崔文豪,江國建

(1.青島潤昊天然氣有限公司,山東 青島 266000;2.山東龍禹勝利能源有限公司,山東 濟(jì)南 251000)

1 無人值守調(diào)壓計(jì)量撬的定義及優(yōu)勢

1.1 無人值守調(diào)壓計(jì)量撬的定義

無人值守調(diào)壓計(jì)量撬,是指無需派駐人員值班,通過信息化手段,由燃?xì)夤竟芫W(wǎng)調(diào)度中心值班人員遠(yuǎn)程調(diào)控,或者通過現(xiàn)場自動(dòng)控制裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)撬內(nèi)設(shè)備及主要儀表的運(yùn)行管理及調(diào)度;并通過撬內(nèi)的數(shù)據(jù)監(jiān)控與采集系統(tǒng),將撬內(nèi)的主要遠(yuǎn)傳設(shè)備及周界監(jiān)控系統(tǒng)的安全運(yùn)行實(shí)時(shí)狀況、運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù)及場站周邊環(huán)境情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)測[1]。

1.2 無人值守調(diào)壓計(jì)量撬的優(yōu)勢

相對(duì)于傳統(tǒng)的常規(guī)調(diào)壓計(jì)量站,無人值守調(diào)壓計(jì)量撬集成度高、占地面積小、安裝位置獲取容易、施工工期短;同時(shí)不需要輔助站房等建、構(gòu)筑物設(shè)施;無須征地,解決了當(dāng)下征地難的問題,降低了土地及土建的投資建設(shè)成本。同時(shí)無人值守調(diào)壓計(jì)量撬信息化程度較高,采用了站控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)撬區(qū)進(jìn)行監(jiān)控、管理和控制,可以有效地保證人員、工藝設(shè)備的可靠、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)、通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳輸、處理、報(bào)警、遠(yuǎn)程控制、儲(chǔ)存等功能,從而最終達(dá)到無人值守的效果。

2 無人值守調(diào)壓計(jì)量撬的應(yīng)用

2.1 無人值守調(diào)壓計(jì)量撬的選址及設(shè)計(jì)

無人值守調(diào)壓計(jì)量撬的功能主要有過濾、計(jì)量、調(diào)壓、加臭等,其功能與天然氣常規(guī)門站、調(diào)壓計(jì)量站基本類似,往往選址安裝于農(nóng)田、綠化帶、集體用地、城市邊緣地帶,距離城市建成區(qū)較遠(yuǎn),選址較為方便,但也要保證與周邊建、構(gòu)筑物的安全間距要求。 無人值守調(diào)壓計(jì)量撬的設(shè)計(jì)依據(jù)主要為《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50028—2020)附錄B燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)生產(chǎn)區(qū)域用電場所的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)和范圍的劃分,以及《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)要求,無人值守調(diào)壓計(jì)量撬屬“一區(qū)”爆炸危險(xiǎn)環(huán)境場所,介質(zhì)屬易燃易爆的氣體,首要問題就是安全第一[2]。

2.2 無人值守調(diào)壓計(jì)量撬的構(gòu)成

無人值守調(diào)壓計(jì)量撬主要包括:現(xiàn)場工藝設(shè)備、自動(dòng)控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、流量計(jì)、雙金屬溫度計(jì)、壓力變送器、壓差變送器、閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、可燃?xì)怏w報(bào)警器、加臭機(jī)、UPS、調(diào)壓器、過濾器、旁通、放散閥等,為保證其運(yùn)營可靠穩(wěn)定,一般采用雙路計(jì)量、調(diào)壓。

2.3 無人值守調(diào)壓計(jì)量撬的控制系統(tǒng)

無人值守調(diào)壓計(jì)量撬的控制系統(tǒng)一般指SCADA系統(tǒng),是整個(gè)調(diào)壓計(jì)量撬實(shí)現(xiàn)無人值守的核心,根據(jù)結(jié)構(gòu)劃分可分為:應(yīng)用層、控制層和設(shè)備層。應(yīng)用層一般主要由服務(wù)器、工作站、工控機(jī)、通訊設(shè)備組成。控制層主要是由PLC、DCS等組成的控制系統(tǒng),與應(yīng)用層通過以太網(wǎng)、無線電或者其他通信形式進(jìn)行通訊。設(shè)備層主要由壓力變送器、溫度變送器、電動(dòng)球閥、閥位遠(yuǎn)傳、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥等具體的工藝設(shè)備組成[3]。

本實(shí)際工程應(yīng)用案例中的流量計(jì)、可燃?xì)怏w報(bào)警器通過RS485的方式進(jìn)行通訊;壓力變送器、溫度變送器等通過模擬量信號(hào)傳遞,緊急切斷、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行控制和信息反饋。

控制系統(tǒng)工藝確定后,要進(jìn)行控制系統(tǒng)I/O統(tǒng)計(jì),以便進(jìn)行下一步的控制系統(tǒng)選型,控制系統(tǒng)的I/O定義表以實(shí)際工程應(yīng)用案例孝里街道西無人值守調(diào)壓計(jì)量撬項(xiàng)目為例,主要設(shè)備、信號(hào)名稱、信號(hào)類型等見表1。

表1 主要設(shè)備、信號(hào)名稱、信號(hào)類型、I/O地址信息

由于篇幅原因,控制系統(tǒng)的邏輯運(yùn)行不作展開說明。

2.4 無人值守調(diào)壓計(jì)量撬控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

RTU(Remote Terminal Unit,遠(yuǎn)程測控單元)[4]作為現(xiàn)場控制站,通過設(shè)備間的線纜采集現(xiàn)場設(shè)備層傳送來的模擬量信號(hào)及脈沖量信號(hào),進(jìn)行綜合的邏輯分析后通過開關(guān)量輸出模塊控制電動(dòng)球閥的開關(guān),并在應(yīng)用層中顯示現(xiàn)場采集的各類參數(shù);同時(shí)RTU通過RS232接口,經(jīng)DDN調(diào)制解調(diào)器向上級(jí)調(diào)度中心傳輸相應(yīng)的壓力和流速信息數(shù)據(jù),包括:進(jìn)口壓力、出口壓力、電動(dòng)球閥的工作狀態(tài)、調(diào)壓后的壓力、出站的壓力、溫度、切斷閥位的狀態(tài)、調(diào)壓器閥口的開度、流量計(jì)的流速和溫度等,以此來實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心SCADA控制系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備層的遙測、遙控、遙調(diào)等功能,RTU是SCADA系統(tǒng)的基本組成單元。

3 無人值守調(diào)壓計(jì)量撬的應(yīng)用案例

3.1 案例背景

以青島某公司目前實(shí)際應(yīng)用工程為案例,濟(jì)南轄區(qū)內(nèi)的孝里街道,位于黃河灘區(qū)下游,轄區(qū)內(nèi)33個(gè)自然村拆遷后整合集中安置到了一個(gè)萬戶級(jí)的大社區(qū),均采用17～22層的高層,建筑物149棟,由于社區(qū)的位置偏遠(yuǎn),距離主城區(qū)供熱管網(wǎng)較遠(yuǎn),經(jīng)過多方案比較,政府最終采納天然氣空氣源熱泵機(jī)組的供暖方式,隨著入住率的提升,導(dǎo)致該片區(qū)冬季對(duì)天然氣的需求量逐步提升,為了保障民生供氣的平穩(wěn),同時(shí)降低供氣成本,公司不得不引進(jìn)第二氣源。在國土空間規(guī)劃調(diào)整日益嚴(yán)峻的背景下,鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊緣農(nóng)耕地的征用成為了一大難題(選址圖1),同時(shí)為考慮公司的經(jīng)營環(huán)境和服務(wù)長久性,要盡可能地降低投資成本,同時(shí)也到保證安全運(yùn)營的水平,并使其獲得最大的投資回報(bào),因此經(jīng)過多方考量論證,最終采用了無人值守調(diào)壓計(jì)量撬的設(shè)計(jì),并通過快速的施工,僅在一個(gè)月內(nèi),完成所有設(shè)備安裝及調(diào)試工作,目前已經(jīng)投入生產(chǎn)運(yùn)營,安全、生產(chǎn)效益良好。

圖1 無人值守高壓調(diào)壓計(jì)量撬的選址位置圖

3.2 工程概況

孝里街道西3公里處有一處設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa,管徑DN250的漢岳高壓燃?xì)夤艿啦㈩A(yù)留有截?cái)嚅y室即“孝里閥室”,該應(yīng)用工程起點(diǎn)為孝里閥室,經(jīng)DN150燃?xì)飧邏汗艿?長度約50 m,連接無人值守調(diào)壓計(jì)量撬進(jìn)口后,向下游de200的中壓管網(wǎng)輸送天然氣。調(diào)壓撬的設(shè)計(jì)進(jìn)口壓力為4.0 MPa,出口壓力為0.4 MPa,最大供氣能力4 000 m3/h。同時(shí)為了減少占地和硬化面積,PLC控制柜、電源控制柜、UPS電源、加臭機(jī)等均集中在了撬體內(nèi),撬體整體尺寸為5.0 m×2.2 m,四周采用鋼制鏤空護(hù)欄,總占地面積20余m2,搭配SCADA系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)的使用可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的調(diào)度控制。

3.3 無人值守調(diào)壓計(jì)量撬的設(shè)計(jì)

該工程的設(shè)計(jì)主要考慮其位置偏遠(yuǎn)、征地難度大,同時(shí)為提升安全運(yùn)營水平,該調(diào)壓計(jì)量撬采用D型結(jié)構(gòu)(2+1),進(jìn)出口配備了電動(dòng)球閥,電壓采用220 V電源,采用高、中壓二級(jí)調(diào)壓,其中調(diào)壓閥位信號(hào)、切斷閥位信號(hào)、溫度、壓力、流速等等均可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳。主要功能有過濾、調(diào)壓、計(jì)量、加臭、安全切斷、旁通、電伴熱、遠(yuǎn)程控制、切斷、壓力溫度、流速監(jiān)控等,同時(shí)匹配SCADA遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),結(jié)構(gòu)流程如圖2所示。

圖2 無人值守調(diào)壓計(jì)量撬的工藝流程圖

3.3.1 防爆電動(dòng)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)選型

防爆電動(dòng)執(zhí)行器主要安裝在撬體進(jìn)出口的閥門和兩個(gè)調(diào)壓管路前的閥門,具備了手動(dòng)和遠(yuǎn)程操控的開關(guān)功能,因選址位置偏遠(yuǎn),臨近的電源均使用的是農(nóng)排灌溉電,電壓波動(dòng)較大,為了使其可靠,選用了國產(chǎn)的防爆電動(dòng)執(zhí)行器,方便后期維修保養(yǎng)。

3.3.2 絕緣接頭的設(shè)計(jì)選型

絕緣接頭如圖3所示,是將燃?xì)廨斉涔芫€的各段間、設(shè)備和管線間相關(guān)絕緣隔離,保護(hù)其不受腐蝕,提升管線和設(shè)備的使用壽命,根據(jù)城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范要求,所有的入站和出站都需要有絕緣接頭,考慮到北方地區(qū)冬季天氣的影響,選用了耐介質(zhì)溫度為-20～60 ℃的絕緣接頭,大大提高管線安全運(yùn)營的水平。

圖3 絕緣接頭結(jié)構(gòu)圖

3.3.3 流量計(jì)的設(shè)計(jì)選型

由于該區(qū)域主要為民生用氣,導(dǎo)致夏季和冬季用氣比例嚴(yán)重不匹配,為滿足冬夏峰谷10∶1的不平衡差值問題,使其計(jì)量精準(zhǔn),調(diào)壓計(jì)量采用一高一低的設(shè)計(jì),低流量管路采用了精度±1.0%級(jí)的渦輪流量計(jì),其流量范圍20～400 m3/h、高流量管路則采用了±1.0%的超聲波流量計(jì),流量范圍22～1 400 m3/h,保證其最低小時(shí)流量在20 m3和最高小時(shí)流量在5 000 m3之間均可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的調(diào)壓、計(jì)量、加臭,避免出現(xiàn)過大的一級(jí)輸差,同時(shí)為確保計(jì)量更精準(zhǔn),壓損更小,兩路計(jì)量均在二級(jí)調(diào)壓后計(jì)量。通過專家評(píng)審,為保證其可靠性和耐久度,最終選取天信TUA-150A-GI 超聲波流量計(jì)和TBQZII-100B-B-GI渦輪流量計(jì)。

3.3.4 調(diào)壓器和切斷的設(shè)計(jì)選型

調(diào)壓器和切斷的設(shè)計(jì)選型是確保整個(gè)無人值守撬工作穩(wěn)定的重要基礎(chǔ),為了更好地匹配無人值守功能,方便運(yùn)營維護(hù),兼顧成本,本次的調(diào)壓設(shè)備選用EQ系列。該系列調(diào)壓器將調(diào)壓與切斷集融為一體,且是外置式的全平衡式結(jié)構(gòu)。流量調(diào)節(jié)范圍大,適用場合范圍廣,出口壓力控制精準(zhǔn),穩(wěn)壓能力強(qiáng),操作和設(shè)定簡單,靈敏度高,響應(yīng)速度快,性能好,切斷精準(zhǔn),操作維護(hù)方便,可在線維修。其中一級(jí)調(diào)壓選用的型號(hào)為:RTJ-50/6.3-EQ、二級(jí)調(diào)壓選用的型號(hào)為:RTJ-80/1.6-EQ。

其中EQ系列調(diào)壓器主要由頂蓋、閥桿推桿、皮膜、指揮器和閥體組成,為間接式調(diào)壓器,如圖4所示。

圖4 EQ系列調(diào)壓器結(jié)構(gòu)圖

切斷的主要作用則是為了保證燃?xì)庹{(diào)壓器以及下游用戶的用氣安全,當(dāng)運(yùn)行壓力高于設(shè)定的切斷壓力時(shí),切斷部件迅速動(dòng)作,防止壓力升高而導(dǎo)致安全事故。切斷裝置一般由監(jiān)控裝置、切斷裝置、閥頭行程指示器和復(fù)位裝置組成。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或其他特殊原因時(shí),下游監(jiān)控壓力升高或降低時(shí),作用在監(jiān)控膜上的壓力與彈簧力不平衡將帶動(dòng)撞桿向右或向左軸向移動(dòng)觸動(dòng)切斷裝置,使切斷裝置中限位塊與限位鉤脫開,同時(shí)閥頭在主閥彈簧的作用下迅速地切斷氣流,以達(dá)到切斷下游壓力的作用。

3.4 實(shí)際運(yùn)行效果

無人值守調(diào)壓計(jì)量撬的運(yùn)行和常規(guī)調(diào)壓計(jì)量撬的運(yùn)行原理大致相同,主要為調(diào)壓和計(jì)量,僅需在投產(chǎn)前將調(diào)壓的一二級(jí)壓力、加臭、切斷數(shù)值等調(diào)試到設(shè)定值,同時(shí)通過SCADA測試其遠(yuǎn)程操控的準(zhǔn)確性和延遲性,調(diào)試監(jiān)控系統(tǒng)的角度,便可保證投入運(yùn)營后的無人值守調(diào)壓計(jì)量撬數(shù)據(jù)檢測準(zhǔn)確,現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)控?，F(xiàn)有的兩路調(diào)壓計(jì)量出口分別設(shè)定在0.35,0.38 MPa,切斷數(shù)值為運(yùn)行壓力的1.5倍,供暖季選用22～1 400 m3/h的一路,其余時(shí)間選用20～400 m3/h的一路,保證其流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確性,減少二級(jí)輸差,同時(shí)確保流量計(jì)的年檢空擋問題。目前該站運(yùn)營平穩(wěn),較常規(guī)站的運(yùn)行大大提升結(jié)算管理、安全管理、二級(jí)輸差管理等指標(biāo)。

4 無人值守調(diào)壓計(jì)量撬的應(yīng)用前景

無人值守是實(shí)現(xiàn)調(diào)壓計(jì)量撬無人值守管理的基礎(chǔ),無人值守是信息化遠(yuǎn)程管理的目的。無人值守的調(diào)壓計(jì)量撬由于其占地面積小、施工簡便、周期短,且吊裝簡便,一次性投資少,在新建的項(xiàng)目中越來越受到燃?xì)夤镜闹匾?同時(shí)無人值守的模式可以減少后期的運(yùn)維人工費(fèi)用,在運(yùn)營管理上實(shí)行高效的信息化智能化管理,使得管理有的放矢,提升效率和精準(zhǔn)度,其次可以減少管理難度,提升安全管理水平等。

在無人值守的模式下,打破其原有的傳統(tǒng)計(jì)量模式,不再需要人為過多干預(yù),可按照上下游實(shí)際的用氣量需求自動(dòng)控制計(jì)量設(shè)備的開關(guān),按設(shè)定的流量工況和下游的實(shí)際用氣量,自動(dòng)檢測流量計(jì)的輸出并可實(shí)現(xiàn)流量設(shè)備的自動(dòng)切換,在上下游結(jié)算計(jì)量、供需平衡上達(dá)到按需供應(yīng),安全監(jiān)管,節(jié)能運(yùn)行的效果。

5 結(jié)語

在日益嚴(yán)峻的經(jīng)營形勢下,智慧化、信息化的管理手段不斷地得到應(yīng)用,無人值守調(diào)壓計(jì)量撬不僅符合低耗節(jié)能的社會(huì)要求且燃?xì)馄髽I(yè)在人、財(cái)、物等方面做到以最少的投入,便可獲取最大的回報(bào)。為企業(yè)創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益同時(shí),縮短了項(xiàng)目投資回收期限,同時(shí)可提升其安全運(yùn)營和盈利的能力,是城燃企業(yè)在該類投資項(xiàng)目中的首選,相信無人值守調(diào)壓計(jì)量撬的應(yīng)用將會(huì)逐步地得到推廣。