摘 要

摘　要：闡述城市燃氣地理信息系統(GIS)中清管模塊開發的背景、需求、設計思路、模塊功能。通過該清管模塊在實際清管作業、變形檢測作業中的應用，驗證清管模塊具有錄入設標點

摘　要：闡述城市燃氣地理信息系統(GIS)中清管模塊開發的背景、需求、設計思路、模塊功能。通過該清管模塊在實際清管作業、變形檢測作業中的應用，驗證清管模塊具有錄入設標點信息、指導控制清管器和檢測器速度、預計清管器和檢測器通過各設標點時間、自動計算實際球速等功能，可節省人力成本，提高作業效率。指出該清管模塊的不足之處，給出了修正球速理論值與實際值之間偏差的方法和經驗數據。

關鍵詞：清管；  內檢測；  地理信息系統(GIS)；  清管模塊；  流量控制；  球速控制

Design and Application of Pigging Module in GIS System of City Gas

Abstract：The development background，demand，design thinking and functions of pigging module in geographic information system(GIS) of city gas are expounded．Through the application of pigging module in the actual pigging operation and deformation detection，it is verified that the pigging module has some functions including inputting pipeline mark data，instructing control of pig and detector velocity，forecasting the times of pig and detector passing through each mark and automatic calculation of actual pig velocity，which can save labor costs and improve the working efficiency．The shortcomings of pigging module are indicated．The method and empirical data to correct the deviation between the theoretical value and the actual value of pig velocity are given．

Keywords：pigging；internal detection；geographic information system(GIS)；pigging module；control of flow rate；control of pig velocity

 

1　工程概況

隨著環保要求的提高，天然氣需求增長迅速，天然氣管道建設速度將加快，預計到2015年中國天然氣管道長度將接近10×10⁴km。國家質量監督檢驗檢疫總局特頒布了TSG D7003—2010《壓力管道定期檢驗規則——長輸(油氣)管道》，要求新建管道應當在投產3a內進行首次包括內檢測的管道全面檢查，之后根據管道的最大允許壓力、運行條件下的應力水平、失效壓力等條件確定內檢測周期。

管道內檢測又叫智能檢測，屬于在線檢測。檢測器在管道內隨介質運行并實時采集、記錄管道信息，實現對管道本體變形、內腐蝕的檢測。內檢測的主要工作包括前期踏勘及設標、管道清管、管道變形檢測、管道腐蝕檢測、檢測數據處理和分析、檢測結果驗證、管道變形和腐蝕檢測報告編制、管道完整性評價。前期踏勘管道沿線，確定清管器或檢測器跟蹤點(又稱設標點)的位置、間距、跟蹤方式。跟蹤方式分為人工跟蹤、埋設AMG盒。人工跟蹤方式是跟蹤人員在設標點使用接收機接收由清管器或檢測器上發射機發出的信號，確認清管器或檢測器通過設標點。當清管器或檢測器在管道中發生卡堵時，可用接收機準確判斷出清管器的卡堵位置。埋設AMG盒方式是在人員難以及時到達的設標點處預埋AMG盒，記錄清管器或檢測器的經過時間。利用清管器或檢測器通過相鄰兩設標點的時間，可以計算管道內的清管器或檢測器的運行速度并判斷運行的穩定性。清管、變形檢測、腐蝕檢測這三項工作按序進行，作業開始時需在發球門站將清管器或檢測器發送至管道內，清管器或檢測器以管道內輸送介質的壓差為動力，沿主管道進行管道的清掃或壁面變形、腐蝕缺陷的掃描檢測，至收球門站進入收球筒，完成全程的清管或檢測。清管器的類型通常有碟型清管器、測徑板清管器、鋼刷清管器、磁力清管器、鋼刷磁力組合清管器。這些清管器上都帶有皮碗，并根據實際情況在皮碗上開有數量、大小不同的泄流孔。受清管器的重量、摩擦力、泄流孔的面積等因素影響，正常運行的情況下，清管器或檢測器的運行速度小于管道內氣體流速。在管道工況相同時，不同類型的清管器、變形檢測器、腐蝕檢測器的實際運行速度各不相同，這增加了速度控制的難度，而檢測器在管內的運動狀態會直接影響到檢測數據的有效性。為保證穩定的氣流，檢測器經過分輸支線前后0.5h的時間區間內，需進行支線的停供。支線停供對城市燃氣用戶供氣的影響使很多城市燃氣運營單位難以實施內檢測。

深圳市天然氣次高壓管道安坪段于2006年8月投產，管道全長為68.8km，通過坪山門站、安托山門站接收廣東大鵬液化天然氣公司供應的澳洲氣源。為安全供氣，安坪段管道連接了大工業區LNG應急氣化站和梅林LNG應急氣化站。隨著西氣東輸二線的氣源供應深圳及其他高壓、次高壓管道、廠站的陸續投產，氣源保障逐步增強，在進行內檢測作業時，城市燃氣用戶供氣得以保障。因此，于2013年首次進行了安坪線次高壓管道的內檢測作業。發球門站為坪山門站，收球門站為安托山門站，安托山門站連接次高壓管道的東線(安坪線)和西線，西線連接由西氣東輸二線供應的求雨嶺門站及留仙洞高壓一次高壓調壓站。次高壓管道的設計壓力為1.6MPa，實際運行壓力為1.5MPa，主線管道規格為Æ508×7.9，材質為L360(X52)，采用3PE外防腐層。安坪段沿線共有閥室13座，分輸支線9條，支線上連接次高壓一中壓調壓站14座，經過大中型河流4處，穿越公路118處，穿越鐵路7處，穿越施工方式包括大開挖、頂管、定向鉆。

2　內檢測作業

2．1　內檢測作業的輸送工藝要求^[1]

①保持清管器或檢測器所在管段的壓力、流量穩定；

②保證檢測器所在管段氣體流向始終由坪山門站流向安托山門站，避免變形檢測器、腐蝕檢測器出現倒行而損壞設備；

③檢測設備所在管段內氣體流速控制在0.5～3m／s，盡量保持流速穩定；

④沿線調壓站在清管器、檢測器到達前30min臨時關閉，通過后30min再緩慢打開；

⑤通過作業開始時間及球速控制，盡量保證白天進行收發球、跟蹤作業，降低操作風險。

2．2　內檢測作業分工安排

為安全、有序、協調進行作業，建立了項目指揮部，分設管道現場指揮組、廠站現場指揮組、HSE(Health，Safety，Environment)組、應急保障組、調度中心，作業涉及人員185人。管道現場指揮組設置4個跟球小組，滾動式作業，跟球小組需及時向調度中心匯報清管器或檢測器通過設標點的時間。廠站現場指揮組又分為發球組、收球組、工藝操作組。發球組、收球組分別負責在坪山門站發球，在安托山門站收球；工藝操作組則負責在清管器或檢測器通過支線前0.5h和通過后0.5h進行支線上次高壓—中壓調壓站的停止供氣和恢復供氣。

調度中心收集、匯總現場信息，計算分析清管器或檢測器實時速度，調整供氣門站、LNG應急氣化站的流量，有效控制球速，滿足內檢測作業的工藝要求。預測清管器或檢測器通過各分輸支線及收球門站的時間，提前通知廠站現場指揮組做好相應操作準備。通過調整清管器或檢測器的發球時間和速度，避免在供氣高峰時段關停重要的調壓站而影響下游供氣。在清管器或檢測器卡堵的應急情況下，進行管網運行工況調整及供氣保障的氣量調度。

3　清管模塊的設計

在作業過程中，調度中心綜合實現了信息收集、數據分析、管網工況調整、協調作業等功能。為有效調度，調度中心借助信息化手段，利用GIS中與SCADA系統數據交互的功能、拓撲空間計算能力及簡潔直觀的人機界面，開發了專用于清管和檢測作業的模塊(簡稱清管模塊)，拓展了GIS在城市燃氣內檢測作業中的應用。

3．1　清管模塊的總體思路

①利用GIS中的拓撲功能，通過人工選取收、發球門站，自動識別高壓、次高壓管道及調壓站的連接關系，定義上下游流向。

②利用GIS中原有的管道屬性信息及直觀的人機界面，錄入設標點的坐標、序號、周邊環境、跟蹤方式(人工跟蹤或AMG盒)，預先設定清管器或檢測器通過設標點的平均速度，記錄清管器或檢測器的實際通過時間、實際平均速度，預計通過下游設標點的時間。

③按原SY／T 6383—1999《長輸天然氣管道清管作業規程》中第5．1．7條，推導出清管器或檢測器理論推球流量的計算公式如下：

 

式中q0——清管器或檢測器理論推球輸氣流量(折算成標準狀態)，m³／h

d——管道內直徑，m，通過讀取GIS中管道屬性的外直徑、壁厚信息，自動計算出

內直徑

v——清管器或檢測器通過設標點的預設平均速度，m／s，在模塊中設標點屬性欄中輸入

p——清管器或檢測器所在位置上游最近的閥室壓力或調壓站進站壓力的SCADA讀數，MPa

④有關理論控制流量的計算。本工程的次高壓管道涉及到門站、高壓—次高壓調壓站、次高壓—中壓調壓站、LNG應急氣化站。其中門站、高壓—次高壓調壓站、LNG應急氣化站是向次高壓管道供氣的設施，次高壓—中壓調壓站是由次高壓管道供氣的設施。在內檢測作業中，門站按功能分為發球門站、收球門站、僅供氣用門站。城市燃氣輸配系統分輸支線較多，發球門站供氣除滿足推球輸氣流量外，尚應保證清管器或檢測器上游分輸支線實時變化的次高壓—中壓調壓站的供氣需求。建立內檢測作業輸配系統簡圖(見圖1)，計算發球門站的理論控制流量qs、清管器(檢測器)下游進氣的理論控制流量qd。

 

 

式中qs——發球門站的理論控制流量(折算成標準狀態)，m³／h

Qt,i——各調壓站的供氣流量(折算成標準狀態)，m³／h

i——以發球門站為始端，次高壓—中壓調壓站的序號，當i=0時，qt,0＝0

m——清管器或檢測器上游次高壓—中壓調壓站的數量

ql,j——清管器或檢測器上游各LNG應急氣化站的供氣流量(折算成標準狀態)，m³／h

j——以發球門站為始端，LNG應急氣化站的序號，當j＝0時，ql,0＝0

k——清管器或檢測器上游LNG應急氣化站的數量

qz——次高壓管道所需供氣流量(折算成標準狀態)，m³／h

n——所有次高壓一中壓調壓站的總數量

 

式中qu——清管器或檢測器上游進氣流量(折算成標準狀態)，m³／h

qd——清管器或檢測器下游進氣的理論控制流量(折算成標準狀態)，m³／h

在1、2、3位置時，分別計算qs、qd的實例如下。

在位置1時，m＝1，k＝0，n＝22，則：

 

在位置2時，m＝4，k＝1，n＝22，則：

 

在位置3時，m＝13，k＝2，n＝22，則：

 

發球門站的實際流量為SCADA系統采集的坪山門站的流量值；下游進氣的實際流量為SCADA系統采集的安托山門站流量、留仙洞高壓—次高調壓站流量、求雨嶺門站高壓一次高調壓橇的流量、清管器或檢測器下游的LNG應急氣化站流量之和。通過計算的理論控制值與SCADA系統采集的數據比較，調整進氣廠站的流量，進而控制清管器或檢測器的速度。

3．2　模塊功能

①內檢測設標點錄入與維護

a．增加設標點圖層，在圖層導航樹增加節點，控制圖層的顯示，按清管設標點、檢測設標點分不同符號渲染。

b．增加設標點圖層的空間屬性錄入、查詢及渲染功能。

c．對設標點進行空間分析，利用GIS渲染功能，讓即將到達的設標點閃爍顯示。

②數據標簽管理

清管模塊增加門站、LNG應急氣化站、次高壓—中壓調壓站、閥室的SCADA數據標簽管理：

a．增加門站進站流量、壓力及站內次高壓—中壓調壓橇流量的SCADA數據標簽、LNG應急氣化站流量的SCADA數據標簽。

b．增加次高壓—中壓調壓站流量、進站壓力的SCADA數據標簽。

c．增加閥室壓力的SCADA數據標簽。

③清管模塊中的作業管理

a．新建內檢測作業，輸入內檢測作業名稱、作業開始時間、預設清管器或檢測器的平均速度，選擇作業類型(清管作業或檢測作業)、作業起止門站，確認輸入后，模塊對內檢測設標點數據初始化處理。

b．作業過程中錄入清管器或檢測器到達設標點的實際時間及跟球人員信息。作業結束時，保存設標點的空間位置信息、環境信息、跟蹤方式、清管器或檢測器的預計到達時間、預設平均速度、實際平均速度、發球門站的理論控制流量、下游進氣理論控制流量、上游壓力、檢測人員等作業信息，信息可導出為Excel表格。

④作業路徑分析

a．根據起止門站進行拓撲分析，自動確定清管或檢測路徑。

b．根據選擇的作業類型自動過濾設標點。

c．對設標點進行空間分析，確定路徑上的點，逐點分析上游次高壓—中壓調壓站與最近的閥室，并自動計算其到發球門站的里程。

⑤作業過程相關參數的自動計算

a．獲取門站、次高壓—中壓調壓站、閥室壓力與流量的SCADA數據，利用GIS中支持SCADA數據標簽的算術表達式功能，解決次高壓—中壓調壓橇多路計量供氣的流量計算問題。

b．拓撲分析當前設標點的上游次高壓—中壓調壓站流量、上游最近閥室的壓力參數，根據給定公式計算理論推球輸氣流量、發球門站的理論控制流量、下游進氣理論控制流量。

c．選擇設標點，輸入實際到達時間與檢測人員，根據各設標點與門站的距離，自動計算通過該設標點的實際速度。

d．根據各設標點與門站的距離、作業開始時間、實際運行速度及清管器或檢測器下游各段的預設平均速度，計算清管器或檢測器下游各設標點的預計到達時間。每錄入一個清管器或檢測器通過設標點的實際時間，模塊就自動計算其實際運行速度，自動更新下游各設標點的預計到達時間。

e．即將到達的設標點閃爍顯示，并在GIS界面顯示發球門站的理論控制流量、發球門站實際流量、預設清管器或檢測器的平均速度和實際速度、預計到達時間等重要作業參數。

4　模塊的應用效果

在29次的清管作業、1次變形檢測的作業中，該模塊滿足設計要求，直觀地給調度及作業人員提供了詳細的作業信息，見圖2。

 

該模塊的應用效果主要體現在如下4個方面：

①清管器或檢測器的運行速度控制易于實現。通過清管模塊的作業界面顯示的發球門站理論控制流量和實際流量、下游門站的控制流量和實際流量，調度人員根據理論值與實際值的偏差，結合上一設標點的實際平均速度，調整門站供氣流量，實現球速(指清管器或檢測器的速度)控制。如第22次的清管作業中，跟球人員記錄的人工跟蹤設標點的球速均控制在1～3m／s。

②準確預測清管器或檢測器到達各設標點的時間，調度人員及時通知工藝操作組進行次高壓—中壓調壓站的停供、恢復，減少了停氣對用戶的影響。也使管道跟球小組的滾動式安排更合理，節省了人力。

每次錄入通過設標點的實際時間后，模塊自動進行預測到達時間的重新計算，自動更新預測時間。因此，在正常運行的情況下，預測到達時間與實際到達時間的偏差一般在5min以內。

③合理安排各供氣門站的供氣流量。界面顯示了下游進氣的理論流量、實際進氣流量、各供氣門站的實時流量，依據這些數據調整流量，與發球門站流量配合，實現球速的有效控制。

④數據的記錄、儲存功能。記錄、儲存的信息包括：設標點信息、預設清管器或檢測器的平均速度、實際速度、發球門站及下游進氣的理論控制流量、預計到達和實際到達設標點的時間、各設標點到發球門站的距離、上游閥室的壓力等。該信息為清管器或檢測器運行過程的分析、流量與球速關系的分析提供數據。

5　結語

在城市燃氣的GIS中進行清管模塊的開發，將信息化手段引入到內檢測作業中，幫助調度人員快速、全面地掌控清管器和檢測器的運行情況，快速調整管網工況以適應作業的工藝要求，有效調度各作業組，使人員安排更合理、有效，節省了人力成本，也提高了作業的可控性和安全性。

本模塊的不足之處在于無法完全依賴計算的理論控制流量實現球速的精確控制，雖然精度仍可滿足工程的要求。因為考慮模塊的通用性，在進行理論推球輸氣流量q0計算時忽略了以下方面因素對球速的影響：①壓力變化引起管道儲氣量變化，造成理論推球輸氣流量不等于實際推球輸氣流量。②不同類型的清管器及管道內潔凈度不同造成阻力不同。③管道所處的地形、穿越施工方式不同使清管器或檢測器自重對速度的影響不同。所以完全按發球門站的理論控制流量qs、下游進氣理論控制流雖q。進行球速的控制時，實際球速與理論球速存在一定的偏差。因此，在應用過程中需要調度人員根據前幾次清管器運行速度的歷史數據進行修正。通常實際球速與理論球速之比約為0.7～0.9，調度人員根據經驗在門站的流量控制上按適當比值修正，以更好控制球速。

 

參考文獻：

[1]高慧明，孟悅，井帥，等．城市燃氣管道內檢測技術[J]．煤氣與熱力，2011，31(5)：A34-A36．

 

 

本文作者：黎珍

作者單位：深圳市燃氣集團輸配分公司