燃氣管道工況模擬試驗系統的設計與實現

摘 要

摘要：依據城鎮燃氣管網的結構，設計燃氣管道工況模擬試驗系統，為調控、檢測、模擬等技術方法的研究提供試驗條件，為燃氣應用軟件提供現場測試平臺。關鍵詞：燃氣管道；工況模擬；試驗系
摘要：依據城鎮燃氣管網的結構，設計燃氣管道工況模擬試驗系統，為調控、檢測、模擬等技術方法的研究提供試驗條件，為燃氣應用軟件提供現場測試平臺。
關鍵詞：燃氣管道；工況模擬；試驗系統；軟件測試
Design and Implementation of Test System Simulating Gas Pipeline Conditions
HAO Ran-ran，ZHANG Xiu-qin，CHEN Hao，YUE Ming，WANG Hong-lin. ZHA0 Zi-jun
Abstract：A test system for simulating gas pipeline conditions is designed based on the structure of city gas pipeline network. It provides test conditions for studying gas control，testing，simulation and other techniques and methods as well as a field testing platform for gas application software.
Key words：gas pipeline；condition simulation；test system；software testing
    近幾年來，隨著供氣規模的日益擴大，為保證安全、可靠供氣和燃氣有效利用，燃氣管網優化調度問題受到了普遍重視。為實現燃氣管網調度自動化，解決燃氣管網系統工況優化以及管道事故分析等問題，涌現出了許多監督控制、數據采集、仿真模擬、泄漏分析與定位軟件。這些軟件運行結果的準確與否，直接影響管網系統的設計、投資和運行的可靠性。由于燃氣管網的特殊性，即使將軟件安裝在現場，也無法設置各種工況來檢驗軟件的可靠性，只能依靠軟件本身設定參數進行前期虛擬調試，軟件計算的準確度、能否適應不同工況、能否對運行中的突發事故做出正確響應均無法得到有效驗證。本文介紹的燃氣管道工況模擬試驗系統是在充分研究城鎮燃氣輸配系統結構的基礎上設計的，運行環境接近實際，工況設定靈活，可以模擬事故，為燃氣應用軟件提供現場測試平臺。
1 試驗系統的設計
1.1 總體結構概述
    2008年底，燃氣管道工況模擬試驗系統建成于國家燃氣用具質量監督檢驗中心，是我國建成的第一個集合模擬試驗、工況分析與SCADA技術的綜合試驗臺。試驗系統由壓縮機、儲罐、調壓器、流量計、壓力傳感器、溫度傳感器、電磁閥、電動調節閥等儀器設施組成。儲罐分高壓罐和中壓罐，容積均為100m3。試驗管道設計流量為0～5000m3/h，試驗壓力為0～2.5MPa，管徑為100mm，管道長度為400m，試驗系統氣源為螺桿壓縮機增壓儲存的壓縮空氣。借助球閥組，試驗管道可以組合成單管枝狀管道、單環狀管網、多環狀管網以及枝狀與環狀相結合的復雜管網。
試驗系統有4個試驗區，分別為高壓試驗區(壓力為0.4～2.5MPa)、覆土試驗區、中壓試驗區和低壓試驗區。高壓試驗區和覆土試驗區建在室外，中壓試驗區和低壓試驗區建在室內，與試驗系統配套的小型SCADA系統調度中心設在調度控制室內。燃氣管道工況模擬試驗系統工藝流程見圖1。
目前，試驗系統可以完成城市燃氣輸配系統低壓、中壓和高壓管道的工況模擬。高壓罐出口設置調壓器設定系統試驗壓力，中壓罐出口設置電動閥調節流量，保證試驗系統氣源壓力恒定或流量恒定。壓縮空氣從空氣壓縮站進入儲罐，再經過壓力或流量調節后進入各個試驗區，完成特定試驗。調度控制室負責控制試驗流程，實時采集和保存試驗數據并自動生成報表和趨勢曲線。
 
圖1中，把球閥11、4、19、29、20、16、13、17、21、27、26、25、22、18、5、10、9打開，其他帶編號的球閥關閉，管道組合成一個枝狀管道，壓縮空氣從高壓罐流到中壓罐，沿途設有露天電磁閥和埋地電磁閥模擬的瞬態泄漏點，設有手動放散閥模擬泄漏及用戶。單管流程模型見圖2，圖2中第一漏點距是指從第一個壓力監測點到第一個模擬泄漏點的距離。
 

    ② 單管與單環流程
把球閥11、4、19、29、28、20、21、16、17、13、6、10、9打開，其他帶編號的球閥關閉，管道組合成一個單枝狀(球閥11—4—19—29)和一個單環狀(球閥28—21—17—13—16—20—28)串聯管網。壓縮空氣從高壓罐流到中壓罐，沿途設有露天電磁閥模擬的瞬態泄漏點，設有手動放散閥模擬泄漏點及用戶。單管與單環流程模型見圖3。
 

    ③ 單管與多環流程
    把球閥11、4、19、29、28、27、26、25、22、21、20、16、17、18、13、12、5、10、9打開，其他帶編號的球閥關閉，管道組合成一個單枝狀(球閥11—19—29)和一個雙環狀(球閥28—21—17—13—16—20—28，球閥27—26—25—22—18—12—17—20—27)串聯管網。壓縮空氣從高壓罐流到中壓罐，沿途設有露天電磁閥和埋地電磁閥模擬的瞬態泄漏點，設有手動放散閥模擬泄漏點及用戶。單管與多環流程模型見圖4。
    ④ 多環流程
    把球閥11、4、19、29、28、27、26、25、20、21、22、15、16、17、18、14、13、12、5、10、9打開，其他帶編號的球閥關閉，管道組合成多環狀(球閥29—20—16—14—15—19—29，球閥28—21—17—13—16—20—28，球閥27—26—25—22—18—12—17—21—27)并聯管網。壓縮空氣從高壓罐流到中壓罐，沿途設有露天電磁閥和埋地電磁閥模擬的瞬態泄漏點，設有手動放散閥模擬泄漏及用戶。多環流程模型見圖5。
1.3 SCADA系統
    為試驗系統配套建立的小型SCADA系統，具有開放性、可擴展性、實用性、易操作性等優點。SCADA主站系統的軟件選用在Windows環境下運行的標準網絡版組態軟件，利用其預設置的各種軟件模塊和二次開發程序完成上位機各項監控功能；選用通用的PLC設備作遠端站，利用梯形圖編制程序，控制試驗裝置；遠端站與主站之間采用有線的方式通信。
    該SCADA系統除了具有采集與存儲數據、控制設備運行、動態顯示工藝流程、生成試驗報表和趨勢曲線、提供報警和事件記錄等基本功能外，還集成了高速采集程序，通過設定數據采集數量和采集周期，可以實現最快100次/s的數據采集速率，能夠捕捉到瞬間即逝的負壓波。
2 試驗系統實現的功能
2.1 燃氣管道工況模擬
    試驗系統通過控制管道內氣體流速或壓差來模擬多種工況流態，為燃氣管道穩態和瞬態模擬研究提供了試驗條件。在試驗系統上，利用電動閥調節流量用以改變管道流速，手動調節試驗管道上的球閥開度來改變管道的當量長度和壓差。
    城市燃氣管道設計流速一般不超過20m/s，以此為條件設計試驗，DN 100mm的試驗管道，設定管輸流量約為540m3/h，流速小于或等于20m/s，用來模擬低壓的小區用戶系統、樓棟用戶系統、單用戶系統等；改變氣源壓力和管道內氣體的流速或壓差，用來模擬中壓工業用戶、城市高壓主干管等。
2.2 多種泄漏監測與定位方法的驗證試驗模擬
    造成燃氣管道泄漏的原因多種多樣，主要為腐蝕、自然災害、人為破壞以及管理不當等，具體形式為滲漏和泄漏。滲漏主要指法蘭、螺紋連接部位、焊接部位滲漏等，泄漏主要指腐蝕穿孔、人為打孔、管道斷裂等。
    在試驗系統中，利用閥門和管件來模擬多種泄漏狀況。試驗管道上預留的兩端有法蘭的短管和螺紋接頭可以用來模擬滲漏；手動放散閥模擬小孔泄漏；電磁閥模擬人為打孔等較大流量的泄漏；撤掉高壓試驗區管段末端上的法蘭，控制球閥開度就能夠模擬管道斷裂。上述類型的模擬泄漏部件安裝在管道上，用于模擬干管、環狀管網以及枝狀管網和用戶管道上不同壓力和流速下的多種泄漏情況，可以很方便地進行負壓波、壓力流量法、壓力梯度法、小波分析法等檢漏技術的試驗驗證和分析。在覆土試驗區，通過在泄漏點上覆蓋不同性質、不同孔隙的土壤，可以用來研究不同埋深和不同地質條件下管道燃氣泄漏后的擴散規律。
2.3 SCADA系統對試驗的監控
   利用試驗系統所做的各種試驗都是在SCADA系統的監控下進行的。SCADA系統實時準確地記錄試驗數據，動態在線監測各壓力和流量點，并對異常數據進行標記和分析。SCADA系統采集數據的精度為1%，在軟件測試的過程中，通過軟件計算結果與實測結果的對比分析，可以測試軟件的計算準確度和穩定性，以期改進軟件模型，提高計算的精度，使理論模型更符合實際工況。
3 試驗實例
    ① 城市燃氣管網泄漏在線檢測軟件的檢測
試驗目的是檢驗基于負壓波原理的城市燃氣管網泄漏在線檢測軟件對泄漏點定位的準確度。選用單管試驗流程，將試驗系統充壓至設定值，保證氣源穩定供氣；將電動閥開啟，開始調節，保證一定的用氣量；開啟模擬泄漏的電磁閥，高速采集并記錄實時壓力值，采集頻率為10次/s。
 

圖6為SCADA系統提供的壓力實時趨勢，P0是距離泄漏點最近的壓力測點，P2次之，P1最遠。由于負壓波傳輸需要一定的時間，P0具有明顯的負壓點，P1和P2的負壓點不太明顯。圖7為壓差趨勢，通過壓差比對判定壓差波動最大的時刻發生泄漏，泄漏位置在P0附近。在試驗過程中，城市燃氣管網泄漏在線檢測軟件同步運行，得出的結果與試驗實測結果對比，即可判定出軟件的準確度。
 

   ② 瞬態模擬軟件的試驗檢測
   瞬態模擬軟件是根據氣源壓力或流量、用戶壓力或流量的變化來預測未來一段時間內管道的壓力、溫度、流量以及儲氣情況。試驗目的是檢驗瞬態模擬軟件計算的準確度。首先，計算出試驗系統管道摩擦阻力系數作為瞬態模擬軟件的初始參數。然后，任意選定一個管網流程，氣源壓力穩定在一個設定值，改變模擬用戶的用氣量，保證試驗是一個非穩態的過程，實時采集并記錄管道的壓力、溫度、流量。
    試驗完成后，從SCADA系統實時數據庫中調出采集的數據，與瞬態模擬軟件計算的數據進行對比。若兩者之間偏差為±5%，即認為瞬態模擬軟件的計算值合理；否則，瞬態模擬軟件應修正。
4 結語
    燃氣管道工況模擬試驗系統是國內首創，凝聚了城市燃氣管網的結構特征，能夠較真實地反映城市管網的運行工況，為燃氣調控、檢測、模擬等技術方法的研究提供了試驗條件。可以有效地檢驗燃氣應用軟件準確度，起到了計算機仿真與實際管網運行之間的橋梁作用。
 
(本文作者：郝冉冉 張秀琴 陳浩 岳明 王洪林 趙自軍 中國市政工程華北設計研究總院 天津 300384)