中低壓燃?xì)庵悄苷{(diào)壓系統(tǒng)

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(xué)研究所， 北京 100000； 2.北京市燕山工業(yè)燃?xì)庠O(shè)備有限公司， 北京 100000)

1 概述

城市燃?xì)庖３指哔|(zhì)量發(fā)展態(tài)勢(shì)，智能化是必經(jīng)之路。發(fā)展智能設(shè)備是實(shí)現(xiàn)智能管網(wǎng)、智慧燃?xì)獾母緱l件[1-3]。本文提出的中低壓燃?xì)庵悄苷{(diào)壓系統(tǒng)，是基于新型智能調(diào)壓器開(kāi)發(fā)的[4-6]。智能調(diào)壓器作為核心部件，與進(jìn)、出口管路上的球閥閥位開(kāi)關(guān)(球閥上加裝的閥位開(kāi)關(guān) )，過(guò)濾器兩側(cè)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?xì)庵悄苷{(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(dòng)執(zhí)行器、位移傳感器、切斷閥位開(kāi)關(guān)進(jìn)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(guò)型式檢驗(yàn)(進(jìn)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(guān)閉壓力等級(jí)SG20，關(guān)閉壓力區(qū)等級(jí)SZ20，穩(wěn)壓精度等級(jí)AC10)，并且獲得一項(xiàng)實(shí)用新型專利(專利號(hào)ZL201720064606.0)[9]。此款智能調(diào)壓器采用220 V市電提供動(dòng)力，采用4～20 mA弱電信號(hào)控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)壓。當(dāng)發(fā)生意外停電時(shí)，該智能調(diào)壓器自動(dòng)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(jiàn)圖1，智能調(diào)壓器見(jiàn)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?xì)庵悄苷{(diào)壓系統(tǒng)

該中低壓燃?xì)庵悄苷{(diào)壓系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能(包括在線監(jiān)測(cè)功能和遠(yuǎn)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(jì)分析功能。該系統(tǒng)采用NB-IoT技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，遠(yuǎn)程調(diào)壓控制分度值可達(dá)到0.1 kPa，調(diào)節(jié)速度達(dá)到1 mm/s，瞬時(shí)流量模擬相對(duì)誤差可達(dá)到3%。

3.1 系統(tǒng)組成

中低壓燃?xì)庵悄苷{(diào)壓系統(tǒng)見(jiàn)圖3，包含的設(shè)備有：PLC控制器、進(jìn)口壓力變送器、進(jìn)口溫度變送器、進(jìn)口壓力表、帶閥位開(kāi)關(guān)的進(jìn)口球閥、帶壓差變送器的過(guò)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(kāi)關(guān)的出口球閥。

圖3 中低壓燃?xì)庵悄苷{(diào)壓系統(tǒng)

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能

此系統(tǒng)將進(jìn)出口壓力、進(jìn)出口溫度、流量(通過(guò)流量模擬功能得到，顯示在監(jiān)控平臺(tái))、智能調(diào)壓器的切斷壓力、過(guò)濾器壓差、智能調(diào)壓器的閥口開(kāi)度、進(jìn)出口球閥啟閉狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸，用于監(jiān)控調(diào)壓系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

通過(guò)此系統(tǒng)可遠(yuǎn)程進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。在遠(yuǎn)程調(diào)壓操作中，PLC控制器接收服務(wù)器發(fā)來(lái)的出口壓力設(shè)定值，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收PLC控制器輸出的指令，使調(diào)壓器彈簧沿軸向位移運(yùn)動(dòng)，達(dá)到出口壓力設(shè)定值。目前，遠(yuǎn)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(shè)定需求。在遠(yuǎn)程調(diào)壓過(guò)程中，采用自適應(yīng)控制方式，遠(yuǎn)離目標(biāo)值時(shí)(實(shí)際壓力與設(shè)定壓力的差值的絕對(duì)值大于1%設(shè)定壓力時(shí))，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)尺度大；接近目標(biāo)值時(shí)(實(shí)際壓力與設(shè)定壓力的差值的絕對(duì)值小于1%設(shè)定壓力時(shí))，采用緩慢調(diào)節(jié)方式，使壓力最終穩(wěn)定在目標(biāo)值。

3.3 故障自診斷功能

燃?xì)庵悄苷{(diào)壓系統(tǒng)通過(guò)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(kāi)關(guān)、過(guò)濾器壓差變送器、調(diào)壓器上的切斷閥閥位開(kāi)關(guān)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)故障自診斷功能。

在中壓燃?xì)夤艿篮偷蛪喝細(xì)夤艿郎戏謩e安裝壓力變送器，用于監(jiān)測(cè)管道內(nèi)的壓力，判斷運(yùn)行壓力是否異常。調(diào)壓器位移傳感器可監(jiān)測(cè)調(diào)壓器閥口開(kāi)啟情況，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)壓力和溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行模擬計(jì)算得出通過(guò)調(diào)壓器的實(shí)時(shí)流量。通過(guò)設(shè)定的邏輯關(guān)系，可判斷智能調(diào)壓器的關(guān)閉壓力是否異常。過(guò)濾器上的壓差變送器用于判斷是否出現(xiàn)過(guò)濾器堵塞。調(diào)壓器上的切斷閥位開(kāi)關(guān)用于監(jiān)測(cè)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(shè)定值而自動(dòng)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(shí)時(shí)采集并處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)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(wú)線通信的方式發(fā)送數(shù)據(jù)至服務(wù)器，服務(wù)器自動(dòng)診斷調(diào)壓器出現(xiàn)的故障問(wèn)題。故障自診斷分析見(jiàn)表1。表1中，p2為調(diào)壓器實(shí)際出口壓力，pb為調(diào)壓器關(guān)閉壓力，A為調(diào)壓器穩(wěn)壓精度等級(jí)，p2S為調(diào)壓器設(shè)定出口壓力，這3個(gè)壓力的單位均為kPa。

監(jiān)控平臺(tái)為網(wǎng)頁(yè)形式，在任意電腦上登錄網(wǎng)址即可。監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)接收?qǐng)?bào)警信息，并給出報(bào)警提示，以地形圖及列表結(jié)合的方式直觀展示報(bào)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(jié)合仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)量方法建立流量模擬模型，上線運(yùn)行時(shí)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(lái)的信息，通過(guò)安裝在服務(wù)器上的流量模擬模型實(shí)時(shí)計(jì)算出流過(guò)調(diào)壓器的瞬時(shí)流量。流量模擬模型的建立分3步實(shí)現(xiàn)：

① 針對(duì)調(diào)壓器采用proe軟件進(jìn)行三維建模，利用CFD進(jìn)行計(jì)算仿真，建立了流量數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)調(diào)壓器的工況范圍，確定流量計(jì)算狀態(tài)表。針對(duì)空氣介質(zhì)，共獲得了144個(gè)狀態(tài)的流場(chǎng)分布和流量值；針對(duì)燃?xì)饨橘|(zhì)，共獲得了84個(gè)狀態(tài)的流場(chǎng)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(jié)果，是一些離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)，但實(shí)際使用過(guò)程中需要能實(shí)時(shí)給出任意狀態(tài)的流量值，因此需要開(kāi)發(fā)流量模擬模型，從而得到任意時(shí)刻的流量結(jié)果。我們以仿真計(jì)算得到的流量數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，采用多維拉格朗日插值公式生成流量響應(yīng)面模型。

③ 針對(duì)調(diào)壓器開(kāi)展流量試驗(yàn)測(cè)試，利用試驗(yàn)測(cè)量得到的流量數(shù)據(jù)對(duì)上述得到的流量響應(yīng)面模型進(jìn)行修正，獲得流量模擬模型。共開(kāi)展了500多次調(diào)壓器流量試驗(yàn)測(cè)試，整理了近500個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)結(jié)果和利用流量模擬模型得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)相對(duì)誤差保持在3%左右。

3.5 其他功能

中低壓燃?xì)庵悄苷{(diào)壓系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)分析的功能，可以方便得知管轄區(qū)域設(shè)備在當(dāng)前和歷史的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)設(shè)備的維護(hù)及用氣量分析提供有力的支持。在運(yùn)營(yíng)管理方面，中低壓燃?xì)庵悄苷{(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(jié)合巡檢人員的手機(jī)APP客戶端，大大提高了調(diào)壓箱巡檢效率，也提高了運(yùn)營(yíng)管理水平。

4 結(jié)論

① 中低壓燃?xì)庵悄苷{(diào)壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集并監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)，在無(wú)人值守的情況下，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行故障或者安全問(wèn)題，提高燃?xì)庹{(diào)壓箱(站)的使用管理水平，做到全方位、全時(shí)段監(jiān)測(cè)的同時(shí)，又節(jié)省了人力。

② 中低壓燃?xì)庵悄苷{(diào)壓系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程調(diào)壓功能，權(quán)限范圍內(nèi)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)壓力代替現(xiàn)場(chǎng)人工手動(dòng)，有效節(jié)省了人力、物力和財(cái)力。

③ 中低壓燃?xì)庵悄苷{(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?xì)庵悄苷{(diào)壓系統(tǒng)具備流量模擬功能，替代傳統(tǒng)的流量計(jì)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶流量的監(jiān)測(cè)，為分析購(gòu)銷差提供參考依據(jù)。