蘆 超， 陳海龍， 程小偉， 彭廣娟， 周瑞智

(1.北京市公用事業(yè)科學研究所， 北京 100000； 2.北京市燕山工業(yè)燃氣設備有限公司， 北京 100000)

1 概述

城市燃氣要保持高質(zhì)量發(fā)展態(tài)勢，智能化是必經(jīng)之路。發(fā)展智能設備是實現(xiàn)智能管網(wǎng)、智慧燃氣的根本條件[1-3]。本文提出的中低壓燃氣智能調(diào)壓系統(tǒng)，是基于新型智能調(diào)壓器開發(fā)的[4-6]。智能調(diào)壓器作為核心部件，與進、出口管路上的球閥閥位開關(球閥上加裝的閥位開關 )，過濾器兩側的壓差變送器，壓力變送器和溫度變送器配套，形成中低壓燃氣智能調(diào)壓系統(tǒng)[7-8]。

2 智能調(diào)壓器

將切調(diào)一體調(diào)壓器與電動執(zhí)行器、位移傳感器、切斷閥位開關進行優(yōu)化組裝，形成智能調(diào)壓器。目前，此款智能調(diào)壓器已通過型式檢驗(進口壓力范圍0.1～0.4 MPa，出口壓力范圍2～40 kPa，流量范圍0～1 000 m3/h，關閉壓力等級SG20，關閉壓力區(qū)等級SZ20，穩(wěn)壓精度等級AC10)，并且獲得一項實用新型專利(專利號ZL201720064606.0)[9]。此款智能調(diào)壓器采用220 V市電提供動力，采用4～20 mA弱電信號控制，實現(xiàn)遠程調(diào)壓。當發(fā)生意外停電時，該智能調(diào)壓器自動轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)調(diào)壓器，保持出口壓力平穩(wěn)。切調(diào)一體調(diào)壓器見圖1，智能調(diào)壓器見圖2。

圖1 切調(diào)一體調(diào)壓器

圖2 智能調(diào)壓器

3 中低壓燃氣智能調(diào)壓系統(tǒng)

該中低壓燃氣智能調(diào)壓系統(tǒng)具有遠程監(jiān)控功能(包括在線監(jiān)測功能和遠程調(diào)壓功能)、故障自診斷功能、流量模擬功能、數(shù)據(jù)查詢功能、統(tǒng)計分析功能。該系統(tǒng)采用NB-IoT技術進行數(shù)據(jù)傳輸，遠程調(diào)壓控制分度值可達到0.1 kPa，調(diào)節(jié)速度達到1 mm/s，瞬時流量模擬相對誤差可達到3%。

3.1 系統(tǒng)組成

中低壓燃氣智能調(diào)壓系統(tǒng)見圖3，包含的設備有：PLC控制器、進口壓力變送器、進口溫度變送器、進口壓力表、帶閥位開關的進口球閥、帶壓差變送器的過濾器、智能調(diào)壓器、出口壓力表、出口壓力變送器、出口溫度變送器、帶閥位開關的出口球閥。

圖3 中低壓燃氣智能調(diào)壓系統(tǒng)

3.2 遠程監(jiān)控功能

此系統(tǒng)將進出口壓力、進出口溫度、流量(通過流量模擬功能得到，顯示在監(jiān)控平臺)、智能調(diào)壓器的切斷壓力、過濾器壓差、智能調(diào)壓器的閥口開度、進出口球閥啟閉狀態(tài)等數(shù)據(jù)進行采集并實時遠程傳輸，用于監(jiān)控調(diào)壓系統(tǒng)的運行情況。

通過此系統(tǒng)可遠程進行壓力調(diào)節(jié)。在遠程調(diào)壓操作中，PLC控制器接收服務器發(fā)來的出口壓力設定值，電動執(zhí)行機構接收PLC控制器輸出的指令，使調(diào)壓器彈簧沿軸向位移運動，達到出口壓力設定值。目前，遠程調(diào)節(jié)壓力的范圍控制在2～40 kPa，滿足中低壓常用壓力設定需求。在遠程調(diào)壓過程中，采用自適應控制方式，遠離目標值時(實際壓力與設定壓力的差值的絕對值大于1%設定壓力時)，電動執(zhí)行機構快速運轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)尺度大；接近目標值時(實際壓力與設定壓力的差值的絕對值小于1%設定壓力時)，采用緩慢調(diào)節(jié)方式，使壓力最終穩(wěn)定在目標值。

3.3 故障自診斷功能

燃氣智能調(diào)壓系統(tǒng)通過增加壓力變送器、溫度變送器、PLC控制器、調(diào)壓器位移傳感器、球閥閥位開關、過濾器壓差變送器、調(diào)壓器上的切斷閥閥位開關等設備，實現(xiàn)故障自診斷功能。

在中壓燃氣管道和低壓燃氣管道上分別安裝壓力變送器，用于監(jiān)測管道內(nèi)的壓力，判斷運行壓力是否異常。調(diào)壓器位移傳感器可監(jiān)測調(diào)壓器閥口開啟情況，再結合現(xiàn)場壓力和溫度數(shù)據(jù)，進行模擬計算得出通過調(diào)壓器的實時流量。通過設定的邏輯關系，可判斷智能調(diào)壓器的關閉壓力是否異常。過濾器上的壓差變送器用于判斷是否出現(xiàn)過濾器堵塞。調(diào)壓器上的切斷閥位開關用于監(jiān)測調(diào)壓器切斷裝置的狀態(tài)，判斷調(diào)壓器是否因管路壓力超出設定值而自動切斷，以及調(diào)壓器切斷裝置是否發(fā)生故障。

智能調(diào)壓系統(tǒng)實時采集并處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄單元PLC控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送給與其連接的數(shù)據(jù)通信單元，數(shù)據(jù)通信單元以無線通信的方式發(fā)送數(shù)據(jù)至服務器，服務器自動診斷調(diào)壓器出現(xiàn)的故障問題。故障自診斷分析見表1。表1中，p2為調(diào)壓器實際出口壓力，pb為調(diào)壓器關閉壓力，A為調(diào)壓器穩(wěn)壓精度等級，p2S為調(diào)壓器設定出口壓力，這3個壓力的單位均為kPa。

監(jiān)控平臺為網(wǎng)頁形式，在任意電腦上登錄網(wǎng)址即可。監(jiān)控平臺實時接收報警信息，并給出報警提示，以地形圖及列表結合的方式直觀展示報警信息及位置信息。

表1 故障自診斷分析

3.4 流量模擬功能

調(diào)壓器的流量模擬功能首先結合仿真計算和試驗測量方法建立流量模擬模型，上線運行時根據(jù)壓力變送器、調(diào)壓器位移傳感器以及溫度傳感器傳來的信息，通過安裝在服務器上的流量模擬模型實時計算出流過調(diào)壓器的瞬時流量。流量模擬模型的建立分3步實現(xiàn)：

① 針對調(diào)壓器采用proe軟件進行三維建模，利用CFD進行計算仿真，建立了流量數(shù)據(jù)庫。根據(jù)調(diào)壓器的工況范圍，確定流量計算狀態(tài)表。針對空氣介質(zhì)，共獲得了144個狀態(tài)的流場分布和流量值；針對燃氣介質(zhì)，共獲得了84個狀態(tài)的流場分布和流量值。

② 模擬仿真只能獲得某些固定狀態(tài)的流量結果，是一些離散的數(shù)據(jù)點，但實際使用過程中需要能實時給出任意狀態(tài)的流量值，因此需要開發(fā)流量模擬模型，從而得到任意時刻的流量結果。我們以仿真計算得到的流量數(shù)據(jù)庫為基礎，采用多維拉格朗日插值公式生成流量響應面模型。

③ 針對調(diào)壓器開展流量試驗測試，利用試驗測量得到的流量數(shù)據(jù)對上述得到的流量響應面模型進行修正，獲得流量模擬模型。共開展了500多次調(diào)壓器流量試驗測試，整理了近500個點的試驗數(shù)據(jù)，將試驗結果和利用流量模擬模型得到的結果進行對比，發(fā)現(xiàn)相對誤差保持在3%左右。

3.5 其他功能

中低壓燃氣智能調(diào)壓系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計分析的功能，可以方便得知管轄區(qū)域設備在當前和歷史的運行狀態(tài)，對設備的維護及用氣量分析提供有力的支持。在運營管理方面，中低壓燃氣智能調(diào)壓系統(tǒng)可以收錄各種調(diào)壓箱(含智能調(diào)壓箱和常規(guī)調(diào)壓箱)信息并以地圖和列表方式顯示，結合巡檢人員的手機APP客戶端，大大提高了調(diào)壓箱巡檢效率，也提高了運營管理水平。

4 結論

① 中低壓燃氣智能調(diào)壓系統(tǒng)實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集并監(jiān)控現(xiàn)場運行狀態(tài)，在無人值守的情況下，可以及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行故障或者安全問題，提高燃氣調(diào)壓箱(站)的使用管理水平，做到全方位、全時段監(jiān)測的同時，又節(jié)省了人力。

② 中低壓燃氣智能調(diào)壓系統(tǒng)具備遠程調(diào)壓功能，權限范圍內(nèi)遠程調(diào)節(jié)現(xiàn)場壓力代替現(xiàn)場人工手動，有效節(jié)省了人力、物力和財力。

③ 中低壓燃氣智能調(diào)壓系統(tǒng)具備故障自診斷功能，可以消除安全隱患，提升供氣安全性。

④ 中低壓燃氣智能調(diào)壓系統(tǒng)具備流量模擬功能，替代傳統(tǒng)的流量計，在一定程度上實現(xiàn)對用戶流量的監(jiān)測，為分析購銷差提供參考依據(jù)。