SCADA系統(tǒng)在輸氣管道清管器追蹤定位中的應(yīng)用探索與實現(xiàn)

摘? 要：以潛江至郴州輸氣管道清管作業(yè)過程為例，基于差壓法追蹤清管器在線定位的方法，探索SCADA系統(tǒng)在輸氣管道清管器追蹤定位中應(yīng)用的可行性。通過協(xié)調(diào)進氣流量，控制清管器運行速度，選擇在閥室和進出站進行人工監(jiān)聽。同時，利用SCADA系統(tǒng)壓力監(jiān)測模塊觀測清管器運行、停滯、到達及其通過監(jiān)測點的壓力波動情況。SCADA系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果與人工監(jiān)聽結(jié)果具有極好的吻合性，驗證了SCADA系統(tǒng)在輸氣管道清管器追蹤定位中應(yīng)用的有效性。

關(guān)鍵詞：SCADA系統(tǒng)；輸氣管道；差壓法；清管器；追蹤定位

中圖分類號：TP39? 文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2096-4706（2023）17-0040-07

Application Exploration and Implementation of SCADA System in Tracking and Positioning of Gas Pipeline Cleaner

WANG Heng

（Huguang Gas Transmission Branch of PipeChina West East Gas Pipeline Company， Changsha? 410016， China）

Abstract： Taking the cleaning process of the Qianjiang to Chenzhou gas pipeline as an example， based on the method of differential pressure method tracking pipeline cleaner online positioning， the feasibility of the application of SCADA system in the tracking and positioning of the gas pipeline cleaner is explored. By coordinating the intake flow rate and controlling the running speed of the pipeline cleaner， manual monitoring at the valve chamber and inlet and outlet stations is selected. At the same time， use the SCADA system pressure monitoring module to observe the pressure fluctuations of the pipeline cleaner during operation， stagnation， arrival， and passing through the monitoring points. The monitoring results of the SCADA system have excellent consistency with the results of manual monitoring， verifying the effectiveness of the SCADA system in the tracking and positioning of gas pipeline cleaner.

Keywords： SCADA system; gas pipeline; differential pressure method; pipeline cleaner; tracing and positioning

0? 引? 言

SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)是對生產(chǎn)過程進行控制與調(diào)度的自動化系統(tǒng)，在長輸天然氣管道中已有廣泛應(yīng)用[1-3]。長輸管道SCADA系統(tǒng)主要由調(diào)控中心的中控系統(tǒng)（DCC）、輸氣站場的站控系統(tǒng)（SCS）、通信系統(tǒng)（COMM）三部分構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)遙信、遙測、遙控和遙調(diào)的“四遙”功能。輸氣站場、閥室內(nèi)的各種工藝設(shè)備及工藝參數(shù)的采集、監(jiān)視、控制、保護等全部能由SCADA系統(tǒng)完成[4-6]。然而，如何利用SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)清管器在管道內(nèi)運行狀態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用仍然較少。

隨著全國一張網(wǎng)的構(gòu)建，中國天然氣長輸管道建設(shè)和投產(chǎn)運行進入快速發(fā)展期，清管作業(yè)越加頻繁，清管技術(shù)亦不斷革新，常用的清管器追蹤方法有聲波[7]、電磁感應(yīng)[8]、放射性同位素、壓力脈沖里程輪定位以及極低頻電磁脈沖[9]等。但在實際作業(yè)中，這些定位方法依然存在清管器運行速度預(yù)測方法精度低、適應(yīng)性差，難以讓清管器與外界建立穩(wěn)定、持續(xù)的聯(lián)系等問題[10-12]。

基于差壓法的遠(yuǎn)程無線跟蹤定位法是通過遠(yuǎn)程無線傳輸技術(shù)將作業(yè)現(xiàn)場的壓力信號傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，借助于監(jiān)測系統(tǒng)的模式識別算法對壓力信號進行分析判斷，進而捕捉作業(yè)狀態(tài)的一種技術(shù)[13-15]。該定位技術(shù)具有不受外界因素影響、采樣頻率高等優(yōu)勢，在輸油管道泄漏定位方面有著較為成熟的應(yīng)用，采用此技術(shù)可以較為準(zhǔn)確的判斷管道中清管器的運行位置[16-18]。然而，由于天然氣管道中氣體的可壓縮性，采用差壓法定位天然氣管道中清管器運行位置仍存在一定的困難，缺乏與SCADA系統(tǒng)聯(lián)用監(jiān)測的應(yīng)用經(jīng)驗。

本文擬利用先進SCADA系統(tǒng)壓力參數(shù)的采集、監(jiān)視功能，通過觀測清管器運行途徑閥室監(jiān)測點壓力變化曲線，實現(xiàn)清管器的在線跟蹤和精確定位。以潛江—郴州輸氣管道清管作業(yè)過程為例，在每段清管區(qū)間采用2個中密度和1個高密度聚氨酯泡沫清管器的清管方式，過盈量設(shè)置為3%～5%。將SCADA系統(tǒng)采集的沿線收發(fā)球站場、沿線閥室在清管器運行期間的壓力數(shù)據(jù)，與人工監(jiān)聽結(jié)果進行對比，探索SCADA系統(tǒng)在輸氣管道清管器追蹤定位的可行性，為SCADA系統(tǒng)在清管器在線跟蹤中的有效應(yīng)用提供重要參考。

1? SCADA系統(tǒng)壓力監(jiān)測模塊在清管器運行過程中的波形圖

清管器在管道內(nèi)運行時，利用SCADA系統(tǒng)采集的收發(fā)球站場和沿線閥室壓力歷史趨勢圖，可以輔助進行清管器運行狀態(tài)的判斷，在一定程度能夠?qū)崿F(xiàn)清管器運行狀態(tài)的可視化。

清管器在管道內(nèi)運行靠的是清管器前后具有的一定壓差，即清管器后的壓力需大于清管器前的壓力[19，20]。值得注意的是，對于泡沫清管器，由于其重量輕，運行期間所需的差壓小（本次作業(yè)中清管器正常發(fā)出壓差約0.05 MPa），利用該方法監(jiān)測時需將在SCADA界面上清管段沿線閥室壓力變送器的壓力軸和時間軸顯示區(qū)間進行縮?。ㄔ黾覵CADA界面壓變壓力趨勢波動時的敏感性），壓力一般可縮小到運行壓力上下各0.2～0.3 MPa左右，時間軸顯示區(qū)間調(diào)整為20 min。

當(dāng)清管器在球筒發(fā)出至通過發(fā)球筒下游三通處時，管線的壓變示數(shù)會先下降，后較快升高，當(dāng)清管器通過發(fā)球筒下游三通后穩(wěn)定運行時，發(fā)球筒下游三通處的壓變示數(shù)會達到一個穩(wěn)定的數(shù)值狀態(tài)；當(dāng)清管器未通過下游監(jiān)測點（閥室）的壓力變送器時，下游監(jiān)測點（閥室）壓力變送器檢測到的壓力波動變化的趨勢是一致的，同時增大或減??；當(dāng)清管器剛通過監(jiān)測點（閥室）時，監(jiān)測點（閥室）壓力變送器突增；當(dāng)清管器停滯時，清管器運行管段上游監(jiān)測點（閥室）的壓力示數(shù)上升，下游監(jiān)測點（閥室）的壓力示數(shù)減低；當(dāng)清管器入收球筒時，收球筒上游入口三通處壓變的數(shù)值會突增，并達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。通過觀察監(jiān)測閥室壓變采集的所有數(shù)據(jù)波形，提取到5個特征比較典型的信號狀態(tài)，分別為清管器發(fā)出狀態(tài)和清管器入桶狀態(tài)、清管器平穩(wěn)運行狀態(tài)、清管器通過閥室狀態(tài)、清管器卡滯狀態(tài)。

1.1? 清管器平穩(wěn)運行狀態(tài)

通過實時監(jiān)測清管器運行管段的上游閥室（已通過的監(jiān)測點）壓變數(shù)值、下游閥室壓變數(shù)值（未通過的監(jiān)測點），可以發(fā)現(xiàn)，清管器平穩(wěn)運行時，上游閥室和下游閥室的壓力均處于一個相對平穩(wěn)的狀態(tài)，結(jié)果如圖1所示。

1.2? 清管器通過閥室時狀態(tài)

通過實時監(jiān)測清管器運行管段的上游閥室（已通過的監(jiān)測點）壓變數(shù)值、中間閥室壓變數(shù)值（正通過的監(jiān)測點）、下游閥室壓變數(shù)值（未通過的監(jiān)測點），可以發(fā)現(xiàn)，清管器通過監(jiān)測點時，清管器前和清管器后閥室的壓力均處于一個相對平穩(wěn)的狀態(tài)。正通過的閥室壓力會出現(xiàn)突增，清管器通過后壓力在突增后的壓力值附近達到一個相對平穩(wěn)的狀態(tài)，如圖2所示。

為了確認(rèn)清管器通過中間閥室壓變數(shù)值（正通過的監(jiān)測點）的可靠性，除了利用管線上下游監(jiān)測點（閥室）壓變的變化趨勢進行宏觀判斷外，鑒于每個監(jiān)測點（閥室）干線截斷閥的上下游5 m左右均安裝有一塊壓力變送器，如圖3所示，利用剛通過監(jiān)測點（閥室）干線截斷閥上下游5 m左右的兩個壓變的歷史數(shù)據(jù)進行復(fù)核，當(dāng)清管器運行在監(jiān)測點（閥室）干線截斷閥上下游5 m左右的兩個壓力變送器中間時，上游側(cè)壓變檢測到的壓力值會突增，當(dāng)清管器全部通過監(jiān)測點（閥室）干線截斷閥上下游5 m左右的兩個壓力變送器時，監(jiān)測點（閥室）干線截斷閥下游5 m處壓力變送器壓力也將突增，通過兩個壓變突增存在時間差可準(zhǔn)確判斷清管器是否經(jīng)過。

1.3? 清管器卡滯狀態(tài)

通過實時監(jiān)測清管器運行管段的上游閥室（已通過的監(jiān)測點）壓變數(shù)值、下游閥室壓變數(shù)值（未通過的監(jiān)測點），可以發(fā)現(xiàn)，清管器卡滯狀態(tài)時，清管器前（下游閥室）不斷下降，清管器后（上游閥室）的壓力不斷升高，當(dāng)清管器前、后壓差足夠大推動清管器前進后，清管器前、后壓差迅速減小，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

1.4? 清管器發(fā)出或入桶狀態(tài)

由圖5、6和7可知，通過實時監(jiān)測清管器收發(fā)球站球筒三通壓變數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)，清管器經(jīng)過三通壓力監(jiān)測點時壓力會出現(xiàn)突增，清管器發(fā)出或進入球筒后監(jiān)測點的壓力在突增后的壓力值附近達到一個相對平穩(wěn)的狀態(tài)。清管器發(fā)出和清管器進入球筒壓力曲線不同之處在于，清管器經(jīng)過收球筒三通壓力監(jiān)測點后，在三通至進入球筒這段時間，當(dāng)清管器較為完整的情況下，收球筒三通處的壓力因清管器與管道內(nèi)壁仍處于密封狀態(tài)，突增后的壓力會維持到清管器完全進入球筒，此后該處的壓力會略有下降。

2? SCADA系統(tǒng)在潛江—郴州輸氣管道清管中的應(yīng)用

潛江至郴州輸氣管道總長631.5 km，管道材質(zhì)為X70鋼，設(shè)計壓力10 MPa，管徑1 016 mm，壁厚為17.5、21、26.2 mm。管道沿線途經(jīng)湖北潛江、監(jiān)利，湖南岳陽、長沙、株洲、衡陽、郴州，共有截斷閥室31座，站場7座。清管作業(yè)于2022年10月24日—12月3日期間開展，分為潛江—岳陽、郴州—衡陽、衡陽—株洲、株洲—岳陽四個清管段，累計發(fā)送中、高密度泡沫清管器10個，此次清管作業(yè)為投產(chǎn)運行來首次清管作業(yè)，清管期間管段運行壓力約6 MPa，日均分輸量60萬方/天，清管期間轉(zhuǎn)供氣量由調(diào)控中心控制。清管器收發(fā)作業(yè)現(xiàn)場如圖8所示。

分別對潛江—岳陽段，株洲—岳陽段使用中、高密度泡沫器清管如表1、表2所示，在運行過程中驗證了SCADA系統(tǒng)壓力監(jiān)測模塊在清管器不同運行速度情況下定位的準(zhǔn)確性。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)潛江—岳陽段（該段作業(yè)時接收川氣東送潛江壓氣站來氣作為氣源）清管器平均球速維持在2 m/s以上速度運行，清管器運行平穩(wěn)，理論計算出的到達時間與實際到達時間基本一致；但株洲—岳陽段（該段作業(yè)時接收西二線韶關(guān)站來氣作為氣源）球速在1.5 m/s以下速度運行時，理論計算出的到達時間與實際到達時間差距較大，主要原因為清管器在管道內(nèi)運行時距離氣源轉(zhuǎn)供點較遠(yuǎn)，由于天然氣的可壓縮性，清管器對進氣端流量變化不敏感，且該段管內(nèi)污物較多，清管器處于非平穩(wěn)運行狀態(tài)，清管器時而運行，時而停滯。在清管器處于非平穩(wěn)運行狀態(tài)時，清管器卡滯狀態(tài)曲線可以很直觀地觀察到清管器的運行狀態(tài)及當(dāng)前的運行區(qū)間，極大地彌補了不能準(zhǔn)確預(yù)測清管器到達時間的不足，為現(xiàn)場的人工追蹤定位提供了強有力的支撐。

清管作業(yè)中，站場的磁力式過球指示器均無法檢測到泡沫清管器是否通過，清管器出發(fā)球筒和進收球筒依靠人工監(jiān)聽，通過對收發(fā)球筒出入口三通附近的壓變示數(shù)分析，形成了人工監(jiān)聽與壓力示數(shù)監(jiān)測數(shù)值趨勢的對比，對準(zhǔn)確判斷清管器是否發(fā)出或入球筒，減少人為誤差具有重要意義。同時采用此方法清管過程中，無須在發(fā)球筒下游出口處和收球筒上游進口處，以及發(fā)球站場出站后和收球站場進站前安排專人實時負(fù)責(zé)監(jiān)聽，減少了現(xiàn)場人員的勞動強度。

清管過程中清管器因推力不足或管道內(nèi)污物阻擋，不能平穩(wěn)運行時，無論是氣量估算法還是距離速度估算法，均不能準(zhǔn)確預(yù)判球到達的時間，現(xiàn)場監(jiān)聽人員也會因清管器比預(yù)計到達時間偏差過大，而導(dǎo)致不能準(zhǔn)確判斷球是否已通過監(jiān)測點，通過SCADA系統(tǒng)可準(zhǔn)確判斷球的運行區(qū)間，避免因人為判斷而導(dǎo)致丟球事件的發(fā)生。

清管過程中清管器平穩(wěn)運行時，通過SCADA采集到清管器通過的監(jiān)測點時間更為精確，減小了人為判斷誤差，通過距離速度估算法能很好地對球到達下一監(jiān)測點進行預(yù)測。

3? 結(jié)? 論

1）潛江—郴州輸氣管道使用中密度和高密度的聚氨酯泡沫清管器對不同管段實施清管作業(yè)，打開收發(fā)球筒盲板作業(yè)過程中的氮氣置換作業(yè)用時較長，平均3.5小時左右。建議清管作業(yè)前準(zhǔn)備注氮管匯等設(shè)備，提高氮氣置換效率。

2）清管器距離氣源上載點較遠(yuǎn)時，建議發(fā)球前1個小時即開始進行接氣和轉(zhuǎn)供，提前在管道建立壓差，便于清管器的發(fā)送和監(jiān)測。

3）在清管器的輔助監(jiān)聽上，SCADA系統(tǒng)作為生產(chǎn)運行監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控清管器的運行狀態(tài)時不需要增加任何額外的輔助設(shè)備，采樣頻率高，精確方便。但在清管前應(yīng)組織對閥室壓力變送器示數(shù)進行現(xiàn)場和遠(yuǎn)程檢查核對，確保示數(shù)準(zhǔn)確。同時綜合考慮清管期間清管段的作業(yè)計劃，避免清管過程中出現(xiàn)壓力變送器拆卸送檢或影響壓力變送器運行的作業(yè)，方便調(diào)度人員監(jiān)測清管器的運行。

4）利用清管器在運行過程中產(chǎn)生的壓力波動，可準(zhǔn)確的判斷清管器是否通過監(jiān)測閥室，在運行區(qū)間段是平穩(wěn)運行還是停滯狀態(tài)，避免現(xiàn)場追蹤人員因誤判或監(jiān)聽不及時導(dǎo)致丟球情況對整個作業(yè)計劃的影響，其適用性強，靈敏度高，無論清管器速度快慢，均能準(zhǔn)確判斷，對指導(dǎo)現(xiàn)場追蹤人員跟蹤定位清管器具有較強的實用價值。

5）利用SCADA系統(tǒng)跟蹤定位方法，可以在一定程度上減少清管器跟蹤定位過程中人工和車輛所產(chǎn)生的費用，同時不受天氣、路況、疫情等因素的影響。

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作者簡介：王恒（1986—），男，漢族，河南南陽人，工程師，碩士，主要研究方向：生產(chǎn)運行管理工作。