作者：龔明，趙夢，楊炯，田勝
第一作者單位：北京市煤氣熱力工程設計院有限公司
摘自《煤氣與熱力》2018年9月刊
1 概述
智慧燃氣的建設，不僅是一個綜合的信息化軟件體系提升過程，也是一個基礎的硬件設施提升過程，智能燃氣設備的應用是智慧燃氣建設過程中非常重要的一環，也是智慧燃氣建設的基礎。
智能燃氣管網主要包括更透徹感知各項運行參數、更高效暢通的通信、管網的完整性管理、更精準的調控、對生產各個環節的邏輯分析以及智慧的決策等。
城市天然氣廠站作為城市燃氣輸配的重要節點，承擔著承接上游氣源，調節和分輸給下游管網、用戶的重要功能，其智能化建設必然是城市智慧燃氣的重要一環。
通過對某高壓A調壓站的智能化設計思路的解析，剖析城市天然氣廠站工藝設計中對智能設備的設計和應用思路，以研究現階段廠站設計智能化需求及可實現的功能，為城市燃氣基礎設施的智能化設計和燃氣輸配系統的智能化發展提供參考。
2 現階段智能設備的應用
自2013年，北京某燃氣企業根據實際情況啟動了各壓力級制調壓站的遠程調控改造。經過設備調試和運行，獲得大量的運行數據，調度部門通過對這些數據的分析總結，認為智能化遠程調控設備主要實現了以下4方面。
①在調壓模式下對供氣壓力可較準確控制，滿足對供氣壓力要求嚴格的用戶需求；
②在調流模式下實現負荷集中區域的調壓站按設定流量運行，解決超流問題，避免造成調壓、計量設備損壞，在多氣源和多氣質條件下，實現調壓站及時、合理的流量調配；
③通過單路調壓器、調節閥獨立調控方式，探索多路調壓器流量均衡控制的可行性；
④通過低流模式的實際運行，初步實現夏季貿易計量站在低峰時段的流量準確計量。
目前的遠程調壓調流只是實現了一定程度的單體、局部的有限智能控制，要實現全網的智能調節還有很長的路要走，智能管網集中了調度人員長期以來經過優化的調控和應急處置工作經驗，據此需要建立一個大型分析計算軟件，從而根據不同的工況乃至突發事件選擇最優調度方案，并迅捷實施。
參考國內某大型能源企業對于智能調壓的建設方案，可知其調壓裝置在初期僅考慮了調壓功能。但隨著下游用戶的增加，對流量控制的需求逐漸明顯，調壓調流模式應運而生。
目前，大多數長輸管道分輸站或末站實現壓力流量控制的方案有兩種，分別為安全切斷閥+監控調壓器+電動調節閥、雙切斷（2個安全切斷閥串聯）+電動調節閥。這兩種方案都是利用電動調節閥及相應的控制環節，通過調節閥門的開度來控制流量的變化進而控制流體的壓力和流速等參數。
3 調壓站智能調壓、調流設備的工藝設計
根據現有設備水平和應用經驗，設置電動調節閥是現階段實現智能調壓、調流的主要手段。調壓系統的安全設備的設置可參考GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》第8.4.3條第2款：當上游最大操作壓力大于下游最大操作壓力1.6 MPa以上，以及上游最大操作壓力大于下游管道和設備強度試驗壓力時，單個的（第一級）壓力安全設備還應同時加上第二個安全設備。
根據以上條款，現階段以電動調節閥為主的調壓、調流工藝流程根據上下游壓差可分為以下兩種［1］。
①安全切斷閥+監控調壓器+電動調節閥
此工藝適用于上下游壓差＞1.6 MPa的工況。該壓力流量控制系統包括：安全切斷閥、監控調壓器、電動調節閥、專用壓力流量控制器、壓力變送器、壓力表及相關設備、異徑管、管路附件等。安全切斷閥、監控調壓器、電動調節閥為相互獨立的設備，按照從上游至下游的順序，串聯在一起組成安全監控式控制系統。該系統采用以PLC（帶PID調節模塊）為基礎組成獨立的壓力流量控制器，對廠站出站壓力、流量進行控制。其中，安全切斷閥和監控調壓器的壓力檢測點均獨立設在電動調節閥的下游且與電動調節閥的壓力檢測點鄰近布置。
a. 供氣流量低于流量上限設定值
當供氣流量低于流量上限設定值時，安全切斷閥和監控調壓器處于全開位置。專用壓力流量控制器和電動調節閥處于壓力調節狀態。此時，專用壓力流量控制器和電動調節閥的作用是控制下游的供氣壓力在規定的范圍內。
b. 供氣流量接近或超過流量上限值
當供氣流量接近或超過流量上限值時，安全切斷閥和監控調壓器處于全開位置，專用壓力流量控制器和電動調節閥處于流量控制狀態。專用壓力流量控制器輸出控制信號，減小調節閥開度，控制供氣流量不超過流量上限值。
c. 電動調節閥出現故障
電動調節閥出現故障導致下游供氣壓力超過壓力上限值達到一定范圍時，監控調壓器（第一級安全設備）自動投入工作，以維持下游供氣壓力在一個安全、合理范圍。此時，系統處于自力式壓力調節狀態，不能控制供氣流量。故障時電動調節閥的閥位狀態可根據需要選擇，全開或維持故障前閥位。
d. 電動調節閥、監控調壓器均出現故障
電動調節閥出現故障后，監控調壓器也出現故障，不能控制下游壓力時，安全切斷閥（第二級安全設備）自動切斷該回路氣源，并由站控系統開啟備用回路，關閉故障回路，以確保連續供氣及下游管道、設備的安全。
②監控調壓器+電動調節閥
此工藝適用于上下游壓差≤1.6 MPa的工況。當調壓系統進出口壓力變化不大時，可采用監控調壓器（或安全切斷閥）+電動調節閥的一級安全設備的模式。
對于以上兩種方式，均要求電動調節閥的壓力流量控制系統應能向站控系統傳遞本系統的各種運行狀態參數，如壓力、閥門開度等狀態信息。其控制器應具有就地顯示功能，能夠顯示壓力流量控制系統實時的工作狀態、故障信息（如：調節閥開度、壓力信號錯誤、設備故障等），并能顯示設定值。控制器能夠預先設定壓力上限值、一定時間內流量上限值（即限制流量曲線），并根據預設流量上限值對流量進行控制，保持實際供氣流量不超過流量上限值?？刂破饔辛己玫恼{節特性輸出，能夠控制出口壓力，限制最大流量。壓力和流量控制的切換過程要求十分平穩，不能使被調節對象出現大的擾動。
電動調節閥的智能控制精度，對其所在支路的流量信號反饋十分敏感，為了更好地發揮電動調節閥自我調節的智能化功能，應將流量計的流量信號直接反饋至電動調節閥，以供電動調節閥實時精確地調節燃氣的流量、壓力［2］。
因此在設計調壓流程中，應將流量計串聯在有電動調節閥的調壓支路中，以達到流量信號與電動調節閥一一對應的效果。這樣設置，不但實現了調壓站對于上、下游管網負荷的實時反應和主動調整，同時也可解決傳統工作調壓器多支路流量不均導致的“偏流”問題。這一效果已得到運行試驗的初步證明。
在流量計與電動調節閥串聯設置的設計中，還應該注意燃氣流態對流量計的影響。由于電動調節閥的調節需要流量數據反饋信息，進而使燃氣流量在極大的范圍內調節。所以流量計的計量精度與范圍，對于實現精確的實時調壓調流具有重要意義?，F階段計量精度較高、計量范圍較大的流量計多為超聲波形式。超聲波流量計是通過檢測流體流動時對超聲束（或超聲脈沖）的作用來測量流量的，其測量精度對流體的流態較敏感。另一方面，流量計所在支路串聯的電動調節閥在工作時對于流量信號會實時作出反饋動作，這必然會對支路內的燃氣流態產生干擾，在實際應用中應對這一現象采取措施，穩定流態以提高超聲波流量計的計量精度。
4 某高壓A調壓站的智能化設計思路
以北京某燃氣企業的高壓A調壓站為例，其進口設計壓力4.0 MPa，經站內過濾、計量、調壓，分別輸出次高壓A和中壓A燃氣，設計壓力分別為1.0 MPa和0.4 MPa。站內設2級調壓，4.0 MPa燃氣先統一調至1.0 MPa后，一路出站輸向次高壓A管網，另一路由1.0 MPa繼續調至0.4 MPa，輸送至中壓A管網。
其中高壓A調至次高壓A的工藝流程設置3路調壓工藝裝置2用1備，每路調壓工藝裝置配置安全切斷閥+監控調壓器+電動調節閥，并串聯一臺超聲波流量計。這種設置不但在多路調壓并行的情況下避免了偏流問題，同時可以在不同的管網負荷下，根據調度要求切換運行模式，以實現更加經濟、安全的管網工況。
對于電動調節閥與超聲波流量計串聯設置對后者的干擾問題，結合國內外先進經驗和作者團隊的深入研究，本站采用π形彎的方式進行降噪，即利用4個三通拼接成一個π形［3］。在不同的方案中，可根據現場條件、場地大小形狀及檢修通道的布置來考慮π形彎是以平行還是垂直于地面的方式布置。π形彎布置［3］見圖1。
圖1 π形彎布置
5 遠程調控功能的實現
現階段北京某燃氣企業的智能化建設正在由“只監不控”向“可監可控”過渡，根據調壓廠站的運行需求和調度定位，其遠程調控功能的實現可大致分為以下3個階段。
①調壓站遠程切斷
根據現階段智能燃氣建設的進度及可行性，以及調壓站室外進出口管道上電動閥門地下設置操作不便，存在安全隱患，將其進出口管道上的電動閥門移至地上設置，操作權限按相關生產運營管理規定。調壓站進出口管道上電動閥門距調壓站的距離應符合GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》的規定。
②調壓站無人值守、遠程控制
若做到調壓廠站完全無人值守自動化運行，還需將局部手動閥門更換為電動閥門并配以相應的自控系統。工藝專業的自動化設計，是要求將主要工藝流程上的手動球閥及其導壓管上的球閥替換為可遠程開閉的電動閥門。同時為了降低成本、提高運行安全，保留計量儀表前管段閥門為手動型，同時在運行中保持其常開狀態。所有電動閥門均應具有遠程控制、開關就地顯示及狀態遠傳、記錄功能。
北京某燃氣企業將投入運行首個無人值守自動化高壓A調壓站，以上設計思路也將得到實踐的檢驗。具體運行效果及可達到的智能化調度程度，考驗著工藝專業設計者對于智能設備應用的理解及設計思路，同時對于城市燃氣運行調度系統的智能化建設也提出了更高的要求。
③更透徹的感知
現階段的智能設備技術和解決方案還無法滿足天然氣調壓廠站更加智能、安全地運行，如工藝放散系統的遠程監控和放散量分析、監控系統的設備小型化和采集精確化、供電系統的發電方式和利用效率升級、遠傳系統的無線帶寬擴展以及調壓站管理系統的人工智能提升等。這些領域都是現階段廠站智能設計中面臨的現實問題，也是相關單位在設備智能化研究的努力方向。
參考文獻：
［1］桑薇薇. 天然氣站場的計量調壓設計分析［J］. 科技創新與應用，2013（31）：296.
［2］王鋒. 電動調節閥自適應控制在天然氣調壓中的應用［J］. 中國化工貿易，2013（3）：87.
［3］International Organization for Standardization. Measurement of fluid flow in closed conduits — Ultrasonic meters for gas — Part 2：Meters for industrial applications（ISO 17089—2：2012）［EB/OL］. ［2011-06-29］. http：//www.doc88.com/p-9532132180716.html.
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