城市燃氣閥井數字化監測與控制技術探討

摘 要：城市燃氣的管網管理工作中，閥井的管理是其中最重要的一個環節，在各行業高度信息化的今天，這項工作依然是人工作業模式，不僅效率低下，可靠性也不足，故我們針對閥井管理工作的特性，整合機電及信息化的最新技術，開發了這套閥井數字化監測與控制技術。文章主要從閥井人工管理向信息化管理改造工作入手，闡述閥井數字化監測與控制技術為城市燃氣企業的日常生產管理工作帶來的顯著效果，以及相應的工作模式變化。并逐項分析相應技術細節，探討其在整體技術應用中的優劣。

關鍵詞：閥井數字化；監測；控制改造

1 閥井數字化監控技術發展背景

1.1 概況

隨著國內天然氣開發、應用的快速發展，城市燃氣用戶數量逐年大幅增加，供氣設備和管網也越來越復雜，越來越分散。尤其在天然氣使用過程中涉及輸配、倉儲、使用等環節，在這些環節中又涉及氣罐、管道、門站、加氣站、調壓設備、閥門井等多種設備及裝置，其中閥井閥門是最重要的管理手段，然而目前對于閥井的管理均為人工操作及巡查，這種工作模式已不適應現代燃氣企業生產管理技術的飛速發展。那么針對閥井的日常生產管理進行信息化背景下的技術研發，就成為我們發展此項技術的方向。

1.2 閥井技術改造背景

由于設備老化、故障、人員操作不當或其它不可預見的原因，都可造成燃氣泄露。相對應，人工操作閥井閥門，存在趕赴現場的時間問題，以及操作人員的人身安全問題；閥井人工巡查工作，存在巡查密度問題，以及巡查效果問題，這些都給燃氣企業的管理帶來了困惑，如何有效的解決這些問題？閥井的信息化技術改造就成了繞不過去的環節，然而，我們一方面要保證原有的供氣系統正常運行，保證用戶用氣和管網輸配氣的安全；另一方面要科學分析、合理規劃設計改造閥井系統，以加強對管網的管理及控制，提高燃氣輸配管網的安全性、可靠性。如何兼顧這兩方面，便是我們面臨的挑戰，下面我們結合甘肅昆侖燃氣公司來具體分析閥井管理情況。

1.2.1 現狀

甘肅中石油昆侖燃氣有限公司目前經營范圍已拓展至蘭州市區及主城區以外的市、縣區。承擔著全省80萬余戶居民用戶、5500余戶商業用戶、80戶工業用戶和21家加氣站用戶的天然氣供應和服務。

目前燃氣行業閥井現狀如下：（1）通訊網絡建設：無有線、無線通訊。（2）智能監測儀表建設：無智能監測儀表。（3）供電系統：無市電供給。

1.2.2 主要問題

整個閥井系統處于人工管理狀態，數字化建設程度不足。下面詳細說明：（1）閥井目前采取人工巡井，由于閥井數量眾多，并且分布于全市范圍，工作量十分巨大，人工巡井效率低下；（2）閥井截斷人工控制，緊急情況下無法及時有效的實現閥門控制。這一點在城市燃氣應用中尤為突出，目前交通擁堵的情況已是各大中城市的常態，當發生緊急情況需要切斷相應閥門時，搶修人員難以迅速到達現場，這種情況是一個巨大的隱患。（3）無紅外報警、無可燃氣體檢測、缺少安全防范措施。閥井中有閥門、管道及天然氣相應設備，正常情況下閥井屬于封閉狀態運行，閥井內部密閉、潮濕、背光、易于微生物繁殖，設備在這種環境下運行易產生故障或泄露，即使內部閥門的微量泄露，也極易積累形成較高的氣體濃度，存在安全隱患。（4）閥井管理無法直接納入中心控制系統，降低了整體系統的安全性、穩定性和可靠性，難以對燃氣系統進行整體的監控，給安全生產和信息化管理帶來一定難度。

以上情況是甘肅昆侖燃氣公司閥井管理和應用中切實存在的問題，迫切需要新方法、新技術應對這些問題，那么對閥井系統進行信息化升級改造，以提高閥井維護和管理的信息化應用水平，減輕員工的工作量，就是我們的工作目標和方向。

1.2.3 目的

（1）通過實時監控、數據監控、巡井調度等措施，可以實現智能巡井，人員無需到達閥井現場就能完成巡井工作，降低了員工勞動強度，提高了巡井工作的可靠性，減少了閥井的巡井頻率，縮短了巡井間隔時間，大大提高了人力資源的優化效率和生產運行的管理效率，實現了降本增效的雙贏結果。（2）通過閥門緊急切斷系統和遠程調度，實現了各種安全數據自動監測、遠程控制功能，在發生緊急情況時，能夠在最短時間內，遠程控制閥門，在搶險人員尚未到達時，最快的控制險情，同時最大限度的減小損失。（3）通過氣體泄漏報警系統，及時發現閥井內可能出現的燃氣泄漏，實時上傳調度中心，在事故發生的萌芽狀態就將其處理掉，大大加強了閥井的安全及管理能力。（4）通過閥井智能巡檢檔案和人工維護記錄系統，可以將閥井納入信息化管理體系，實現閥井維修、保養、管護記錄的電子化歸檔。

2 閥井數字化監控技術思路與設計

2.1 閥井數字化監控技術思路

通過加裝智能儀表和設備，可實現閥井壓力、溫度、流量、供電、水位、可燃氣體濃度等數據的自動采集和遠程傳輸，達到閥井數據自動采集、減少人工巡井工作的目的；通過無線傳輸可遠程控制電磁閥或執行器，實現閥井閥門的遠程控制，在發生危險情況時第一時間實現閥井閥門的緊急切斷。

閥井數字化監測與控制技術由數據采集系統、電控閥門系統、信號處理系統、無線網絡傳輸系統、供電系統和防水防爆系統五部分組成。

2.2 閥井數字化監控技術詳細設計

2.2.1 基本原理

通過RTU采集智能儀表、監控設備及電磁閥或電動執行器狀態等信號，經無線傳輸設備將信號傳到控制中心接收并實時監控；當管線出現泄露時人工遠程操作發出關閥指令，通過無線信號傳輸至閥井RTU，閥井RTU操作實現自動關閥；此外，還可實現閥井每天定時發送數據監控信息實時上傳調控中心；站控系統可按閥井地址依次輪詢采集各閥井數據，達到自動智能巡井目的。

2.2.2 閥井數字化監控技術可實現功能

閥井數字化監測與控制技術主要可以完成閥井數據實時采集、閥井異常聯動報警和遠程緊急開關閥門等功能，并進行相應的數據處理、分析、存儲及共享，以便管理人員在控制中心實時監測閥井的狀態，主要功能如下：a 遠程實現閥井壓力、流量、可燃氣體報警等數據的實時采集功能； b 遠程實現閥井異常情況下的緊急關斷功能；c 遠程實現閥井可燃氣體濃度監測報警與聯動緊急關斷功能；d 遠程實現對閥井采集和通信模塊參數設置和維護功能；e 遠程實現閥井積水水位監測報警功能；f 遠程實現井端設備供電系統的監測報警功能；g 自動記錄閥井工作數據，保存歷史信息。

2.2.3 閥井數字化監控技術主要組成部分

閥井數字化監控技術主要由數據采集，電控閥門系統，信號處理系統，無線網絡傳輸系統，供電系統、防水防爆系統及控制中心站控軟件等部分組成，其組成示意圖如圖2。

2.2.4 閥井數字化監控技術系統結構

業務層：控制所轄區域內的所有電動閥，顯示當前各閥門的開關狀態、天然氣濃度、管道壓力等；匯聚層：數據通過公網后分離出來，將數據傳給業務層，其連接了外網和內部網絡；傳輸層：數據在公網中的傳輸；應用層：是最基本執行層，負責各遠端節點的任務的執行。如閥門開關、數據采集等。

應用層—傳輸層—匯聚層—業務層

對應：閥門—電動系統—電控系統—RTU—無線傳輸系統（GPRS）—總控中心，結構如圖3。

2.2.5 閥井數字化監控技術應用改造實例分析

第一步，改造現有閥井內閥門，手動閥門由手動改造為電動或電液聯動。電動閥門加裝控制系統實現數字化信號管理。閥井中部署控制系統和無線通訊系統，實現閥井內智能控制和監測及控制信號的上下行傳輸?？偪刂行牟渴痖y井智能監控平臺軟件系統，最終實現閥井閥門的遠程控制、閥井內可燃氣體泄露報警以及智能巡井工作。第二步，在完成第一步的基礎上，在閥井中加裝壓力、流量、溫度、可燃氣體報警器等數字化監測儀表，實現閥井的實時數據采集，通過通訊系統上傳至總控中心。

3 閥井數字化監控技術詳細分析

3.1 GPRS技術

GPRS是通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service）的簡稱。通過利用GSM網絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數據傳遞，由于數據業務在絕大多數情況下都表現出一種突發性的業務特點，對信道帶寬的需求變化較大，因此采用分組方式進行數據傳送將能夠更好地利用信道資源。

3.2 RTU技術

遠程測控終端系統Remote Terminal Unit（RTU）是構成綜合自動化系統的核心裝置。通常由指令控制器及數據輸入輸出模塊（PLC）、數據通訊部分、電源部分及輔助部件與柜體等五個部分組成。

主要功能：（1）采集狀態量并向遠方發送，帶有光電隔離，遙信變位優先傳送；（2）直接采集系統工頻電量，實現對電壓、電流的測量并向遠方發送；（3）采集脈沖信號量并向遠方發送，帶有光電隔離；（4）接收并執行遙控及返校；（5）程序自恢復；（6）設備自診斷（故障診斷到插件級）；（7）接收并執行遙調；（8）采集事件順序記錄并向遠方發送；（9）提供多個數字接口及多個模擬接口；（10）可對每個接口特性進行遠方/當地設置；（11）接受遠方命令，選擇發送各類信息。

3.3 電控閥門技術

電控閥門通常由電動執行機構和閥門組成。電控閥使用電能作為動力，通過電動執行機構來驅動閥門，實現閥門的開關動作。從而達到對管道介質的開關目的。

3.3.1 電磁閥

電磁閥是電動閥的一個種類；是利用電磁線圈產生的磁場來拉動閥芯，從而改變閥體的通斷，線圈斷電，閥芯就依靠彈簧的壓力退回。

3.3.2 電動執行器

一種能提供直線或旋轉運動的驅動裝置，它利用某種驅動能源并在某種控制信號作用下工作。執行機構使用液體、氣體、電力或其它能源并通過電機、氣缸或其它裝置將其轉化成驅動作用。

3.4 閥井數據采集技術

閥井內需要采集的數據主要有閥井內可燃氣體濃度、閥井積水水位、供電系統電量及防盜、防破壞監控報警等。下面詳細說明各數據采集方式。

3.4.1 可燃氣體探測器

可燃氣體探測器是對單一或多種可燃氣體濃度響應的探測器。

3.4.2 水位計

自動測定水體水位的儀器。按傳感器原理分浮子式、跟蹤式、壓力式和反射式等。

3.4.3 蓄電池電量監測表

用于監測蓄電池的剩余容量，采用獨特算法，依據蓄電池放電曲線來計算剩余電量，是一種真正的精確的數字式電量表，對電池電量檢測的準確度可達±10%。

3.5 閥井供電技術

蓄電池：

膠體電池或卷繞式電池。膠體鉛酸免維護蓄電池在深放電的條件下使用性能好，其深放電恢復能力超過95%，高于液式蓄電池20%；膠體電池自放電小，在20℃溫度下可存放兩年不充電，屬免維護電池。

3.6 防爆技術

由于閥井屬于地下密閉空間，閥井內設備因處于惡劣環境，易發生老化、故障等情況，當發生輕微氣體泄露時，極易積累產生危險。故方案中所有接電設備，均采用密封防爆箱體，電纜穿入防爆管或采用防爆電纜，電纜連接采用航空快插式防爆接頭，實現閥井設備的防爆功能。

4 實測效果與數據

4.1 實測實現功能

（1）無線信號上傳順暢，可實現閥井生產數據實時采集、存儲。（2）無線信號下傳順暢，可實現閥井閥門遠程控制操作。（3）閥井內可燃氣體探測器，可依據報警限設定值，智能診斷報警。（4）可自動生成閥井電子報表及生產數據（5）可實現閥井智能巡井工作。

4.2 實測數據具體實測數據見表1。

4.3 實測的成效

甘肅昆侖燃氣公司實施閥井數字化改造測試井項目后，測試效果明顯，能夠減少勞動強度、提高生產安全性。批量實施后，預期效果如下：（1）可簡化組織管理結構，提高管理、調度的效率；減少生產定員，降低生產運行成本。（2）從安全方面看，實施數字化管理前人工巡井消耗的時間多，持續周期長；數字化改造后可按設定的時間自動巡井，減少現場操作次數，極大地提高了巡井的頻率，提高了生產的安全性。（3）從減少勞動強度方面看，以前關閥需要人工到現場手動關閥，耗費時間較多，數字化改造后員工可以直接在上位機上遠程關閥，整個關閥過程在很短時間內完成，極大的提高了工作效率和安全程度。（4）閥井的管理方式由人工手動跨越到信息化管理。

5 結束語

隨著城市燃氣行業的快速發展，現有的管理模式無法應對發展所帶來的一系列問題，針對這些問題而進行的閥井數字化改造改變了燃氣行業閥井系統管理的現狀，通過技術的提升，給燃氣行業閥井的管理模式帶來了革新，很大程度上解決了城市燃氣行業在發展過程中所遇到的問題。值得繼續發展此項技術，并在實際生產中推廣運用。

參考文獻

[1]嚴銘卿.天然氣輸配技術[M].化學工業出版社.

[2]摩托羅拉工程學院.GPRS網絡技術[M].電子工業出版社.

[3]汪永華.供配電系統自動化實用技術[M].中國電力出版社.

[4]秦鳴峰.蓄電池的使用與維護[M].化學工業出版社.