定時限壓限流遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究

摘 要

論述了燃氣調(diào)壓站定時限壓限流遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)的組成、工作原理、特點、造價及運行費用、運行效果。
摘要：論述了燃氣調(diào)壓站定時限壓限流遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)的組成、工作原理、特點、造價及運行費用、運行效果。
關(guān)鍵詞：限壓；限流；調(diào)壓站；電動調(diào)節(jié)閥
Research on Regular Pressure-and Flow-limited Remote Monitoring Management System
ZHAO Henghai，BAO Xiuwei，HAO Changfu，YANG Lei
Abstract：The composition，working principle，characteristics，construction and operation cost and operation effect of regular pressure-and flow-limited remote monitoring management system in gas regulator station are expounded.
Key words：pressure limiting；flow limiting；regulator station；electrical control valve
1 概述
   隨著天津城市建設(shè)特別是濱海新區(qū)的快速發(fā)展，燃氣管網(wǎng)已延伸至18個區(qū)縣，輸配管道總長度達近1×104km，燃氣用戶達230×104戶。作為燃氣管網(wǎng)中重要的設(shè)施——燃氣調(diào)壓站，具有控制燃氣供氣流量、調(diào)節(jié)供氣壓力的功能。由于燃氣管道的不斷延伸，無人值守調(diào)壓站越來越多，如何保證調(diào)壓站安全穩(wěn)定供氣并實時監(jiān)控供氣工況是燃氣企業(yè)必須面對的關(guān)鍵問題之一。定時限壓限流遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)是在原有的區(qū)域中-低壓調(diào)壓站已有的設(shè)備基礎(chǔ)上增加一套包括調(diào)壓站流量、出口壓力等工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集裝置和電動調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)節(jié)裝置的無線遠程調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。“定時”是指在保證居民用戶正常用氣的前提下，根據(jù)民用燃氣供應(yīng)的特性，分別按照供氣高峰時段和低峰時段，通過遠程調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥開度的大小實現(xiàn)控制區(qū)域中-低壓調(diào)壓站出口壓力大小。
2 系統(tǒng)的組成[1]
    定時限壓限流遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、無線遠程監(jiān)控站、管網(wǎng)壓力遠程監(jiān)測站、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)、定時限壓限流遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件組成，見圖1。

2.1 監(jiān)控中心
   為了對分布在不同區(qū)域內(nèi)的無線遠程監(jiān)控站進行控制和管理，在分管這些區(qū)域供氣的銷售分公司設(shè)立監(jiān)控中心，監(jiān)控中心設(shè)有1臺工控機、無線數(shù)傳Modem等。
2.2 無線遠程監(jiān)控站
    無線遠程監(jiān)控站是在原有的區(qū)域中-低壓調(diào)壓站的基礎(chǔ)上，通過工藝改造增設(shè)羅茨流量計、壓力變送器、電動調(diào)節(jié)閥、無線數(shù)據(jù)采集器(RTU)、后備電源以及無線數(shù)傳Modem構(gòu)成。無線遠程監(jiān)控站工藝流程見圖2。無線數(shù)據(jù)采集器是一種具有采集、處理功能的自動化設(shè)備，專門針對低功耗、無人值守站而設(shè)計，與流量計、壓力傳感器、電動閥門上的數(shù)據(jù)通信接口相連接，按內(nèi)置程序采集數(shù)據(jù)后，執(zhí)行操作指令上傳數(shù)據(jù)，由無線數(shù)傳Modem接收信號并解碼壓縮后將信號傳回監(jiān)控中心的工控機。在后備電源的支持下，能夠保證系統(tǒng)在斷電的情況下正常運行48h。
 

2.3 管網(wǎng)壓力遠程監(jiān)測站
    為了確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定供氣，在調(diào)壓站的供氣區(qū)域內(nèi)實時監(jiān)測管網(wǎng)供氣壓力。在處于壓力最低點的用戶內(nèi)安裝壓力變送器、RTU及無線數(shù)傳Modem，建立管網(wǎng)壓力遠程監(jiān)測站。通過對區(qū)域管網(wǎng)末端(壓力最低點)用戶供氣壓力的實時監(jiān)測，確保管網(wǎng)壓力最低點的壓力值不低于500Pa(注：保證民用雙眼灶能夠點著火的最低壓力值為80Pa)，以保證用戶安全穩(wěn)定用氣。
2.4 GPRS通信網(wǎng)絡(luò)[2～3]
   GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的簡稱，它是在GSM(Global System of Mobile communication，全球移動通信系統(tǒng))基礎(chǔ)上發(fā)展出來的一種新的無線傳輸方式承載業(yè)務(wù)。GPRS采用分組交換技術(shù)，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一個無線信道又可以由多個用戶共享，資源得到有效利用，可以實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸。具有信號覆蓋范圍廣、通信效果穩(wěn)定、誤碼率極低、數(shù)據(jù)通信速率較高、費用低廉等特點。因此，本系統(tǒng)采用GPRS通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。
2.5 定時限壓限流遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件
    定時限壓限流遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件安裝在監(jiān)控中心的工控機上，除實現(xiàn)調(diào)節(jié)功能外，還可顯示無線遠程監(jiān)控站的現(xiàn)場工藝圖，實時上傳現(xiàn)場工藝參數(shù)(包括流量計的累積流量、瞬時流量，電動調(diào)節(jié)閥的開度，無線遠程監(jiān)控站出口壓力，管網(wǎng)壓力遠程監(jiān)測站的壓力等)，報警，顯示趨勢圖，生成報表等。
3 系統(tǒng)的工作原理
    定時限壓限流遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)的工作原理就是利用無線數(shù)據(jù)采集器將無線遠程監(jiān)控站(即改造后的調(diào)壓站)內(nèi)流量、溫度、出口壓力、電動調(diào)節(jié)閥的開度等信息采集上來，利用GPRS通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的工控機中，通過定時限壓限流遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件分析處理顯示出來，系統(tǒng)根據(jù)需要自動調(diào)節(jié)無線遠程監(jiān)控站內(nèi)的電動調(diào)節(jié)閥。工控機即工業(yè)控制計算機，是專門為工業(yè)現(xiàn)場而設(shè)計的計算機，有較高的防磁、防塵、防沖擊的能力，機箱內(nèi)有專用電源，電源有較強的抗干擾能力，具有連續(xù)長時間工作能力。
    在通常狀況下居民用氣主要集中在早、中、晚炊事的時間段，通過對遠程監(jiān)控的供氣區(qū)域的供氣狀況進行分析比較，確定每天的6：00—9：00、11：00—14：00、17：00—21：00這3個時段為供氣高峰時段。除此之外則為供氣低峰時段，即為限壓限流時段。
    在供氣高峰時段內(nèi)，電動調(diào)節(jié)閥的相對開度處于100%全開狀態(tài)，系統(tǒng)按常規(guī)運行方式運行。當(dāng)進入供氣低峰時段時，系統(tǒng)自動遠程調(diào)節(jié)無線遠程監(jiān)控站內(nèi)電動調(diào)節(jié)閥的相對開度從100%逐步減小，同時出口壓力也發(fā)生相應(yīng)的改變；而出口壓力的變化又反過來影響電動調(diào)節(jié)閥的相對開度，當(dāng)出口壓力達到1000Pa，電動調(diào)節(jié)閥的相對開度將不再繼續(xù)變動(電動調(diào)節(jié)閥的相對開度最低不得小于20%)，在供氣低峰時段，系統(tǒng)處于限壓限流的運行狀態(tài)。當(dāng)再次到供氣高峰時段時，系統(tǒng)又將自動調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥的開度，直至電動調(diào)節(jié)閥的相對開度達到100%，處于常規(guī)運行狀態(tài)。
    用于調(diào)節(jié)控制供氣壓力的電動調(diào)節(jié)閥是可以實現(xiàn)遠程調(diào)控且閥門的開度與供氣流量成線性關(guān)系的平衡式電動閥門。這種電動調(diào)節(jié)閥具有3種控制方式，既可以現(xiàn)場轉(zhuǎn)動輪盤進行開、關(guān)，又可以通過閥門上的按鈕來進行現(xiàn)場操作，還具備遠程調(diào)節(jié)控制的功能。根據(jù)不同供氣區(qū)域、不同時段供氣量的變化，可以通過電動調(diào)節(jié)閥自帶的具有PLC自主編程的單片機隨時調(diào)節(jié)開度，也可以通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)遠程調(diào)節(jié)控制閥門的開度，確保按需供氣，以此達到安全穩(wěn)定供氣、減少氣量損失、降低運行成本的目的。
4 系統(tǒng)的造價及運行費用
   截至2009年底，我們完成了5個無線遠程監(jiān)控站、6個管網(wǎng)壓力遠程監(jiān)測站、1個監(jiān)控中心的建設(shè)工作。定時限壓限流遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)經(jīng)過2年的運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，性能可靠，達到了預(yù)期的目標(biāo)。
   1個無線遠程監(jiān)控站的建設(shè)費用為25×104元，1個管網(wǎng)壓力遠程監(jiān)測站的建設(shè)費用為3.5×104元，1個監(jiān)控中心的建設(shè)費用為10×104元。無線遠程監(jiān)控站運行維護費2000元/(個·a)，管網(wǎng)壓力遠程監(jiān)測站運行維護費很少。12個站點通信費用共需2880元/a。
5 系統(tǒng)運行效果
   在定時限壓限流遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)剛建成的時候，我們以天津市某個居民小區(qū)進行了正常供氣方式與限壓限流供氣方式的實時監(jiān)測及統(tǒng)計分析。
5.1 兩種供氣方式供氣量的對比分析
   2008年11月16日至22日共計7天，正常供氣(沒有啟動限壓供氣系統(tǒng))的總供氣量為40628m3。11月23日至29日共計7天，限壓供氣(啟動限壓限流監(jiān)控系統(tǒng))的總供氣量為34253m3。由此可見，采取限壓供氣方式比正常供氣方式減少16%左右的供氣量。
5.2 高峰供氣量的對比分析
    11月16日至22日共計7天，正常供氣方式下的高峰供氣量為18375m3。11月23日至29日共計7天，限壓供氣方式下的高峰供氣量為19078m3。二者供氣差為-703m3，供氣差率為-3.83%。由此可見，在高峰供氣階段，電動調(diào)節(jié)閥處于全開狀態(tài)，與正常供氣狀態(tài)一樣，此時供氣量很接近，略微增加的供氣量主要是受溫度的影響，隨著氣溫的逐漸降低，日均供氣量呈上升趨勢。
5.3 低峰供氣量的對比分析
    11月16日至22日共計7天，按正常供氣方式下的低峰供氣量為22253m3。11月23日至29日共計7天，限壓供氣方式下的低峰供氣量為15175m3。二者供氣差為7078m3，供氣差率為31.81%。在不影響燃氣用戶高峰時用氣的狀態(tài)下，限壓供氣減少了管網(wǎng)的漏損量，降低了管理成本。
6 系統(tǒng)的特點
6.1 系統(tǒng)的安全性
    ① 為保證安全穩(wěn)定供氣，必須確保管網(wǎng)供氣不能中斷，因此，在系統(tǒng)設(shè)定時，當(dāng)電動調(diào)節(jié)閥的相對開度為20%時，不論調(diào)壓站出口壓力為多少，電動調(diào)節(jié)閥將不再繼續(xù)降低它的開度，也就是將電動調(diào)節(jié)閥開度的20%設(shè)定為安全供氣的最低標(biāo)準(zhǔn)，以此作為保障系統(tǒng)安全運行的必要條件。
    ② 為確保整個定時限壓限流遠程監(jiān)控系統(tǒng)安全運行，且在任何情況下都能正常供氣，我們在無線遠程監(jiān)控站增加一套UPS供電系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)在斷電的情況下也能夠正常運行。如發(fā)生外部斷電，電動調(diào)節(jié)閥將在備用電源的支持下，瞬時將電動調(diào)節(jié)閥的相對開度提升到100%，確保安全供氣。
    ③ 在現(xiàn)場控制系統(tǒng)中將電動調(diào)節(jié)閥控制位調(diào)為“1”時，此時電動調(diào)節(jié)閥的相對開度為100%，且不再進行自動調(diào)節(jié)，以保證供氣正常。
    ④ 當(dāng)電動調(diào)節(jié)閥的開度處于變化的過程中，而出站壓力在一段時間內(nèi)卻一直沒有變化，可能是出站壓力變送器出現(xiàn)故障，此時系統(tǒng)會自動將電動調(diào)節(jié)閥的相對開度提升到100%，電動調(diào)節(jié)閥不再進行自動調(diào)節(jié)，以保證供氣正常。
    ⑤ 為防止電動調(diào)節(jié)閥的開度提升過快，造成瞬間供氣量突然增大沖壞計量儀表，電動調(diào)節(jié)閥的開度提升速度為每30s提升5%。
6.2 系統(tǒng)的可靠性
    建立突發(fā)情況應(yīng)急響應(yīng)，即外部電源突然斷電時電動調(diào)節(jié)閥的相對開度自動增大至100%；電動調(diào)節(jié)閥的最小相對開度為20%，確保不間斷氣。系統(tǒng)可在現(xiàn)場環(huán)境下長期穩(wěn)定運行，并具有抗各種干擾能力，滿足安全防爆的要求。
6.3 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性
    本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集是利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器通過RS-485數(shù)據(jù)通信接口與流量積算儀、壓力傳感器、電動調(diào)節(jié)閥上的數(shù)據(jù)通信口相連接，保證了上傳數(shù)據(jù)與現(xiàn)場的流量、壓力數(shù)據(jù)完全一致。
6.4 系統(tǒng)的可擴展性
    本系統(tǒng)具有強大的擴展能力。無線遠程監(jiān)控站和管網(wǎng)壓力遠程監(jiān)測站均可擴展到1024個。
6.5 系統(tǒng)的開放性
    系統(tǒng)既具有可自由編程的通信接口與各種開放的通信協(xié)議的計量儀表相連接，還具有以太網(wǎng)、ModBus等通信協(xié)議可直接與原調(diào)度系統(tǒng)、集團內(nèi)部局域網(wǎng)連接。
7 結(jié)論
    定時限壓限流遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)通過2年的運行，以其高度的安全性、穩(wěn)定性、可靠性及精確性，實現(xiàn)了對燃氣調(diào)壓站供氣工況實時監(jiān)測、調(diào)節(jié)和控制，是實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)自動化管理的基礎(chǔ)，是對燃氣管網(wǎng)調(diào)度管理系統(tǒng)的補充，也是實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)自動化管理的初步嘗試。
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(本文作者：趙恒海 鮑秀偉 郝長富 楊蕾 天津市燃氣集團有限公司 天津 300070)