智能调压站的功能及在中低压管网中的应用

上海航天能源股份有限公司 高 宇

上海飞奥燃气设备有限公司 李建军

智能调压站的功能及在中低压管网中的应用

上海航天能源股份有限公司 高 宇

上海飞奥燃气设备有限公司 李建军

介绍了一种新型智能调压站的设计参数、功能特点、主要组成与核心控制原理，指出传统调压站存在的弊端与燃气公司对安全管理和分配调度的需求，并预测了智能调压站在市场发展和用户需求下的市场前景。

智能调压站 安全 压力调节 流量限制

中低压燃气调压站是城市燃气输配管道的重要组成部分，是燃气管网供气调节和安全管理的一个重要环节，具有分布广且无人值守的特点。目前，中低压燃气调压站的输配管理还处于人工现场管理的阶段，出口压力、流量等需要工作人员进入现场进行调整，作业效率及安全性较低；一旦发生故障时，需要用户报修才能进行维修，管理比较被动，处理不及时，甚至会造成重大安全事故。随着城市燃气管网发展快速发展，传统管理手段已不能满足城镇燃气发展的要求，为了提升管网运行安全性，需要采用先进电子技术、物联网技术实现城镇燃气管网智能化管理。本文主要介绍一种应用于中低压管网负荷管理的创新性智能调压站产品。

1 智能调压站技术参数与功能特点

智能调压站是在传统的自力式调压器基础之上技术创新，开发新型智能控制器和专用自力式调压器控制导阀，通过智能控制器实现对控制导阀进行控制，实现调压器出口压力和出口流量智能控制。智能调压站产品由于是在自力式调压器技术之上开发的，因此其调压技术参数及精度与自力式调压器相同，并具备本质安全特性。

1.1 设计参数

智能调压站的主要设计参数见表1。

表1 智能调压站主要设计参数

2.2 功能特点

2.2.1 监测功能

智能控制器支持有线通信或无线通信方式，可以将采集的运行参数实时发送到调度中心，同时支持短信通信方式，用户可以通过手机短信实时了解调压站运行参数信息，监测参数包括：

(1)进站压力监测；

(2)出站压力监测；

(3)出站温度监测；

(4)调压器阀位监测；

(5)流量监测。

自动根据进口压力、出口压力、出口温度和调压器开度等计算间接流量，用于流量自动控制，流量计算符合《城镇燃气调压器》(GB 27790—2011)。

计量仪表流量用于贸易结算(仅适用于安装有流量计的型号)。

2.2.2 报警功能

报警信息可以通过有线或无线方式发送、传输至调度中心，也可以短信形式发送至指定手机。可实现的报警功能有以下几种形式：

(1)过滤器压差超限报警。当过滤器压差达到设定值时，会自动报警，提醒用户及时更换或清洗滤芯。

(2)切断阀切断报警。当任何一路的紧急切断阀切断后，会自动报警，提醒用户设备出现故障，需要现场维修。

(3)燃气泄露报警。若有燃气泄露，并达到内置燃气泄露报警器设定值后，会自动报警，提醒用户调压站内有燃气泄露，需要现场排查解决。

(4)开门报警。打开调压站任一个门，会自动报警，提醒用户有人打开调压站门，需要核实是否为操作人员在现场操作还是有非法人员闯入。

2.2.3 控制功能

2.2.3.1 出口压力设定值的调整

智能调压站的调压器其导阀采用带气包式控制导阀，调压器出口压力设定值为调压器主弹簧设定压力(固定值)、导阀弹簧设定压力(固定值)和气包压力(调整值)叠加后的压力值，故调节气包压力能实现智能调压站出口压力设定值的调整。通过对调压站出口压力设定值的调整，使调压站出口压力与用气量关联，能够实现两方面的功能：

(1)用气低峰时较低的出口压力，减少燃气泄漏量、提高管道安全性。

(2)用气高峰时较高的出口压力，增大调压站供气能力，提高用气安全。

调压站出口压力设定值的调节模式有根据预制压力控制曲线和临时设置出口压力等两种，其中，预制压力曲线是根据管网压力变化趋势预先设置今后一段时间内管网压力调节曲线，调压站根据预设压力调节曲线自动控制调压站出口压力，实现管网压力自动调节功能，见图 1。临时设置出口压力是根据管理需要临时提高或降低调压站出口压力设定值，调压器按照设定出口压力进行调节。

图1 压力控制示意

以上两种控制模式均可以通过本地控制或远程控制两种方式实现。本地控制模式是通过智能调压站内置控制器设定调压站出口压力，而远程控制模式通过配置管理软件平台设定调压站出口压力。

2.2.3.2 流量限制

流量限制见图2。

图2 流量限制示意

在城镇燃气管网中，不仅有居民用户，还有工商和公福等用户，在管网有限供气的能力下，为保障居民和公福用户的用气安全，在合同规定的范围内，对工商用户进行流量限制，以保障供气安全。用户流量限制通过设定调压站控制流量值来实现，其调节控制模式与压力控制模式相似。

2.2.4 调压站远程切断功能

智能调压站可在下游管网出现异常(如泄漏、超流和超压等)时，为保障用气安全，可由控制中心发布远程切断指令，智能调压站自动关闭紧急切断阀，以停止对下游管网的供气。该方式也适用于对欠费用户的管理。

2.2.5 备用调压路设定压力自动调整

智能调压站工作调压路调压器设定压力调整时，备用调压路调压器设定压力自动同步升高过降低。若智能调压站工作调压路调压器发生故障，使其内置紧急切断阀切断，备用调压路调压器自动切换至工作状态，并且其设定压力自动调整至原主调压路调压器设定压力。

3 智能调压站组成

3.1 主要设备组成

智能调压站的组成设备按功能分为进口单元A、过滤调压单元B、出口单元C和智能控制单元D等，见图3所示。

图3 智能调压站主要设备组成

3.2 单元功能

3.2.1 进口单元A

进口单元从调压站的进口法兰开始至过滤单元的进口开关阀(蝶形球阀B1)为止，由压力表(A1)、调试球阀(A2)和压力传感器等设备组成，并实现将进口压力上传至智能控制器的功能。

3.2.2 过滤调压单元B

进口单元之后，气体进入过滤调压单元，该单元是整个智能调压站的核心部分之一，可实现对燃气的过滤、调压、流量控制和远程控制等功能。该单元由能自动切换的主、副过滤调压路所组成，每条路均由进口开关阀(蝶形球阀B1)、过滤器(B2附排污球阀和带触电开关的压差计和五通阀)、调压器(B3，附内装式紧急切断阀、预调阀+导阀系统、切断阀阀位传感器和调压器阀位传感器)、压力表(B5)、调试球阀(B4)和出口开关阀(蝶形球阀B6)等设备组成。

其中，过滤器本体底部设有排污阀，用于定期排污或更换、清洁滤芯时泄压；过滤器本体上设置了易开式头部，保证整个设备正常、安全工作的同时，头部开启简单、方便；过滤器上设有带触电开关的压差计(带五通阀组)，可显示滤芯的阻塞程度以便及时清洁及更换，当达到设定的压差(一般设定为70 kPa)时，向智能控制器发出触点信号，提醒用户对滤芯进行更换或清洗。

调压器内置了紧急切断阀，当出口压力达到主路紧急切断阀设定值时，能自动切断主路紧急切断阀(向智能控制器发出触点信号，提醒用户主路调压器故障)，保障下游用气的安全；同时，当出口压力小于等于副路调压器设定值时，副路调压器自动启动，并通过智能控制器自动升高出口压力至主路调压器设定压力。

3.2.3 出口单元C

计量单元之后，气体进入出口单元，出口管路由安全放散阀(C1)、排空阀(C5)、压力传感器(智能控制器自带)和温度传感器等设备组成，并实现将出口压力和温度上传至智能控制器的功能。

3.2.3 智能控制单元D

智能调压站的控制核心为智能控制器(D1)，可实现2.2中所述的功能。

4 控制原理

导阀的设定值，见图4。

图4 远程调压原理

智能调压站使用的导阀是一种特殊导阀，其显著的特点是导阀腔体的压力变化可以和弹簧的设定压力产叠加，共同驱动调压器的出口压力。

在弹簧设定不变的情况下，导阀腔体压力的上升可引起调压器出口压力的上升，导阀腔体压力的下降可引起调压器出口压力的下降，而且比例达到1：1，满足公式：出口压力=弹簧的设定压力+导阀腔体压力。

4.2 间接流量计算原理

通过采集调压器阀位开度和调压器的进口压力与出口压力，控制器利用内置的计量公式Q=F(p1，p2，S，Cg)计算调压器的瞬时流量值。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。

4.2.1 已知调压参数输入

进口压力最大值p1max(MPa)；

进口压力最小值p1min(MPa)；

出口压力最大值p2max(MPa)；

出口压力最小值p2min(MPa)；

其中p1表示调压器进口压力，为绝对压力值，一般取最小值输入进行计算。

压差△p，取0.005～0.05 MPa；

介质相对密度ρ，取0.61；

进口介质温度t，正常为15 ℃。

Cg系数可查表2：

4.1 远程调压原理

智能控制器接收到调压控制命令及压力设定值Ps时，智能控制器将出口压力P2与Ps作比较，从而控制进气或排气的电磁阀间歇性启闭来改变

表2 调压器流量系数

对于一台固定的调压器其全量程的Cg值是一个常数，而不同开度下的Cg值与量程基本上成线性关系，比如：全量程为10 mm，当开度为3 mm时，其Cg值就为全量程Cg的30%。

4.2.2 流量计算

依据选定的Cg值，通过进气压力(最大、最小)，计算输出流量。流量计算公式：

当p1＜2p2时：

当p1≥2p2时：

4.3 限流原理

智能控制器接收到限流控制命令及流量设定值Qs时，智能控制器将自己计算出的流量Q与Qs作比较，从而通过降压的方式(控制排气的电磁阀间歇性启闭来改变导阀的设定值)来限制流量。

4.4 远程切断

智能调压站的远程切断功能，是通过欠压切断方式来实现，其原理是通过管理软件打开导阀组件中的排气电磁阀(或称降压电磁阀)超过5秒钟，从而使得设定压力低于欠压切断压力，引起调压器切断。

5 智能调压站的应用举例

5.1 并联向下游管网供气

如图5所示，由多台智能调压站并联向下游供气，可实现的功能有：

(1)高峰前统一升压，满足下游需求；

(2)高峰后统一降压，减少管道泄露；

(3)高峰时限流，减小上游管网输配压力；

(4)分配各站流量；

(5)多气源的经济性分析；

(6)数据监控；

(7)报警监控。

图5 多台智能调压站向下游管网供气

5.2 向下游用户供气

如图6所示，通过智能调压站向下游用户供气，除了可对用户进行调压，也可实现限流和数据监控功能。

图6 智能调压站向下游用户供气

6 结语

天然气行业经过 20多年的快速发展，我国城市燃气管网也得到了同步发展。城市燃气供气以中低压管网为主，每个城市都需要配置大量区域调压站和计量站对终端用户供气。经过初步统计，我国各城市基于中低压管网区域调压站和计量站已投运存量超过50万台，并且每年都有5万台，计10%的新增量投入运行，而且，随着我国城镇化、新农村战略发展，以及节能减排，生态文明建设进程的发展，该部分调压站还会有更大增量。

而目前传统的中低压调压站鲜有重要数据实时监控与故障报警功能，且完全没有及时调度、灵活性调配供气的功能。因此，如何加强对城市燃气中低压管网安全管理，采取有效的措施预防和减少事故的发生，确保燃气管网安全运行，保护用户和燃气企业财产不受损失，是城市燃气企业面对的首要问题。

智能调压站的技术成果所形成的产品将覆盖300、600、1 000、1 500、2 000和3 000 m3/h几个系列，基本上满足了城市燃气中低压管网负荷管理要求。

管网智能调压站产品，不仅符合行业需求，也具有广阔市场前景，有力促进我国燃气产业的智能化技术进步，有力推动天然气行业的安全健康快速发展，由此，带来巨大的社会效益，同时也会给市场带来巨大的经济效益。

Application of the Smart Gas Station in MP& LP Gas Pipe Network

Shanghai Aerospace Energy Co., Ltd. Gao Yu
Shanghai Fiorentini Gas Equipment Co.,Ltd. Li Jianjun

Compared with traditional gas regulator, the smart gas station has more advantages in MP& LP gas distribution and safety management. This paper introduces a new type of smart gas station including its design parameters, function, main composition and core control principle, and predicts the market prospect under its development and customer demands.

smart gas station, safety, pressure regulation, flow limitation