上海飞奥燃气设备有限公司 王耀生，朱绍光，陆鸣伟，王珂

作者简介

王耀生，男，高级工程师，现就职于上海飞奥燃气设备有限公司技术研发中心，长期从事燃气输配控制系统及控制产品的研究与开发工作。

摘要：本文以上海飞奥燃气有限公司近年来利用成熟的技术提供典型燃气管网智能化应用产品为背景。同时结合城市燃气SCADA监控系统，简要阐述自动化控制技术在城市燃气管网智能化发展中的应用方法和技术特征。

关键词：燃气调压站；SCADA监控系统；远程调压；远程调流；智能调压站

Abstract: According to several typical smart application and products using in natural gas pipeline network which were provided by Shanghai PF limited company through the mature technique. meanwhile concerned about the SCADA system of city's gas pipeline network, This article has concise discussed the application methods and technical features of the the automatic supervise and control technique in the development of intelligentization of city's natural gas pipeline network.

Key words: Gas regulating station; SCADA system; Remote pressure control; Remote flow rate control; Smart gas regulating station

随着我国城市化建设的发展，特别是许多大中城市正在向智慧城市发展。同时，智慧城市的三个基本保障水网、电网、气网同样也随着智慧化的理念向智慧水网、智慧电网、智慧气网发展。今天，城市燃气管网精益化和智能化的发展方向已成为行业发展的共识，并纳入许多城市燃气管网发展规划。同时，城市燃气管网的智能化建设也在全国各地相继展开。

1　城市燃气管网智能化发展的主要特征

1.1　城市燃气管网中的主要设备

在城市燃气管网中，天然气从高压向低压运行，并且城市燃气管网分为三个压力等级，即高压、中压和低压。高压燃气不能直接入户使用，必须把高压变成低压才能使用。而这种从高压降到低压的过程不是一个自然流动降压的过程，而是通过一套完整的装置来实现降压的，这种装置就称为燃气调压站或称为燃气减压站。而调压站的核心设备是调压器。燃气调压站根据其位置和压力等级，又分为城市门站、分输站、高压调压站、中压调压站、中低压调压站等。因此，燃气调压站就成为燃气管网的核心，除此之外，其它的主要设备还包括阀门和燃气管道。

图1 城市燃气调压站门站

1.2　城市燃气管网运行中的主要管理内容和管理手段

城市燃气的主要作用是安全供气。要实现安全供气，首先要保证供气设备的安全。对于管网设备的管理，目前燃气公司主要采用EMS（设备管理系统）和GIS（地理信息系统）来进行。同时也要保障燃气管网中燃气的运行安全，目前最普遍的手段是利用燃气管网的SCADA（监控和数据采集）系统来保障。另一方面，由于燃气管网是按压力等级化分的，因此燃气管网的压力是燃气管网SCADA系统监控的首要内容。供气是按燃气的流量进行计量和结算的，所以，流量也是燃气管网SCADA系统监控的重要内容。作为燃气管网运行的核心，燃气调压站的运行状态基本代表着燃气管网运行状态，因此，目前的燃气管网SCADA系统基本上是针对燃气调压站的监控来运行。除了压力、流量，燃气调压站的安全运行状态也是燃气SCADA监控的内容，包括燃气的温度、调压器的阀位、紧急切断阀的状态、泄漏报警的状态、过滤器差压的状态等。

1.3 城市燃气管网智能化应用的主要对象和主要特征

燃气调压站作为城市燃气管网的核心，因此，城市燃气管网智能化应用的主要表现在燃气调压站的智能化应用。目前，燃气调压站智能化应用主要体现在远程监控、动态管理、安全高效。而其中最能代表监控技术的典型应用有三个方面：燃气调压站出口压力远程调节、燃气调压站流量远程调节和限制、燃气调压站数据采集与报警。要实现燃气调压站的智能化应用还必须具备必要的应用条件，包括智能化应用远程监控平台、智能化应用通讯网络、智能化应用现场调节控制系统。

2　城市燃气远程流量控制系统的应用和特点

2.1　远程流量调节控制系统的组成

远程流量控制系统的作用是在保证燃气管网能够安全、平稳、连续地为各下游用户供气的情况下，合理地对输气流量进行有效的控制。远程调流系统一般是由SCADA调度中心调流子系统、通讯网络和现场调流控制系统三部分组成。而现场调流控制系统主要由流量调节阀、执行机构（电动）和系统控制器（PLC）三部分组成。

图2 远程流量调节控制系统工作原理图

2.2　远程流量调节控制系统的控制算法

由于流量调节阀采用电动执行机构，同时为确保在调流和限流过程中管网不出现大的周期性振荡，从而避免对管网设备和用户造成不良影响。因此在控制方式上不采用PID算法。而采用独特的人工智能方式实现对流量的控制。其基本方法是根据设定值和测量值的偏差，并结合控制精度，将偏差区间分成多个区间处理，采用不同的调节速率进行控制。这种控制方式的另一个优点是：在管网工况和被控流量变化的情况下，不需要用户过多地调整控制参数。能确保每一次调节都能够在短时间内（小于10min），达到流量设定值的限定范围。

2.3　远程流量调节控制系统的使用工况与控制通讯方式

图3 调流系统的几种工业应用环境

远程调流控制系统主要以非腐蚀性气作体为设计介质，在-20℃~60℃的环境温度下，可广泛应用于长输管线分输站、城市管网门站、高/中/低压调压站、燃气电厂、钢厂、化工厂等多种工况环境，进行天然气的流量调节与控制。控制方式支持本地控制、远程控制，供气方式有恒流供气、恒阀位供气，其系统提供多种通讯接口：4~20mA、RS232、RS485、TCP/IP等。目前，现场流量调节控制系统和中心SCADA调度中心之间使用最普遍的通讯协议是Modbus协议。

3　城市燃气远程压力流量控制系统的应用和特点

3.1　系统结构组成

远程压力流量调节系统一般是由SCADA调度中心压力流量控制子系统、通讯网络和现场压力流量控制系统三部分组成。而这里的现场压力流量控制系统主要由具有压力流量调节功能的调压火车包括紧急切断阀、监控调压器、工作调压器、气动执行机构（阀门定位器）、系统控制器和监控设备组成。

图4 调压火车工艺结构图

3.2　压力流量调节控制系统结构

这种结构的压力流量调节系统通常采用两用一备或多用多备的模式供气。因此现场压力流量调节系统至少由三个结构完全相同的调压火车并联组成，多的可达到六路。为有效地实现压力流量的调节控制，一般采用一套高性能的控制器和监控设备同时控制多个调压火车中的工作调压器, 从而实现对调压站出口压力的控制或完成调压站总流量的有效调节。由于工作调压器采用气动调节控制，控制算法仍以PID调节为主。

图5 压力流量控制系统原理图

3.3　系统工作原理及功能

3.3.1　调压火车的工作与联动

现场调压火车设备由紧急切断阀、监控调压器、工作调压器组成。根据工艺要求监控调压器选用失效关闭型，即FC型。而工作调压器选用失效常开型，即FO型。系统正常工作时, 执行机构定位器按照控制器给定的设定压力和流量自动完成1至4路（以四路为例）工作调压器的顺序开启和关闭，并能将压力和流量稳定在设定值的所允许的波动范围以内。当工作调压器发生故障并全开时，监控调压器启动监控，并按照预先设定的压力自动调节其开度。当监控调压器也发生故障时，这时紧急切断阀投入安全保护，当出口压力超过其设定值时会自动切断以保证下游供气的安全。

3.3.2　系统主要功能

压力流量调节控制系统可通过本地和远程两种方式实现调压和调流。同时本地控制系统也增加了保护功能供用户选择，使得输配调度更加安全可靠。主要功能包括：

（1）本地控制、远程控制。这里的本地控制是指控制权限在本地，控制指令由本地监控设备（比如触摸屏）发出，而远程控制则是指控制权限在站控系统或SCADA调度中心，控制指令由站控系统或SCADA调度中心发出。

（2）恒压供气、恒流供气。这里指的是调节模式，压力流量调节系统在同一时刻只能选择一种控制模式，或者调压或者调流。当然系统在调压时也可对流量上下限进行保护，即形成了流量范围内调压的功能。同样系统在调流时也可对压力上下限进行保护，即形成了压力范围内调流的功能。

（3）数据监控与数据远传。压力流量调节系统配有专用的监控设备，比如触摸屏，可实时显示系统的工作状态：远程或本地控制、压力或流量调节、自动或手动控制，显示调节阀（工作调压器）进出口压力值、显示调节阀开度反馈值、显示紧急切断阀反馈信号、显示调节阀故障反馈信号、显示标况/工况瞬时流量值、显示系统故障记录等。同时系统专用控制器通过Modbus通讯协议将现场实时数据发往站控系统或SCADA调度中心。

图6 本地系统监控画面

3.4　应用实例

目前这种系统已在国内一些地区有了众多的应用实例,现场设备由紧急切断阀、监控调压器、工作调压器组成的调压火车多级并联形成。最大调节压力10MPa，单路调节流量大于20万方/小时，站控流量可达80万方/小时。控制设备由高品质的控制器和监视器组成，结合专用的控制技术，压力和流量控制精度均可达到1%。

这种系统专为天然气的使用而设计，主要应用在长输管线、城市管网的首站和大型门站，实现对天然气的压力及流量调节与控制。同时对有多气源的城市，通过压力流量调节控制系统可便捷地远程实现对多气源的分配和管理。其实现方法非常方便，根据高压先行的原则，对于要加大供气量的调压站，只要增大出站压力的设定值即可实现。反之, 对于要减小供气量的调压站，只要减小出站压力的设定值即可实现。图7为本系统应用在多气源远程调节，平衡管网供气中的系统拓扑图。

图7 城市燃气远程调节系统应用拓扑图

4　城市燃气管网中智能调压站监控技术的应用和特点

4.1　智能调压站的特点

智能调压站和传统的调压站相比，最大的区别在于智能调压站具有监测控制、动态管理、安全高效的智能化特征。并以此进行设计和开发的智能调压站可独立的、自动化地实现对调压站的监测和控制。具体地讲就是智能调压站可利用自身的监控系统，包括硬件和软件，通过本地和远程两种方式实现对调压站出口压力和流量的调节和控制，同时可实现对调压站运行状态的监控。所谓动态管理，即智能调压站可通过移动终端，比如手机，以短信应答方式随机取得调压站的运行状态参数，包括调压站的进出口压力、调压站的瞬时流量、调压器的阀位开度、燃气介质的温度、燃气泄漏超压或报警等。这样管理者无需到智能调压站的现场便可随时随地掌控智能调压站的运行状态，从而实现了动态管理。所谓安全高效，即智能调压站具有多重安全预警和安全保护功能，比如可设置两个压力报警，当报警发生时，可将报警信号发往负责人员的移动设备上，例如手机，因此负责人员可第一时间掌握现场的报警信息，为即时应对作好必要的准备。同时智能调压站本身可具有超压自动切断和欠压人为切断功能。所以，其安全性能比传统调压站更高。另一方面，智能调压站可根据需要随机远程调整调压器的出口压力，同时可限制调压器的瞬时流量，这不仅为平衡管网供气提供了有效的手段，而且为控制和管理燃气的用量提供了有效的途径。并且智能调压站可实现动态管理的功能，因此可减少人为的现场巡检，这对燃气公司的优化用工成本，提供了新的选择。综上所述，智能调压站更加高效、安全。具体功能表现在：（1）间接流量测量。（2）出口压力远程控制。（3）远程限流。（4）远程监控。（5）动态管理。同时，和传统的调压站相比它新增了智能控制器、调压器阀监测装置、调压器气动控制单元、电源通讯箱。

图8 智能调压站

4.2　智能调压站的主要功能实现与监控原理

4.2.1　间接流流量测量

在智能调压站中，采用把阀位变送器和调压器连接在一起，同时又将阀位变送器与控制器连接。当调压器的阀芯移动开启和关闭时，阀位变送器中的探测杆随阀芯同步运动,而探测杆又与阀位变送器中的位移传感器相连，从而将阀位开度信号转换成了可供控制器识别的电子信号，而控制器又与调压器进口管路与出口管路相连，从而可检测到调压器的进口压力与出口压力，控制器可根据内置的计量公式Q=F（P1，P2，S，Cg）求得调压器的瞬时流量值，从而达到监测调压器瞬时流量的目的。其中，Q为瞬时流量值，P1为进口压力，P2为出口压力，S为阀位开度，Cg为流量系数且为一常量。实现了瞬时流量的测量。

流量计算公式：

4.2.2　出口压力远程控制与流量限定

通过有线或无线方式，并通过网络把控制器与智能监控平台（比如SCADA）连接在一起，再通过监控平台软件远程设定出口压力或调节曲线，然后由控制器自动启动内置的智能监控系统，来逐步完成调节过程。其远程工作原理如图9所示。智能调压站新增的气动控制单元，可通过调整螺栓调整弹簧的压力从而改变调压器的出口压力，同时，新增了利用控制CS导阀的导阀下腔的压力变化来改变调压器出口压力的变化，调压器出口压力约等于弹簧的压力与CS导阀下腔的压力之和。如果把调压器的弹簧的压力设定为调压器最低保障压力，不需要重复设定弹簧压力，调压器的出口压力改变时，只需要改变CS导阀下腔的压力即可。为有效控制CS导阀下腔的压力，在气动控制单元中设置了进气电磁阀与排气电磁阀。当进气电磁阀开启时，会使导阀下腔的压力增加，从而引起调压器出口压力随之增加。当排气电磁阀开启时，会使导阀下腔的压力下降，从而引起调压器出口压力随之下降。在控制算法上目前采用时间比例算法来完成出口压力的调节过程。

在智能调压站中，电源通讯箱中的通讯模块还用于接收加载有限流设定值的远程限流指令，当瞬时流量值大于限流设定值时，控制器向控制模块发送降压指令，电源通讯箱中的控制模块控制开启排气电磁阀，CS导阀下腔压力下降，调压器的出口压力随之下降，下腔室压力下降，阀芯向下关闭，调压器的流量变小，从而有效实现远程流量限定功能。

图9 智能调压站工作原理图

5　结语

本文着重围绕城市燃气管网智能化建设中的远程流量调节系统、远程压力流量调节系统以及智能调压站的自动化监控技术特点和使用方法功能进行了论述和分析。未来随着城市燃气智能化进程的不断推进，自动化监控技术在城市燃气管网中的应用也将更加丰富多彩，这值得我们不断地探索、实践和创新。

摘自《2017今日自动化技术应用在中国》