中低壓燃氣智能調壓系統

蘆 超， 陳海龍， 程小偉， 彭廣娟， 周瑞智

(1.北京市公用事業科學研究所， 北京 100000； 2.北京市燕山工業燃氣設備有限公司， 北京 100000)

1 概述

城市燃氣要保持高質量發展態勢，智能化是必經之路。發展智能設備是實現智能管網、智慧燃氣的根本條件[1-3]。本文提出的中低壓燃氣智能調壓系統，是基于新型智能調壓器開發的[4-6]。智能調壓器作為核心部件，與進、出口管路上的球閥閥位開關(球閥上加裝的閥位開關 )，過濾器兩側的壓差變送器，壓力變送器和溫度變送器配套，形成中低壓燃氣智能調壓系統[7-8]。

2 智能調壓器

將切調一體調壓器與電動執行器、位移傳感器、切斷閥位開關進行優化組裝，形成智能調壓器。目前，此款智能調壓器已通過型式檢驗(進口壓力范圍0.1～0.4 MPa，出口壓力范圍2～40 kPa，流量范圍0～1 000 m3/h，關閉壓力等級SG20，關閉壓力區等級SZ20，穩壓精度等級AC10)，并且獲得一項實用新型專利(專利號ZL201720064606.0)[9]。此款智能調壓器采用220 V市電提供動力，采用4～20 mA弱電信號控制，實現遠程調壓。當發生意外停電時，該智能調壓器自動轉換為傳統調壓器，保持出口壓力平穩。切調一體調壓器見圖1，智能調壓器見圖2。

圖1 切調一體調壓器

圖2 智能調壓器

3 中低壓燃氣智能調壓系統

該中低壓燃氣智能調壓系統具有遠程監控功能(包括在線監測功能和遠程調壓功能)、故障自診斷功能、流量模擬功能、數據查詢功能、統計分析功能。該系統采用NB-IoT技術進行數據傳輸，遠程調壓控制分度值可達到0.1 kPa，調節速度達到1 mm/s，瞬時流量模擬相對誤差可達到3%。

3.1 系統組成

中低壓燃氣智能調壓系統見圖3，包含的設備有：PLC控制器、進口壓力變送器、進口溫度變送器、進口壓力表、帶閥位開關的進口球閥、帶壓差變送器的過濾器、智能調壓器、出口壓力表、出口壓力變送器、出口溫度變送器、帶閥位開關的出口球閥。

圖3 中低壓燃氣智能調壓系統

3.2 遠程監控功能

此系統將進出口壓力、進出口溫度、流量(通過流量模擬功能得到，顯示在監控平臺)、智能調壓器的切斷壓力、過濾器壓差、智能調壓器的閥口開度、進出口球閥啟閉狀態等數據進行采集并實時遠程傳輸，用于監控調壓系統的運行情況。

通過此系統可遠程進行壓力調節。在遠程調壓操作中，PLC控制器接收服務器發來的出口壓力設定值，電動執行機構接收PLC控制器輸出的指令，使調壓器彈簧沿軸向位移運動，達到出口壓力設定值。目前，遠程調節壓力的范圍控制在2～40 kPa，滿足中低壓常用壓力設定需求。在遠程調壓過程中，采用自適應控制方式，遠離目標值時(實際壓力與設定壓力的差值的絕對值大于1%設定壓力時)，電動執行機構快速運轉，調節尺度大；接近目標值時(實際壓力與設定壓力的差值的絕對值小于1%設定壓力時)，采用緩慢調節方式，使壓力最終穩定在目標值。

3.3 故障自診斷功能

燃氣智能調壓系統通過增加壓力變送器、溫度變送器、PLC控制器、調壓器位移傳感器、球閥閥位開關、過濾器壓差變送器、調壓器上的切斷閥閥位開關等設備，實現故障自診斷功能。

在中壓燃氣管道和低壓燃氣管道上分別安裝壓力變送器，用于監測管道內的壓力，判斷運行壓力是否異常。調壓器位移傳感器可監測調壓器閥口開啟情況，再結合現場壓力和溫度數據，進行模擬計算得出通過調壓器的實時流量。通過設定的邏輯關系，可判斷智能調壓器的關閉壓力是否異常。過濾器上的壓差變送器用于判斷是否出現過濾器堵塞。調壓器上的切斷閥位開關用于監測調壓器切斷裝置的狀態，判斷調壓器是否因管路壓力超出設定值而自動切斷，以及調壓器切斷裝置是否發生故障。

智能調壓系統實時采集并處理監測數據，現場數據記錄單元PLC控制器將數據發送給與其連接的數據通信單元，數據通信單元以無線通信的方式發送數據至服務器，服務器自動診斷調壓器出現的故障問題。故障自診斷分析見表1。表1中，p2為調壓器實際出口壓力，pb為調壓器關閉壓力，A為調壓器穩壓精度等級，p2S為調壓器設定出口壓力，這3個壓力的單位均為kPa。

監控平臺為網頁形式，在任意電腦上登錄網址即可。監控平臺實時接收報警信息，并給出報警提示，以地形圖及列表結合的方式直觀展示報警信息及位置信息。

表1 故障自診斷分析

3.4 流量模擬功能

調壓器的流量模擬功能首先結合仿真計算和試驗測量方法建立流量模擬模型，上線運行時根據壓力變送器、調壓器位移傳感器以及溫度傳感器傳來的信息，通過安裝在服務器上的流量模擬模型實時計算出流過調壓器的瞬時流量。流量模擬模型的建立分3步實現：

① 針對調壓器采用proe軟件進行三維建模，利用CFD進行計算仿真，建立了流量數據庫。根據調壓器的工況范圍，確定流量計算狀態表。針對空氣介質，共獲得了144個狀態的流場分布和流量值；針對燃氣介質，共獲得了84個狀態的流場分布和流量值。

② 模擬仿真只能獲得某些固定狀態的流量結果，是一些離散的數據點，但實際使用過程中需要能實時給出任意狀態的流量值，因此需要開發流量模擬模型，從而得到任意時刻的流量結果。我們以仿真計算得到的流量數據庫為基礎，采用多維拉格朗日插值公式生成流量響應面模型。

③ 針對調壓器開展流量試驗測試，利用試驗測量得到的流量數據對上述得到的流量響應面模型進行修正，獲得流量模擬模型。共開展了500多次調壓器流量試驗測試，整理了近500個點的試驗數據，將試驗結果和利用流量模擬模型得到的結果進行對比，發現相對誤差保持在3%左右。

3.5 其他功能

中低壓燃氣智能調壓系統還具有數據查詢、統計分析的功能，可以方便得知管轄區域設備在當前和歷史的運行狀態，對設備的維護及用氣量分析提供有力的支持。在運營管理方面，中低壓燃氣智能調壓系統可以收錄各種調壓箱(含智能調壓箱和常規調壓箱)信息并以地圖和列表方式顯示，結合巡檢人員的手機APP客戶端，大大提高了調壓箱巡檢效率，也提高了運營管理水平。

4 結論

① 中低壓燃氣智能調壓系統實現對現場數據的實時采集并監控現場運行狀態，在無人值守的情況下，可以及時發現系統運行故障或者安全問題，提高燃氣調壓箱(站)的使用管理水平，做到全方位、全時段監測的同時，又節省了人力。

② 中低壓燃氣智能調壓系統具備遠程調壓功能，權限范圍內遠程調節現場壓力代替現場人工手動，有效節省了人力、物力和財力。

③ 中低壓燃氣智能調壓系統具備故障自診斷功能，可以消除安全隱患，提升供氣安全性。

④ 中低壓燃氣智能調壓系統具備流量模擬功能，替代傳統的流量計，在一定程度上實現對用戶流量的監測，為分析購銷差提供參考依據。