城市燃?xì)忾y井?dāng)?shù)字化監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)探討

摘 要：城市燃?xì)獾墓芫W(wǎng)管理工作中，閥井的管理是其中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在各行業(yè)高度信息化的今天，這項(xiàng)工作依然是人工作業(yè)模式，不僅效率低下，可靠性也不足，故我們針對(duì)閥井管理工作的特性，整合機(jī)電及信息化的最新技術(shù)，開發(fā)了這套閥井?dāng)?shù)字化監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)。文章主要從閥井人工管理向信息化管理改造工作入手，闡述閥井?dāng)?shù)字化監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)為城市燃?xì)馄髽I(yè)的日常生產(chǎn)管理工作帶來的顯著效果，以及相應(yīng)的工作模式變化。并逐項(xiàng)分析相應(yīng)技術(shù)細(xì)節(jié)，探討其在整體技術(shù)應(yīng)用中的優(yōu)劣。

關(guān)鍵詞：閥井?dāng)?shù)字化；監(jiān)測(cè)；控制改造

1 閥井?dāng)?shù)字化監(jiān)控技術(shù)發(fā)展背景

1.1 概況

隨著國(guó)內(nèi)天然氣開發(fā)、應(yīng)用的快速發(fā)展，城市燃?xì)庥脩魯?shù)量逐年大幅增加，供氣設(shè)備和管網(wǎng)也越來越復(fù)雜，越來越分散。尤其在天然氣使用過程中涉及輸配、倉儲(chǔ)、使用等環(huán)節(jié)，在這些環(huán)節(jié)中又涉及氣罐、管道、門站、加氣站、調(diào)壓設(shè)備、閥門井等多種設(shè)備及裝置，其中閥井閥門是最重要的管理手段，然而目前對(duì)于閥井的管理均為人工操作及巡查，這種工作模式已不適應(yīng)現(xiàn)代燃?xì)馄髽I(yè)生產(chǎn)管理技術(shù)的飛速發(fā)展。那么針對(duì)閥井的日常生產(chǎn)管理進(jìn)行信息化背景下的技術(shù)研發(fā)，就成為我們發(fā)展此項(xiàng)技術(shù)的方向。

1.2 閥井技術(shù)改造背景

由于設(shè)備老化、故障、人員操作不當(dāng)或其它不可預(yù)見的原因，都可造成燃?xì)庑孤丁Ｏ鄬?duì)應(yīng)，人工操作閥井閥門，存在趕赴現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間問題，以及操作人員的人身安全問題；閥井人工巡查工作，存在巡查密度問題，以及巡查效果問題，這些都給燃?xì)馄髽I(yè)的管理帶來了困惑，如何有效的解決這些問題？閥井的信息化技術(shù)改造就成了繞不過去的環(huán)節(jié)，然而，我們一方面要保證原有的供氣系統(tǒng)正常運(yùn)行，保證用戶用氣和管網(wǎng)輸配氣的安全；另一方面要科學(xué)分析、合理規(guī)劃設(shè)計(jì)改造閥井系統(tǒng)，以加強(qiáng)對(duì)管網(wǎng)的管理及控制，提高燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)的安全性、可靠性。如何兼顧這兩方面，便是我們面臨的挑戰(zhàn)，下面我們結(jié)合甘肅昆侖燃?xì)夤緛砭唧w分析閥井管理情況。

1.2.1 現(xiàn)狀

甘肅中石油昆侖燃?xì)庥邢薰灸壳敖?jīng)營(yíng)范圍已拓展至蘭州市區(qū)及主城區(qū)以外的市、縣區(qū)。承擔(dān)著全省80萬余戶居民用戶、5500余戶商業(yè)用戶、80戶工業(yè)用戶和21家加氣站用戶的天然氣供應(yīng)和服務(wù)。

目前燃?xì)庑袠I(yè)閥井現(xiàn)狀如下：（1）通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)：無有線、無線通訊。（2）智能監(jiān)測(cè)儀表建設(shè)：無智能監(jiān)測(cè)儀表。（3）供電系統(tǒng)：無市電供給。

1.2.2 主要問題

整個(gè)閥井系統(tǒng)處于人工管理狀態(tài)，數(shù)字化建設(shè)程度不足。下面詳細(xì)說明：（1）閥井目前采取人工巡井，由于閥井?dāng)?shù)量眾多，并且分布于全市范圍，工作量十分巨大，人工巡井效率低下；（2）閥井截?cái)嗳斯た刂?，緊急情況下無法及時(shí)有效的實(shí)現(xiàn)閥門控制。這一點(diǎn)在城市燃?xì)鈶?yīng)用中尤為突出，目前交通擁堵的情況已是各大中城市的常態(tài)，當(dāng)發(fā)生緊急情況需要切斷相應(yīng)閥門時(shí)，搶修人員難以迅速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，這種情況是一個(gè)巨大的隱患。（3）無紅外報(bào)警、無可燃?xì)怏w檢測(cè)、缺少安全防范措施。閥井中有閥門、管道及天然氣相應(yīng)設(shè)備，正常情況下閥井屬于封閉狀態(tài)運(yùn)行，閥井內(nèi)部密閉、潮濕、背光、易于微生物繁殖，設(shè)備在這種環(huán)境下運(yùn)行易產(chǎn)生故障或泄露，即使內(nèi)部閥門的微量泄露，也極易積累形成較高的氣體濃度，存在安全隱患。（4）閥井管理無法直接納入中心控制系統(tǒng)，降低了整體系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，難以對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行整體的監(jiān)控，給安全生產(chǎn)和信息化管理帶來一定難度。

以上情況是甘肅昆侖燃?xì)夤鹃y井管理和應(yīng)用中切實(shí)存在的問題，迫切需要新方法、新技術(shù)應(yīng)對(duì)這些問題，那么對(duì)閥井系統(tǒng)進(jìn)行信息化升級(jí)改造，以提高閥井維護(hù)和管理的信息化應(yīng)用水平，減輕員工的工作量，就是我們的工作目標(biāo)和方向。

1.2.3 目的

（1）通過實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)監(jiān)控、巡井調(diào)度等措施，可以實(shí)現(xiàn)智能巡井，人員無需到達(dá)閥井現(xiàn)場(chǎng)就能完成巡井工作，降低了員工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了巡井工作的可靠性，減少了閥井的巡井頻率，縮短了巡井間隔時(shí)間，大大提高了人力資源的優(yōu)化效率和生產(chǎn)運(yùn)行的管理效率，實(shí)現(xiàn)了降本增效的雙贏結(jié)果。（2）通過閥門緊急切斷系統(tǒng)和遠(yuǎn)程調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了各種安全數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制功能，在發(fā)生緊急情況時(shí)，能夠在最短時(shí)間內(nèi)，遠(yuǎn)程控制閥門，在搶險(xiǎn)人員尚未到達(dá)時(shí)，最快的控制險(xiǎn)情，同時(shí)最大限度的減小損失。（3）通過氣體泄漏報(bào)警系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)閥井內(nèi)可能出現(xiàn)的燃?xì)庑孤?，?shí)時(shí)上傳調(diào)度中心，在事故發(fā)生的萌芽狀態(tài)就將其處理掉，大大加強(qiáng)了閥井的安全及管理能力。（4）通過閥井智能巡檢檔案和人工維護(hù)記錄系統(tǒng)，可以將閥井納入信息化管理體系，實(shí)現(xiàn)閥井維修、保養(yǎng)、管護(hù)記錄的電子化歸檔。

2 閥井?dāng)?shù)字化監(jiān)控技術(shù)思路與設(shè)計(jì)

2.1 閥井?dāng)?shù)字化監(jiān)控技術(shù)思路

通過加裝智能儀表和設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)閥井壓力、溫度、流量、供電、水位、可燃?xì)怏w濃度等數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和遠(yuǎn)程傳輸，達(dá)到閥井?dāng)?shù)據(jù)自動(dòng)采集、減少人工巡井工作的目的；通過無線傳輸可遠(yuǎn)程控制電磁閥或執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)閥井閥門的遠(yuǎn)程控制，在發(fā)生危險(xiǎn)情況時(shí)第一時(shí)間實(shí)現(xiàn)閥井閥門的緊急切斷。

閥井?dāng)?shù)字化監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電控閥門系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和防水防爆系統(tǒng)五部分組成。

2.2 閥井?dāng)?shù)字化監(jiān)控技術(shù)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.2.1 基本原理

通過RTU采集智能儀表、監(jiān)控設(shè)備及電磁閥或電動(dòng)執(zhí)行器狀態(tài)等信號(hào)，經(jīng)無線傳輸設(shè)備將信號(hào)傳到控制中心接收并實(shí)時(shí)監(jiān)控；當(dāng)管線出現(xiàn)泄露時(shí)人工遠(yuǎn)程操作發(fā)出關(guān)閥指令，通過無線信號(hào)傳輸至閥井RTU，閥井RTU操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閥；此外，還可實(shí)現(xiàn)閥井每天定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)監(jiān)控信息實(shí)時(shí)上傳調(diào)控中心；站控系統(tǒng)可按閥井地址依次輪詢采集各閥井?dāng)?shù)據(jù)，達(dá)到自動(dòng)智能巡井目的。

2.2.2 閥井?dāng)?shù)字化監(jiān)控技術(shù)可實(shí)現(xiàn)功能

閥井?dāng)?shù)字化監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)主要可以完成閥井?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、閥井異常聯(lián)動(dòng)報(bào)警和遠(yuǎn)程緊急開關(guān)閥門等功能，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理、分析、存儲(chǔ)及共享，以便管理人員在控制中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閥井的狀態(tài)，主要功能如下：a 遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)閥井壓力、流量、可燃?xì)怏w報(bào)警等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集功能； b 遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)閥井異常情況下的緊急關(guān)斷功能；c 遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)閥井可燃?xì)怏w濃度監(jiān)測(cè)報(bào)警與聯(lián)動(dòng)緊急關(guān)斷功能；d 遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)閥井采集和通信模塊參數(shù)設(shè)置和維護(hù)功能；e 遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)閥井積水水位監(jiān)測(cè)報(bào)警功能；f 遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)井端設(shè)備供電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)報(bào)警功能；g 自動(dòng)記錄閥井工作數(shù)據(jù)，保存歷史信息。

2.2.3 閥井?dāng)?shù)字化監(jiān)控技術(shù)主要組成部分

閥井?dāng)?shù)字化監(jiān)控技術(shù)主要由數(shù)據(jù)采集，電控閥門系統(tǒng)，信號(hào)處理系統(tǒng)，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，供電系統(tǒng)、防水防爆系統(tǒng)及控制中心站控軟件等部分組成，其組成示意圖如圖2。

2.2.4 閥井?dāng)?shù)字化監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

業(yè)務(wù)層：控制所轄區(qū)域內(nèi)的所有電動(dòng)閥，顯示當(dāng)前各閥門的開關(guān)狀態(tài)、天然氣濃度、管道壓力等；匯聚層：數(shù)據(jù)通過公網(wǎng)后分離出來，將數(shù)據(jù)傳給業(yè)務(wù)層，其連接了外網(wǎng)和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)；傳輸層：數(shù)據(jù)在公網(wǎng)中的傳輸；應(yīng)用層：是最基本執(zhí)行層，負(fù)責(zé)各遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的任務(wù)的執(zhí)行。如閥門開關(guān)、數(shù)據(jù)采集等。

應(yīng)用層—傳輸層—匯聚層—業(yè)務(wù)層

對(duì)應(yīng)：閥門—電動(dòng)系統(tǒng)—電控系統(tǒng)—RTU—無線傳輸系統(tǒng)（GPRS）—總控中心，結(jié)構(gòu)如圖3。

2.2.5 閥井?dāng)?shù)字化監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用改造實(shí)例分析

第一步，改造現(xiàn)有閥井內(nèi)閥門，手動(dòng)閥門由手動(dòng)改造為電動(dòng)或電液聯(lián)動(dòng)。電動(dòng)閥門加裝控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信號(hào)管理。閥井中部署控制系統(tǒng)和無線通訊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閥井內(nèi)智能控制和監(jiān)測(cè)及控制信號(hào)的上下行傳輸?？偪刂行牟渴痖y井智能監(jiān)控平臺(tái)軟件系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)閥井閥門的遠(yuǎn)程控制、閥井內(nèi)可燃?xì)怏w泄露報(bào)警以及智能巡井工作。第二步，在完成第一步的基礎(chǔ)上，在閥井中加裝壓力、流量、溫度、可燃?xì)怏w報(bào)警器等數(shù)字化監(jiān)測(cè)儀表，實(shí)現(xiàn)閥井的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，通過通訊系統(tǒng)上傳至總控中心。

3 閥井?dāng)?shù)字化監(jiān)控技術(shù)詳細(xì)分析

3.1 GPRS技術(shù)

GPRS是通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service）的簡(jiǎn)稱。通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞，由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在絕大多數(shù)情況下都表現(xiàn)出一種突發(fā)性的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，對(duì)信道帶寬的需求變化較大，因此采用分組方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送將能夠更好地利用信道資源。

3.2 RTU技術(shù)

遠(yuǎn)程測(cè)控終端系統(tǒng)Remote Terminal Unit（RTU）是構(gòu)成綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的核心裝置。通常由指令控制器及數(shù)據(jù)輸入輸出模塊（PLC）、數(shù)據(jù)通訊部分、電源部分及輔助部件與柜體等五個(gè)部分組成。

主要功能：（1）采集狀態(tài)量并向遠(yuǎn)方發(fā)送，帶有光電隔離，遙信變位優(yōu)先傳送；（2）直接采集系統(tǒng)工頻電量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流的測(cè)量并向遠(yuǎn)方發(fā)送；（3）采集脈沖信號(hào)量并向遠(yuǎn)方發(fā)送，帶有光電隔離；（4）接收并執(zhí)行遙控及返校；（5）程序自恢復(fù)；（6）設(shè)備自診斷（故障診斷到插件級(jí)）；（7）接收并執(zhí)行遙調(diào)；（8）采集事件順序記錄并向遠(yuǎn)方發(fā)送；（9）提供多個(gè)數(shù)字接口及多個(gè)模擬接口；（10）可對(duì)每個(gè)接口特性進(jìn)行遠(yuǎn)方/當(dāng)?shù)卦O(shè)置；（11）接受遠(yuǎn)方命令，選擇發(fā)送各類信息。

3.3 電控閥門技術(shù)

電控閥門通常由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門組成。電控閥使用電能作為動(dòng)力，通過電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)閥門，實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)動(dòng)作。從而達(dá)到對(duì)管道介質(zhì)的開關(guān)目的。

3.3.1 電磁閥

電磁閥是電動(dòng)閥的一個(gè)種類；是利用電磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)來拉動(dòng)閥芯，從而改變閥體的通斷，線圈斷電，閥芯就依靠彈簧的壓力退回。

3.3.2 電動(dòng)執(zhí)行器

一種能提供直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它利用某種驅(qū)動(dòng)能源并在某種控制信號(hào)作用下工作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用液體、氣體、電力或其它能源并通過電機(jī)、氣缸或其它裝置將其轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)作用。

3.4 閥井?dāng)?shù)據(jù)采集技術(shù)

閥井內(nèi)需要采集的數(shù)據(jù)主要有閥井內(nèi)可燃?xì)怏w濃度、閥井積水水位、供電系統(tǒng)電量及防盜、防破壞監(jiān)控報(bào)警等。下面詳細(xì)說明各數(shù)據(jù)采集方式。

3.4.1 可燃?xì)怏w探測(cè)器

可燃?xì)怏w探測(cè)器是對(duì)單一或多種可燃?xì)怏w濃度響應(yīng)的探測(cè)器。

3.4.2 水位計(jì)

自動(dòng)測(cè)定水體水位的儀器。按傳感器原理分浮子式、跟蹤式、壓力式和反射式等。

3.4.3 蓄電池電量監(jiān)測(cè)表

用于監(jiān)測(cè)蓄電池的剩余容量，采用獨(dú)特算法，依據(jù)蓄電池放電曲線來計(jì)算剩余電量，是一種真正的精確的數(shù)字式電量表，對(duì)電池電量檢測(cè)的準(zhǔn)確度可達(dá)±10%。

3.5 閥井供電技術(shù)

蓄電池：

膠體電池或卷繞式電池。膠體鉛酸免維護(hù)蓄電池在深放電的條件下使用性能好，其深放電恢復(fù)能力超過95%，高于液式蓄電池20%；膠體電池自放電小，在20℃溫度下可存放兩年不充電，屬免維護(hù)電池。

3.6 防爆技術(shù)

由于閥井屬于地下密閉空間，閥井內(nèi)設(shè)備因處于惡劣環(huán)境，易發(fā)生老化、故障等情況，當(dāng)發(fā)生輕微氣體泄露時(shí)，極易積累產(chǎn)生危險(xiǎn)。故方案中所有接電設(shè)備，均采用密封防爆箱體，電纜穿入防爆管或采用防爆電纜，電纜連接采用航空快插式防爆接頭，實(shí)現(xiàn)閥井設(shè)備的防爆功能。

4 實(shí)測(cè)效果與數(shù)據(jù)

4.1 實(shí)測(cè)實(shí)現(xiàn)功能

（1）無線信號(hào)上傳順暢，可實(shí)現(xiàn)閥井生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)。（2）無線信號(hào)下傳順暢，可實(shí)現(xiàn)閥井閥門遠(yuǎn)程控制操作。（3）閥井內(nèi)可燃?xì)怏w探測(cè)器，可依據(jù)報(bào)警限設(shè)定值，智能診斷報(bào)警。（4）可自動(dòng)生成閥井電子報(bào)表及生產(chǎn)數(shù)據(jù)（5）可實(shí)現(xiàn)閥井智能巡井工作。

4.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

4.3 實(shí)測(cè)的成效

甘肅昆侖燃?xì)夤緦?shí)施閥井?dāng)?shù)字化改造測(cè)試井項(xiàng)目后，測(cè)試效果明顯，能夠減少勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)安全性。批量實(shí)施后，預(yù)期效果如下：（1）可簡(jiǎn)化組織管理結(jié)構(gòu)，提高管理、調(diào)度的效率；減少生產(chǎn)定員，降低生產(chǎn)運(yùn)行成本。（2）從安全方面看，實(shí)施數(shù)字化管理前人工巡井消耗的時(shí)間多，持續(xù)周期長(zhǎng)；數(shù)字化改造后可按設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)巡井，減少現(xiàn)場(chǎng)操作次數(shù)，極大地提高了巡井的頻率，提高了生產(chǎn)的安全性。（3）從減少勞動(dòng)強(qiáng)度方面看，以前關(guān)閥需要人工到現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)關(guān)閥，耗費(fèi)時(shí)間較多，數(shù)字化改造后員工可以直接在上位機(jī)上遠(yuǎn)程關(guān)閥，整個(gè)關(guān)閥過程在很短時(shí)間內(nèi)完成，極大的提高了工作效率和安全程度。（4）閥井的管理方式由人工手動(dòng)跨越到信息化管理。

5 結(jié)束語

隨著城市燃?xì)庑袠I(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)有的管理模式無法應(yīng)對(duì)發(fā)展所帶來的一系列問題，針對(duì)這些問題而進(jìn)行的閥井?dāng)?shù)字化改造改變了燃?xì)庑袠I(yè)閥井系統(tǒng)管理的現(xiàn)狀，通過技術(shù)的提升，給燃?xì)庑袠I(yè)閥井的管理模式帶來了革新，很大程度上解決了城市燃?xì)庑袠I(yè)在發(fā)展過程中所遇到的問題。值得繼續(xù)發(fā)展此項(xiàng)技術(shù)，并在實(shí)際生產(chǎn)中推廣運(yùn)用。

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