燃氣智能化與燃氣SCADA系統(tǒng)在燃氣安全管理中的應用

杜雪峰（中國石油管道局工程有限公司管道投產(chǎn)運行分公司，河北 廊坊 065000）

1 智慧燃氣在煤改氣條件下的重要性以及必要性

隨著城市化、工業(yè)化推進，我國煤炭消耗量巨大，使得大氣污染問題日趨嚴峻。尤其是到了冬季，霧霾頻襲，供暖期的煤炭燃燒以及散煤排污更是讓天氣狀況雪上加霜。

2013年“大氣十條”明確提出，“優(yōu)化天然氣使用方式，新增天然氣應優(yōu)先保障居民生活或用于替代燃煤”。2017年，環(huán)保部(現(xiàn)為生態(tài)環(huán)境部)聯(lián)合京津冀豫魯晉六地政府發(fā)文，將“2+26”城市列為北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃首批實施范圍。受此影響，一場為了打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)的“煤改氣”運動開始大范圍進行推動。

2017 年煤改氣的大范圍推進造成了很多地方出現(xiàn)嚴重的氣荒現(xiàn)象，而且隨著城市燃氣管線里程急劇增加。對于燃氣的調(diào)控以及安全也隨之越來越受到重視，如何統(tǒng)籌管理管網(wǎng)的運行狀態(tài)以確保燃氣安全到戶，確保燃氣合理調(diào)配成為燃氣管理的主戰(zhàn)場。

基于以上原因，利用現(xiàn)在成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)云計算技術(shù)、人工智能技術(shù)打造的智慧化燃氣管理系統(tǒng)便成為燃氣管理者對于燃氣管網(wǎng)管理的核心。本文重點以SCADA系統(tǒng)為切入點探討自動控制技術(shù)對于城市燃氣管道安全以及效益方面的改進措施及具體建議。

2 城市燃氣智能化特點以及城市燃氣管理任務

2.1城市燃氣自動化的特點

城市燃氣管網(wǎng)分為三個壓力等級，即高壓、中壓和低壓。高壓燃氣用于長輸不能直接入戶使用，必須降低成低壓才能給用戶使用使用。而這種從高壓降到低壓的過程不能依靠自主降壓來完成，需要通過一套完整的裝置來實現(xiàn)，這種裝置就稱為燃氣調(diào)壓站或稱為燃氣減壓站。而調(diào)壓站的核心設(shè)備是調(diào)壓器。燃氣調(diào)壓站根據(jù)其位置和壓力等級，又分為城市門站、分輸站、高壓調(diào)壓站、中壓調(diào)壓站、中低壓調(diào)壓站等。因此，不同于長輸管網(wǎng)站場以過濾、分輸、計量、調(diào)壓為主要目的，城燃場站以調(diào)節(jié)壓力為核心。因此對于壓力的監(jiān)控確保城市燃氣安全的重中之重。

城市燃氣智能化建設(shè)以企業(yè)現(xiàn)有的自動化、信息化平臺為基礎(chǔ)，對其進行擴容和改造，搭建智慧化安全管理平臺，實現(xiàn)管網(wǎng)全方位遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控、安全報警預警、安全應急指揮調(diào)度、安全業(yè)務管理、辦公管理等內(nèi)容。從而完成對于管網(wǎng)的智慧化管理以及運維。

2.2城市燃氣的安全管理任務

城市燃氣的重點是安全供氣。實現(xiàn)安全供氣，一部分是保障燃氣管線重要設(shè)備及設(shè)施的安全，另一部分是保障燃氣管網(wǎng)的運行安全。對于管網(wǎng)設(shè)備及設(shè)施的管理，常用的是設(shè)備管理系統(tǒng)以及地理信息系統(tǒng)。保障燃氣管網(wǎng)中燃氣的運行安全，目前最常用的方法是通過燃氣管網(wǎng)的SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)來對管線進行管理。壓力是城市燃氣SCADA 系統(tǒng)監(jiān)控的首要內(nèi)容。同時由于城市燃氣的下游就是燃氣使用方，所以，計量流量也是城市燃氣SCADA 系統(tǒng)監(jiān)控的重要內(nèi)容。因為調(diào)壓站是燃氣管網(wǎng)運行的核心，其運行狀態(tài)即代表著燃氣管網(wǎng)運行狀態(tài)，因此，目前的燃氣管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)基本上是針對燃氣調(diào)壓站的監(jiān)控來運行。除了壓力、流量，燃氣調(diào)壓站的安全運行狀態(tài)也是燃氣SCADA監(jiān)控的內(nèi)容，運行狀態(tài)參數(shù)包括氣體溫度、調(diào)壓器的閥位、緊急切斷閥狀態(tài)、泄漏報警的狀態(tài)、過濾器差壓的狀態(tài)等。

2.3 城市燃氣智能化的特點及發(fā)展方向

燃氣調(diào)壓站智能化應用主要體現(xiàn)在遠程監(jiān)控、動態(tài)管理和安全高效三個方面。目前對于調(diào)壓站自動化技術(shù)的主要的典型應用場景是：燃氣調(diào)壓站數(shù)據(jù)采集與報警、燃氣調(diào)壓站出口壓力遠程自動調(diào)節(jié)、燃氣調(diào)壓站流量遠程自動調(diào)節(jié)和限制。

然而由于城市燃氣沿線布設(shè)調(diào)壓撬設(shè)備，對于調(diào)壓箱中調(diào)壓撬的壓力檢測也是城市燃氣監(jiān)控的重要方面。另一方面，井道密閉空間內(nèi)，可燃氣體濃度也是監(jiān)控的一個重要參數(shù)。

要實現(xiàn)城市燃氣智能化安全化應用還必須具備必要的應用條件，包括智能化應用遠程監(jiān)控平臺、智能化應用通訊網(wǎng)絡、智能化應用現(xiàn)場調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

3燃氣智能化在城市燃氣SCADA系統(tǒng)的實現(xiàn)條件以及應用

3.1城市燃氣智能化在SCADA系統(tǒng)中的實現(xiàn)條件

由于城市燃氣壓力低于長輸管線且城市燃氣的重要職能是調(diào)節(jié)壓力，所以對于壓力的監(jiān)控范圍主要集中在次高壓，中壓和低壓上，相對于長輸管線，壓力變送器的量程區(qū)間范圍更廣。且部分調(diào)壓撬由于控制簡單且地理位置分散，所以布設(shè)遠程控制系統(tǒng)成本較高，一般選擇通過DTU實現(xiàn)遠程傳輸壓力數(shù)據(jù)。通過遠程傳遞數(shù)據(jù)，既降低了巡檢的次數(shù)，也可以實時獲得數(shù)據(jù)參數(shù)，形成歷史曲線，在用戶用氣時壓力會下降，可以根據(jù)歷史曲線圖來觀察判斷用戶用氣特征以及管線安全狀態(tài)，同時該項數(shù)據(jù)也是信息化與智能化數(shù)據(jù)材料的重要組成部分。

對于遠程抄表更多的應用了4G、NB、lora等無線傳輸技術(shù)，在低功耗的同時達到了對于每個用戶數(shù)據(jù)的及時統(tǒng)計上傳，抄表數(shù)據(jù)除了用于和下游用戶的結(jié)算外，應用數(shù)據(jù)分析技術(shù)以及人工智能技術(shù)，可以歸納用戶的用氣習慣，進而形成用氣模型，對于用氣量進行預測。同時，該數(shù)據(jù)還可以用于發(fā)現(xiàn)流量計的“死表”問題，因為下游用戶的流量計多為渦輪流量計，渦輪流量計對于氣體流量的敏感度小于超聲流量計，由于其低廉的價格受到下游用戶的青睞，但是也造成了上游和下游的輸差，通過對壓力、溫度、流量進行智能分析，可以發(fā)現(xiàn)“死表”問題，對于經(jīng)常出現(xiàn)“死表”現(xiàn)象的流量計可以及時更換，減少輸氣損失。

在管理上設(shè)定不同的管理職能，數(shù)據(jù)除了通過調(diào)控中心上位機軟件實現(xiàn)顯示以外，也可以在智能終端進行顯示與報警。例如，將一些地點參數(shù)讓某些權(quán)限的巡線員通過app訪問，可以隨時查看到該數(shù)據(jù)，這樣，不僅降低了中心調(diào)度的工作量，同時也可以更及時的發(fā)現(xiàn)處理問題。對于更高權(quán)限的管理員，可以通過移動端app 查看整條管線的運行情況，方便管理與調(diào)度安排。同時，對于報警，系統(tǒng)可以通過發(fā)送短信以及微信的形式發(fā)送到具有該權(quán)限的管理員手機上。讓管理員能第一時間了解到報警情況。

同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的增多以及智能終端的接入，讓網(wǎng)絡安全變得更加重要，現(xiàn)在常規(guī)的辦法是通過增加工控防火墻等防護設(shè)備進行網(wǎng)絡安全管理，國外已經(jīng)有工程師通過區(qū)塊鏈技術(shù)來對物聯(lián)網(wǎng)進行加密管理，在可以預見的未來，區(qū)塊鏈技術(shù)將更多的應用到物聯(lián)網(wǎng)中。但是在國內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)加區(qū)塊鏈技術(shù)僅是剛剛興起，更不必說在場景下的應用。相信未來，隨著科技的發(fā)展將有更多確保網(wǎng)絡安全的方式會被應用到生產(chǎn)實際當中。

3.2 城市燃氣智能化的應用實例

智能化在scada 系統(tǒng)中的應用主要表現(xiàn)為兩個方面，一個方面是對于重要設(shè)備的控制上，另一個方面是對于數(shù)據(jù)的處理上。

首先，對于對重要設(shè)備的控制方面，傳統(tǒng)調(diào)壓撬的是通過PID實現(xiàn)壓力以及流量調(diào)節(jié)的。PID算法通過預設(shè)比例參數(shù)、積分參數(shù)、微分參數(shù)來滿足一定工況下的定量調(diào)節(jié)，優(yōu)點是計算既簡單，調(diào)節(jié)有效，缺點是：在管網(wǎng)工況和被控流量變化的情況下，需要用戶調(diào)整控制參數(shù)。而智能調(diào)壓撬可以通過不同工況下對調(diào)節(jié)參數(shù)的學習分析，及對所有工況進行分區(qū)分類，通過學習獲得不同區(qū)間的最優(yōu)參數(shù)，當調(diào)壓撬位于某個區(qū)間時，動態(tài)改變調(diào)節(jié)參數(shù)，找到最佳參數(shù)，達到適應性強以及調(diào)節(jié)速度快且穩(wěn)定的目的。

另一方面就是對于數(shù)據(jù)處理分析上，例如常規(guī)報警值為經(jīng)驗值或設(shè)計提供的上下限值，通過對于SCADA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)歷史進行分析比對可以獲得更加精確的報警值以及數(shù)據(jù)走勢，對于異常狀態(tài)可以提前預警。提高整個管網(wǎng)的運行安全性。對于整個管線所有數(shù)據(jù)而言，智能化可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間范圍內(nèi)的橫向?qū)Ρ纫约皶r間范圍內(nèi)的縱向分析，形成以時間和地理信息為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)模型。并作為重要的信息參數(shù)保存以及展示。

管道SCADA系統(tǒng)智能化主要集中在算法優(yōu)化、數(shù)據(jù)挖掘以及智能終端的應用三個反面。通過算法優(yōu)化達到管道安全管理、高效管理的目的。通過數(shù)據(jù)挖掘，可以更好的利用已有數(shù)據(jù)來分析管網(wǎng)及設(shè)備狀態(tài)。通過智能終端的接入，可以更加方便及快捷的查看重要數(shù)據(jù)，并且也是實現(xiàn)無人值守站的重要條件。

4 結(jié)語

隨著自動化、信息化的發(fā)展，越來越多的技術(shù)被應用到燃氣管道的管理中來，借助自動化以及信息化的技術(shù)很大的提升管理水平，同時也對管理人員的素質(zhì)要求越來越高。在技術(shù)提升的同時，要同時注重對人員素質(zhì)的培養(yǎng)以及對于新技術(shù)的培訓。這樣，自動化、信息化、智能化才能為人所用，才能更好的發(fā)揮用途。