城鎮(zhèn)燃氣無人值守調(diào)壓計量撬的應(yīng)用前景

崔文豪,江國建

(1.青島潤昊天然氣有限公司,山東 青島 266000;2.山東龍禹勝利能源有限公司,山東 濟南 251000)

1 無人值守調(diào)壓計量撬的定義及優(yōu)勢

1.1 無人值守調(diào)壓計量撬的定義

無人值守調(diào)壓計量撬,是指無需派駐人員值班,通過信息化手段,由燃氣公司管網(wǎng)調(diào)度中心值班人員遠程調(diào)控,或者通過現(xiàn)場自動控制裝置實現(xiàn)對撬內(nèi)設(shè)備及主要儀表的運行管理及調(diào)度;并通過撬內(nèi)的數(shù)據(jù)監(jiān)控與采集系統(tǒng),將撬內(nèi)的主要遠傳設(shè)備及周界監(jiān)控系統(tǒng)的安全運行實時狀況、運行參數(shù)等數(shù)據(jù)及場站周邊環(huán)境情況進行動態(tài)的監(jiān)測[1]。

1.2 無人值守調(diào)壓計量撬的優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)的常規(guī)調(diào)壓計量站,無人值守調(diào)壓計量撬集成度高、占地面積小、安裝位置獲取容易、施工工期短;同時不需要輔助站房等建、構(gòu)筑物設(shè)施;無須征地,解決了當下征地難的問題,降低了土地及土建的投資建設(shè)成本。同時無人值守調(diào)壓計量撬信息化程度較高,采用了站控系統(tǒng)對整個撬區(qū)進行監(jiān)控、管理和控制,可以有效地保證人員、工藝設(shè)備的可靠、安全、穩(wěn)定運行。同時結(jié)合自動化技術(shù)、通信技術(shù),實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸、處理、報警、遠程控制、儲存等功能,從而最終達到無人值守的效果。

2 無人值守調(diào)壓計量撬的應(yīng)用

2.1 無人值守調(diào)壓計量撬的選址及設(shè)計

無人值守調(diào)壓計量撬的功能主要有過濾、計量、調(diào)壓、加臭等,其功能與天然氣常規(guī)門站、調(diào)壓計量站基本類似,往往選址安裝于農(nóng)田、綠化帶、集體用地、城市邊緣地帶,距離城市建成區(qū)較遠,選址較為方便,但也要保證與周邊建、構(gòu)筑物的安全間距要求。 無人值守調(diào)壓計量撬的設(shè)計依據(jù)主要為《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(GB 50028—2020)附錄B燃氣輸配系統(tǒng)生產(chǎn)區(qū)域用電場所的爆炸危險區(qū)域等級和范圍的劃分,以及《爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》中的相關(guān)要求,無人值守調(diào)壓計量撬屬“一區(qū)”爆炸危險環(huán)境場所,介質(zhì)屬易燃易爆的氣體,首要問題就是安全第一[2]。

2.2 無人值守調(diào)壓計量撬的構(gòu)成

無人值守調(diào)壓計量撬主要包括:現(xiàn)場工藝設(shè)備、自動控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、流量計、雙金屬溫度計、壓力變送器、壓差變送器、閥門電動執(zhí)行機構(gòu)、可燃氣體報警器、加臭機、UPS、調(diào)壓器、過濾器、旁通、放散閥等,為保證其運營可靠穩(wěn)定,一般采用雙路計量、調(diào)壓。

2.3 無人值守調(diào)壓計量撬的控制系統(tǒng)

無人值守調(diào)壓計量撬的控制系統(tǒng)一般指SCADA系統(tǒng),是整個調(diào)壓計量撬實現(xiàn)無人值守的核心,根據(jù)結(jié)構(gòu)劃分可分為:應(yīng)用層、控制層和設(shè)備層。應(yīng)用層一般主要由服務(wù)器、工作站、工控機、通訊設(shè)備組成。控制層主要是由PLC、DCS等組成的控制系統(tǒng),與應(yīng)用層通過以太網(wǎng)、無線電或者其他通信形式進行通訊。設(shè)備層主要由壓力變送器、溫度變送器、電動球閥、閥位遠傳、氣動調(diào)節(jié)閥等具體的工藝設(shè)備組成[3]。

本實際工程應(yīng)用案例中的流量計、可燃氣體報警器通過RS485的方式進行通訊;壓力變送器、溫度變送器等通過模擬量信號傳遞,緊急切斷、電動執(zhí)行機構(gòu)通過開關(guān)量信號進行控制和信息反饋。

控制系統(tǒng)工藝確定后,要進行控制系統(tǒng)I/O統(tǒng)計,以便進行下一步的控制系統(tǒng)選型,控制系統(tǒng)的I/O定義表以實際工程應(yīng)用案例孝里街道西無人值守調(diào)壓計量撬項目為例,主要設(shè)備、信號名稱、信號類型等見表1。

表1 主要設(shè)備、信號名稱、信號類型、I/O地址信息

由于篇幅原因,控制系統(tǒng)的邏輯運行不作展開說明。

2.4 無人值守調(diào)壓計量撬控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

RTU(Remote Terminal Unit,遠程測控單元)[4]作為現(xiàn)場控制站,通過設(shè)備間的線纜采集現(xiàn)場設(shè)備層傳送來的模擬量信號及脈沖量信號,進行綜合的邏輯分析后通過開關(guān)量輸出模塊控制電動球閥的開關(guān),并在應(yīng)用層中顯示現(xiàn)場采集的各類參數(shù);同時RTU通過RS232接口,經(jīng)DDN調(diào)制解調(diào)器向上級調(diào)度中心傳輸相應(yīng)的壓力和流速信息數(shù)據(jù),包括:進口壓力、出口壓力、電動球閥的工作狀態(tài)、調(diào)壓后的壓力、出站的壓力、溫度、切斷閥位的狀態(tài)、調(diào)壓器閥口的開度、流量計的流速和溫度等,以此來實現(xiàn)調(diào)度中心SCADA控制系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備層的遙測、遙控、遙調(diào)等功能,RTU是SCADA系統(tǒng)的基本組成單元。

3 無人值守調(diào)壓計量撬的應(yīng)用案例

3.1 案例背景

以青島某公司目前實際應(yīng)用工程為案例,濟南轄區(qū)內(nèi)的孝里街道,位于黃河灘區(qū)下游,轄區(qū)內(nèi)33個自然村拆遷后整合集中安置到了一個萬戶級的大社區(qū),均采用17～22層的高層,建筑物149棟,由于社區(qū)的位置偏遠,距離主城區(qū)供熱管網(wǎng)較遠,經(jīng)過多方案比較,政府最終采納天然氣空氣源熱泵機組的供暖方式,隨著入住率的提升,導(dǎo)致該片區(qū)冬季對天然氣的需求量逐步提升,為了保障民生供氣的平穩(wěn),同時降低供氣成本,公司不得不引進第二氣源。在國土空間規(guī)劃調(diào)整日益嚴峻的背景下,鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊緣農(nóng)耕地的征用成為了一大難題(選址圖1),同時為考慮公司的經(jīng)營環(huán)境和服務(wù)長久性,要盡可能地降低投資成本,同時也到保證安全運營的水平,并使其獲得最大的投資回報,因此經(jīng)過多方考量論證,最終采用了無人值守調(diào)壓計量撬的設(shè)計,并通過快速的施工,僅在一個月內(nèi),完成所有設(shè)備安裝及調(diào)試工作,目前已經(jīng)投入生產(chǎn)運營,安全、生產(chǎn)效益良好。

圖1 無人值守高壓調(diào)壓計量撬的選址位置圖

3.2 工程概況

孝里街道西3公里處有一處設(shè)計壓力4.0 MPa,管徑DN250的漢岳高壓燃氣管道并預(yù)留有截斷閥室即“孝里閥室”,該應(yīng)用工程起點為孝里閥室,經(jīng)DN150燃氣高壓管道,長度約50 m,連接無人值守調(diào)壓計量撬進口后,向下游de200的中壓管網(wǎng)輸送天然氣。調(diào)壓撬的設(shè)計進口壓力為4.0 MPa,出口壓力為0.4 MPa,最大供氣能力4 000 m3/h。同時為了減少占地和硬化面積,PLC控制柜、電源控制柜、UPS電源、加臭機等均集中在了撬體內(nèi),撬體整體尺寸為5.0 m×2.2 m,四周采用鋼制鏤空護欄,總占地面積20余m2,搭配SCADA系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)的使用可實現(xiàn)遠程的調(diào)度控制。

3.3 無人值守調(diào)壓計量撬的設(shè)計

該工程的設(shè)計主要考慮其位置偏遠、征地難度大,同時為提升安全運營水平,該調(diào)壓計量撬采用D型結(jié)構(gòu)(2+1),進出口配備了電動球閥,電壓采用220 V電源,采用高、中壓二級調(diào)壓,其中調(diào)壓閥位信號、切斷閥位信號、溫度、壓力、流速等等均可實現(xiàn)遠傳。主要功能有過濾、調(diào)壓、計量、加臭、安全切斷、旁通、電伴熱、遠程控制、切斷、壓力溫度、流速監(jiān)控等,同時匹配SCADA遠程控制系統(tǒng),結(jié)構(gòu)流程如圖2所示。

圖2 無人值守調(diào)壓計量撬的工藝流程圖

3.3.1 防爆電動執(zhí)行器的設(shè)計選型

防爆電動執(zhí)行器主要安裝在撬體進出口的閥門和兩個調(diào)壓管路前的閥門,具備了手動和遠程操控的開關(guān)功能,因選址位置偏遠,臨近的電源均使用的是農(nóng)排灌溉電,電壓波動較大,為了使其可靠,選用了國產(chǎn)的防爆電動執(zhí)行器,方便后期維修保養(yǎng)。

3.3.2 絕緣接頭的設(shè)計選型

絕緣接頭如圖3所示,是將燃氣輸配管線的各段間、設(shè)備和管線間相關(guān)絕緣隔離,保護其不受腐蝕,提升管線和設(shè)備的使用壽命,根據(jù)城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范要求,所有的入站和出站都需要有絕緣接頭,考慮到北方地區(qū)冬季天氣的影響,選用了耐介質(zhì)溫度為-20～60 ℃的絕緣接頭,大大提高管線安全運營的水平。

圖3 絕緣接頭結(jié)構(gòu)圖

3.3.3 流量計的設(shè)計選型

由于該區(qū)域主要為民生用氣,導(dǎo)致夏季和冬季用氣比例嚴重不匹配,為滿足冬夏峰谷10∶1的不平衡差值問題,使其計量精準,調(diào)壓計量采用一高一低的設(shè)計,低流量管路采用了精度±1.0%級的渦輪流量計,其流量范圍20～400 m3/h、高流量管路則采用了±1.0%的超聲波流量計,流量范圍22～1 400 m3/h,保證其最低小時流量在20 m3和最高小時流量在5 000 m3之間均可實現(xiàn)精準的調(diào)壓、計量、加臭,避免出現(xiàn)過大的一級輸差,同時為確保計量更精準,壓損更小,兩路計量均在二級調(diào)壓后計量。通過專家評審,為保證其可靠性和耐久度,最終選取天信TUA-150A-GI 超聲波流量計和TBQZII-100B-B-GI渦輪流量計。

3.3.4 調(diào)壓器和切斷的設(shè)計選型

調(diào)壓器和切斷的設(shè)計選型是確保整個無人值守撬工作穩(wěn)定的重要基礎(chǔ),為了更好地匹配無人值守功能,方便運營維護,兼顧成本,本次的調(diào)壓設(shè)備選用EQ系列。該系列調(diào)壓器將調(diào)壓與切斷集融為一體,且是外置式的全平衡式結(jié)構(gòu)。流量調(diào)節(jié)范圍大,適用場合范圍廣,出口壓力控制精準,穩(wěn)壓能力強,操作和設(shè)定簡單,靈敏度高,響應(yīng)速度快,性能好,切斷精準,操作維護方便,可在線維修。其中一級調(diào)壓選用的型號為:RTJ-50/6.3-EQ、二級調(diào)壓選用的型號為:RTJ-80/1.6-EQ。

其中EQ系列調(diào)壓器主要由頂蓋、閥桿推桿、皮膜、指揮器和閥體組成,為間接式調(diào)壓器,如圖4所示。

圖4 EQ系列調(diào)壓器結(jié)構(gòu)圖

切斷的主要作用則是為了保證燃氣調(diào)壓器以及下游用戶的用氣安全,當運行壓力高于設(shè)定的切斷壓力時,切斷部件迅速動作,防止壓力升高而導(dǎo)致安全事故。切斷裝置一般由監(jiān)控裝置、切斷裝置、閥頭行程指示器和復(fù)位裝置組成。當設(shè)備發(fā)生故障或其他特殊原因時,下游監(jiān)控壓力升高或降低時,作用在監(jiān)控膜上的壓力與彈簧力不平衡將帶動撞桿向右或向左軸向移動觸動切斷裝置,使切斷裝置中限位塊與限位鉤脫開,同時閥頭在主閥彈簧的作用下迅速地切斷氣流,以達到切斷下游壓力的作用。

3.4 實際運行效果

無人值守調(diào)壓計量撬的運行和常規(guī)調(diào)壓計量撬的運行原理大致相同,主要為調(diào)壓和計量,僅需在投產(chǎn)前將調(diào)壓的一二級壓力、加臭、切斷數(shù)值等調(diào)試到設(shè)定值,同時通過SCADA測試其遠程操控的準確性和延遲性,調(diào)試監(jiān)控系統(tǒng)的角度,便可保證投入運營后的無人值守調(diào)壓計量撬數(shù)據(jù)檢測準確,現(xiàn)場實時監(jiān)控?，F(xiàn)有的兩路調(diào)壓計量出口分別設(shè)定在0.35,0.38 MPa,切斷數(shù)值為運行壓力的1.5倍,供暖季選用22～1 400 m3/h的一路,其余時間選用20～400 m3/h的一路,保證其流量計的計量準確性,減少二級輸差,同時確保流量計的年檢空擋問題。目前該站運營平穩(wěn),較常規(guī)站的運行大大提升結(jié)算管理、安全管理、二級輸差管理等指標。

4 無人值守調(diào)壓計量撬的應(yīng)用前景

無人值守是實現(xiàn)調(diào)壓計量撬無人值守管理的基礎(chǔ),無人值守是信息化遠程管理的目的。無人值守的調(diào)壓計量撬由于其占地面積小、施工簡便、周期短,且吊裝簡便,一次性投資少,在新建的項目中越來越受到燃氣公司的重視,同時無人值守的模式可以減少后期的運維人工費用,在運營管理上實行高效的信息化智能化管理,使得管理有的放矢,提升效率和精準度,其次可以減少管理難度,提升安全管理水平等。

在無人值守的模式下,打破其原有的傳統(tǒng)計量模式,不再需要人為過多干預(yù),可按照上下游實際的用氣量需求自動控制計量設(shè)備的開關(guān),按設(shè)定的流量工況和下游的實際用氣量,自動檢測流量計的輸出并可實現(xiàn)流量設(shè)備的自動切換,在上下游結(jié)算計量、供需平衡上達到按需供應(yīng),安全監(jiān)管,節(jié)能運行的效果。

5 結(jié)語

在日益嚴峻的經(jīng)營形勢下,智慧化、信息化的管理手段不斷地得到應(yīng)用,無人值守調(diào)壓計量撬不僅符合低耗節(jié)能的社會要求且燃氣企業(yè)在人、財、物等方面做到以最少的投入,便可獲取最大的回報。為企業(yè)創(chuàng)造較大的經(jīng)濟效益同時,縮短了項目投資回收期限,同時可提升其安全運營和盈利的能力,是城燃企業(yè)在該類投資項目中的首選,相信無人值守調(diào)壓計量撬的應(yīng)用將會逐步地得到推廣。