定時限壓限流遠程監控管理系統的研究

摘 要

論述了燃氣調壓站定時限壓限流遠程監控管理系統的組成、工作原理、特點、造價及運行費用、運行效果。
摘要：論述了燃氣調壓站定時限壓限流遠程監控管理系統的組成、工作原理、特點、造價及運行費用、運行效果。
關鍵詞：限壓；限流；調壓站；電動調節閥
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
   隨著天津城市建設特別是濱海新區的快速發展，燃氣管網已延伸至18個區縣，輸配管道總長度達近1×104km，燃氣用戶達230×104戶。作為燃氣管網中重要的設施——燃氣調壓站，具有控制燃氣供氣流量、調節供氣壓力的功能。由于燃氣管道的不斷延伸，無人值守調壓站越來越多，如何保證調壓站安全穩定供氣并實時監控供氣工況是燃氣企業必須面對的關鍵問題之一。定時限壓限流遠程監控管理系統是在原有的區域中-低壓調壓站已有的設備基礎上增加一套包括調壓站流量、出口壓力等工藝參數的數據采集裝置和電動調節閥開度的調節裝置的無線遠程調節控制系統。“定時”是指在保證居民用戶正常用氣的前提下，根據民用燃氣供應的特性，分別按照供氣高峰時段和低峰時段，通過遠程調節電動調節閥開度的大小實現控制區域中-低壓調壓站出口壓力大小。
2 系統的組成[1]
    定時限壓限流遠程監控管理系統主要由監控中心、無線遠程監控站、管網壓力遠程監測站、GPRS通信網絡、定時限壓限流遠程監控管理系統軟件組成，見圖1。

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

2.3 管網壓力遠程監測站
    為了確保系統安全穩定供氣，在調壓站的供氣區域內實時監測管網供氣壓力。在處于壓力最低點的用戶內安裝壓力變送器、RTU及無線數傳Modem，建立管網壓力遠程監測站。通過對區域管網末端(壓力最低點)用戶供氣壓力的實時監測，確保管網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)，以保證用戶安全穩定用氣。
2.4 GPRS通信網絡[2～3]
   GPRS是通用分組無線業務(General Packet Radio Service)的簡稱，它是在GSM(Global System of Mobile communication，全球移動通信系統)基礎上發展出來的一種新的無線傳輸方式承載業務。GPRS采用分組交換技術，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，可以實現高速率數據傳輸。具有信號覆蓋范圍廣、通信效果穩定、誤碼率極低、數據通信速率較高、費用低廉等特點。因此，本系統采用GPRS通信網絡進行數據傳輸。
2.5 定時限壓限流遠程監控管理系統軟件
    定時限壓限流遠程監控管理系統軟件安裝在監控中心的工控機上，除實現調節功能外，還可顯示無線遠程監控站的現場工藝圖，實時上傳現場工藝參數(包括流量計的累積流量、瞬時流量，電動調節閥的開度，無線遠程監控站出口壓力，管網壓力遠程監測站的壓力等)，報警，顯示趨勢圖，生成報表等。
3 系統的工作原理
    定時限壓限流遠程監控管理系統的工作原理就是利用無線數據采集器將無線遠程監控站(即改造后的調壓站)內流量、溫度、出口壓力、電動調節閥的開度等信息采集上來，利用GPRS通信網絡傳輸到監控中心的工控機中，通過定時限壓限流遠程監控管理系統軟件分析處理顯示出來，系統根據需要自動調節無線遠程監控站內的電動調節閥。工控機即工業控制計算機，是專門為工業現場而設計的計算機，有較高的防磁、防塵、防沖擊的能力，機箱內有專用電源，電源有較強的抗干擾能力，具有連續長時間工作能力。
    在通常狀況下居民用氣主要集中在早、中、晚炊事的時間段，通過對遠程監控的供氣區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，電動調節閥的相對開度處于100%全開狀態，系統按常規運行方式運行。當進入供氣低峰時段時，系統自動遠程調節無線遠程監控站內電動調節閥的相對開度從100%逐步減小，同時出口壓力也發生相應的改變；而出口壓力的變化又反過來影響電動調節閥的相對開度，當出口壓力達到1000Pa，電動調節閥的相對開度將不再繼續變動(電動調節閥的相對開度最低不得小于20%)，在供氣低峰時段，系統處于限壓限流的運行狀態。當再次到供氣高峰時段時，系統又將自動調節電動調節閥的開度，直至電動調節閥的相對開度達到100%，處于常規運行狀態。
    用于調節控制供氣壓力的電動調節閥是可以實現遠程調控且閥門的開度與供氣流量成線性關系的平衡式電動閥門。這種電動調節閥具有3種控制方式，既可以現場轉動輪盤進行開、關，又可以通過閥門上的按鈕來進行現場操作，還具備遠程調節控制的功能。根據不同供氣區域、不同時段供氣量的變化，可以通過電動調節閥自帶的具有PLC自主編程的單片機隨時調節開度，也可以通過GPRS通信網絡遠程調節控制閥門的開度，確保按需供氣，以此達到安全穩定供氣、減少氣量損失、降低運行成本的目的。
4 系統的造價及運行費用
   截至2009年底，我們完成了5個無線遠程監控站、6個管網壓力遠程監測站、1個監控中心的建設工作。定時限壓限流遠程監控管理系統經過2年的運行，系統運行穩定，性能可靠，達到了預期的目標。
   1個無線遠程監控站的建設費用為25×104元，1個管網壓力遠程監測站的建設費用為3.5×104元，1個監控中心的建設費用為10×104元。無線遠程監控站運行維護費2000元/(個·a)，管網壓力遠程監測站運行維護費很少。12個站點通信費用共需2880元/a。
5 系統運行效果
   在定時限壓限流遠程監控管理系統剛建成的時候，我們以天津市某個居民小區進行了正常供氣方式與限壓限流供氣方式的實時監測及統計分析。
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)的總供氣量為40628m3。11月23日至29日共計7天，限壓供氣(啟動限壓限流監控系統)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，電動調節閥處于全開狀態，與正常供氣狀態一樣，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下，限壓供氣減少了管網的漏損量，降低了管理成本。
6 系統的特點
6.1 系統的安全性
    ① 為保證安全穩定供氣，必須確保管網供氣不能中斷，因此，在系統設定時，當電動調節閥的相對開度為20%時，不論調壓站出口壓力為多少，電動調節閥將不再繼續降低它的開度，也就是將電動調節閥開度的20%設定為安全供氣的最低標準，以此作為保障系統安全運行的必要條件。
    ② 為確保整個定時限壓限流遠程監控系統安全運行，且在任何情況下都能正常供氣，我們在無線遠程監控站增加一套UPS供電系統，保證了系統在斷電的情況下也能夠正常運行。如發生外部斷電，電動調節閥將在備用電源的支持下，瞬時將電動調節閥的相對開度提升到100%，確保安全供氣。
    ③ 在現場控制系統中將電動調節閥控制位調為“1”時，此時電動調節閥的相對開度為100%，且不再進行自動調節，以保證供氣正常。
    ④ 當電動調節閥的開度處于變化的過程中，而出站壓力在一段時間內卻一直沒有變化，可能是出站壓力變送器出現故障，此時系統會自動將電動調節閥的相對開度提升到100%，電動調節閥不再進行自動調節，以保證供氣正常。
    ⑤ 為防止電動調節閥的開度提升過快，造成瞬間供氣量突然增大沖壞計量儀表，電動調節閥的開度提升速度為每30s提升5%。
6.2 系統的可靠性
    建立突發情況應急響應，即外部電源突然斷電時電動調節閥的相對開度自動增大至100%；電動調節閥的最小相對開度為20%，確保不間斷氣。系統可在現場環境下長期穩定運行，并具有抗各種干擾能力，滿足安全防爆的要求。
6.3 數據的準確性
    本系統數據的采集是利用現場數據采集器通過RS-485數據通信接口與流量積算儀、壓力傳感器、電動調節閥上的數據通信口相連接，保證了上傳數據與現場的流量、壓力數據完全一致。
6.4 系統的可擴展性
    本系統具有強大的擴展能力。無線遠程監控站和管網壓力遠程監測站均可擴展到1024個。
6.5 系統的開放性
    系統既具有可自由編程的通信接口與各種開放的通信協議的計量儀表相連接，還具有以太網、ModBus等通信協議可直接與原調度系統、集團內部局域網連接。
7 結論
    定時限壓限流遠程監控管理系統通過2年的運行，以其高度的安全性、穩定性、可靠性及精確性，實現了對燃氣調壓站供氣工況實時監測、調節和控制，是實現燃氣管網自動化管理的基礎，是對燃氣管網調度管理系統的補充，也是實現燃氣管網自動化管理的初步嘗試。
參考文獻：
[1] 劉晨，王大全.無人值守調壓站遠程監控與安全防護系統[J].煤氣與熱力，2007，27(8)：1-3.
[2] 王增霈，李勇慧.GPRS技術在燃氣監測系統改造的應用[J].煤氣與熱力，2007，27(5)：46-47.
[3] 張杰.基于GPRS/ADSL的SCADA系統開發[J].煤氣與熱力，2007，27(7)：49-52.
 
(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)