中低压燃气智能调压系统

芦 超， 陈海龙， 程小伟， 彭广娟， 周瑞智

(1.北京市公用事业科学研究所， 北京 100000； 2.北京市燕山工业燃气设备有限公司， 北京 100000)

1 概述

城市燃气要保持高质量发展态势，智能化是必经之路。发展智能设备是实现智能管网、智慧燃气的根本条件[1-3]。本文提出的中低压燃气智能调压系统，是基于新型智能调压器开发的[4-6]。智能调压器作为核心部件，与进、出口管路上的球阀阀位开关(球阀上加装的阀位开关 )，过滤器两侧的压差变送器，压力变送器和温度变送器配套，形成中低压燃气智能调压系统[7-8]。

2 智能调压器

将切调一体调压器与电动执行器、位移传感器、切断阀位开关进行优化组装，形成智能调压器。目前，此款智能调压器已通过型式检验(进口压力范围0.1～0.4 MPa，出口压力范围2～40 kPa，流量范围0～1 000 m3/h，关闭压力等级SG20，关闭压力区等级SZ20，稳压精度等级AC10)，并且获得一项实用新型专利(专利号ZL201720064606.0)[9]。此款智能调压器采用220 V市电提供动力，采用4～20 mA弱电信号控制，实现远程调压。当发生意外停电时，该智能调压器自动转换为传统调压器，保持出口压力平稳。切调一体调压器见图1，智能调压器见图2。

图1 切调一体调压器

图2 智能调压器

3 中低压燃气智能调压系统

该中低压燃气智能调压系统具有远程监控功能(包括在线监测功能和远程调压功能)、故障自诊断功能、流量模拟功能、数据查询功能、统计分析功能。该系统采用NB-IoT技术进行数据传输，远程调压控制分度值可达到0.1 kPa，调节速度达到1 mm/s，瞬时流量模拟相对误差可达到3%。

3.1 系统组成

中低压燃气智能调压系统见图3，包含的设备有：PLC控制器、进口压力变送器、进口温度变送器、进口压力表、带阀位开关的进口球阀、带压差变送器的过滤器、智能调压器、出口压力表、出口压力变送器、出口温度变送器、带阀位开关的出口球阀。

图3 中低压燃气智能调压系统

3.2 远程监控功能

此系统将进出口压力、进出口温度、流量(通过流量模拟功能得到，显示在监控平台)、智能调压器的切断压力、过滤器压差、智能调压器的阀口开度、进出口球阀启闭状态等数据进行采集并实时远程传输，用于监控调压系统的运行情况。

通过此系统可远程进行压力调节。在远程调压操作中，PLC控制器接收服务器发来的出口压力设定值，电动执行机构接收PLC控制器输出的指令，使调压器弹簧沿轴向位移运动，达到出口压力设定值。目前，远程调节压力的范围控制在2～40 kPa，满足中低压常用压力设定需求。在远程调压过程中，采用自适应控制方式，远离目标值时(实际压力与设定压力的差值的绝对值大于1%设定压力时)，电动执行机构快速运转，调节尺度大；接近目标值时(实际压力与设定压力的差值的绝对值小于1%设定压力时)，采用缓慢调节方式，使压力最终稳定在目标值。

3.3 故障自诊断功能

燃气智能调压系统通过增加压力变送器、温度变送器、PLC控制器、调压器位移传感器、球阀阀位开关、过滤器压差变送器、调压器上的切断阀阀位开关等设备，实现故障自诊断功能。

在中压燃气管道和低压燃气管道上分别安装压力变送器，用于监测管道内的压力，判断运行压力是否异常。调压器位移传感器可监测调压器阀口开启情况，再结合现场压力和温度数据，进行模拟计算得出通过调压器的实时流量。通过设定的逻辑关系，可判断智能调压器的关闭压力是否异常。过滤器上的压差变送器用于判断是否出现过滤器堵塞。调压器上的切断阀位开关用于监测调压器切断装置的状态，判断调压器是否因管路压力超出设定值而自动切断，以及调压器切断装置是否发生故障。

智能调压系统实时采集并处理监测数据，现场数据记录单元PLC控制器将数据发送给与其连接的数据通信单元，数据通信单元以无线通信的方式发送数据至服务器，服务器自动诊断调压器出现的故障问题。故障自诊断分析见表1。表1中，p2为调压器实际出口压力，pb为调压器关闭压力，A为调压器稳压精度等级，p2S为调压器设定出口压力，这3个压力的单位均为kPa。

监控平台为网页形式，在任意电脑上登录网址即可。监控平台实时接收报警信息，并给出报警提示，以地形图及列表结合的方式直观展示报警信息及位置信息。

表1 故障自诊断分析

3.4 流量模拟功能

调压器的流量模拟功能首先结合仿真计算和试验测量方法建立流量模拟模型，上线运行时根据压力变送器、调压器位移传感器以及温度传感器传来的信息，通过安装在服务器上的流量模拟模型实时计算出流过调压器的瞬时流量。流量模拟模型的建立分3步实现：

① 针对调压器采用proe软件进行三维建模，利用CFD进行计算仿真，建立了流量数据库。根据调压器的工况范围，确定流量计算状态表。针对空气介质，共获得了144个状态的流场分布和流量值；针对燃气介质，共获得了84个状态的流场分布和流量值。

② 模拟仿真只能获得某些固定状态的流量结果，是一些离散的数据点，但实际使用过程中需要能实时给出任意状态的流量值，因此需要开发流量模拟模型，从而得到任意时刻的流量结果。我们以仿真计算得到的流量数据库为基础，采用多维拉格朗日插值公式生成流量响应面模型。

③ 针对调压器开展流量试验测试，利用试验测量得到的流量数据对上述得到的流量响应面模型进行修正，获得流量模拟模型。共开展了500多次调压器流量试验测试，整理了近500个点的试验数据，将试验结果和利用流量模拟模型得到的结果进行对比，发现相对误差保持在3%左右。

3.5 其他功能

中低压燃气智能调压系统还具有数据查询、统计分析的功能，可以方便得知管辖区域设备在当前和历史的运行状态，对设备的维护及用气量分析提供有力的支持。在运营管理方面，中低压燃气智能调压系统可以收录各种调压箱(含智能调压箱和常规调压箱)信息并以地图和列表方式显示，结合巡检人员的手机APP客户端，大大提高了调压箱巡检效率，也提高了运营管理水平。

4 结论

① 中低压燃气智能调压系统实现对现场数据的实时采集并监控现场运行状态，在无人值守的情况下，可以及时发现系统运行故障或者安全问题，提高燃气调压箱(站)的使用管理水平，做到全方位、全时段监测的同时，又节省了人力。

② 中低压燃气智能调压系统具备远程调压功能，权限范围内远程调节现场压力代替现场人工手动，有效节省了人力、物力和财力。

③ 中低压燃气智能调压系统具备故障自诊断功能，可以消除安全隐患，提升供气安全性。

④ 中低压燃气智能调压系统具备流量模拟功能，替代传统的流量计，在一定程度上实现对用户流量的监测，为分析购销差提供参考依据。