摘要：論述了天然氣門站壓力遙調系統的功能，電動壓力遙調系統和氣動壓力遙調系統的原理和優缺點，氣動壓力遙調系統的實施方案及在燃氣輸配中的應用效果。
關鍵詞：天然氣門站；遙調；調壓；流量控制；電動；氣動
Application of Remote Pressure Regulating System to Gas Transmission and Distribution
WANG Wen-xiang，LI Zhen，YANG Guang
Abstract：The function of remote pressure regulating system for natural gas city gate station，the principle，advantage and disadvantage of electric remote pressure regulating system and pneumatic remote pressure regulating system，the implementation plan of pneumatic remote pressure regulating system and its application effect in gas transmission and distribution are expounded.
Key words：natural gas city gate station；remote regulating；pressure regulating；flow control；electric type；pneumatic type
1 概述
隨著天然氣長輸管道的大規模建設及天然氣應用的普及，城市燃氣輸配系統發生了新的變化，從以前的中、低壓系統，逐步變成了高壓、次高壓、中壓、低壓等多級系統。調壓器在其中充當的角色越來越重要，向自動化發展是基本趨勢。
2006年8月，廣東大鵬液化天然氣公司(以下簡稱大鵬公司)從澳大利亞進口的天然氣，通過安托山、坪山兩座門站供應深圳城市用戶，是深圳市的主要氣源。在運行過程中發現，由于門站與上游分輸站的連通管管徑小、管道短、管道緩沖容量不到最大小時流量的0.1%，在門站開關閥門過快或流量瞬間波動較大時，上游分輸站的壓力瞬間波動幅度大，甚至達到上游分輸站緊急切斷閥切斷壓力。由于兩座門站已經運行，受門站場地、管道布置、不可停氣等條件限制，加大管道緩沖容量已不可能，故要求門站盡量避免流量、壓力的大幅度波動。
有時由于上游原因或運行要求，需要關閉門站的進站球閥。門站出口的次高壓管網儲氣被利用后壓降較大，在恢復供氣時，需要將門站內出站球閥前的調壓器出口壓力重新設定為當時次高壓管網壓力，避免在打開進站球閥時，調壓器設定壓力遠大于次高壓管網壓力，調壓器相對開度瞬時達到100%，影響上游運行。然后再人工調節調壓器的指揮器(或稱導閥)，逐步平穩升壓至停供前運行壓力。120km的次高壓管網逐步平穩升壓到1.5MPa，通常需要3～5h。深圳市燃氣集團股份有限公司為減輕工人工作量及避免疲勞誤操作，在傳統自力式調壓器的基礎上，引進了氣動壓力遙調系統(簡稱CS系統)。該系統在次高壓管道自動升降壓、多門站供氣流量平衡、管道儲氣調峰等方面具有較好的作用。本文介紹壓力遙調系統在實施過程中的基本情況。
2 壓力遙調系統的功能及比選
壓力遙調系統的主要功能是遠程發送調壓指令，調壓系統實現壓力安全、平穩、精準的調整。它由SCADA中心(或廠站)控制的調壓子系統、通信網絡、現場調壓控制系統3部分組成[1]。
它的工作原理是通過SCADA中心(或廠站)控制的調壓子系統下達遠程壓力設定值或控制指令，指令通過通信網絡遠傳至現場調壓控制系統，現場調壓控制系統接到控制指令后根據現場壓力和實際工況進行壓力調節，最終使現場壓力在允許的調節誤差內達到壓力設定值。現場信號通過通信網絡傳回到SCADA中心(或站控系統)，完成遠程調壓。
通過SCADA系統組態將調壓子系統加到中心(或廠站)控制系統中，將現場調壓系統的通信接口與SCADA系統通信網絡連接，即可實現遠程的壓力調控。現場調壓控制系統是3個組成部分的重點，它的調壓方式通常有電動調節與氣動調節兩種方式。
2.1 電動調節方式
電動調節系統主要由控制器、壓力傳感器和控制電機組成。中心控制、廠站控制或控制面板給控制器輸入指令，控制器給控制電機信號，控制電機直接旋擰調壓器導閥的調壓螺桿，實現調壓。調壓過程中，控制器將調壓器出口處壓力傳感器的反饋值與指令目標壓力值比較，根據比較結果來控制電機操作，直至調節到目標壓力，停止動作。該方式調壓范圍寬，是直接的機械式作用。電機為防爆電機，供電壓力為220V。電動壓力遙調原理見圖1。
2.2 氣動調節方式
氣動調節系統主要由控制器、進排氣電磁閥、氣包、壓力傳感器、CS導閥、微流閥、減壓閥、安全閥組成。氣包是系統中的重要設備，它是一個容積為20L的罐體，罐體上連接進氣管道、排氣管道、壓力傳感器、反饋管道、排液管道。進氣管道從上游管道取氣，通過減壓閥將壓力調整到氣包所需的壓力，通過開啟進氣電磁閥，由微流閥限制每次進氣量，逐步提高氣包壓力。為避免減壓閥失靈而造成氣包超壓，減壓閥后設置安全閥。排氣管道連接排氣電磁閥、微流閥、安全閥，通過開啟排氣電磁閥，由微流閥限制每次排氣量，逐步降低氣包壓力。排氣管道如有條件可與放散管道連接，如條件限制，由于排放量小，可直接排放到大氣中。為避免氣包超壓，氣包上設置安全閥。反饋管道與CS導閥連接。通過反饋管道將氣包壓力pQ傳送到CS導閥的氣腔，由氣腔壓力pQ與導閥的彈簧設定壓力pt之和決定調壓器的出口壓力p。排液管道用于排放氣源中可能存在的水、粉塵、重烴等物。進、排氣管道上的微流閥有8個檔位，通過檔位調整來調節電磁閥動作1次的進、排氣量，進而調整電磁閥動作1次的壓力的升降幅度。
中心控制、廠站控制或控制面板給控制器指令，根據p=pQ+pt，控制器控制氣包的進、排氣電磁閥，來調整氣包壓力pQ，進而改變p。調壓過程中，控制器將調壓器出口處壓力傳感器的反饋值與指令目標壓力值比較，當p與目標壓力相等時調壓停止。氣動壓力遙調原理見圖2。
2.3 兩種壓力遙調方式的比較
2.3.1電動壓力遙調方式
① 優點
a.系統組成簡單，不需氣包，占地面積較小。
b.不需氣體介質，漏點少。
c.壓力可調范圍寬。
② 缺點
a.機械磨損大，容易造成機械故障和調節精度下降；維護量較大，維修成本較高。
b.完全的機械作用，不適合連續的頻繁調節。
c.控制電機的安全性要求較高，如果電機出現故障，可能引起失調或超調，甚至會引起停氣等嚴重后果。
d.1套電動調壓裝置只能控制1臺調壓器工作。
e.改造費用高于氣動方式。
2.3.2氣動壓力遙調方式
① 優點
a.既適合連續的頻繁調節，也適合間歇調節。
b.1套氣動調壓裝置可同時控制2～3臺調壓器。
c.CS導閥既可手動螺桿調壓，又可氣動遠程調壓。在CS系統自動調壓出現故障或檢修的情況下，可通過CS導閥實現手動調壓。
d. 進氣安全閥和出氣安全閥可有效保障cs系統氣包在壓力允許的調節范圍內正常工作。
e.無須停氣改造。
②缺點
a.受到CS系統氣包的壓力限制，壓力可調范圍較窄。
b.需設置氣包，占地面積較大。
c.需引介質氣體，系統組成部件較多，漏點也相=對較多。
3 氣動壓力遙調系統的實施
考慮到頻繁調壓的需求，在考察了國內其他城市燃氣輸配調壓系統的基礎上，通過比選，我們認為氣動遙調方式更適合我們的實際需求。
3.1 工藝原理
深圳市燃氣集團股份有限公司門站氣動遙調系統的工藝原理見圖3。
從圖3可見，1個氣包可連接多個導閥，即可控制多路調壓器，目前門站3路調壓路分別為主路、副路、備用路，各路調壓器出口壓力設置呈階梯狀，主路比副路高0.1MPa，副路又比備用路高0.1MPa。根據p=pt+pQ，由于同一氣包pQ相同，通過各路導閥彈簧壓力pt的不同設置，實現各調壓路出口壓力的不同設定。當CS氣包系統發生故障，可關閉備用路反饋管的閥門，pQ=0，調整導閥的螺桿來設定壓力pt，使p=pt，J恢復到無壓力遙調系統狀態，可保證運行。
3.2 系統的工藝配置
安托山門站、坪山門站均有3路調壓路，調壓器的進口壓力為3.8～4.4MPa，出口壓力最大為1.6MPa。實際運行中，根據需要，調壓器出口壓力在0.6～1.5MPa范圍進行設置。在夜間用氣量小時，受次高壓管網影響，出站壓力將達到1.55MPa。結合次高壓管網運行實際工況，進行了如下配置：
① 采用1個氣包控制3路調壓器，各調壓器的CS導閥螺桿預設壓力pt按主、副、備用路壓力差的要求進行設置。
② 主路的CS導閥預設定壓力pt為0.6MPa，氣包的最大運行壓力控制在1.0MPa，選用意大利飛奧公司的氣包，其設計壓力為3.0MPa，安全性較高。
③ 氣包進排氣口的安全閥放散壓力應滿足運行需求，即進氣口放散壓力設定為1.05MPa，出口放散壓力設定為0.95MPa。
④ 電磁閥旁通路，由球閥和針閥串聯控制，避免球閥誤操作造成氣包壓力的變化。
⑤ 壓力調節以廠站控制為主，數據可上傳到調度中心。廠站遙調可通過本系統的控制面板或站控的SCADA系統的調壓子系統控制。
3.3 系統的安裝及調試
由于兩座門站是目前供應深圳市的主要氣源，不允許停氣，制定合理的施工方案及調試方案很重要。
在氣包取氣口的選擇上以利用原有接口為主，還考慮到連接導閥的反饋管應盡量短，減少接口。兩座門站均利用了壓力表上的接口，在壓力表針閥后增加三通接口，一路接壓力表針閥，一路接取氣口閥門，既不影響壓力表的使用，又避免了在匯管上開口，也避免了停氣。在施工順序上先施工氣包、反饋管路，再單路停氣改造導閥，導閥改造、調試完成后，排空該路接導閥的反饋管氣體，通過調節導閥螺桿將壓力設定到出口壓力，切換為在用路。依此類推，實現各調壓路逐一改造。實施過程中，自控設備的安裝與工藝施工配合進行。改造完成后需進行系統空載調試，主要調試自控系統對現場設備的正確控制。空載調試合格后進行帶負荷調試。調試方案中應對所有可能出現的異常情況作出相應的應急處理預案。通過帶負荷調試，選取適合本輸配系統的微流閥的檔位，以確定電磁閥動作1次的壓力升降幅度。
3.4 系統的安全措施
① 氣包的設計壓力遠大于實際運行壓力。
② 在氣包進氣口安裝減壓閥，在氣包進出口均安裝安全閥，即使進口減壓閥失效，仍可保證管網運行壓力不超過1.6MPa的設計壓力。
③ 在電磁閥旁通路，球閥針閥串聯，可在電磁閥故障時進行氣包的壓力粗調，仍可保證壓力的穩定。
④ 自控部分的密碼管理。進行遙調時，必須憑密碼進入，在設置參數時需2次輸入密碼確認。
⑤ 控制面板與站控系統切換時作了指令的隔離處理，避免將站控的歷史指令自動下達造成誤操作。
4 氣動壓力遙調的調壓方式
4.1 手動調壓方式
手動調壓方式是手動點擊1次控制面板的進氣電磁閥或排氣電磁閥按鍵，將進行5kPa的升壓或降壓，連續動作n次，則進行5nkPa的壓力升降。電磁閥的工作間隔最小為30s。手動控制的靈活性高，操作人員可根據流量、壓力的變化及時作出壓力調整，但工作量較大。
4.2 自動調壓方式
自動調壓方式是無須人工干預，按設定參數自動運行的調壓方式。該方式又分為調壓器出口調壓、氣包穩壓兩種方式。
采用調壓器出口調壓方式進行調壓時，需設置的狀態參數包括壓力步長、靜止時間、目標壓力。壓力步長是連續動作的壓力變化值。靜止時間是每個壓力步長動作完成后至下一步長開始的停頓時間。目標壓力是需升壓或降壓后達到的壓力。控制器按設定的壓力步長、靜止時間運行，出口壓力傳感器將出口壓力p的信號反饋到控制器，當p等于目標壓力時，升壓或降壓停止。圖4為采用出口調壓方式進行升壓的過程。
氣包穩壓方式是消除溫度、電磁閥內漏等因素引起氣包壓力的變化的調壓方式。控制器通過氣包上的壓力傳感器的反饋信號，判斷是否超出氣包設置壓力pQ的±1%的范圍，指揮電磁閥動作，使氣包壓力穩定，從而達到p的穩定。它通常在調壓器出口調壓完成后用于穩定目標壓力。
4.3 壓力調節方式的比較
手動控制的壓力調節是通過人工單次控制電磁閥的開關來調整壓力，其靈活性高，可根據壓力、流量的變化及時作出調整。
氣包穩壓是在自動控制方式下的主要用于穩定調壓器出口壓力的控制方式，它只針對設定好的氣包壓力值pQ的穩定，與改造前調壓器導閥功能相似，但精度更高。
調壓器出口調壓主要用于自動調整壓力，使壓力按壓力步長、靜止時間的設定值進行有序的升降，最后達到目標壓力值。它還可以通過設置較小步長(如5kPa)及合適的靜止時間、目標壓力，當出口壓力反饋值p±%的范圍時，控制器將按設定的壓力步長、靜止時間控制電磁閥，保證p在±1%的范圍內波動，消除用戶用氣對出口壓力的影響。
5 氣動壓力遙調在燃氣輸配中的應用
結合我們的輸配管網情況，氣動壓力遙調主要在調節壓力、分配流量、控制流量3方面應用。
5.1 門站出站壓力的調節
在調壓方面的應用主要是通過手動控制或出口調壓方式來實現升、降壓。在初期建議采用手動控制方式進行，通過摸索，尋找合適的壓力步長、靜止時間，再采用出口調壓方式。在升壓過程中如果設置步長過大、靜止時間過短，則流量上升速率過大，造成進口壓力下降太快，可能造成上游過流閥切斷；在降壓時則造成調壓器閥口開度過小，流量下降速率過大，造成進口壓力過高，甚至達到上游緊急切斷閥切斷壓力值。如果步長過小、靜止時間過長，則達到目標壓力所需的時間過長。通過摸索，壓力步長為10～20kPa、靜止時間在10min左右，壓力、流量的變化較為平穩。不同時段下游用氣量不同，壓力步長及靜止時間的設置也不盡相同。廠站人員在剛開始調壓時通常采用手動方式，實施數次后，觀察流量及上下游壓力變化，選擇出合理的壓力步長及靜止時間。圖5、6為改造后安托山門站將壓力由1.341MPa升至1.51MPa的流量、壓力曲線。
從圖5可見，流量的變化較為平穩，隨壓力升高逐步增加。從圖6可見，升壓過程從5:15到6:28，壓力上升速率為0.139MPa/h，壓力變化較為平穩。
5.2 門站流量分配
在次高壓管網連通安托山門站、坪山門站后，可以通過調整出站壓力，分配兩座門站的流量。兩座門站出站壓力均設為1.5MPa時，受用戶的分布、用戶的用氣規律影響，在高峰、低峰時段兩座門站的流量分配不同，高峰時段安托山門站與坪山門站的流量分配比例為(2.14～3.28):1；低峰時段兩者比例為(0～70.97):1，即可能出現一座門站無流量的現象。上游對單站最大提氣速率有限制，在高峰時段需要合理分配兩座門站的流量，使任一門站不超流。在低峰時段若門站流量為0的時間過長，由于上游與門站連通管較短，在上游調壓器關閉不嚴的情況下，可能發生連通管壓力上升，甚至出現壓力達到緊急切斷閥的壓力設定值而切斷的情況。
通過多次測試，合理的運行方式是：坪山門站的出站壓力設定為1.5MPa，通過調整安托山門站的壓力來分配兩座門站的流量。在午、晚高峰時段前1h，將安托山門站出站壓力調低至1.45MPa左右(該值與用戶用氣需求量及用戶分布有關，不同季節需作調整)；高峰時段結束后采用自動出口調壓方式，目標壓力設為1.5MPa，壓力步長設為5kPa，靜止時間設為10min，自動升壓到與坪山門站出站壓力相同。在低峰時段如果門站流量小于1300m3/h，則手動升壓，升5～10kPa就可以將流量恢復到1300m3/h以上。2次動作的時間間隔不小于5min。
5.3 流量的控制
目前兩座門站沒有設置限流裝置，上游也沒有對門站采取限流。當出站壓力保證穩定，不采取降壓以利用次高壓管道的管道儲氣的情況下，在用氣高峰時段，流量超過合同規定的最大提取速率，超過最大提取速率提取的氣量將按正常價格的150%計價。針對以上實際情況，將壓力遙調的功能進行拓展，通過在高峰時段降低出口壓力，減小調壓器開度，從而間接地降低流量。在高峰時段需頻繁降壓，將流量控制在上游要求的最大提氣速率的95%以內，用戶需求的不足部分通過降低管道壓力、利用管道儲氣來補充。低峰時升高壓力來補充管道儲氣。這種頻繁的調整，在沒有遙調系統的情況下是很難實現的。圖7、8為改造后安托山門站晚高峰控制流量測試時的流量、壓力曲線。
從圖7可見，在測試時段，流量基本可控制在控制線以下，當停止測試時，不進行持續降壓，管道儲氣將不再被利用，流量將很快回升到用戶需求量。從圖8可見，壓力由1.4MPa降到1.275MPa，變化平穩。
測試過程先采用手動降壓，摸索合適壓力步長、靜止時間，然后采用自動控制的出口調壓方式，壓力步長為20kPa，靜止時間為5min。在冬季高峰時段超過最大提氣速率時間較長，必須采用出口調壓方式進行自動降壓。如停止降壓，管道穩定在某壓力下，管道儲氣將不再補充供氣量的不足部分，門站的供氣量將在短時內回升到用戶需求量，門站流量將與用量基本一致。因此，停止控制流量的時間應在用戶用氣量已在最大提氣速率以下，并呈下降趨勢時。升壓補充管道儲氣可在用氣低峰時段進行，采用出口調壓方式仍需采用合理步長、靜止時間，壓力步長比高峰降壓時小，約10～15kPa，靜止時間比高峰降壓時長，約為10～15min。
6 結論
① 對于已供氣的門站采用壓力遙調系統，建議選用氣動遙調的方式，它無須停氣改造，可以1個氣包帶多路調壓路，造價較低。
② 在改造前應注重工藝設置和施工方案的討論，尤其是已供氣門站的改造，必須有相應的應急處理預案。驗收測試時，必須在空載測試合格后方可進行帶負荷測試。
③ 氣包前后的安全閥設置應結合運行管網的壓力情況，進口安全閥放散壓力通常為氣包運行壓力的1.05倍，并且安全閥放散壓力與CS導閥彈簧預設壓力之和小于等于出口管網設計壓力，避免誤操作時管道超壓運行。
④ 利用該系統進行自動升(降)壓、間接控制流量，均有較好的效果，但對不同的輸配系統、用戶情況，其出口調壓方式中的壓力步長、靜止時間參數都不同，應通過手動調壓方式進行摸索，尋求合理參數后再進行出口調壓方式的參數設置。
⑤ 由于該系統閥門較多，在運行管理中應對關鍵閥門的開關作清晰的標示，甚至采取拆下手柄的方式避免一些閥門的誤操作。
⑥ 利用該系統進行流量控制是可以實現的，可以滿足要求不是很嚴格的流量控制。流量控制的精度不高，通常應將目標控制流量設置在最大允許流量的95%以內。
參考文獻：
[1] 郝冉冉，宋永明，李顏強，等.SCADA系統在城市燃氣管網調度管理的應用[J].煤氣與熱力，2009，29(1)：B29-B31.
(本文作者：王文想 黎珍 楊光 深圳市燃氣集團股份有限公司 廣東深圳 518055)
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