天然气自动加臭注入系统应用分析与优化

任保卫

（上海天然气管网有限公司供气管理部，上海201204）

随着经济的发展以及国家对环保意识的逐渐增强，天然气作为一种清洁能源，在国民经济及日常生活中的应用越来越广泛。特别是西气东输、川气东送、俄气南下和LNG工程技术日渐成熟，诸多燃气管道被建成。城镇管网燃气的使用已经得到了国家的高度认可与重视［1］。天然气的使用进入快速发展期，城市管道燃气的普及率也越来越高。因燃气泄漏不能及时被发现而造成的中毒窒息、爆炸等恶性事故时有发生，给人民生命财产造成极大的损失。因此，为了保证城市燃气的安全输配与使用，确保燃气用户及维修、管理人员能凭嗅觉直接及时发现泄漏，早发现、早处理、防患于未然，将一种具有特殊臭味的化学物质加入到燃气中，使燃气带有臭味，提醒人们注意燃气的泄漏，成为了保障民用及工业用气安全的必要措施之一［2］。

1 概 述

天然气作为清洁性能源主要成分是甲烷，在家庭及工业领域应用中越来越普及。但由于其具有无色无味、易燃易爆特性，在燃气输送和使用过程中，泄漏后不容易被察觉[3]。为及时发现，防止形成爆炸性气体（甲烷在空气中爆炸极限为4.9%～16%），避免造成不必要的人身和财产损失，在燃气中添加警示性物质变得至关重要［4］。民用燃气加臭是安全供气的必要措施，《城镇燃气设计规范》（GB 50028—2006）中明确规定城镇燃气应进行加臭［5］。所以对天然气需要进行加臭处理，帮助人们及时发现泄漏，四氢噻吩是最常见的天然气加臭剂。

加臭剂有含硫臭剂和无硫臭剂。过去我国在加臭剂及加臭装置等方面的科研还比较落后，市场上可选择应用的产品也较少。随着时代的发展，天然气越来越多地用于各种工业及生活领域。臭剂的选择，燃气加臭装置的设计，检测装置的开发都是随之而来必须面对的问题。四氢噻吩是国际上广泛使用的燃气味添加剂，俗称“加臭剂”（Tetrahydrothiophene，THT）［6］。THT为淡黄色透明油状液体，是一种含硫饱和杂环化合物，不易被空气氧化，化学性质稳定，挥发性较低，但总能产生稳定、不易散发的臭味，它对燃气设备、运输管道垫片等材质没有腐蚀性，对人体嗅觉不会产生习惯性钝化，也不会引起咳嗽、头痛、催泪等刺激反应。因此，可作为城市燃料气，如：天然气、液化石油气、以氢及一氧化碳等为主要成份的燃料气体的臭味剂［7］。

上海天然气管网有限公司供气管理部共有12套自动加臭注入系统。其中柱塞泵式［8］的2套，差压式的10套，基本都在门站及调压撬上使用运行。公司现使用的加臭剂就是四氢噻吩（THT），其分子式为C4H8S。爆炸极限为1.1%～12.1%，具有类似臭鸡蛋的味道（刺鼻气味），不溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮，不会与天然气发生反应，但可与天然气一起充分燃烧。本文主要以差压式加臭为例，分析研究自动加臭注入系统在天然气生产中的应用。

DOSAODOR-D加臭注入系统是一套由计算机（控制器）控制，利用管道天然气的前后压差作为动力工作的气体加臭注入机构，可以与常规储罐［9］设备组合安装。加臭量大小根据管道气体流量大小进行自动调节控制，系统通过液体注入方式进行运转，以维持和确保一个相对恒定的单位加臭量，天然气中臭液加注标准基本为：18～22 mg/Nm3［10］。

加臭技术规程要求，加臭装置要具有数据通信上传的功能。差压式自动加臭系统DOSAODOR-D整套完全可配置，可以与远端监视系统接口链接［11］。

2 基本原理

加臭系统现场的气动面板中安装有两个SA2调压器。第1级调压是把上游的天然气压力（约4.0 MPa）调压到比下游压力（约1.6 MPa）高0.3 MPa；第2级再将这一压力调压到比下游压力（约1.6 MPa）高0.06 MPa，确保臭液能注入到天然气管道中。臭液加入量是通过气动面板中的电磁阀开启时间长短来确定。电磁阀开启时间长短，由“控制器”所采集到的流量计算机发出的表征流量大小的频率信号，与需要维持的单位加臭量进行运算比较后而确定的。同时，如果电磁阀执行过程中有偏差，气动面板里的计量罐（校验筒）会给“控制器”反馈信号并进行自动修正。加臭基本原理如图1所示。

图1 加臭基本原理

此控制系统对运行过程中的加臭量、流过的气体量、单位加臭量等数值均可根据要求按时、按日进行打印，以供操作人员、管理人员监控管理。

3 加臭控制器操作设置

加臭电子控制器，液晶显示菜单主要由LOC00～LOC15组成。这些菜单上的信息，工程师或者操作者必须了解，并按照不同场站的工况进行相应的设置。

3.1 启动操作

工程师对控制器接受表征流量大小的脉冲（标准配置），或电流信号4～20 mA（需配置）等设置做好约定，并对系统电气设施的设置检查完全确认后，可按下列步骤进行操作（显示、修正系统运转所需的程序数据）。加臭电子控制器面板如图2所示。

图2 加臭电子控制器面板

将钥匙调到PROGRAM-OFF（即编程-关闭），把钥匙插入程序控制锁PROGRAM-ON（即编程-开启），按Alarm Reset（报警复位键），并把钥匙插入程序控制锁PROGRAM-ON（即编程-开启），按LOC键选择设置单元，ENT键进行输入，再按ENT键进行确认，各类设置完成后，按AUTOMATIC键系统即可自动运行。需手动输入流量参数，设置完成后，按MANUAL键，系统也可自动运行。

3.2 编辑设置操作

编辑设置电子控制器系统程序运行所需的数据，用户只能修改单元LOC：00～LOC：06的参数，其余不能修改，可修改的项目字符行右边显示标注“*”。

按LOC键，在液晶面第1行最左边显示LOC：**.如输入“00”即显示如下信息：

Loc：00 DOSAODOR-D Rev.2.7（设备、版本信息）

Language Messages ENGLISH*（语言）

Date Day/Month/Year 18/03/20*（日期）

Time Hour：Minute：Second 10：20：30*（时间）

输入指定单元号码，必须以两位数表达，如输入01，即调出Loc：01（第1单元）。按↑↓键可进行上下行切换，输入数字错误，可用“CLR”键进行删除。

电子控制器其他单元具体编辑设置，单元参数编辑设置参照表见表1。

表1 单元参数编辑设置参照表

4 差压式加臭的工作方式

在自动加臭系统启动以前，检查所有的气动管路连接正确，所有的管道装置连接件已上紧，进一步检查气体无泄漏。打开、关闭气路中各相关阀门，接通电动控制单元。启动和排空程序完成后，系统运转就已经准备就绪。气动面板如图3所示。

图3 气动面板

上游压力（约40 bar≈4.0 MPa）从“前取压4.0”输送到压力调压器1，调压器1将入口压力从4.0 MPa（40 bar）的最大值，减到比设定的气站出口压力“后取压1.6”值高0.3 MPa（3 bar）。第1级减压后压力再送往第2个压力调压器2。压力被减到比气站出口压力“后取压1.6”高0.06 MPa（0.6 bar）。不论下游存在的压力是多少，此调压器2输出的压力均会比它高0.06 MPa（0.6 bar），确保了允许正常臭液注入的稳定的压力差。第2个压力调压器2也具有处理最大输入压力4.0 MPa（40 bar）的降压能力。

除了两个SA2压力调压器，调压管路上还有一个安全释放阀VS，在标准版本中阈值设定在1.4 MPa（14 bar）。该安全释放阀具有保证1#及2#两个调压器，在同一时间故障时，能够保证设备承压安全的能力。

在此面板中，加注压力差是由两位三通转换电磁阀截取，三通道电磁阀可以在静止条件下对校验筒加压，在校验筒中可以看到臭液的体积，控制压力表位于校验筒上部。

当加注系统开始启动时，加臭的液体被注入到下游的管道中，其体积将会被等体积量的天然气所替代。一旦注入液体的量达到由校验筒设置并控制的量，加注阶段就结束了。这时，两位三通转换电磁阀和两位两通补液电磁阀同时打开，然后校验筒中存在0.06 MPa（0.6 bar）的过压，将被从后取压1.6处重新充回到位于下游的主管道中，此刻，校验筒与THT储罐具有相同的压力值。在此种模式下，可发现臭液在过滤器中自动流动，并开始填充校验筒（所以气动面板安装位置要比储罐低）。在校验筒重填过程中，THT臭液储罐逐步被清空，从中取出的臭液体积将被等体积的气体所替代。当注入的臭液达到设置的标准时，两位三通转换电磁阀和两位两通补液电磁阀将恢复到静止状态。校验筒将被再次施加压力差，自动加臭系统又重新开始一轮已设数量臭液的加注［12］。

通过对上述流程的分析，可以得知DOSAODOR-D自动加臭系统工作中并不消耗气体，所有气体都在过程中被收集，然后重新注入到下游的主管路中去。

5 加臭注入系统的改进和优化

5.1 改进天然气流量数据变化引起的加臭控制异常

天然气场站管束区一般都有2～4路流量计，管束区调压站流量的相关数据，一般由RTU、流量计算机通信和运算取得。

加臭注入系统所用的天然气流量，就是RTU和各个流量计算机通信取数运算后所得。其中主要用的是流量计标况累积量，每台流量计大约2 s通信读一次数。对每台表的标况累积量求和后，计算出调压站总标况累积量1，存入寄存器1。新周期的标况累积量求和后得出调压站新的总标况累积量2，存入寄存器2。两个寄存器累积数据相减，就运算出目前周期内出站天然气总量x。再除以和加臭系统约定的单位脉冲天然气流量（m3/pulse），计算出RTU系统需要发出多少脉冲。加臭系统根据收到的脉冲数量，依据前期设置的数据，通过运算控制气动面板，进行正常的加臭。

但在实际使用过程中发现，现场有检维修更换流量计作业时，下游销售公司会要求贸易流量计累积数据复位清零。这将导致新周期总累积量比上周期少，瞬间变小的数据直接导致RTU流量运算出错，加臭系统罢工不加臭，威胁到了用气安全。

针对这个问题，经深入研究分析，认为处理故障及流量计累积数清零均属于正常操作。计划从加臭程序改进入手，首先对RTU运算程序进行改进优化，然后对操作站控画面进行了修改。以前的操作站控画面只有查看权限，无法修改程序数据参数，处理故障必须由系统工程师，在RTU下位程序中进行调整干预修正参数。现在计划把周期总标况累积量参数变量做成RW可读写变量。在站控流程图画面上开放出来，做一个加臭控制画面单元，加上设置权限由场站当班管理人员管理。若自动加臭系统出现异常故障时，先判断原因，然后直接赋值进行变量修正，既纠正了程序运行错误、又节省了处理故障时间。本操作不会改变流量计算机的数据，不影响贸易计量。

5.2 加臭控制器数据远程上传优化

管网公司供气管理部，目前共有12套加臭装置。差压式的10套，只有2套柱塞泵式［13］西门子PLC控制的加臭系统数据进行了远程上传［14］。DOSAODOR-D自动加臭系统具有Modbus通信联接口，数据暂时未能上传。

针对这个情况，调研后提出了优化方案，计划把差压式加臭的数据也进行远程上传监管。去年选一个站点作了可行性研究试点，先建立通信链接，把加臭控制器数据通过Modbus通信到RTU系统，然后再通过RTU上传到整个公司SCADA及DMS系统，使得在公司内部办公网络中可以通过DMS系统Web界面，实时查看加臭系统的运行状态及数据。加臭系统通信协议见表2。

表2 加臭系统通信协议

加臭系统通信协议具体设置数据如下：Modbus通信协议；两线制RS-485网络；从机地址=1（可以改）；通信速率=9 600，停止位=1；数据=8 BIT，校验=NON。

首先配备Modbus232转485通信转接线，然后建立RTU系统和加臭控制器之间的线路联络，结合RTU系统加臭系统工程师配合设置，进行通信测试联调。通过工程组态顺利实现了该站点加臭系统数据远程上传监控的功能。计划今年把其余各套DOSAODOR-D差压式加臭系统的运行数据全部实现上传以便于设备管理和生产监控，该项目已在启动实施过程中。

6 结 语

THT是一种污染性强，易燃易爆，较为昂贵的液体，操作时应注意安全，燃气公司普遍都对天然气的加臭较为重视。对家用天然气进行加臭处理，是一种最基本的安全保障。通过实施加臭措施，从技术上保证能及时发现，及时处理泄漏事件，把泄漏事故消灭在萌芽状态。杜绝和减少户内天然气安全事故，THT起了很大作用［15］。

目前，民用燃气加臭工艺运用较为广泛，从设备选型、运行状况、管理方式等方面入手，通过对加臭装置的加注量、监测浓度数据的对比分析，发现在加臭剂加注过程中存在有加注量过大、浓度不稳定、对环境影响大等一些还需要改进的地方。研究自动适时适量的加臭，可以有效控制后端浓度，降低对大气环境的影响，减少加臭剂的浪费，达到降本增效、确保安全使用燃气的目的［16］。通过对差压式天然气自动加臭注入系统基本原理、编程操作、工作方式的深入分析研究，进一步提出加臭注入系统的改进和优化。DOSAODOR-D加臭注入系统的应用，不但保证了生产的安全平稳运行，提高了工作效率及管理能力，同时还提高了生产的自动化水平，保护了环境，减少了不可控灾害事故的发生。