自動化監控技術在城市燃氣管網智能化發展中的典型應用

亳州市公用事業管理服務中心 劉宗

本文簡要概述了自動化監控技術的作用，對城市燃氣管網的智能化發展中的設備智能化、技術智能化以及管理智能化進行了分析，重點探究了遠程流量調節控制、遠程壓力流量控制以及智能調壓等自動化監控技術在城市燃氣管網智能化發展中的典型應用，期望通過分析其系統組成結構、控制原理、系統功能以及應用情況進一步了解自動化監控技術的特點與作用。

自動化技術以云技術為基礎，秉持大數據理念進行自動化智能監測工作。其能夠在很大程度上提高監測的效率，獲得的分析數據更加精確，獲取數據的速度也更快，由于其突出的優勢，被廣泛應用于各大領域中，在城市燃氣管網智能化的發展中也發揮出了巨大作用。

1 自動化監控技術概述

自動化監控技術是隨著科技進步出現的新興技術，其自動化的特點使其監控功能更加強大，當前自動化監控技術已經能夠對各大系統的運行狀態與運行設備實施全方位的監控，逐一排查安全隱患，并發出預警，充分降低出現風險的概率。其能夠在數據一體化的幫助下對漸變性的故障進行預判，當該故障發生惡化且判斷其趨勢即將到達故障上限時，系統則會自動報警，并將該故障的位置顯示出來，向工作人員提供詳細的資料，幫助其分析故障的根本原因。除了檢測設備故障之外，自動化監控技術還可以監控各大系統運行流程，對其運行的時間、運行發生的變化等各種工況進行監測，提前判斷運行異常的狀況并提醒工作人員進行適當地調整。該技術完美利用了人工智能的相關技術，結合大數據的優勢，讓各大領域中的系統智能化向前邁進了一大步，將其工作質量大幅提升。

2 城市燃氣管網智能化發展

2.1 設備智能化

城市燃氣管網通常根據其壓力被分成三大等級，分別為低壓、中壓以及高壓，在輸送天然氣時，通常由高壓向低壓輸送，高壓管網中的燃氣無法直接提供給用戶使用，而是需要將其調整為低壓燃氣才能夠進行入戶，將燃氣從高壓調整至低壓的降壓過程需要依靠專業設備進行，此類設備通常被稱為燃氣調壓站或減壓站，調壓器是其中的核心設備，控制著調壓工作的進行，根據調壓的位置以及所調壓力的等級又能夠將調壓站分成多種站點，燃氣管網燃氣傳輸工作的核心即為調壓站，除了調壓站之外，燃氣管網中較為重要的設備還有燃氣閥門、管道等。隨著燃氣管網智能化建設的推進，其相應的燃氣設備也被升級為智能化設備，為燃氣管網的智能化發展帶來了堅實的后勤保障[1]。

2.2 管理智能化

城市燃氣管網的管理也應當逐漸步入智能化，將新一代的大數據技術、云計算技術以及物聯網技術等新型信息技術集中利用，將燃氣管網的自動化程度大大提高，實現監控系統可視化，科學地進行決策支持。燃氣管網可以利用監控系統獲得海量數據，對數據進行分析并作出正確的決策，對管網中的各項燃氣數據以及運行管理實施集成化控制，最終構成智能管理平臺。實際進行智能化管理時還可以設置適當的運行參數，實現動態在線監測并向工作人員進行及時預警。在進行智能化管理時需要對公共模型以及各項參數的統一存儲與管理，對數據進行定期的全面維護，保證燃氣管網得以正常運行，讓燃氣管網的工作更加規范，實現運行和管理的一體化工作、擴大其經濟優勢，將資源最大化利用起來。

3 典型應用介紹

3.1 遠程流量調節控制系統

3.1.1 系統組成

該系統的主要作用是確保城市的燃氣管網能夠為下游的燃氣用戶安全平穩且連續地供氣，并在此基礎上對輸氣過程中的燃氣流量進行準確有效的控制，此類系統主要有三大組成部分，第一部分為SCADA調度中心的調流子系統，第二部分為通訊網絡，第三部分為現場調流工作的控制系統。現場調流工作的控制系統又由PLC(系統控制器）、電動執行機構以及流量調節閥三大部分組成[2]。

3.1.2 控制算法

系統中的流量調節閥大多運用電動類型的執行機構，因此采取人工智能的方式取代PID算法控制流量能夠避免燃氣管網在調流與限流時造成較大的周期性震蕩，對燃氣管網中的設備以及燃氣用戶帶來不良影響。該系統使用方法為以合理的控制精度按照實際測量值與系統中設定值的偏差，把偏差的區間進行分區處理，對不同的區間應用對應的調節速率，以確保其控制的準確性。此類控制方式能夠避免用戶花費大量的時間與精力在燃氣管網的工況發生變化的時候以及被控流量產生變化時調整控制參數，將用戶的調節時間縮短在十分鐘之內，確保其能夠達到系統中設定的流量值范圍，提高用戶用氣的方便性與快捷性。

3.1.3 應用情況

該系統的設計介質為非腐蝕性的氣體，當其處于-20℃到60℃之間的環境溫度下時，能夠在分輸站、調壓站等多種工況下被廣泛地應用。系統中的控制方式可以滿足本地、遠程等多種控制需求，能夠進行恒流、恒閥位供氣，并且系統可以提供4～20mA、RS485以及TCP/IP等多種通訊接口，其大多使用Modbus協議作為系統通訊協議。

3.2 遠程壓力流量控制系統

3.2.1 系統結構

此類系統的組成部分主要有三大部分，第一部分為SCADA調度中心的壓力流量控制子系統，第二部分為通訊網絡，第三部分為現場壓力流量控制系統。其中現場類型的壓力流量控制系統的組成部分較多，除了緊急切斷閥、工作調壓器等部分，還包括閥門定位器、監控調壓器以及各類監控設備。此類結構的系統采用的供氣模式大多為兩用一備，除此之外，多用多備模式也應用較多。因此現場類型的壓力流量調節系統需要由多個調壓火車構成，調壓火車的數量應當控制在三個以上，要求其擁有完全相同的結構，并且以并聯的形式組合起來。為了更好地對壓力流量進行調節和控制，需要使用具備高性能的監控設備以及控制器對調壓過程中運行的工作調壓器進行同時控制，進而有效控制調壓站正常的出口壓力，或者對調壓站應有的總流量進行高效調節。

3.2.2 系統原理

按照工藝要求，通常需要應用失效關閉型也就是FC型的監控調壓器與失效常開型也就是FO型的工作調壓器。當系統正常運行時，執行機構志宏的定位器會根據系統控制器設定好的壓力與燃氣流量進行自動開啟、關閉工作調壓器的工作，并將壓力與燃氣流量的波動控制在系統設定的范圍之內。一旦工作調壓器出現了故障且處于全部開啟狀態時，監控調壓器則會啟動其監控功能，按照系統設定好的壓力對其進行自動調節。如果監控調壓器也出現了故障，則需要立刻切斷閥門，實施安全保護，當燃氣出口的壓力高于系統設定值時將會開啟自動切斷功能，確保下游用戶的供氣安全[3]。

3.2.3 系統功能

該系統進行調壓和調流的方式有兩種，一種為本地調節，另一種為遠程調節，本地的控制系統中為了給予用戶更多的選擇，增加了安全保護功能，提高了燃氣輸配調度的可靠性與安全性。本地控制系統也增加了保護功能供用戶選擇，使得輸配調度更加安全可靠。其提供的調節模式也有兩種，一種為恒壓供氣，另一種為恒流供氣。當其處于同一時刻時，只可以選擇調壓與調流中的某一種控制模式，但當系統進行調壓工作時也能夠保護燃氣流量的上限與下限，形成在一定流量范圍之內進行調壓的功能，也可以在進行調流工作時保護壓力的上限與下限，形成在一定壓力范圍之內進行合理調流的功能。此類系統中往往會配置專用監控設備，例如，高清觸摸屏，將各類工況清晰、全面地顯示出來，各種調節方式與調節模式、調節閥進出口時的壓力數據、反饋數據以及各類反饋信號、故障記錄都能夠在監控設備中顯示出來。

3.2.4 應用情況

當前國內已有諸多城市應用了此類系統。此類系統能夠調節的最大壓力為10MPa，其在單路上調節的流量每小時超過20萬方，每小時能夠達到的站控流量為80萬方。由于其控制設備的組成部分具有較高的品質，再與其專用控制技術結合起來，能夠使管網中壓力和燃氣流量的控制精度達到1%。此類系統的主要應用對象為天然氣，其在控制天然氣壓力與調節天然氣流量的工作上應用較好，對于擁有多個氣源的地區而言，其還可以遠程分配管理多氣源，并且保證分配管理的方便性。

3.3 智能調壓站

3.3.1 特點

與傳統調壓站比較而言，智能調壓站擁有的最大特征為其智能化，其可以實現智能監控、數據動態管理，且在智能化技術的支持下確保調壓的安全與高效。在此基礎上設計開發的調壓站能夠在智能化技術的幫助下獨立地完成監測、控制調壓站的工作，且在監測與控制的過程中應用自動化技術，提高監測控制的效率。智能調壓站其自身運用的監控系統就能夠以本地、遠程兩類不同的方式調節、控制燃氣壓力與流量，并且在控制的同時監控整個調壓站的運行狀態。其具備的動態管理的特點指的是智能調壓站利用移動終端以動態應答的方式對調壓站實際的運行參數進行采集，除了調壓站進出口燃氣的壓力與流量之外，還可以獲取閥位開度、故障報警等多方面的信息。在動態管理的幫助下，管理人員不用來到調壓站的現場就能夠對調壓站的實際運行狀態了如指掌，做到隨時隨地地掌控調壓站信息，既節省了工作時間，也為故障檢修減少了麻煩，還提高了監控的效率。由于其具備動態管理的能力，因此可以利用此項功能，適當減少工作人員在調壓站的現場巡檢，大大減輕了人力負擔，優化了企業的人力資源結構，節省了人力成本，為企業帶來了更多的選擇，智能調壓站中設置了多重安全預警功能以及安全保護的相關功能。例如增加壓力報警的數量，當系統發出警報時，其發出的警報信號會在第一時間輸送至管理人員的設備上，使管理人員在第一時間獲得故障現場的信息，及時進行故障應對。除此之外，智能調壓站還可以實現超壓自動切斷功能，同時其具備欠壓人為切斷功能。因此總體而言，智能調壓站的安全性能遠遠高于傳統調壓站[4]。

3.3.2 功能原理

智能調壓站為了實現更高效快捷的工作，將閥位變送器連接在調壓器上，并將其另一端與控制器相連。因此開啟或者關閉燃氣調壓器閥芯時，設置于閥位變送器的探測桿將會跟隨閥芯的移動進行同步運動，該探測桿連接著位移傳感器，在此基礎上，閥位開度的相關信號能夠被轉換成電子信號，方便控制器識別與傳遞，控制器連接著調壓器的進出口管路，因此調壓器進出口的燃氣壓力也能夠被順利檢測。智能調壓站能夠通過信號傳輸的方式使智能監控平臺連接上調節控制器，無論使用有線方式還是無線方式，都能夠通過網絡實現連接，進而實現平臺監控，在監控平臺的幫助下，調壓器進出口的燃氣壓力獲得了妥善的設定，其繪制的調節曲線也能夠取得理想中的效果。智能調壓站中還具有氣動控制單元，作為新增加的單元，其能夠有效調節彈簧壓力，并對螺栓進行調整，與此同時，智能調壓站還可以對CS導閥下腔壓力進行調節，通過該處的變化調整調壓器燃氣出口壓力，一般來說，調壓器的燃氣出口壓力為彈簧壓力和CS導閥下腔實際壓力相加，其數值基本一致。將彈簧壓力設置為調壓器中起到保障作用的最低壓力，則不再需要對彈簧的壓力進行重復設定，想要改變出口壓力時，只需要對CS導閥下腔實際壓力進行調節即可。CS導閥下腔實際壓力的控制需要依靠其他措施進行，為了實現有效壓力控制，需要在其單元中科學設置進氣與排氣的電磁閥。開啟進氣電磁閥時，導閥下腔實際壓力會逐漸增加，進而增大調壓器中燃氣的出口壓力。而開啟排氣電磁閥時，導閥下腔實際壓力則會隨之下降，進而降低調壓器中燃氣的出口壓力。當前主要選取時間比例的算法作為調節出口壓力的控制算法。智能調壓站中應用的通訊模塊還具有接收遠程限流指令的功能，調流過程中的瞬時流量值比系統設定的限流值高時，系統控制器將會輸送降壓指令到控制模塊中，控制模塊接收到相應指令后將會將排氣電磁閥快速開啟，降低CS導閥下腔的實際壓力，進而使其出口壓力下降，使閥芯向下關閉，降低調壓器流量，使遠程限流功能得以實現。

4 結語

總而言之，自動化監控技術能夠在很大程度上提高監測的效率，其獲得的分析數據更加精確，獲取數據的速度也更快，在城市燃氣管網智能化的發展中發揮出了巨大作用。遠程流量調節控制、遠程壓力流量控制以及智能調壓站是自動化技術在城市燃氣管網智能化發展中的典型應用，其充分反映了自動化監控技術的智能、高效與便捷，從其實際應用能夠看出自動化監控技術在城市燃氣管網的智能化發展中功不可沒。