天然氣自動(dòng)加臭注入系統(tǒng)應(yīng)用分析與優(yōu)化

任保衛(wèi)

（上海天然氣管網(wǎng)有限公司供氣管理部，上海201204）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及國(guó)家對(duì)環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，天然氣作為一種清潔能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)及日常生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。特別是西氣東輸、川氣東送、俄氣南下和LNG工程技術(shù)日漸成熟，諸多燃?xì)夤艿辣唤ǔ伞３擎?zhèn)管網(wǎng)燃?xì)獾氖褂靡呀?jīng)得到了國(guó)家的高度認(rèn)可與重視［1］。天然氣的使用進(jìn)入快速發(fā)展期，城市管道燃?xì)獾钠占奥室苍絹?lái)越高。因燃?xì)庑孤┎荒芗皶r(shí)被發(fā)現(xiàn)而造成的中毒窒息、爆炸等惡性事故時(shí)有發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成極大的損失。因此，為了保證城市燃?xì)獾陌踩斉渑c使用，確保燃?xì)庥脩艏熬S修、管理人員能憑嗅覺(jué)直接及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，早發(fā)現(xiàn)、早處理、防患于未然，將一種具有特殊臭味的化學(xué)物質(zhì)加入到燃?xì)庵校谷細(xì)鈳в谐粑?，提醒人們注意燃?xì)獾男孤?，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(lǐng)域應(yīng)用中越來(lái)越普及。但由于其具有無(wú)色無(wú)味、易燃易爆特性，在燃?xì)廨斔秃褪褂眠^(guò)程中，泄漏后不容易被察覺(jué)[3]。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)，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(cái)產(chǎn)損失，在燃?xì)庵刑砑泳拘晕镔|(zhì)變得至關(guān)重要［4］。民用燃?xì)饧映羰前踩獾谋匾胧冻擎?zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50028—2006）中明確規(guī)定城鎮(zhèn)燃?xì)鈶?yīng)進(jìn)行加臭［5］。所以對(duì)天然氣需要進(jìn)行加臭處理，幫助人們及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，四氫噻吩是最常見(jiàn)的天然氣加臭劑。

加臭劑有含硫臭劑和無(wú)硫臭劑。過(guò)去我國(guó)在加臭劑及加臭裝置等方面的科研還比較落后，市場(chǎng)上可選擇應(yīng)用的產(chǎn)品也較少。隨著時(shí)代的發(fā)展，天然氣越來(lái)越多地用于各種工業(yè)及生活領(lǐng)域。臭劑的選擇，燃?xì)饧映粞b置的設(shè)計(jì)，檢測(cè)裝置的開(kāi)發(fā)都是隨之而來(lái)必須面對(duì)的問(wèn)題。四氫噻吩是國(guó)際上廣泛使用的燃?xì)馕短砑觿?，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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，揮發(fā)性較低，但總能產(chǎn)生穩(wěn)定、不易散發(fā)的臭味，它對(duì)燃?xì)庠O(shè)備、運(yùn)輸管道墊片等材質(zhì)沒(méi)有腐蝕性，對(duì)人體嗅覺(jué)不會(huì)產(chǎn)生習(xí)慣性鈍化，也不會(huì)引起咳嗽、頭痛、催淚等刺激反應(yīng)。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(wǎng)有限公司供氣管理部共有12套自動(dòng)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(mén)站及調(diào)壓撬上使用運(yùn)行。公司現(xiàn)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(huì)與天然氣發(fā)生反應(yīng)，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(dòng)加臭注入系統(tǒng)在天然氣生產(chǎn)中的應(yīng)用。

DOSAODOR-D加臭注入系統(tǒng)是一套由計(jì)算機(jī)（控制器）控制，利用管道天然氣的前后壓差作為動(dòng)力工作的氣體加臭注入機(jī)構(gòu)，可以與常規(guī)儲(chǔ)罐［9］設(shè)備組合安裝。加臭量大小根據(jù)管道氣體流量大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，系統(tǒng)通過(guò)液體注入方式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，以維持和確保一個(gè)相對(duì)恒定的單位加臭量，天然氣中臭液加注標(biāo)準(zhǔn)基本為：18～22 mg/Nm3［10］。

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

2 基本原理

加臭系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的氣動(dòng)面板中安裝有兩個(gè)SA2調(diào)壓器。第1級(jí)調(diào)壓是把上游的天然氣壓力（約4.0 MPa）調(diào)壓到比下游壓力（約1.6 MPa）高0.3 MPa；第2級(jí)再將這一壓力調(diào)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(guò)氣動(dòng)面板中的電磁閥開(kāi)啟時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)確定。電磁閥開(kāi)啟時(shí)間長(zhǎng)短，由“控制器”所采集到的流量計(jì)算機(jī)發(fā)出的表征流量大小的頻率信號(hào)，與需要維持的單位加臭量進(jìn)行運(yùn)算比較后而確定的。同時(shí)，如果電磁閥執(zhí)行過(guò)程中有偏差，氣動(dòng)面板里的計(jì)量罐（校驗(yàn)筒）會(huì)給“控制器”反饋信號(hào)并進(jìn)行自動(dòng)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(duì)運(yùn)行過(guò)程中的加臭量、流過(guò)的氣體量、單位加臭量等數(shù)值均可根據(jù)要求按時(shí)、按日進(jìn)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(shè)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(chǎng)站的工況進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

3.1 啟動(dòng)操作

工程師對(duì)控制器接受表征流量大小的脈沖（標(biāo)準(zhǔn)配置），或電流信號(hào)4～20 mA（需配置）等設(shè)置做好約定，并對(duì)系統(tǒng)電氣設(shè)施的設(shè)置檢查完全確認(rèn)后，可按下列步驟進(jìn)行操作（顯示、修正系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的程序數(shù)據(jù)）。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(diào)到PROGRAM-OFF（即編程-關(guān)閉），把鑰匙插入程序控制鎖PROGRAM-ON（即編程-開(kāi)啟），按Alarm Reset（報(bào)警復(fù)位鍵），并把鑰匙插入程序控制鎖PROGRAM-ON（即編程-開(kāi)啟），按LOC鍵選擇設(shè)置單元，ENT鍵進(jìn)行輸入，再按ENT鍵進(jìn)行確認(rèn)，各類設(shè)置完成后，按AUTOMATIC鍵系統(tǒng)即可自動(dòng)運(yùn)行。需手動(dòng)輸入流量參數(shù)，設(shè)置完成后，按MANUAL鍵，系統(tǒng)也可自動(dòng)運(yùn)行。

3.2 編輯設(shè)置操作

編輯設(shè)置電子控制器系統(tǒng)程序運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)，用戶只能修改單元LOC：00～LOC：06的參數(shù)，其余不能修改，可修改的項(xiàng)目字符行右邊顯示標(biāo)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(shè)備、版本信息）

Language Messages ENGLISH*（語(yǔ)言）

Date Day/Month/Year 18/03/20*（日期）

Time Hour：Minute：Second 10：20：30*（時(shí)間）

輸入指定單元號(hào)碼，必須以兩位數(shù)表達(dá)，如輸入01，即調(diào)出Loc：01（第1單元）。按↑↓鍵可進(jìn)行上下行切換，輸入數(shù)字錯(cuò)誤，可用“CLR”鍵進(jìn)行刪除。

電子控制器其他單元具體編輯設(shè)置，單元參數(shù)編輯設(shè)置參照表見(jiàn)表1。

表1 單元參數(shù)編輯設(shè)置參照表

4 差壓式加臭的工作方式

在自動(dòng)加臭系統(tǒng)啟動(dòng)以前，檢查所有的氣動(dòng)管路連接正確，所有的管道裝置連接件已上緊，進(jìn)一步檢查氣體無(wú)泄漏。打開(kāi)、關(guān)閉氣路中各相關(guān)閥門(mén)，接通電動(dòng)控制單元。啟動(dòng)和排空程序完成后，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)就已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。氣動(dòng)面板如圖3所示。

圖3 氣動(dòng)面板

上游壓力（約40 bar≈4.0 MPa）從“前取壓4.0”輸送到壓力調(diào)壓器1，調(diào)壓器1將入口壓力從4.0 MPa（40 bar）的最大值，減到比設(shè)定的氣站出口壓力“后取壓1.6”值高0.3 MPa（3 bar）。第1級(jí)減壓后壓力再送往第2個(gè)壓力調(diào)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(diào)壓器2輸出的壓力均會(huì)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(gè)壓力調(diào)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(gè)SA2壓力調(diào)壓器，調(diào)壓管路上還有一個(gè)安全釋放閥VS，在標(biāo)準(zhǔn)版本中閾值設(shè)定在1.4 MPa（14 bar）。該安全釋放閥具有保證1#及2#兩個(gè)調(diào)壓器，在同一時(shí)間故障時(shí)，能夠保證設(shè)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(zhuǎn)換電磁閥截取，三通道電磁閥可以在靜止條件下對(duì)校驗(yàn)筒加壓，在校驗(yàn)筒中可以看到臭液的體積，控制壓力表位于校驗(yàn)筒上部。

當(dāng)加注系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，加臭的液體被注入到下游的管道中，其體積將會(huì)被等體積量的天然氣所替代。一旦注入液體的量達(dá)到由校驗(yàn)筒設(shè)置并控制的量，加注階段就結(jié)束了。這時(shí)，兩位三通轉(zhuǎn)換電磁閥和兩位兩通補(bǔ)液電磁閥同時(shí)打開(kāi)，然后校驗(yàn)筒中存在0.06 MPa（0.6 bar）的過(guò)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(yàn)筒與THT儲(chǔ)罐具有相同的壓力值。在此種模式下，可發(fā)現(xiàn)臭液在過(guò)濾器中自動(dòng)流動(dòng)，并開(kāi)始填充校驗(yàn)筒（所以氣動(dòng)面板安裝位置要比儲(chǔ)罐低）。在校驗(yàn)筒重填過(guò)程中，THT臭液儲(chǔ)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(dāng)注入的臭液達(dá)到設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，兩位三通轉(zhuǎn)換電磁閥和兩位兩通補(bǔ)液電磁閥將恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)。校驗(yàn)筒將被再次施加壓力差，自動(dòng)加臭系統(tǒng)又重新開(kāi)始一輪已設(shè)數(shù)量臭液的加注［12］。

通過(guò)對(duì)上述流程的分析，可以得知DOSAODOR-D自動(dòng)加臭系統(tǒng)工作中并不消耗氣體，所有氣體都在過(guò)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(jìn)和優(yōu)化

5.1 改進(jìn)天然氣流量數(shù)據(jù)變化引起的加臭控制異常

天然氣場(chǎng)站管束區(qū)一般都有2～4路流量計(jì)，管束區(qū)調(diào)壓站流量的相關(guān)數(shù)據(jù)，一般由RTU、流量計(jì)算機(jī)通信和運(yùn)算取得。

加臭注入系統(tǒng)所用的天然氣流量，就是RTU和各個(gè)流量計(jì)算機(jī)通信取數(shù)運(yùn)算后所得。其中主要用的是流量計(jì)標(biāo)況累積量，每臺(tái)流量計(jì)大約2 s通信讀一次數(shù)。對(duì)每臺(tái)表的標(biāo)況累積量求和后，計(jì)算出調(diào)壓站總標(biāo)況累積量1，存入寄存器1。新周期的標(biāo)況累積量求和后得出調(diào)壓站新的總標(biāo)況累積量2，存入寄存器2。兩個(gè)寄存器累積數(shù)據(jù)相減，就運(yùn)算出目前周期內(nèi)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(jì)算出RTU系統(tǒng)需要發(fā)出多少脈沖。加臭系統(tǒng)根據(jù)收到的脈沖數(shù)量，依據(jù)前期設(shè)置的數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)算控制氣動(dòng)面板，進(jìn)行正常的加臭。

但在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)有檢維修更換流量計(jì)作業(yè)時(shí)，下游銷售公司會(huì)要求貿(mào)易流量計(jì)累積數(shù)據(jù)復(fù)位清零。這將導(dǎo)致新周期總累積量比上周期少，瞬間變小的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)致RTU流量運(yùn)算出錯(cuò)，加臭系統(tǒng)罷工不加臭，威脅到了用氣安全。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，經(jīng)深入研究分析，認(rèn)為處理故障及流量計(jì)累積數(shù)清零均屬于正常操作。計(jì)劃從加臭程序改進(jìn)入手，首先對(duì)RTU運(yùn)算程序進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，然后對(duì)操作站控畫(huà)面進(jìn)行了修改。以前的操作站控畫(huà)面只有查看權(quán)限，無(wú)法修改程序數(shù)據(jù)參數(shù)，處理故障必須由系統(tǒng)工程師，在RTU下位程序中進(jìn)行調(diào)整干預(yù)修正參數(shù)。現(xiàn)在計(jì)劃把周期總標(biāo)況累積量參數(shù)變量做成RW可讀寫(xiě)變量。在站控流程圖畫(huà)面上開(kāi)放出來(lái)，做一個(gè)加臭控制畫(huà)面單元，加上設(shè)置權(quán)限由場(chǎng)站當(dāng)班管理人員管理。若自動(dòng)加臭系統(tǒng)出現(xiàn)異常故障時(shí)，先判斷原因，然后直接賦值進(jìn)行變量修正，既糾正了程序運(yùn)行錯(cuò)誤、又節(jié)省了處理故障時(shí)間。本操作不會(huì)改變流量計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)，不影響貿(mào)易計(jì)量。

5.2 加臭控制器數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳優(yōu)化

管網(wǎng)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(mén)子PLC控制的加臭系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了遠(yuǎn)程上傳［14］。DOSAODOR-D自動(dòng)加臭系統(tǒng)具有Modbus通信聯(lián)接口，數(shù)據(jù)暫時(shí)未能上傳。

針對(duì)這個(gè)情況，調(diào)研后提出了優(yōu)化方案，計(jì)劃把差壓式加臭的數(shù)據(jù)也進(jìn)行遠(yuǎn)程上傳監(jiān)管。去年選一個(gè)站點(diǎn)作了可行性研究試點(diǎn)，先建立通信鏈接，把加臭控制器數(shù)據(jù)通過(guò)Modbus通信到RTU系統(tǒng)，然后再通過(guò)RTU上傳到整個(gè)公司SCADA及DMS系統(tǒng)，使得在公司內(nèi)部辦公網(wǎng)絡(luò)中可以通過(guò)DMS系統(tǒng)Web界面，實(shí)時(shí)查看加臭系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)。加臭系統(tǒng)通信協(xié)議見(jiàn)表2。

表2 加臭系統(tǒng)通信協(xié)議

加臭系統(tǒng)通信協(xié)議具體設(shè)置數(shù)據(jù)如下：Modbus通信協(xié)議；兩線制RS-485網(wǎng)絡(luò)；從機(jī)地址=1（可以改）；通信速率=9 600，停止位=1；數(shù)據(jù)=8 BIT，校驗(yàn)=NON。

首先配備Modbus232轉(zhuǎn)485通信轉(zhuǎn)接線，然后建立RTU系統(tǒng)和加臭控制器之間的線路聯(lián)絡(luò)，結(jié)合RTU系統(tǒng)加臭系統(tǒng)工程師配合設(shè)置，進(jìn)行通信測(cè)試聯(lián)調(diào)。通過(guò)工程組態(tài)順利實(shí)現(xiàn)了該站點(diǎn)加臭系統(tǒng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳監(jiān)控的功能。計(jì)劃今年把其余各套DOSAODOR-D差壓式加臭系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)全部實(shí)現(xiàn)上傳以便于設(shè)備管理和生產(chǎn)監(jiān)控，該項(xiàng)目已在啟動(dòng)實(shí)施過(guò)程中。

6 結(jié) 語(yǔ)

THT是一種污染性強(qiáng)，易燃易爆，較為昂貴的液體，操作時(shí)應(yīng)注意安全，燃?xì)夤酒毡槎紝?duì)天然氣的加臭較為重視。對(duì)家用天然氣進(jìn)行加臭處理，是一種最基本的安全保障。通過(guò)實(shí)施加臭措施，從技術(shù)上保證能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)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(nèi)天然氣安全事故，THT起了很大作用［15］。

目前，民用燃?xì)饧映艄に囘\(yùn)用較為廣泛，從設(shè)備選型、運(yùn)行狀況、管理方式等方面入手，通過(guò)對(duì)加臭裝置的加注量、監(jiān)測(cè)濃度數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在加臭劑加注過(guò)程中存在有加注量過(guò)大、濃度不穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境影響大等一些還需要改進(jìn)的地方。研究自動(dòng)適時(shí)適量的加臭，可以有效控制后端濃度，降低對(duì)大氣環(huán)境的影響，減少加臭劑的浪費(fèi)，達(dá)到降本增效、確保安全使用燃?xì)獾哪康模?6］。通過(guò)對(duì)差壓式天然氣自動(dòng)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(jìn)一步提出加臭注入系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化。DOSAODOR-D加臭注入系統(tǒng)的應(yīng)用，不但保證了生產(chǎn)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，提高了工作效率及管理能力，同時(shí)還提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，保護(hù)了環(huán)境，減少了不可控災(zāi)害事故的發(fā)生。