任保衛(wèi)

（上海天然氣管網有限公司供氣管理部，上海201204）

隨著經濟的發(fā)展以及國家對環(huán)保意識的逐漸增強，天然氣作為一種清潔能源，在國民經濟及日常生活中的應用越來越廣泛。特別是西氣東輸、川氣東送、俄氣南下和LNG工程技術日漸成熟，諸多燃氣管道被建成。城鎮(zhèn)管網燃氣的使用已經得到了國家的高度認可與重視［1］。天然氣的使用進入快速發(fā)展期，城市管道燃氣的普及率也越來越高。因燃氣泄漏不能及時被發(fā)現而造成的中毒窒息、爆炸等惡性事故時有發(fā)生，給人民生命財產造成極大的損失。因此，為了保證城市燃氣的安全輸配與使用，確保燃氣用戶及維修、管理人員能憑嗅覺直接及時發(fā)現泄漏，早發(fā)現、早處理、防患于未然，將一種具有特殊臭味的化學物質加入到燃氣中，使燃氣帶有臭味，提醒人們注意燃氣的泄漏，成為了保障民用及工業(yè)用氣安全的必要措施之一［2］。

1 概 述

天然氣作為清潔性能源主要成分是甲烷，在家庭及工業(yè)領域應用中越來越普及。但由于其具有無色無味、易燃易爆特性，在燃氣輸送和使用過程中，泄漏后不容易被察覺[3]。為及時發(fā)現，防止形成爆炸性氣體（甲烷在空氣中爆炸極限為4.9%～16%），避免造成不必要的人身和財產損失，在燃氣中添加警示性物質變得至關重要［4］。民用燃氣加臭是安全供氣的必要措施，《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》（GB 50028—2006）中明確規(guī)定城鎮(zhèn)燃氣應進行加臭［5］。所以對天然氣需要進行加臭處理，幫助人們及時發(fā)現泄漏，四氫噻吩是最常見的天然氣加臭劑。

加臭劑有含硫臭劑和無硫臭劑。過去我國在加臭劑及加臭裝置等方面的科研還比較落后，市場上可選擇應用的產品也較少。隨著時代的發(fā)展，天然氣越來越多地用于各種工業(yè)及生活領域。臭劑的選擇，燃氣加臭裝置的設計，檢測裝置的開發(fā)都是隨之而來必須面對的問題。四氫噻吩是國際上廣泛使用的燃氣味添加劑，俗稱“加臭劑”（Tetrahydrothiophene，THT）［6］。THT為淡黃色透明油狀液體，是一種含硫飽和雜環(huán)化合物，不易被空氣氧化，化學性質穩(wěn)定，揮發(fā)性較低，但總能產生穩(wěn)定、不易散發(fā)的臭味，它對燃氣設備、運輸管道墊片等材質沒有腐蝕性，對人體嗅覺不會產生習慣性鈍化，也不會引起咳嗽、頭痛、催淚等刺激反應。因此，可作為城市燃料氣，如：天然氣、液化石油氣、以氫及一氧化碳等為主要成份的燃料氣體的臭味劑［7］。

上海天然氣管網有限公司供氣管理部共有12套自動加臭注入系統(tǒng)。其中柱塞泵式［8］的2套，差壓式的10套，基本都在門站及調壓撬上使用運行。公司現使用的加臭劑就是四氫噻吩（THT），其分子式為C4H8S。爆炸極限為1.1%～12.1%，具有類似臭雞蛋的味道（刺鼻氣味），不溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮，不會與天然氣發(fā)生反應，但可與天然氣一起充分燃燒。本文主要以差壓式加臭為例，分析研究自動加臭注入系統(tǒng)在天然氣生產中的應用。

DOSAODOR-D加臭注入系統(tǒng)是一套由計算機（控制器）控制，利用管道天然氣的前后壓差作為動力工作的氣體加臭注入機構，可以與常規(guī)儲罐［9］設備組合安裝。加臭量大小根據管道氣體流量大小進行自動調節(jié)控制，系統(tǒng)通過液體注入方式進行運轉，以維持和確保一個相對恒定的單位加臭量，天然氣中臭液加注標準基本為：18～22 mg/Nm3［10］。

加臭技術規(guī)程要求，加臭裝置要具有數據通信上傳的功能。差壓式自動加臭系統(tǒng)DOSAODOR-D整套完全可配置，可以與遠端監(jiān)視系統(tǒng)接口鏈接［11］。

2 基本原理

加臭系統(tǒng)現場的氣動面板中安裝有兩個SA2調壓器。第1級調壓是把上游的天然氣壓力（約4.0 MPa）調壓到比下游壓力（約1.6 MPa）高0.3 MPa；第2級再將這一壓力調壓到比下游壓力（約1.6 MPa）高0.06 MPa，確保臭液能注入到天然氣管道中。臭液加入量是通過氣動面板中的電磁閥開啟時間長短來確定。電磁閥開啟時間長短，由“控制器”所采集到的流量計算機發(fā)出的表征流量大小的頻率信號，與需要維持的單位加臭量進行運算比較后而確定的。同時，如果電磁閥執(zhí)行過程中有偏差，氣動面板里的計量罐（校驗筒）會給“控制器”反饋信號并進行自動修正。加臭基本原理如圖1所示。

圖1 加臭基本原理

此控制系統(tǒng)對運行過程中的加臭量、流過的氣體量、單位加臭量等數值均可根據要求按時、按日進行打印，以供操作人員、管理人員監(jiān)控管理。

3 加臭控制器操作設置

加臭電子控制器，液晶顯示菜單主要由LOC00～LOC15組成。這些菜單上的信息，工程師或者操作者必須了解，并按照不同場站的工況進行相應的設置。

3.1 啟動操作

工程師對控制器接受表征流量大小的脈沖（標準配置），或電流信號4～20 mA（需配置）等設置做好約定，并對系統(tǒng)電氣設施的設置檢查完全確認后，可按下列步驟進行操作（顯示、修正系統(tǒng)運轉所需的程序數據）。加臭電子控制器面板如圖2所示。

圖2 加臭電子控制器面板

將鑰匙調到PROGRAM-OFF（即編程-關閉），把鑰匙插入程序控制鎖PROGRAM-ON（即編程-開啟），按Alarm Reset（報警復位鍵），并把鑰匙插入程序控制鎖PROGRAM-ON（即編程-開啟），按LOC鍵選擇設置單元，ENT鍵進行輸入，再按ENT鍵進行確認，各類設置完成后，按AUTOMATIC鍵系統(tǒng)即可自動運行。需手動輸入流量參數，設置完成后，按MANUAL鍵，系統(tǒng)也可自動運行。

3.2 編輯設置操作

編輯設置電子控制器系統(tǒng)程序運行所需的數據，用戶只能修改單元LOC：00～LOC：06的參數，其余不能修改，可修改的項目字符行右邊顯示標注“*”。

按LOC鍵，在液晶面第1行最左邊顯示LOC：**.如輸入“00”即顯示如下信息：

Loc：00 DOSAODOR-D Rev.2.7（設備、版本信息）

Language Messages ENGLISH*（語言）

Date Day/Month/Year 18/03/20*（日期）

Time Hour：Minute：Second 10：20：30*（時間）

輸入指定單元號碼，必須以兩位數表達，如輸入01，即調出Loc：01（第1單元）。按↑↓鍵可進行上下行切換，輸入數字錯誤，可用“CLR”鍵進行刪除。

電子控制器其他單元具體編輯設置，單元參數編輯設置參照表見表1。

表1 單元參數編輯設置參照表

4 差壓式加臭的工作方式

在自動加臭系統(tǒng)啟動以前，檢查所有的氣動管路連接正確，所有的管道裝置連接件已上緊，進一步檢查氣體無泄漏。打開、關閉氣路中各相關閥門，接通電動控制單元。啟動和排空程序完成后，系統(tǒng)運轉就已經準備就緒。氣動面板如圖3所示。

圖3 氣動面板

上游壓力（約40 bar≈4.0 MPa）從“前取壓4.0”輸送到壓力調壓器1，調壓器1將入口壓力從4.0 MPa（40 bar）的最大值，減到比設定的氣站出口壓力“后取壓1.6”值高0.3 MPa（3 bar）。第1級減壓后壓力再送往第2個壓力調壓器2。壓力被減到比氣站出口壓力“后取壓1.6”高0.06 MPa（0.6 bar）。不論下游存在的壓力是多少，此調壓器2輸出的壓力均會比它高0.06 MPa（0.6 bar），確保了允許正常臭液注入的穩(wěn)定的壓力差。第2個壓力調壓器2也具有處理最大輸入壓力4.0 MPa（40 bar）的降壓能力。

除了兩個SA2壓力調壓器，調壓管路上還有一個安全釋放閥VS，在標準版本中閾值設定在1.4 MPa（14 bar）。該安全釋放閥具有保證1#及2#兩個調壓器，在同一時間故障時，能夠保證設備承壓安全的能力。

在此面板中，加注壓力差是由兩位三通轉換電磁閥截取，三通道電磁閥可以在靜止條件下對校驗筒加壓，在校驗筒中可以看到臭液的體積，控制壓力表位于校驗筒上部。

當加注系統(tǒng)開始啟動時，加臭的液體被注入到下游的管道中，其體積將會被等體積量的天然氣所替代。一旦注入液體的量達到由校驗筒設置并控制的量，加注階段就結束了。這時，兩位三通轉換電磁閥和兩位兩通補液電磁閥同時打開，然后校驗筒中存在0.06 MPa（0.6 bar）的過壓，將被從后取壓1.6處重新充回到位于下游的主管道中，此刻，校驗筒與THT儲罐具有相同的壓力值。在此種模式下，可發(fā)現臭液在過濾器中自動流動，并開始填充校驗筒（所以氣動面板安裝位置要比儲罐低）。在校驗筒重填過程中，THT臭液儲罐逐步被清空，從中取出的臭液體積將被等體積的氣體所替代。當注入的臭液達到設置的標準時，兩位三通轉換電磁閥和兩位兩通補液電磁閥將恢復到靜止狀態(tài)。校驗筒將被再次施加壓力差，自動加臭系統(tǒng)又重新開始一輪已設數量臭液的加注［12］。

通過對上述流程的分析，可以得知DOSAODOR-D自動加臭系統(tǒng)工作中并不消耗氣體，所有氣體都在過程中被收集，然后重新注入到下游的主管路中去。

5 加臭注入系統(tǒng)的改進和優(yōu)化

5.1 改進天然氣流量數據變化引起的加臭控制異常

天然氣場站管束區(qū)一般都有2～4路流量計，管束區(qū)調壓站流量的相關數據，一般由RTU、流量計算機通信和運算取得。

加臭注入系統(tǒng)所用的天然氣流量，就是RTU和各個流量計算機通信取數運算后所得。其中主要用的是流量計標況累積量，每臺流量計大約2 s通信讀一次數。對每臺表的標況累積量求和后，計算出調壓站總標況累積量1，存入寄存器1。新周期的標況累積量求和后得出調壓站新的總標況累積量2，存入寄存器2。兩個寄存器累積數據相減，就運算出目前周期內出站天然氣總量x。再除以和加臭系統(tǒng)約定的單位脈沖天然氣流量（m3/pulse），計算出RTU系統(tǒng)需要發(fā)出多少脈沖。加臭系統(tǒng)根據收到的脈沖數量，依據前期設置的數據，通過運算控制氣動面板，進行正常的加臭。

但在實際使用過程中發(fā)現，現場有檢維修更換流量計作業(yè)時，下游銷售公司會要求貿易流量計累積數據復位清零。這將導致新周期總累積量比上周期少，瞬間變小的數據直接導致RTU流量運算出錯，加臭系統(tǒng)罷工不加臭，威脅到了用氣安全。

針對這個問題，經深入研究分析，認為處理故障及流量計累積數清零均屬于正常操作。計劃從加臭程序改進入手，首先對RTU運算程序進行改進優(yōu)化，然后對操作站控畫面進行了修改。以前的操作站控畫面只有查看權限，無法修改程序數據參數，處理故障必須由系統(tǒng)工程師，在RTU下位程序中進行調整干預修正參數?，F在計劃把周期總標況累積量參數變量做成RW可讀寫變量。在站控流程圖畫面上開放出來，做一個加臭控制畫面單元，加上設置權限由場站當班管理人員管理。若自動加臭系統(tǒng)出現異常故障時，先判斷原因，然后直接賦值進行變量修正，既糾正了程序運行錯誤、又節(jié)省了處理故障時間。本操作不會改變流量計算機的數據，不影響貿易計量。

5.2 加臭控制器數據遠程上傳優(yōu)化

管網公司供氣管理部，目前共有12套加臭裝置。差壓式的10套，只有2套柱塞泵式［13］西門子PLC控制的加臭系統(tǒng)數據進行了遠程上傳［14］。DOSAODOR-D自動加臭系統(tǒng)具有Modbus通信聯接口，數據暫時未能上傳。

針對這個情況，調研后提出了優(yōu)化方案，計劃把差壓式加臭的數據也進行遠程上傳監(jiān)管。去年選一個站點作了可行性研究試點，先建立通信鏈接，把加臭控制器數據通過Modbus通信到RTU系統(tǒng)，然后再通過RTU上傳到整個公司SCADA及DMS系統(tǒng)，使得在公司內部辦公網絡中可以通過DMS系統(tǒng)Web界面，實時查看加臭系統(tǒng)的運行狀態(tài)及數據。加臭系統(tǒng)通信協議見表2。

表2 加臭系統(tǒng)通信協議

加臭系統(tǒng)通信協議具體設置數據如下：Modbus通信協議；兩線制RS-485網絡；從機地址=1（可以改）；通信速率=9 600，停止位=1；數據=8 BIT，校驗=NON。

首先配備Modbus232轉485通信轉接線，然后建立RTU系統(tǒng)和加臭控制器之間的線路聯絡，結合RTU系統(tǒng)加臭系統(tǒng)工程師配合設置，進行通信測試聯調。通過工程組態(tài)順利實現了該站點加臭系統(tǒng)數據遠程上傳監(jiān)控的功能。計劃今年把其余各套DOSAODOR-D差壓式加臭系統(tǒng)的運行數據全部實現上傳以便于設備管理和生產監(jiān)控，該項目已在啟動實施過程中。

6 結 語

THT是一種污染性強，易燃易爆，較為昂貴的液體，操作時應注意安全，燃氣公司普遍都對天然氣的加臭較為重視。對家用天然氣進行加臭處理，是一種最基本的安全保障。通過實施加臭措施，從技術上保證能及時發(fā)現，及時處理泄漏事件，把泄漏事故消滅在萌芽狀態(tài)。杜絕和減少戶內天然氣安全事故，THT起了很大作用［15］。

目前，民用燃氣加臭工藝運用較為廣泛，從設備選型、運行狀況、管理方式等方面入手，通過對加臭裝置的加注量、監(jiān)測濃度數據的對比分析，發(fā)現在加臭劑加注過程中存在有加注量過大、濃度不穩(wěn)定、對環(huán)境影響大等一些還需要改進的地方。研究自動適時適量的加臭，可以有效控制后端濃度，降低對大氣環(huán)境的影響，減少加臭劑的浪費，達到降本增效、確保安全使用燃氣的目的［16］。通過對差壓式天然氣自動加臭注入系統(tǒng)基本原理、編程操作、工作方式的深入分析研究，進一步提出加臭注入系統(tǒng)的改進和優(yōu)化。DOSAODOR-D加臭注入系統(tǒng)的應用，不但保證了生產的安全平穩(wěn)運行，提高了工作效率及管理能力，同時還提高了生產的自動化水平，保護了環(huán)境，減少了不可控災害事故的發(fā)生。