智能調(diào)壓站的功能及在中低壓管網(wǎng)中的應(yīng)用

上海航天能源股份有限公司 高 宇

上海飛奧燃?xì)庠O(shè)備有限公司 李建軍

智能調(diào)壓站的功能及在中低壓管網(wǎng)中的應(yīng)用

上海航天能源股份有限公司 高 宇

上海飛奧燃?xì)庠O(shè)備有限公司 李建軍

介紹了一種新型智能調(diào)壓站的設(shè)計(jì)參數(shù)、功能特點(diǎn)、主要組成與核心控制原理，指出傳統(tǒng)調(diào)壓站存在的弊端與燃?xì)夤緦?duì)安全管理和分配調(diào)度的需求，并預(yù)測(cè)了智能調(diào)壓站在市場(chǎng)發(fā)展和用戶需求下的市場(chǎng)前景。

智能調(diào)壓站 安全 壓力調(diào)節(jié) 流量限制

中低壓燃?xì)庹{(diào)壓站是城市燃?xì)廨斉涔艿赖闹匾M成部分，是燃?xì)夤芫W(wǎng)供氣調(diào)節(jié)和安全管理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，具有分布廣且無人值守的特點(diǎn)。目前，中低壓燃?xì)庹{(diào)壓站的輸配管理還處于人工現(xiàn)場(chǎng)管理的階段，出口壓力、流量等需要工作人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整，作業(yè)效率及安全性較低；一旦發(fā)生故障時(shí)，需要用戶報(bào)修才能進(jìn)行維修，管理比較被動(dòng)，處理不及時(shí)，甚至?xí)斐芍卮蟀踩鹿?。隨著城市燃?xì)夤芫W(wǎng)發(fā)展快速發(fā)展，傳統(tǒng)管理手段已不能滿足城鎮(zhèn)燃?xì)獍l(fā)展的要求，為了提升管網(wǎng)運(yùn)行安全性，需要采用先進(jìn)電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)智能化管理。本文主要介紹一種應(yīng)用于中低壓管網(wǎng)負(fù)荷管理的創(chuàng)新性智能調(diào)壓站產(chǎn)品。

1 智能調(diào)壓站技術(shù)參數(shù)與功能特點(diǎn)

智能調(diào)壓站是在傳統(tǒng)的自力式調(diào)壓器基礎(chǔ)之上技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)新型智能控制器和專用自力式調(diào)壓器控制導(dǎo)閥，通過智能控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)控制導(dǎo)閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓器出口壓力和出口流量智能控制。智能調(diào)壓站產(chǎn)品由于是在自力式調(diào)壓器技術(shù)之上開發(fā)的，因此其調(diào)壓技術(shù)參數(shù)及精度與自力式調(diào)壓器相同，并具備本質(zhì)安全特性。

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

智能調(diào)壓站的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 智能調(diào)壓站主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 功能特點(diǎn)

2.2.1 監(jiān)測(cè)功能

智能控制器支持有線通信或無線通信方式，可以將采集的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送到調(diào)度中心，同時(shí)支持短信通信方式，用戶可以通過手機(jī)短信實(shí)時(shí)了解調(diào)壓站運(yùn)行參數(shù)信息，監(jiān)測(cè)參數(shù)包括：

(1)進(jìn)站壓力監(jiān)測(cè)；

(2)出站壓力監(jiān)測(cè)；

(3)出站溫度監(jiān)測(cè)；

(4)調(diào)壓器閥位監(jiān)測(cè)；

(5)流量監(jiān)測(cè)。

自動(dòng)根據(jù)進(jìn)口壓力、出口壓力、出口溫度和調(diào)壓器開度等計(jì)算間接流量，用于流量自動(dòng)控制，流量計(jì)算符合《城鎮(zhèn)燃?xì)庹{(diào)壓器》(GB 27790—2011)。

計(jì)量儀表流量用于貿(mào)易結(jié)算(僅適用于安裝有流量計(jì)的型號(hào))。

2.2.2 報(bào)警功能

報(bào)警信息可以通過有線或無線方式發(fā)送、傳輸至調(diào)度中心，也可以短信形式發(fā)送至指定手機(jī)?？蓪?shí)現(xiàn)的報(bào)警功能有以下幾種形式：

(1)過濾器壓差超限報(bào)警。當(dāng)過濾器壓差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒用戶及時(shí)更換或清洗濾芯。

(2)切斷閥切斷報(bào)警。當(dāng)任何一路的緊急切斷閥切斷后，會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒用戶設(shè)備出現(xiàn)故障，需要現(xiàn)場(chǎng)維修。

(3)燃?xì)庑孤秷?bào)警。若有燃?xì)庑孤?，并達(dá)到內(nèi)置燃?xì)庑孤秷?bào)警器設(shè)定值后，會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒用戶調(diào)壓站內(nèi)有燃?xì)庑孤叮枰F(xiàn)場(chǎng)排查解決。

(4)開門報(bào)警。打開調(diào)壓站任一個(gè)門，會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒用戶有人打開調(diào)壓站門，需要核實(shí)是否為操作人員在現(xiàn)場(chǎng)操作還是有非法人員闖入。

2.2.3 控制功能

2.2.3.1 出口壓力設(shè)定值的調(diào)整

智能調(diào)壓站的調(diào)壓器其導(dǎo)閥采用帶氣包式控制導(dǎo)閥，調(diào)壓器出口壓力設(shè)定值為調(diào)壓器主彈簧設(shè)定壓力(固定值)、導(dǎo)閥彈簧設(shè)定壓力(固定值)和氣包壓力(調(diào)整值)疊加后的壓力值，故調(diào)節(jié)氣包壓力能實(shí)現(xiàn)智能調(diào)壓站出口壓力設(shè)定值的調(diào)整。通過對(duì)調(diào)壓站出口壓力設(shè)定值的調(diào)整，使調(diào)壓站出口壓力與用氣量關(guān)聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩方面的功能：

(1)用氣低峰時(shí)較低的出口壓力，減少燃?xì)庑孤┝?、提高管道安全性?/p>

(2)用氣高峰時(shí)較高的出口壓力，增大調(diào)壓站供氣能力，提高用氣安全。

調(diào)壓站出口壓力設(shè)定值的調(diào)節(jié)模式有根據(jù)預(yù)制壓力控制曲線和臨時(shí)設(shè)置出口壓力等兩種，其中，預(yù)制壓力曲線是根據(jù)管網(wǎng)壓力變化趨勢(shì)預(yù)先設(shè)置今后一段時(shí)間內(nèi)管網(wǎng)壓力調(diào)節(jié)曲線，調(diào)壓站根據(jù)預(yù)設(shè)壓力調(diào)節(jié)曲線自動(dòng)控制調(diào)壓站出口壓力，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，見圖 1。臨時(shí)設(shè)置出口壓力是根據(jù)管理需要臨時(shí)提高或降低調(diào)壓站出口壓力設(shè)定值，調(diào)壓器按照設(shè)定出口壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 壓力控制示意

以上兩種控制模式均可以通過本地控制或遠(yuǎn)程控制兩種方式實(shí)現(xiàn)。本地控制模式是通過智能調(diào)壓站內(nèi)置控制器設(shè)定調(diào)壓站出口壓力，而遠(yuǎn)程控制模式通過配置管理軟件平臺(tái)設(shè)定調(diào)壓站出口壓力。

2.2.3.2 流量限制

流量限制見圖2。

圖2 流量限制示意

在城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)中，不僅有居民用戶，還有工商和公福等用戶，在管網(wǎng)有限供氣的能力下，為保障居民和公福用戶的用氣安全，在合同規(guī)定的范圍內(nèi)，對(duì)工商用戶進(jìn)行流量限制，以保障供氣安全。用戶流量限制通過設(shè)定調(diào)壓站控制流量值來實(shí)現(xiàn)，其調(diào)節(jié)控制模式與壓力控制模式相似。

2.2.4 調(diào)壓站遠(yuǎn)程切斷功能

智能調(diào)壓站可在下游管網(wǎng)出現(xiàn)異常(如泄漏、超流和超壓等)時(shí)，為保障用氣安全，可由控制中心發(fā)布遠(yuǎn)程切斷指令，智能調(diào)壓站自動(dòng)關(guān)閉緊急切斷閥，以停止對(duì)下游管網(wǎng)的供氣。該方式也適用于對(duì)欠費(fèi)用戶的管理。

2.2.5 備用調(diào)壓路設(shè)定壓力自動(dòng)調(diào)整

智能調(diào)壓站工作調(diào)壓路調(diào)壓器設(shè)定壓力調(diào)整時(shí)，備用調(diào)壓路調(diào)壓器設(shè)定壓力自動(dòng)同步升高過降低。若智能調(diào)壓站工作調(diào)壓路調(diào)壓器發(fā)生故障，使其內(nèi)置緊急切斷閥切斷，備用調(diào)壓路調(diào)壓器自動(dòng)切換至工作狀態(tài)，并且其設(shè)定壓力自動(dòng)調(diào)整至原主調(diào)壓路調(diào)壓器設(shè)定壓力。

3 智能調(diào)壓站組成

3.1 主要設(shè)備組成

智能調(diào)壓站的組成設(shè)備按功能分為進(jìn)口單元A、過濾調(diào)壓單元B、出口單元C和智能控制單元D等，見圖3所示。

圖3 智能調(diào)壓站主要設(shè)備組成

3.2 單元功能

3.2.1 進(jìn)口單元A

進(jìn)口單元從調(diào)壓站的進(jìn)口法蘭開始至過濾單元的進(jìn)口開關(guān)閥(蝶形球閥B1)為止，由壓力表(A1)、調(diào)試球閥(A2)和壓力傳感器等設(shè)備組成，并實(shí)現(xiàn)將進(jìn)口壓力上傳至智能控制器的功能。

3.2.2 過濾調(diào)壓單元B

進(jìn)口單元之后，氣體進(jìn)入過濾調(diào)壓單元，該單元是整個(gè)智能調(diào)壓站的核心部分之一，可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)獾倪^濾、調(diào)壓、流量控制和遠(yuǎn)程控制等功能。該單元由能自動(dòng)切換的主、副過濾調(diào)壓路所組成，每條路均由進(jìn)口開關(guān)閥(蝶形球閥B1)、過濾器(B2附排污球閥和帶觸電開關(guān)的壓差計(jì)和五通閥)、調(diào)壓器(B3，附內(nèi)裝式緊急切斷閥、預(yù)調(diào)閥+導(dǎo)閥系統(tǒng)、切斷閥閥位傳感器和調(diào)壓器閥位傳感器)、壓力表(B5)、調(diào)試球閥(B4)和出口開關(guān)閥(蝶形球閥B6)等設(shè)備組成。

其中，過濾器本體底部設(shè)有排污閥，用于定期排污或更換、清潔濾芯時(shí)泄壓；過濾器本體上設(shè)置了易開式頭部，保證整個(gè)設(shè)備正常、安全工作的同時(shí)，頭部開啟簡單、方便；過濾器上設(shè)有帶觸電開關(guān)的壓差計(jì)(帶五通閥組)，可顯示濾芯的阻塞程度以便及時(shí)清潔及更換，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的壓差(一般設(shè)定為70 kPa)時(shí)，向智能控制器發(fā)出觸點(diǎn)信號(hào)，提醒用戶對(duì)濾芯進(jìn)行更換或清洗。

調(diào)壓器內(nèi)置了緊急切斷閥，當(dāng)出口壓力達(dá)到主路緊急切斷閥設(shè)定值時(shí)，能自動(dòng)切斷主路緊急切斷閥(向智能控制器發(fā)出觸點(diǎn)信號(hào)，提醒用戶主路調(diào)壓器故障)，保障下游用氣的安全；同時(shí)，當(dāng)出口壓力小于等于副路調(diào)壓器設(shè)定值時(shí)，副路調(diào)壓器自動(dòng)啟動(dòng)，并通過智能控制器自動(dòng)升高出口壓力至主路調(diào)壓器設(shè)定壓力。

3.2.3 出口單元C

計(jì)量單元之后，氣體進(jìn)入出口單元，出口管路由安全放散閥(C1)、排空閥(C5)、壓力傳感器(智能控制器自帶)和溫度傳感器等設(shè)備組成，并實(shí)現(xiàn)將出口壓力和溫度上傳至智能控制器的功能。

3.2.3 智能控制單元D

智能調(diào)壓站的控制核心為智能控制器(D1)，可實(shí)現(xiàn)2.2中所述的功能。

4 控制原理

導(dǎo)閥的設(shè)定值，見圖4。

圖4 遠(yuǎn)程調(diào)壓原理

智能調(diào)壓站使用的導(dǎo)閥是一種特殊導(dǎo)閥，其顯著的特點(diǎn)是導(dǎo)閥腔體的壓力變化可以和彈簧的設(shè)定壓力產(chǎn)疊加，共同驅(qū)動(dòng)調(diào)壓器的出口壓力。

在彈簧設(shè)定不變的情況下，導(dǎo)閥腔體壓力的上升可引起調(diào)壓器出口壓力的上升，導(dǎo)閥腔體壓力的下降可引起調(diào)壓器出口壓力的下降，而且比例達(dá)到1：1，滿足公式：出口壓力=彈簧的設(shè)定壓力+導(dǎo)閥腔體壓力。

4.2 間接流量計(jì)算原理

通過采集調(diào)壓器閥位開度和調(diào)壓器的進(jìn)口壓力與出口壓力，控制器利用內(nèi)置的計(jì)量公式Q=F(p1，p2，S，Cg)計(jì)算調(diào)壓器的瞬時(shí)流量值。其中，Q為瞬時(shí)流量值，p1為進(jìn)口壓力，p2為出口壓力，S為閥位開度，Cg為流量系數(shù)。

4.2.1 已知調(diào)壓參數(shù)輸入

進(jìn)口壓力最大值p1max(MPa)；

進(jìn)口壓力最小值p1min(MPa)；

出口壓力最大值p2max(MPa)；

出口壓力最小值p2min(MPa)；

其中p1表示調(diào)壓器進(jìn)口壓力，為絕對(duì)壓力值，一般取最小值輸入進(jìn)行計(jì)算。

壓差△p，取0.005～0.05 MPa；

介質(zhì)相對(duì)密度ρ，取0.61；

進(jìn)口介質(zhì)溫度t，正常為15 ℃。

Cg系數(shù)可查表2：

4.1 遠(yuǎn)程調(diào)壓原理

智能控制器接收到調(diào)壓控制命令及壓力設(shè)定值Ps時(shí)，智能控制器將出口壓力P2與Ps作比較，從而控制進(jìn)氣或排氣的電磁閥間歇性啟閉來改變

表2 調(diào)壓器流量系數(shù)

對(duì)于一臺(tái)固定的調(diào)壓器其全量程的Cg值是一個(gè)常數(shù)，而不同開度下的Cg值與量程基本上成線性關(guān)系，比如：全量程為10 mm，當(dāng)開度為3 mm時(shí)，其Cg值就為全量程Cg的30%。

4.2.2 流量計(jì)算

依據(jù)選定的Cg值，通過進(jìn)氣壓力(最大、最小)，計(jì)算輸出流量。流量計(jì)算公式：

當(dāng)p1＜2p2時(shí)：

當(dāng)p1≥2p2時(shí)：

4.3 限流原理

智能控制器接收到限流控制命令及流量設(shè)定值Qs時(shí)，智能控制器將自己計(jì)算出的流量Q與Qs作比較，從而通過降壓的方式(控制排氣的電磁閥間歇性啟閉來改變導(dǎo)閥的設(shè)定值)來限制流量。

4.4 遠(yuǎn)程切斷

智能調(diào)壓站的遠(yuǎn)程切斷功能，是通過欠壓切斷方式來實(shí)現(xiàn)，其原理是通過管理軟件打開導(dǎo)閥組件中的排氣電磁閥(或稱降壓電磁閥)超過5秒鐘，從而使得設(shè)定壓力低于欠壓切斷壓力，引起調(diào)壓器切斷。

5 智能調(diào)壓站的應(yīng)用舉例

5.1 并聯(lián)向下游管網(wǎng)供氣

如圖5所示，由多臺(tái)智能調(diào)壓站并聯(lián)向下游供氣，可實(shí)現(xiàn)的功能有：

(1)高峰前統(tǒng)一升壓，滿足下游需求；

(2)高峰后統(tǒng)一降壓，減少管道泄露；

(3)高峰時(shí)限流，減小上游管網(wǎng)輸配壓力；

(4)分配各站流量；

(5)多氣源的經(jīng)濟(jì)性分析；

(6)數(shù)據(jù)監(jiān)控；

(7)報(bào)警監(jiān)控。

圖5 多臺(tái)智能調(diào)壓站向下游管網(wǎng)供氣

5.2 向下游用戶供氣

如圖6所示，通過智能調(diào)壓站向下游用戶供氣，除了可對(duì)用戶進(jìn)行調(diào)壓，也可實(shí)現(xiàn)限流和數(shù)據(jù)監(jiān)控功能。

圖6 智能調(diào)壓站向下游用戶供氣

6 結(jié)語

天然氣行業(yè)經(jīng)過 20多年的快速發(fā)展，我國城市燃?xì)夤芫W(wǎng)也得到了同步發(fā)展。城市燃?xì)夤庖灾械蛪汗芫W(wǎng)為主，每個(gè)城市都需要配置大量區(qū)域調(diào)壓站和計(jì)量站對(duì)終端用戶供氣。經(jīng)過初步統(tǒng)計(jì)，我國各城市基于中低壓管網(wǎng)區(qū)域調(diào)壓站和計(jì)量站已投運(yùn)存量超過50萬臺(tái)，并且每年都有5萬臺(tái)，計(jì)10%的新增量投入運(yùn)行，而且，隨著我國城鎮(zhèn)化、新農(nóng)村戰(zhàn)略發(fā)展，以及節(jié)能減排，生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)程的發(fā)展，該部分調(diào)壓站還會(huì)有更大增量。

而目前傳統(tǒng)的中低壓調(diào)壓站鮮有重要數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障報(bào)警功能，且完全沒有及時(shí)調(diào)度、靈活性調(diào)配供氣的功能。因此，如何加強(qiáng)對(duì)城市燃?xì)庵械蛪汗芫W(wǎng)安全管理，采取有效的措施預(yù)防和減少事故的發(fā)生，確保燃?xì)夤芫W(wǎng)安全運(yùn)行，保護(hù)用戶和燃?xì)馄髽I(yè)財(cái)產(chǎn)不受損失，是城市燃?xì)馄髽I(yè)面對(duì)的首要問題。

智能調(diào)壓站的技術(shù)成果所形成的產(chǎn)品將覆蓋300、600、1 000、1 500、2 000和3 000 m3/h幾個(gè)系列，基本上滿足了城市燃?xì)庵械蛪汗芫W(wǎng)負(fù)荷管理要求。

管網(wǎng)智能調(diào)壓站產(chǎn)品，不僅符合行業(yè)需求，也具有廣闊市場(chǎng)前景，有力促進(jìn)我國燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)的智能化技術(shù)進(jìn)步，有力推動(dòng)天然氣行業(yè)的安全健康快速發(fā)展，由此，帶來巨大的社會(huì)效益，同時(shí)也會(huì)給市場(chǎng)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

Application of the Smart Gas Station in MP& LP Gas Pipe Network

Shanghai Aerospace Energy Co., Ltd. Gao Yu
Shanghai Fiorentini Gas Equipment Co.,Ltd. Li Jianjun

Compared with traditional gas regulator, the smart gas station has more advantages in MP& LP gas distribution and safety management. This paper introduces a new type of smart gas station including its design parameters, function, main composition and core control principle, and predicts the market prospect under its development and customer demands.

smart gas station, safety, pressure regulation, flow limitation