗(yàn)區(qū)(壓力為0.4～2.5MPa)、覆土試驗(yàn)區(qū)、中壓試驗(yàn)區(qū)和低壓試驗(yàn)區(qū)。高壓試驗(yàn)區(qū)和覆土試驗(yàn)區(qū)建在室外，中壓試驗(yàn)區(qū)和低壓試驗(yàn)區(qū)建在室內(nèi)，與試驗(yàn)系統(tǒng)配套的小型SCADA系統(tǒng)調(diào)度中心設(shè)在調(diào)度控制室內(nèi)。燃?xì)夤艿拦r模擬試驗(yàn)系統(tǒng)工藝流程見圖1。
目前，試驗(yàn)系統(tǒng)可以完成城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)低壓、中壓和高壓管道的工況模擬。高壓罐出口設(shè)置調(diào)壓器設(shè)定系統(tǒng)試驗(yàn)壓力，中壓罐出口設(shè)置電動(dòng)閥調(diào)節(jié)流量，保證試驗(yàn)系統(tǒng)氣源壓力恒定或流量恒定。壓縮空氣從空氣壓縮站進(jìn)入儲(chǔ)罐，再經(jīng)過壓力或流量調(diào)節(jié)后進(jìn)入各個(gè)試驗(yàn)區(qū)，完成特定試驗(yàn)。調(diào)度控制室負(fù)責(zé)控制試驗(yàn)流程，實(shí)時(shí)采集和保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)并自動(dòng)生成報(bào)表和趨勢(shì)曲線。
 
圖1中，把球閥11、4、19、29、20、16、13、17、21、27、26、25、22、18、5、10、9打開，其他帶編號(hào)的球閥關(guān)閉，管道組合成一個(gè)枝狀管道，壓縮空氣從高壓罐流到中壓罐，沿途設(shè)有露天電磁閥和埋地電磁閥模擬的瞬態(tài)泄漏點(diǎn)，設(shè)有手動(dòng)放散閥模擬泄漏及用戶。單管流程模型見圖2，圖2中第一漏點(diǎn)距是指從第一個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)到第一個(gè)模擬泄漏點(diǎn)的距離。
 

    ② 單管與單環(huán)流程
把球閥11、4、19、29、28、20、21、16、17、13、6、10、9打開，其他帶編號(hào)的球閥關(guān)閉，管道組合成一個(gè)單枝狀(球閥11—4—19—29)和一個(gè)單環(huán)狀(球閥28—21—17—13—16—20—28)串聯(lián)管網(wǎng)。壓縮空氣從高壓罐流到中壓罐，沿途設(shè)有露天電磁閥模擬的瞬態(tài)泄漏點(diǎn)，設(shè)有手動(dòng)放散閥模擬泄漏點(diǎn)及用戶。單管與單環(huán)流程模型見圖3。
 

    ③ 單管與多環(huán)流程
    把球閥11、4、19、29、28、27、26、25、22、21、20、16、17、18、13、12、5、10、9打開，其他帶編號(hào)的球閥關(guān)閉，管道組合成一個(gè)單枝狀(球閥11—19—29)和一個(gè)雙環(huán)狀(球閥28—21—17—13—16—20—28，球閥27—26—25—22—18—12—17—20—27)串聯(lián)管網(wǎng)。壓縮空氣從高壓罐流到中壓罐，沿途設(shè)有露天電磁閥和埋地電磁閥模擬的瞬態(tài)泄漏點(diǎn)，設(shè)有手動(dòng)放散閥模擬泄漏點(diǎn)及用戶。單管與多環(huán)流程模型見圖4。
    ④ 多環(huán)流程
    把球閥11、4、19、29、28、27、26、25、20、21、22、15、16、17、18、14、13、12、5、10、9打開，其他帶編號(hào)的球閥關(guān)閉，管道組合成多環(huán)狀(球閥29—20—16—14—15—19—29，球閥28—21—17—13—16—20—28，球閥27—26—25—22—18—12—17—21—27)并聯(lián)管網(wǎng)。壓縮空氣從高壓罐流到中壓罐，沿途設(shè)有露天電磁閥和埋地電磁閥模擬的瞬態(tài)泄漏點(diǎn)，設(shè)有手動(dòng)放散閥模擬泄漏及用戶。多環(huán)流程模型見圖5。
1.3 SCADA系統(tǒng)
    為試驗(yàn)系統(tǒng)配套建立的小型SCADA系統(tǒng)，具有開放性、可擴(kuò)展性、實(shí)用性、易操作性等優(yōu)點(diǎn)。SCADA主站系統(tǒng)的軟件選用在Windows環(huán)境下運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)軟件，利用其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊和二次開發(fā)程序完成上位機(jī)各項(xiàng)監(jiān)控功能；選用通用的PLC設(shè)備作遠(yuǎn)端站，利用梯形圖編制程序，控制試驗(yàn)裝置；遠(yuǎn)端站與主站之間采用有線的方式通信。
    該SCADA系統(tǒng)除了具有采集與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、控制設(shè)備運(yùn)行、動(dòng)態(tài)顯示工藝流程、生成試驗(yàn)報(bào)表和趨勢(shì)曲線、提供報(bào)警和事件記錄等基本功能外，還集成了高速采集程序，通過設(shè)定數(shù)據(jù)采集數(shù)量和采集周期，可以實(shí)現(xiàn)最快100次/s的數(shù)據(jù)采集速率，能夠捕捉到瞬間即逝的負(fù)壓波。
2 試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能
2.1 燃?xì)夤艿拦r模擬
    試驗(yàn)系統(tǒng)通過控制管道內(nèi)氣體流速或壓差來模擬多種工況流態(tài)，為燃?xì)夤艿婪€(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模擬研究提供了試驗(yàn)條件。在試驗(yàn)系統(tǒng)上，利用電動(dòng)閥調(diào)節(jié)流量用以改變管道流速，手動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)管道上的球閥開度來改變管道的當(dāng)量長(zhǎng)度和壓差。
    城市燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)流速一般不超過20m/s，以此為條件設(shè)計(jì)試驗(yàn)，DN 100mm的試驗(yàn)管道，設(shè)定管輸流量約為540m3/h，流速小于或等于20m/s，用來模擬低壓的小區(qū)用戶系統(tǒng)、樓棟用戶系統(tǒng)、單用戶系統(tǒng)等；改變氣源壓力和管道內(nèi)氣體的流速或壓差，用來模擬中壓工業(yè)用戶、城市高壓主干管等。
2.2 多種泄漏監(jiān)測(cè)與定位方法的驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)M
    造成燃?xì)夤艿佬孤┑脑蚨喾N多樣，主要為腐蝕、自然災(zāi)害、人為破壞以及管理不當(dāng)?shù)龋唧w形式為滲漏和泄漏。滲漏主要指法蘭、螺紋連接部位、焊接部位滲漏等，泄漏主要指腐蝕穿孔、人為打孔、管道斷裂等。
    在試驗(yàn)系統(tǒng)中，利用閥門和管件來模擬多種泄漏狀況。試驗(yàn)管道上預(yù)留的兩端有法蘭的短管和螺紋接頭可以用來模擬滲漏；手動(dòng)放散閥模擬小孔泄漏；電磁閥模擬人為打孔等較大流量的泄漏；撤掉高壓試驗(yàn)區(qū)管段末端上的法蘭，控制球閥開度就能夠模擬管道斷裂。上述類型的模擬泄漏部件安裝在管道上，用于模擬干管、環(huán)狀管網(wǎng)以及枝狀管網(wǎng)和用戶管道上不同壓力和流速下的多種泄漏情況，可以很方便地進(jìn)行負(fù)壓波、壓力流量法、壓力梯度法、小波分析法等檢漏技術(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證和分析。在覆土試驗(yàn)區(qū)，通過在泄漏點(diǎn)上覆蓋不同性質(zhì)、不同孔隙的土壤，可以用來研究不同埋深和不同地質(zhì)條件下管道燃?xì)庑孤┖蟮臄U(kuò)散規(guī)律。
2.3 SCADA系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)的監(jiān)控
   利用試驗(yàn)系統(tǒng)所做的各種試驗(yàn)都是在SCADA系統(tǒng)的監(jiān)控下進(jìn)行的。SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)各壓力和流量點(diǎn)，并對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記和分析。SCADA系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的精度為1%，在軟件測(cè)試的過程中，通過軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，可以測(cè)試軟件的計(jì)算準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，以期改進(jìn)軟件模型，提高計(jì)算的精度，使理論模型更符合實(shí)際工況。
3 試驗(yàn)實(shí)例
    ① 城市燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏在線檢測(cè)軟件的檢測(cè)
試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)基于負(fù)壓波原理的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏在線檢測(cè)軟件對(duì)泄漏點(diǎn)定位的準(zhǔn)確度。選用單管試驗(yàn)流程，將試驗(yàn)系統(tǒng)充壓至設(shè)定值，保證氣源穩(wěn)定供氣；將電動(dòng)閥開啟，開始調(diào)節(jié)，保證一定的用氣量；開啟模擬泄漏的電磁閥，高速采集并記錄實(shí)時(shí)壓力值，采集頻率為10次/s。
 

圖6為SCADA系統(tǒng)提供的壓力實(shí)時(shí)趨勢(shì)，P0是距離泄漏點(diǎn)最近的壓力測(cè)點(diǎn)，P2次之，P1最遠(yuǎn)。由于負(fù)壓波傳輸需要一定的時(shí)間，P0具有明顯的負(fù)壓點(diǎn)，P1和P2的負(fù)壓點(diǎn)不太明顯。圖7為壓差趨勢(shì)，通過壓差比對(duì)判定壓差波動(dòng)最大的時(shí)刻發(fā)生泄漏，泄漏位置在P0附近。在試驗(yàn)過程中，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏在線檢測(cè)軟件同步運(yùn)行，得出的結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，即可判定出軟件的準(zhǔn)確度。
 

   ② 瞬態(tài)模擬軟件的試驗(yàn)檢測(cè)
   瞬態(tài)模擬軟件是根據(jù)氣源壓力或流量、用戶壓力或流量的變化來預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)管道的壓力、溫度、流量以及儲(chǔ)氣情況。試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)瞬態(tài)模擬軟件計(jì)算的準(zhǔn)確度。首先，計(jì)算出試驗(yàn)系統(tǒng)管道摩擦阻力系數(shù)作為瞬態(tài)模擬軟件的初始參數(shù)。然后，任意選定一個(gè)管網(wǎng)流程，氣源壓力穩(wěn)定在一個(gè)設(shè)定值，改變模擬用戶的用氣量，保證試驗(yàn)是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的過程，實(shí)時(shí)采集并記錄管道的壓力、溫度、流量。
    試驗(yàn)完成后，從SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中調(diào)出采集的數(shù)據(jù)，與瞬態(tài)模擬軟件計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。若兩者之間偏差為±5%，即認(rèn)為瞬態(tài)模擬軟件的計(jì)算值合理；否則，瞬態(tài)模擬軟件應(yīng)修正。
4 結(jié)語
    燃?xì)夤艿拦r模擬試驗(yàn)系統(tǒng)是國內(nèi)首創(chuàng)，凝聚了城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征，能夠較真實(shí)地反映城市管網(wǎng)的運(yùn)行工況，為燃?xì)庹{(diào)控、檢測(cè)、模擬等技術(shù)方法的研究提供了試驗(yàn)條件?？梢杂行У貦z驗(yàn)燃?xì)鈶?yīng)用軟件準(zhǔn)確度，起到了計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)際管網(wǎng)運(yùn)行之間的橋梁作用。
 
(本文作者：郝冉冉 張秀琴 陳浩 岳明 王洪林 趙自軍 中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 天津 300384)