天然氣管道輸送中自動化技術的應用

茍亞軍(雅安大興天然氣有限責任公司，四川 雅安 625000)

0 引言

天然氣管道輸送是分布式能源構建，網絡化集輸與運用的安全保障，運用智能化技術手段可以完成氣田到終端用戶的全過程管控。而運行過程中高精度的數據獲取是保持一定區域范圍內地質構型有關的工程建設順利、安全開展的要素。而現代化的地形測量手段能在不同工程要求下快速獲取所需的地質信息資料，在新老地理信息數據中形成迭代[1]。

全面拓展數據運用廣度，確保工程實際的質量受控。傳統的地形勘查工作通常需要確立測繪邊界、準備人員與分組、現場踏勘與計量、數據匯總與地形圖繪制，數據調取與細節修改與調用。所以數據的獲取精度與設備、人員素質和邊界確立情況等多重要素有關。而管理體系的缺失更會導致全局性和指導性質量管理的缺失。本文基于筆者在雅安大興天然氣有限責任公司多年工作經驗，在設備與技術構型下開展自動化天然氣管道輸送工作的探討，如圖1所示。

圖1 管道智能化解決方案

1 天然氣及管道運輸自動化概述

現代環保經濟弘揚的低碳綜合經濟綜合發展和多維體制下節能環保理念不斷深化，基于多維數據管控的天然氣管道安全運行技術發展迅速。不同壓力級別和輸送量級的天然氣輸送管道的管徑、鋼級和運行維護管控方案不一，而統一實現長期、穩定、安全的運行需要多維數據把控和人員巡檢，以確保危險源受控。天然氣具有一定壓縮量、易燃易爆、理化性質活躍[2]。運行和集輸都具有一定危險性，一個完整的天然氣管道輸送系統通常由壓縮機、分輸站、閥組和管道等基礎部件組成，結構復雜，分支流程較多。我國經過西氣東輸、川氣東送后已經對長輸管道的建設與運行積累了相關的經驗。而基于我國自身特點對長輸天然氣管道運行、建設、維護標準也在不斷完善。當前，基于管道壓力、多級清管情況和分輸站壓力波動以及壓縮機喘振運行頻率等故障復雜數據的收集與分析也在幫助自動化技術的革新。未來運用數字化、智能化、自動化的方式管理天然氣管道勢在必行。

2 常見的天然氣管道輸送中自動化技術

2.1 全球衛星定位技術

天然氣管道點多面廣，常規巡檢需要耗費大量人力物力。運用衛星進行具體方位的數據記錄與繪制是GPS系統的精髓。運用該項技術能很好地進行故障異常點定位和管道建設的大邊界測量。基于衛星的數據發送，能在高精度平臺上依托手機、PC等多重低成本平臺實現數據傳輸與運用。而多顆衛星的環繞式照射還能通過不同探頭測量熱量變化、高度變化和高速移動物體的物理參數[3]。因為全球衛星定位需要依托地面接收平臺和衛星群構建的幫助。所以各國都在尋求不同途徑，在有限成本下構建自身的全球衛星定位系統。我國的北斗衛星全球定位系統也隨著趨勢發展而不斷得到完善，未來將更好地服務地形測量工作。

2.2 現代測繪技術自動化技術

更加廣泛的地理信息系統能在測繪手段下進行低成本工作。該技術能有效彌補全球定位系統誤差。針對特殊目標和區域的地理環境數據進行綜合展示。運用無人機配備高清攝像頭進行有限成本的高空偵查，并獲取可視化地理空間數據，將數據信息進行儲存化建模并刻畫覆蓋至全球定位系統當中[4]。及時展開低成本的地質災害預警與天然氣管道運行巡檢考核，觀測設備設施完整性，并巡查是否有第三方人員進行破壞，全面保證天然氣管道運行安全。這項技術在新疆、東北等空曠無人區研究運用前景廣闊，測繪精度極易達到工程目的。

2.3 SCADA系統融合

SCADA系統是建立在不同年限建設的天然氣管道計量系統基礎上進行一次數據表并入和有限檢測手段添加的多維表征系統。相應的數據采集器需要因地制宜的進行探測器添加。運用不同數據失量表能在數學算法下合理進行檢查匹配[5]。并在現有技術水平下的數據通信器進行歸一化運用，在充分運用數據的前提下節約資金投入。在極大化投入軟件物理模型的基礎上完成仿真與模擬，全面強化智能化管控水平。同時運用衛星技術在GPS技術、GIP技術等基礎變量支撐下完成硬件升級。同時基于未來經濟發展與運維因素變化進行不同年份的動態分析，以在多維層次下完成運行狀態監控與時效性分析。同時運用計算機總段進行集中管理，將人為數據錄入和可靠性展示進行融入以達到全程模板化融合。

3 天然氣管道輸送中自動化控制的現狀

管道按輸送距離、作業方式、輸送目的一般分為以下三種：一是礦井集氣管道，屬于油氣田內管理的礦井輸氣管道；二是長輸管道，屬于某管道運輸公司的主干管道；三是城市輸配燃氣管網，即投資的城市燃氣管道，由燃氣公司建設和管理。管道輸送一般由輸氣段、首站、壓氣站、中間受氣站、中間配氣站、末站、清管站、主干截止閥室、各種障礙物組成在線路(水域、鐵路、地質障礙等)的磨損斷面等部位。基于天然氣產區往往遠離市場，常規運輸方式為管道運輸(陸運和短途海運)；LNG形式由專用運輸船運輸(長途跨洋運輸)。專用運輸船的優勢在于運輸量大，技術成熟可靠；其缺點可以概括為建設和運輸(或生產)成本高，適應生產和銷售變化的靈活性小。在天然氣運輸方式的比較中，管道運輸是最基本的方式，應用范圍很廣，特別是對于長距離、大體積的運輸，在具備航運條件且運輸距離很遠的情況下，遠洋液化天然氣運輸船優于天然氣管道。當它超過7 000 km時，它可能是唯一經濟的運輸方式。LNG和CNG的陸路運輸是對管道運輸的有益補充，主要適用于小型運輸和分散供氣。天然氣水合物運輸技術還不是很成熟，但有發展前景。ANG運輸價格便宜，雖然技術還不是很成熟，但前景比較理想。從目前的發展情況來看，我國的天然氣管道自動化技術與發達國家存在一定差距，可以歸結為以下兩點：一是我國對天然氣的需求量逐年增加；二是家庭自動化技術相對落后，尤其是天然氣管道自動化技術在軟件系統管理方面，缺乏協調統一。

4 天然氣管道輸送中自動化技術的應用策略

社會的進步與時代的發展造就了方法論和設備設施的升級。而運用最新技術的數據算法+設備維持升級方面的概率論方法運維能在運籌學基礎上實現天然氣動態調配。而不同經濟模式上的氣田動態地質儲量預測與下游用戶周期性用氣預測也能在氣藏工程與經濟學上形成聯立，以至于在油氣儲運環節進行補充協同，完善更大的利潤空間，并確保自動化技術分批次投入。天然氣管道輸送中自動化技術的應用將遵循管輸系統運行模式，形成多位一體的弱電監控保護+遙感衛星監控雙重手段。而現代化管控系統中繼電保護的主要任務是在電源系統出現故障時執行繼電保護動作[6]。對于天然氣輸送管道來說，為實現長時間、安全穩定運行，必須應用耐壓性能良好、能夠適應遠距離輸送的優質管道。由于天然氣具有易燃易爆的特點，危險性較大，因此天然氣管道輸送系統是十分復雜的。

4.1 運用計算機網絡技術

計算機網絡技術運用范圍廣，成本核算適中。相應的PLC控制柜和不同體量的數據表都可以在計算機技術的整合下循序漸進進行數據庫建立與上網。而在數學算法的融入下可以進行不同數據量的歸并化展示與分析，并在不同維度下進行靜態和動態的分析，以致獲取最佳收益，其中最具代表性的就有管道運行和維護階段的監控。當管道運行至一定時效后計算機算法能全程監控各環節的歷史運行信息，將壓力和流量進行歸并核算。最終在和管道運行評測剩余壽命基礎上完成一定的數據監控。而相應的靜態特征下計算機系統可以模擬不同階段不同管路的分布式維護，在周期合適和人力資源調配合理的基礎上快速完善運行維護，以指引快速投產和分布式能源構建。此外,安全評估上不同管線的腐蝕監控需要進行開挖，而運用數據算法能實時監控數據變化。在細菌監護和電化學腐蝕同時發生的前提下進行有限元分析，以達到不同數量級的危害預警，以致幫助全程安全運行管控。

4.2 壓縮機保護中的應用

壓縮機在管輸系統的運行中占據最重要的位置，其重要性顯而易見。一旦壓縮機發生故障，就不能保證管輸系統的穩定性和安全性。因此，應將壓縮機作為繼電保護工作的重要組成部分，并應耐心分析定子繞組短路故障的細節。在嚴重的情況下，故障的溫度將升高并且周圍的絕緣層將被損壞。一旦絕緣層損壞，將影響壓縮機的運行安全性。相關技術人員應從實際出發，并在定子繞組中安裝保護裝置，以免發生各種短路情況。如果壓縮機在發生故障時處于單向接地狀態，則當電流大甚至超過額定值時，大面積可能會發生短路，因此繼電保護工作將無法進行。

4.3 線路接地保護中的應用

管輸系統中的布線復雜度非常高，并且不同設備的使用技術方法和使用條件也有所不同，這使得接地方法非常復雜。在對線路的實際情況進行詳細調查分析后，如果存在接地現象，為避免長時間接地，應及時切斷電源。此類問題通常在管輸系統的實際運行中發生，因此繼電保護工作可以準確地預測故障。如果線路接地在零序電流條件下出現問題，則可能導致零序電流繼續快速增加，并且各種繼電保護動作是顯而易見的。如果斷電過程中存在零序電壓條件，則表明系統還具有繼續穩定運行的能力。為避免產生零序電壓，相關技術人員可以在繼電保護裝置運行期間，通過報警信號來處理故障，同時通知維護人員趕赴現場，仔細分析電壓值，并根據電壓值的水平確定是否存在接地故障。

4.4 在運行系統母線中的應用

繼電保護自動化技術在總線上的應用主要分為兩種，分別是差動保護和相對保護。其中，比較保護主要是基于對比法，提高了對電源總線的保護。差動保護具有完全一致的特性和變化，并且電流互感器在系統總線組件上統一配置。將繞組成功連接到系統總線的側端口后，將繼電保護裝置安裝在系統總線的差動位置。對于當前的接地故障，可以使用三相連接來執行系統總線繼電器保護功能。如果發生接地故障且電流較小，則將系統總線繼電器的保護設置為相間短路，并且可以通過兩相連接來實現繼電器的保護作用。管道的建設需要先期論證與匹配性衰減式核算。通常單一氣田在經過第一輪勘探開發后所處的穩產期和衰減期需要經過多次試氣依據的擬合。其中企業運營方也需要根據下游用戶體量和未來經濟增長需求合理進行管網部署的協同。通常選用不同管徑和鋼材原料最為重要。其次進行不同壓力和流量的運行也是天然氣管網自動化技術應用和強化的核算關鍵。例如動態切換閥組可以根據未來體量的強化進行后續部署，而不是一開始就建設到位，而相應維護人員部署，各國需要不同量綱連續核算。

5 結語

綜上所述，社會的進步與自動化成本的不斷降低，以多元矩陣傳感器搭載不同平臺的地形測量系統將依托衛星等設備不斷更新迭代。而數據解碼和技術也在量子物理和加密通信范疇得到提升。下一步，基于地形測量的有限質量工程和體系構建能很好地將影像地形學、衛星定位技術和遙感智能化通信融為一體。并在大數據范疇下形成擬合性指導和預測化迭代，最終開采多維技術手段的天然氣管道管理輸送測量任務流。