天然氣表具應用物聯網技術加強防盜氣管理的技術方法

劉宇 高佳寧

涿州濱海燃氣有限公司，中國·河北 涿州 072750

1 引言

隨著中國對廣大鄉村實施“煤改氣”，自2017——2020年，中國天然氣需求量的持續快速增長，據數據統計，2017年中國天然氣產量達1474.2億m3；2018年1610億m3，2019年1736億m3，2020年1889億m3，年均增速超過10%。燃氣現已成為人們生產生活中不可或缺的一部分，它給人們的生產生活帶來了諸多便利，但同時也存在著安全隱患，諸如燃氣爆炸、中毒等問題。

據統計，隨著燃氣用戶的快速增長，城市燃氣安全事故已成為中國繼交通事故、工傷事故之后的第三大殺手。隨著天然氣的推廣使用，近年來居民用戶計量糾紛和安全事故也呈上升趨勢。

2 計量表后的天然氣泄漏和用戶盜氣行為的現狀

天然氣目前是以管道輸送的方式進入千家萬戶，近年來燃氣管道由于人為或自然原因發生損壞，造成天然氣泄漏或被竊用的事件頻發。根據調研中國河北地區的農村、城鎮用氣數據，因泄漏和竊氣造成的天然氣的氣體損失占輸送量總額約0.3%。另外，因盜竊天然氣和管道泄漏引發的人員窒息、火災、爆炸等燃氣安全事故，對人民的生命、財產安全造成極大的威脅，此外偷盜竊天然氣也會給企業造成重大的經濟損失，產生不良的社會影響。

3 戶內泄漏和用戶盜氣的管控難點

按照《城鎮燃氣管理條例》的要求，現有的燃氣公司在運行管理中，每年委派安全檢查人員，上門對燃氣用戶進行1次入戶安全檢查，檢查表具計量是否正常、管道安裝及管道與用氣設備的連接處有無泄漏、現場有無第二氣源等，確保用戶安全用氣。

實際工作中，對無人居住戶、盜氣戶是很難正常入戶安檢的，因此埋下了安全隱患。

4 使用物聯網技術解決辦法的研究

對天然氣計量表具，通過物聯網技術實現遠程雙向互通的功能，燃氣公司管理端可以根據位移預警和異常流量預警，有針對性地查詢用戶燃氣使用狀況，分析歷時用氣數據，結合預警內容判別是否異常，對確認異常的用戶，遠程通過移動端自動控制燃氣的閥門開關，避免事故發生[1,2]。

采取物聯網遠程采集氣量數據和開關閥技術，不受時間和空間的約束，能夠實時監控用戶燃氣使用狀況，發揮計量、通訊、收費和管理等多項功能，為燃氣公司和用戶的安全運營管理提供了技術支持。

5 有效管控技術方法的實現途徑

在物聯網遠傳技術的基礎上，在燃氣表內加裝位置移動預警和異常流量預警的模塊，通過甄別預警后關開燃氣閥門，實現預防泄漏和人為盜氣，在控制后臺將位移預警、異常流量預警、遠程閥控、故障上報、用氣記錄等功能納入集成系統，對組合功能進行分部分項實驗。具體如下：

①依托物聯網通訊技術，對2G、4G和NB-loT傳輸信號進行現場測試，根據測試結果選擇效果最佳的移動通訊運營商。

②基于用戶用氣數據庫，確定用氣的戶均基數，再使用軟件進行分析、比較、篩查，確定異常流量的預警極值和預警時間。

第一，數據庫取樣數值。31組每組100戶的用氣數據匯總平均后，居民用戶采暖期戶均用氣量762m3、每戶日均用氣6.35m3、每平方米用氣9.525m3，此數據作為樣本參照，據此確定異常流量的基準值，然后抽樣進行對比分析。

用戶采暖期用氣數據技術取值見表1。分類用戶用氣結構占比圖見圖1。

表1 用戶采暖期用氣數據技術取值表

圖1 分類用戶用氣結構占比圖

第二，異常流量界定。大流量預警在0.6m3/h以上；小流量預警0.01m3/h以下。

流量預警時間避開常規用氣時段，設定為每日21時至次日5時，輔助時間為9時至11時，14時至17時。

第三，位置移動預警。10cm～20cm的距離設定，大于20CM直接報警。為防止用戶私自拆除、移動燃氣表，對表具本體增加位移傳感器和3D陀螺儀，如移動超過20cm、表具傾斜角度大于30°、表具震動時長超過1min，表具發射預警信號至遠程終端。

位移芯片的技術原理：根據各方向初始重力分量，如果芯片水平靜置，X、Y方向的重力分量為0g，而Z軸方向的重力分量為g，如圖2所示（X=0；Y=0；Z=g）。

圖2 芯片水平靜止狀態取值

③對新增加的位移預警模塊、異常流量預警模塊，分別在城區、農村測試系統通訊、數據采集、指令執行的效果，達到98%以上的正確率。

④研究優化表具內部的模塊改造方案，升級模塊的選型和布局，對比并測試改造后的表具功能，通過表具改造測試后，對不同區域內燃氣表進行更改投放并進行數據復測，確定使用功能并進一步優化。

⑤采取上述措施，可實現用戶端表具——云平臺——燃氣公司管理平臺——下達關閉命令——表具執行關閉的閉環管理（見圖3）。

圖3 流程示意圖

系統測試見圖4、圖5。

圖4 系統測試圖（一）

圖5 系統測試圖（二）

關閥和開閥測試見圖6、圖7。

圖6 關閥測試

開閥測試見圖7。

圖7 開閥測試

6 實際項目成果

基于企業自建的用戶用氣數據庫和表具終端管理系統，引入異常數據分析模塊并進行三系統整合集成，可實現物聯網無線通信技術與云平臺智能篩查技術的融合，精準判斷泄漏、私拆私改事件，據此系統發布預警，經技術人員復核后，啟動遠程關閥，可實現安全預防和有效打偷盜氣，為燃氣企業減少損失，為終端用戶提供多一層的安全保護[3]。

7 存在的技術問題和下一步研究方向

①現有的通訊技術耗電量較大，表具電池使用5號時使用壽命只有兩年，超期容易損壞表具通訊系統，目前技術無法降低能耗，需研究低成本鋰電池或鎳鉻電池替代。

②Lot基站目前不普及，還需要使用傳統的2G和4G技術，2G信號傳輸不穩定，4G的耗電量較大。

③使用2G技術物聯表，升級至4G需要更改內部通訊模塊設計布局，成本上升200元，費用較大，燃氣企業如無財政補貼，短時間內不會對老用戶群體實施。

8 結語

城市燃氣供應面對千家萬戶，將表具管理和安全供氣緊密結合，是有力的保障手段，隨著科技進步和云計算的推廣應用，未來通過物聯技術實現用戶計量設備和用氣設備的數值化管理是一個大的應用趨勢。