試論城鎮燃氣管道安全運行智能化監測系統

＊郝帥 孫婷婷

（大豐華潤燃氣有限公司 江蘇 224000）

當前，社會生產生活方式對能源的需求不斷增加，國內多數城鎮為了打造“綠色經濟”減少污染，都在大力推廣天然氣等清潔能源的使用，為城鎮居民的生產生活提供了較好的能源便利條件。城鎮燃氣管道是生產生活能源供給的重要載體，其安全運行關系著城鎮居民的重大民生，受到了各級政府職能部門的高度關注。燃氣的使用涉及到基礎管網的建設與運維，其使用過程中的安全是關系到民生和城鎮發展的重要問題。由于燃氣管網布設廣泛，種類涉及干線、支線；存儲、轉儲等不同形式，一些用戶的維護使用和城鎮工程造成的破壞，都有可能造成管網受損。同時由于管網布設面積廣，涉及單位、住戶眾多，巡查、管理難度大，很難定期實現大規模的檢查、巡視，造成的安全隱患也隨著管網的密集布設不斷增多。如果不通過現代化手段，實現自動化、智能化的監控，將無法防患于未然，嚴重影響城鎮燃氣管網的安全運行，造成的問題也會牽一發而動全身，造成供氣中斷或燃氣泄露，這些都對城鎮燃氣的可持續發展造成不可估量的損失。目前天然氣運行管道的巡查仍以人工為主，對管道周圍的施工情況無法實時掌控，造成巡查時間與施工時間存在時間差，極易造成管控盲區，從而發生第三方破壞事件，造成燃氣管道損壞泄漏，進而引發衍生事故。本文擬提出建立一套城鎮燃氣管道運行智能化監測系統，運用智能化手段達到安全管控的目的。

1.城鎮燃氣管道運行智能化監測系統研究背景

城鎮化是社會主義現代化的重要實現方式，城鎮建設不斷跨越式發展，高層建筑物層出不窮，這些都是現代城鎮規模化的重要標志，發展對于能源的需求更加迫切。作為城鎮能源供給線，燃氣管線伴隨著城鎮發展不斷延伸，由于其深埋地下，所以很少被關注。城鎮燃氣輸送的范圍不斷擴大，容量不斷增加，這也造成了各類燃氣管網問題不斷凸顯，地下燃氣管道布設的密度不斷增加，層疊的拓撲結構，其管線復雜度和交織性不斷增加，出現管路問題的概率也在不斷增大；城鎮道路擴展、橋梁跨接、通信線纜入地、供水排水管路布設等工程的實施，都會對于深埋于地下的燃氣管道造成直接或間接的影響。特別是在城鎮規劃過程中，由于對于燃氣管道的重視程度不高，一些規劃施工沒有嚴格按照燃氣管道所規范的安全距離開展施工，在施工過程中或多或少都會對燃氣管道造成損傷甚至破裂，如果不能及時發現將會對城鎮安全造成巨大的影響。同時，燃氣管道大多處于地下，各地的地質環境、地理沉降、建筑沉降或破損腐蝕，都會對于管道的密封性和安全性造成一定影響，安全隱患隨著燃氣管道規模發展呈級數上升趨勢，如果不引起重視，勢必造成管路損壞，引起泄漏導致事故發生

根據國家應急管理部門統計，2021年5月以來，我國發生影響較大的燃氣事故達到179起，事故造成的損失巨大，對人民的生命財產安全造成了嚴重威脅。上述事故中，在室內發生的燃氣事故為94起，室外燃氣管路事故85起。特別是2021年6月13日清晨，湖北省十堰市張灣區車城街辦艷湖社區集貿市場發生嚴重的燃氣管路爆炸事故，由于事發突然，事故現場又位于人員密集區域，樓宇、商家林立，同時發生時間為清晨，正是集貿市場最繁忙的時段，所以造成了非常嚴重的后果，事故中共計造成25人死亡，138人受傷，重傷者達37人。此次燃氣爆炸事故最終調查結果為設施維護不當引起。這足以說明城鎮燃氣管道不是安裝之后就可以一勞永逸的工程，由于它時刻處于動態的運行過程中，其安全監測必須實現常態化，對于任何細小的問題隱患都不能放過，必須未雨綢繆，常抓不懈，這樣才能杜絕燃氣管道安全隱患，做到警鐘長鳴。

由于城鎮燃氣管道依據城鎮生產生活需要規劃設計，其布設面積寬泛，管道密集度高，其支線管網深入小區、企業、樓宇、商家、家庭，燃氣管道的使用都是365天×24小時不間斷狀態，同時較于其他通信、電力傳輸線路不同，燃氣管道往往沒有備份通道，這就對于其安全監測提出了更高要求，必須在不中斷運行的過程中實現全網的實時監控。傳統的人工巡檢模式，由于受到人員配置、管路部署、城鎮基礎施工等各方面的影響，很難做到全面、準確、可靠。在監測過程中由于受到現場環境、監測點狀態、惡劣天氣的影響，也會對巡檢時間周期造成影響，無法及時地發現隱患。

鑒于城鎮燃氣管道使用的長期性和檢測的不可預見性，在加強安全設計的基礎上，必須加強實時監測水平，而僅僅依靠人工巡檢和抽檢等方式開展全網的檢測很難滿足安全運行的需求。因此應該利用先進的科技手段，結合物聯網技術，在管網設計之初和改造過程中構建與之安全密切相關的動態智能監測系統，針對城鎮燃氣管線、主干線、支線、長輸管線、城市燃氣調壓柜、調壓站等不同燃氣傳輸設施的特點開展監測，通過多種傳感器手段，發現管網細微的物理變化，實時對管網運行的燃氣壓力、流量和燃氣密度進行檢測，及時發現可能的滲漏和流量異常，通過數據記錄和比對，監測全網安全動態，發現故障現象及時報警，并形成合理高效的處突建議，最大限度的為城鎮燃氣安全保駕護航。

2.城鎮燃氣管道運行智能化監測系統簡介

圖1 系統原理圖

城鎮燃氣管道安全運行智能化監控，是指運用先進的信息技術，融合物聯網理念，通過本質安全的前端多種傳感器進行燃氣管道物理參數匯聚，通過數據網絡化傳輸進行數據匯集，再通過數據中心進行研判，通過數據擬合得到管道當前運行狀態，達到現實監視效果。考慮科學性、經濟性和可用性，主要通過物聯技術的綜合應用，以六個模塊和子系統構建完備的動態監測網絡系統，主要包括：傳感器模塊、太陽能供電板、遠程傳輸模塊、聲光報警模塊、手機端接收模塊、后臺管理系統。系統通信可以借助公共通信供應商，也可以通過自組網方式實現，這樣就可以實現對燃氣管道中燃氣壓力、輸送流量、泄漏狀況、外力干擾等具體情況進行數據采集分析，從而達到動態的數據交互和靜態的管控策略，保證管道的運行安全。通過系統建設，為燃氣公司和城鎮職能部門提供可靠、有效、有用的自動化在線監測技術手段，提升燃氣安全生產運輸的水平。同時，燃氣管道安全運行智能化監測系統還能加強燃氣管網安全監控，預判管網隱患危險，進行閾值報警，確保應急響應時間，通過對燃氣管網監測數據的綜合分析研判，還能很好地進行氣源信息歸集，快速處置燃氣管道突發事件。其系統原理如圖1所示。

(1)傳感器模塊

城鎮燃氣管道監測系統的感知層主要由壓力計、氣體探測器、內嵌溫度計、流量計、物聯網網關及外部視頻監控組成。傳感器模塊是燃氣管道監測系統的前端關鍵部分，是系統基礎數據來源，通過前端設備實現燃氣管網監測參數采集。

傳感器模塊端側均采用MC9S08AW60八位協處理單元，可以有效地執行各種感應信息的變化計算需求。HC08優化指令子集，更有利于調試開發，配合單線背景調試模式接口，可以有效地提高不同傳感器對應接口的適配調試效率。其60KB的片內可編程Flash資源，可以靈活地調用，配合I2C總線傳輸，可以更加靈活地與各種接口的傳感器進行連接。壓力計、氣體探測器、內嵌溫度計、流量計傳感器均采用靈敏度較高的傳感器單元，同時各類傳感器芯片具備I2C及SPI總線結構，便于與MC9S08AW60單片機進行數據交換。其中氣體探測、溫度、壓力、流量等管道環境傳感器，應滿足移動應用、小型化、低功耗及本質安全的特點，特別是可以在較為惡劣的地下環境應用的能力，采用雙向串行、多主控接口，實現高效的傳感信息采集及數據交互。其中氣體探測芯片應該對于管道燃氣具有良好的檢測效果，特別是對CH4的高敏感性，這樣才有利于對于管道泄露點的準確發現。

(2)遠程傳輸模塊

圖2 數據傳輸模塊原理圖

為了更為高效地傳輸燃氣管道傳感器端的監控數據，采用NB-IoT無線網絡及有線網絡組合應用的方式進行傳輸，即確保數據傳輸效率，又實現本質安全的信息傳輸。采用網絡透傳模式，之后再根據各個傳感器ID進行數據解析，實現較為高效的交互模式。為了確保各項數據的科學性、完備性和準確性，必須通過合理地設計有線、無線傳輸網絡，應用5G或NB-IoT傳輸技術，形成可靠的網絡通信硬件環境，采用MQTT等分布式傳輸協議支持，確保網絡拓撲方式適合不同的傳輸環境，為最終監測系統構建創造條件。傳輸模塊原理如圖2所示。

(3)聲光報警模塊

管道中實時刷新檢測燃氣密度含量，一旦突破閾值，就需要在相應區域發出聲光報警，并與主控中心關聯，及時做出響應，保障城鎮居民生產生活安全。利用此系統，當燃氣管道周圍有施工跡象時，燃氣管道警示帶上方的壓力傳感器感應到壓力變化，可以通過手機端App通知運維人員前往施工現場進行安全監護，同時遠程控制施工現場的聲光報警器發出警報，提醒施工方下方有燃氣管道。

(4)手機端接收模塊

維護人員可通過系統的App客戶端查看燃氣管道運行情況。當某個傳感器感知管道出現異常，通過遠程傳輸模塊將信息上傳至后臺管理系統，后臺管理系統對壓力變化差值進行分析，如壓差超過臨界值，即時將施工位置范圍發送至運維人員手機端，設備監測標記變為紅色，并彈窗提醒，App端也同時告警，其PC端和手機端界面第一時間知曉燃氣泄漏情況。同時，系統維護人員還可以通過數據總覽功能查看設備安裝量、監測數據、報警及處理情況等信息，并分析隱患態勢。

(5)后臺管理系統

后臺管理系統是城鎮燃氣管道安全運行智能化監測系統的“中樞神經”，通過網絡拓撲的服務層，將傳感器數據進行綜合匯集和分類分析，同時根據數據分析中各種需求接口進行數據網格化分離，并采用可讀性較強的GUI界面進行展示，突出故障情況、故障點位，為城鎮燃氣管控中心提供可靠的管控依據。非實時的整合已有燃氣管道歷史數據、管道結構，對應數據分析算法，配合燃氣供應企業和城鎮管理職能部門診斷管網存在問題，為燃氣管道安全運行、提質增效提供科學決策依據。

(6)太陽能供電板

采用太陽能供電板，才能保證各類設備能夠在野外部署或在電網供電不便的地方應用。太陽能供電板是整個系統前端傳感與信息傳導部分的能源供給單元，其中太陽能電池組件可以高效地轉換太陽輻射能；用太陽能控制器管理各個供電板的工作狀態，確保供電電壓的穩定；鋰電池組保證持續不斷的電力供應。

3.城鎮燃氣管道運行智能化監測系統的主要功能優勢

通過建設覆蓋大豐城區的燃氣管道安全運行智能化監測系統，利用現代化、信息化的物聯技術，構建起了全天時、全天候的地上、地下管網不間斷監管體系，其各類傳感裝置可以靈敏地發現管道上的細微氣密、壓力和溫度變化，通過與歷史數據比對，可以最大限度的在管網故障初期及早發現，定位故障點，給故障排除提供有效的時間窗口。

(1)有效增加管道運行安全管理功能

確保大豐城區燃氣管道安全管理更加精細化，用智能化的管理模式，用信息化的技術手段，將城鎮燃氣管道的巡查、巡檢用自動化、智能化的監測輔以人工巡視，實現責權明晰，管理具象，為管網的安全運行創造條件。該系統可以通過后臺管理系統實時監控本區域內所有管網的運行情況，一旦管道上方壓力變換超過臨界值，將會及時將信息反饋給運維人員和現場施工方，防止第三方破壞事件。

(2)增強統計功能

由于系統采用了信息化技術，對于管道的各個監測參數進行了全天時的統計，確保了數據的完備性，有利于規范檢查流程，確保監測點位的完整性和巡查工作的閉環。通過系統智能化方式，制定巡檢計劃，遍歷監測點位，生成監測日志，管理各項管網安全數據，實現有效監測。在管道的安監管理過程中，用統計、綜合、計算方式檢視各項安全數據，及時發現隱患，為城鎮管道的改擴建工作提供保障。通過該系統可以實時檢測到各片區管道的壓力數值及變化規律，從而對各處管道壓差臨界值進行及時的修正，避免誤報警情況的發生。

(3)人力資源成本降低

由于采用了智能化監測系統，實現了自動報警和信息傳輸，最大化地減少了人工運維的干預，可以最大限度地減少巡查養護工作量，優化人工巡檢的配合頻次，根據燃氣管道的布設特點和覆蓋區域，可以精細化地提供人員編排計劃，將安全工作與運維人員的考核用信息化的方式相融合，降本增效，確保城鎮燃氣管網安全。

(4)低碳經濟效益

可以有效地實現管網的不間斷運行時效，從而減少不必要的檢修及意外的燃氣泄露狀況發生，大大提升企業的“綠色”運營能力。按照目前人工巡查車輛每公里碳排放量在120g左右，以大豐城區為例，每年巡查車輛的碳排放量約13t，如采用該系統，將大大降低由巡查所產生的碳排放量，并將其進行碳交易，實現公司利益最大化。

4.結束語

能源安全涉及到社會生活建設的各個領域，城市燃氣在安全運行方面的要求也越來越高，社會關注度也在不斷提升。我們要緊跟時代，加快管理方式變革，充分發揮信息化管控優勢，通過建立一套城鎮燃氣管道運行智能化監測系統，實現管道運行安全管控的本質安全。