城市燃气智能调压箱功能研究

王 硙， 张晓瑞， 李夏喜， 孙明烨

(1. 北京市燃气集团有限公司，北京100035；2.北京市煤气热力工程设计院有限公司，北京100032)

1 概述

近年来，随着城市燃气的智能化发展，天然气调压作为城市燃气输配系统中的关键环节，其智能化发展越来越受到重视，智能调压箱的应用越来越多。目前智能调压箱的功能以远程调控、运行数据采集等为主，缺少运行数据的分析功能，仍然处于比较初级的智能阶段。

智能调压箱的功能可分为3类：远程调控、自我感知分析、自动控制。目前的研究与应用主要集中在远程调控、自我感知分析两方面[1-3]，例如，远程调整调压箱出口压力设定值，设定流量上限，采集关键运行参数等。随着燃气公司对安全运行、精细化管理等方面的要求不断提高，运行参数分析、自动控制方面的需求逐渐凸显，提出了故障预警、关键运行参数报警、设备维检修信息监测等需求。

本文从燃气运营单位需求角度出发，分别从远程调控、自我感知分析、自动控制3个方面讨论智能调压箱的功能。

2 远程调控

远程调控功能主要是远程调节调压箱的出口压力、流量或改变调压箱运行模式。具体分为4个方面。

① 远程修改调压器出口压力设定值。

② 远程设定调压支路流量上限。当实际流量小于流量限值时，按照定设定出口压力模式运行；当实际流量接近或超过流量限值时，按照流量限制模式运行。

③ 远程设定调压器出口压力、调压器流量或流量上限随时间的变化曲线。

④ 远程调整调压箱的运行模式，例如下文介绍的梯次运行模式、流量均分模式等。

经过多年的开发与实践，目前已有多种方法实现调压箱的远程调控功能，压力级制覆盖全面，而且不少功能已投入应用[4-6]。目前研究方向逐渐转向开发更加精准可靠、空间紧凑的远程控制设备。

3 自我感知分析

自我感知分析功能具体可以分为运行数据采集、运行数据分析、设备维检修信息监测3个方面，其中运行数据采集是数据分析的基础，而具体的数据分析功能又对数据采集点、采集方案提出了要求。目前，调压箱运行数据采集方案已经比较完善，具体包括关键位置压力、温度、流量、关键阀位等。但是针对运行数据的分析比较匮乏，现有研究与应用大多集中在中-低压调压箱的故障诊断方面[7-12]。为了满足燃气公司精细化、智能化管理需求，逐渐提出了运行数据报警、调压器预警、主要设备故障诊断等功能。

3.1 运行数据采集

运行数据采集主要服务于监视分析调压箱运行状态，据此可以初步列出需要监测的数据点。需要采集的压力类数据包括调压箱进出口干线压力、运行调压器指挥器压力、运行调压器与监控调压器间压力、调压后压力。

压差类数据只有过滤器前后压差。

流量类数据只有调压箱总流量，单个调压支路的流量可以根据运行调压器阀口开度、调压前后压力等参数计算[3，5]，相对误差的绝对值在5%左右[2，6]，基本满足调压支路限流功能需求。

温度类数据包括调压箱进出口干线气体温度。

需要采集的阀位类数据包括调压箱旁通支路阀、流量计前后阀、计量旁通阀、调压器前后阀、监控调压器的开关状态以及运行调压器开度。

阀门执行机构需要反馈其状态数据，包括扭矩、电压等。

可燃气体探测仪可以反馈调压箱上部的可燃气体浓度。

此外，还需要加设智能锁，仅获得授权的用户可以打开调压箱，实现调压箱防入侵监测。

如前所述，部分运行数据分析方法尚不成熟，需要采集的运行数据会随着相应方法发展而不断改进。例如，在实际应用中发现能够远程调压的部分调压器发生故障时，会表现出指挥器气包压力异常的现象。

3.2 运行数据分析

运行数据分析的目的是了解调压箱运行规律，诊断调压箱运行状态，发现问题，是调压箱“智能”的核心功能。其中包含的功能多种多样，从实际应用出发，逐渐凸显的需求包括调压器故障预警、调压箱主要设备故障诊断，用以解决高压调压箱(包括高压A-高压B、高压B-次高压A、次高压A-中压等，以下统称高压调压箱)过度维检修，实现中-低压调压箱精准维检修。高压调压箱流量大，出故障后影响范围大，因此，燃气运营单位一般定期拆卸、检修其调压器，存在工作量大、调压器过度检修的问题。中-低压调压箱数量众多，而且大多数缺少运行数据采集功能，人工巡检不能及时发现问题。

调压器故障预警功能指通过收集分析调压器运行数据，在调压器发生故障前发出预警，提前检修调压器，避免调压器故障影响范围过大。李清等人[13]基于小波包能量法和专家经验建立了高-中压燃气调压器安全预警模型，安小然等人[10]采用支持向量机法建立了中-低压燃气调压器预警模型。但是到目前为止，调压器故障预警，尤其是高-中压调压器故障预警的问题还处于研究阶段，尚未有明确的解决方案。

故障预警分析通常要求采集调压器前后压力，间接式调压器需要采集指挥器压力，高压调压器需要采集阀口开度。通过分析历史运行数据，建立调压器故障数据模式，对比实时采集的运行数据，进行故障预警。可以看出，调压器故障预警是一个典型的模式识别问题，在理论研究与实际应用中主要受限于数据样本不够丰富、故障数据模拟困难。

主要设备故障诊断主要实现调压器、进出口阀门、流量计、过滤器等设备的故障诊断。目前调压器故障诊断方面的研究比较多[7-12]。据文献介绍，中-低压调压器故障诊断问题已经得到了较好的解决且投入了应用[14]，高压调压器故障诊断则处于初步研究阶段。与中-低压调压器相比，高压调压器因数量少、检修频繁，故障数据样本很少，中-低压调压器模式识别类的研究方法不再适用于高压调压器。

流量计、阀门、过滤器故障诊断的相关文献比较少。闫国帅[15]研究了天然气计量用超声波流量计的故障诊断问题。赵然[16]统计了北京燃气涡轮流量计的典型故障与原因，开发了涡轮流量计的在线故障诊断系统。党国栋[17]研究了往复式压缩机气阀的故障诊断问题。目前没有公开发表的过滤器诊断相关研究成果。

除上述功能外，运行数据分析还有一些其他的辅助功能，例如，运行数据超限报警、下游流量异常报警等。运行数据超限报警根据阈值报警，基本没有分析功能，具体包括压力流量超限报警、阀位错误报警、执行机构错误报警、泄漏报警、入侵报警、过滤器压差超限报警等。下游流量异常报警则通过长时间采集分析调压箱正常流量变化规律，当监测到流量异常快速升高时发出报警，应对下游管道爆管等事故。

3.3 设备维检修信息监测

设备维检修信息监测功能主要辅助解决调压箱易损件定期更换的问题。随着城市燃气公司运营的调压箱数量越来越多，安排调压箱定期检修、维护备品备件库存等工作越来越复杂。该功能通过录入调压箱各部件与易损件的型号、生产厂家、检修期限、库存量等信息，从而能够配合运行单位安排检修计划、调整库存，降低燃气运行单位的工作量。

4 自动控制

自动控制方面，目前提出的需求包括多个调压支路的自动倒台、梯次运行、流量均衡、小流量运行、控制模式切换等。典型调压箱内一般拥有多个调压支路，自动倒台、梯次运行、流量均衡等功能是为了保障调压箱各调压支路之间协调运行。小流量运行是为了解决用气低峰时，调压箱过气不计量的问题。控制模式切换则为多个运行模式之间的切换提供提示。

自动倒台功能是为了解决调压支路累计运行时间不均衡的问题。设定每条调压支路累计运行时间上限，当某条调压支路达到设定上限时，自动切换到备用路并提示检修。在应用中，只要调压器运行就计入累计运行时间，不考虑流量大小，没有考虑不同流量对调压器磨损程度的差异。目前这方面尚缺少相应研究，需要在应用中进一步总结经验。

梯次运行功能仅适用于调压支路多用一备的调压箱。通过设定每条调压支路的流量上限，或为每条调压支路设定不同的调压器出口压力设定值，防止出现小流量工况下多路调压支路运行，或大流量工况下仅一路调压支路运行的情况，使调压支路运行数量与调压箱总流量相匹配。梯次运行功能与自动倒台功能协调搭配，能够执行调度运行人员制定的调压器运行计划。

流量均衡功能同样仅适用于调压支路多用一备的调压箱，能够在多条运行调压支路间均分流量。该功能的提出基于以下朴素的认识：多条调压支路运行时，总流量在多条支路之间均分是最优的运行状态。但这一认识的正确性还需论证以下问题：不同流量条件下调压器磨损是否有差别？该差别有多大？是否值得投入相应的费用增加流量均衡功能？

小流量运行是主要针对夜间用气低峰时的智能运行模式，目前在实践中已经得到了比较好的应用[1]。非供暖期城市燃气负荷基本稳定，但在夜间会出现小流量工况，流量计在精度范围外容易产生较大的计量误差。为了保证贸易流量计的计量准确性，当流量计瞬时流量小于流量计量程下限时，关闭调压器，依靠管存气量对管网进行供气。当调压器出口处压力下降至设定压力下限时，恢复调压器工作，以保证流量计计量准确性，有效降低供销差。同时，由于运行压力的降低，还可以提高管网运行安全性。

控制模式切换功能是通过分析运行数据，选择调压箱最优的运行模式，向运行调度人员发出提示，降低运行调度人员的工作强度，降低运行模式切换的随意性。

5 结语

燃气智能调压箱的功能可以划分为远程调控、自我感知分析与自动控制3类。其中，远程调控包括远程调压、远程调流、远程修改运行模式功能。自我感知分析包括运行数据采集、运行数据分析、设备维检修信息监测功能。自动控制包括自动倒台、梯次运行、流量均衡、小流量运行、控制模式切换功能。

本文构建的智能调压箱功能体系可以作为燃气设施智能化建设的参考。目前远程调控、运行数据采集在实践中已经有了不少应用，但运行数据分析、自动控制类功能还需要进一步研究。