试论城镇燃气管道安全运行智能化监测系统

2022-05-28郝帅孙婷婷

当代化工研究 2022年9期

＊郝帅孙婷婷

（大丰华润燃气有限公司江苏 224000）

当前，社会生产生活方式对能源的需求不断增加，国内多数城镇为了打造“绿色经济”减少污染，都在大力推广天然气等清洁能源的使用，为城镇居民的生产生活提供了较好的能源便利条件。城镇燃气管道是生产生活能源供给的重要载体，其安全运行关系着城镇居民的重大民生，受到了各级政府职能部门的高度关注。燃气的使用涉及到基础管网的建设与运维，其使用过程中的安全是关系到民生和城镇发展的重要问题。由于燃气管网布设广泛，种类涉及干线、支线；存储、转储等不同形式，一些用户的维护使用和城镇工程造成的破坏，都有可能造成管网受损。同时由于管网布设面积广，涉及单位、住户众多，巡查、管理难度大，很难定期实现大规模的检查、巡视，造成的安全隐患也随着管网的密集布设不断增多。如果不通过现代化手段，实现自动化、智能化的监控，将无法防患于未然，严重影响城镇燃气管网的安全运行，造成的问题也会牵一发而动全身，造成供气中断或燃气泄露，这些都对城镇燃气的可持续发展造成不可估量的损失。目前天然气运行管道的巡查仍以人工为主，对管道周围的施工情况无法实时掌控，造成巡查时间与施工时间存在时间差，极易造成管控盲区，从而发生第三方破坏事件，造成燃气管道损坏泄漏，进而引发衍生事故。本文拟提出建立一套城镇燃气管道运行智能化监测系统，运用智能化手段达到安全管控的目的。

1.城镇燃气管道运行智能化监测系统研究背景

城镇化是社会主义现代化的重要实现方式，城镇建设不断跨越式发展，高层建筑物层出不穷，这些都是现代城镇规模化的重要标志，发展对于能源的需求更加迫切。作为城镇能源供给线，燃气管线伴随着城镇发展不断延伸，由于其深埋地下，所以很少被关注。城镇燃气输送的范围不断扩大，容量不断增加，这也造成了各类燃气管网问题不断凸显，地下燃气管道布设的密度不断增加，层叠的拓扑结构，其管线复杂度和交织性不断增加，出现管路问题的概率也在不断增大；城镇道路扩展、桥梁跨接、通信线缆入地、供水排水管路布设等工程的实施，都会对于深埋于地下的燃气管道造成直接或间接的影响。特别是在城镇规划过程中，由于对于燃气管道的重视程度不高，一些规划施工没有严格按照燃气管道所规范的安全距离开展施工，在施工过程中或多或少都会对燃气管道造成损伤甚至破裂，如果不能及时发现将会对城镇安全造成巨大的影响。同时，燃气管道大多处于地下，各地的地质环境、地理沉降、建筑沉降或破损腐蚀，都会对于管道的密封性和安全性造成一定影响，安全隐患随着燃气管道规模发展呈级数上升趋势，如果不引起重视，势必造成管路损坏，引起泄漏导致事故发生

根据国家应急管理部门统计，2021年5月以来，我国发生影响较大的燃气事故达到179起，事故造成的损失巨大，对人民的生命财产安全造成了严重威胁。上述事故中，在室内发生的燃气事故为94起，室外燃气管路事故85起。特别是2021年6月13日清晨，湖北省十堰市张湾区车城街办艳湖社区集贸市场发生严重的燃气管路爆炸事故，由于事发突然，事故现场又位于人员密集区域，楼宇、商家林立，同时发生时间为清晨，正是集贸市场最繁忙的时段，所以造成了非常严重的后果，事故中共计造成25人死亡，138人受伤，重伤者达37人。此次燃气爆炸事故最终调查结果为设施维护不当引起。这足以说明城镇燃气管道不是安装之后就可以一劳永逸的工程，由于它时刻处于动态的运行过程中，其安全监测必须实现常态化，对于任何细小的问题隐患都不能放过，必须未雨绸缪，常抓不懈，这样才能杜绝燃气管道安全隐患，做到警钟长鸣。

由于城镇燃气管道依据城镇生产生活需要规划设计，其布设面积宽泛，管道密集度高，其支线管网深入小区、企业、楼宇、商家、家庭，燃气管道的使用都是365天×24小时不间断状态，同时较于其他通信、电力传输线路不同，燃气管道往往没有备份通道，这就对于其安全监测提出了更高要求，必须在不中断运行的过程中实现全网的实时监控。传统的人工巡检模式，由于受到人员配置、管路部署、城镇基础施工等各方面的影响，很难做到全面、准确、可靠。在监测过程中由于受到现场环境、监测点状态、恶劣天气的影响，也会对巡检时间周期造成影响，无法及时地发现隐患。

鉴于城镇燃气管道使用的长期性和检测的不可预见性，在加强安全设计的基础上，必须加强实时监测水平，而仅仅依靠人工巡检和抽检等方式开展全网的检测很难满足安全运行的需求。因此应该利用先进的科技手段，结合物联网技术，在管网设计之初和改造过程中构建与之安全密切相关的动态智能监测系统，针对城镇燃气管线、主干线、支线、长输管线、城市燃气调压柜、调压站等不同燃气传输设施的特点开展监测，通过多种传感器手段，发现管网细微的物理变化，实时对管网运行的燃气压力、流量和燃气密度进行检测，及时发现可能的渗漏和流量异常，通过数据记录和比对，监测全网安全动态，发现故障现象及时报警，并形成合理高效的处突建议，最大限度的为城镇燃气安全保驾护航。

2.城镇燃气管道运行智能化监测系统简介

图1 系统原理图

城镇燃气管道安全运行智能化监控，是指运用先进的信息技术，融合物联网理念，通过本质安全的前端多种传感器进行燃气管道物理参数汇聚，通过数据网络化传输进行数据汇集，再通过数据中心进行研判，通过数据拟合得到管道当前运行状态，达到现实监视效果。考虑科学性、经济性和可用性，主要通过物联技术的综合应用，以六个模块和子系统构建完备的动态监测网络系统，主要包括：传感器模块、太阳能供电板、远程传输模块、声光报警模块、手机端接收模块、后台管理系统。系统通信可以借助公共通信供应商，也可以通过自组网方式实现，这样就可以实现对燃气管道中燃气压力、输送流量、泄漏状况、外力干扰等具体情况进行数据采集分析，从而达到动态的数据交互和静态的管控策略，保证管道的运行安全。通过系统建设，为燃气公司和城镇职能部门提供可靠、有效、有用的自动化在线监测技术手段，提升燃气安全生产运输的水平。同时，燃气管道安全运行智能化监测系统还能加强燃气管网安全监控，预判管网隐患危险，进行阈值报警，确保应急响应时间，通过对燃气管网监测数据的综合分析研判，还能很好地进行气源信息归集，快速处置燃气管道突发事件。其系统原理如图1所示。

(1)传感器模块

城镇燃气管道监测系统的感知层主要由压力计、气体探测器、内嵌温度计、流量计、物联网网关及外部视频监控组成。传感器模块是燃气管道监测系统的前端关键部分，是系统基础数据来源，通过前端设备实现燃气管网监测参数采集。

传感器模块端侧均采用MC9S08AW60八位协处理单元，可以有效地执行各种感应信息的变化计算需求。HC08优化指令子集，更有利于调试开发，配合单线背景调试模式接口，可以有效地提高不同传感器对应接口的适配调试效率。其60KB的片内可编程Flash资源，可以灵活地调用，配合I2C总线传输，可以更加灵活地与各种接口的传感器进行连接。压力计、气体探测器、内嵌温度计、流量计传感器均采用灵敏度较高的传感器单元，同时各类传感器芯片具备I2C及SPI总线结构，便于与MC9S08AW60单片机进行数据交换。其中气体探测、温度、压力、流量等管道环境传感器，应满足移动应用、小型化、低功耗及本质安全的特点，特别是可以在较为恶劣的地下环境应用的能力，采用双向串行、多主控接口，实现高效的传感信息采集及数据交互。其中气体探测芯片应该对于管道燃气具有良好的检测效果，特别是对CH4的高敏感性，这样才有利于对于管道泄露点的准确发现。

(2)远程传输模块

图2 数据传输模块原理图

为了更为高效地传输燃气管道传感器端的监控数据，采用NB-IoT无线网络及有线网络组合应用的方式进行传输，即确保数据传输效率，又实现本质安全的信息传输。采用网络透传模式，之后再根据各个传感器ID进行数据解析，实现较为高效的交互模式。为了确保各项数据的科学性、完备性和准确性，必须通过合理地设计有线、无线传输网络，应用5G或NB-IoT传输技术，形成可靠的网络通信硬件环境，采用MQTT等分布式传输协议支持，确保网络拓扑方式适合不同的传输环境，为最终监测系统构建创造条件。传输模块原理如图2所示。

(3)声光报警模块

管道中实时刷新检测燃气密度含量，一旦突破阈值，就需要在相应区域发出声光报警，并与主控中心关联，及时做出响应，保障城镇居民生产生活安全。利用此系统，当燃气管道周围有施工迹象时，燃气管道警示带上方的压力传感器感应到压力变化，可以通过手机端App通知运维人员前往施工现场进行安全监护，同时远程控制施工现场的声光报警器发出警报，提醒施工方下方有燃气管道。

(4)手机端接收模块

维护人员可通过系统的App客户端查看燃气管道运行情况。当某个传感器感知管道出现异常，通过远程传输模块将信息上传至后台管理系统，后台管理系统对压力变化差值进行分析，如压差超过临界值，即时将施工位置范围发送至运维人员手机端，设备监测标记变为红色，并弹窗提醒，App端也同时告警，其PC端和手机端界面第一时间知晓燃气泄漏情况。同时，系统维护人员还可以通过数据总览功能查看设备安装量、监测数据、报警及处理情况等信息，并分析隐患态势。

(5)后台管理系统

后台管理系统是城镇燃气管道安全运行智能化监测系统的“中枢神经”，通过网络拓扑的服务层，将传感器数据进行综合汇集和分类分析，同时根据数据分析中各种需求接口进行数据网格化分离，并采用可读性较强的GUI界面进行展示，突出故障情况、故障点位，为城镇燃气管控中心提供可靠的管控依据。非实时的整合已有燃气管道历史数据、管道结构，对应数据分析算法，配合燃气供应企业和城镇管理职能部门诊断管网存在问题，为燃气管道安全运行、提质增效提供科学决策依据。

(6)太阳能供电板

采用太阳能供电板，才能保证各类设备能够在野外部署或在电网供电不便的地方应用。太阳能供电板是整个系统前端传感与信息传导部分的能源供给单元，其中太阳能电池组件可以高效地转换太阳辐射能；用太阳能控制器管理各个供电板的工作状态，确保供电电压的稳定；锂电池组保证持续不断的电力供应。

3.城镇燃气管道运行智能化监测系统的主要功能优势

通过建设覆盖大丰城区的燃气管道安全运行智能化监测系统，利用现代化、信息化的物联技术，构建起了全天时、全天候的地上、地下管网不间断监管体系，其各类传感装置可以灵敏地发现管道上的细微气密、压力和温度变化，通过与历史数据比对，可以最大限度的在管网故障初期及早发现，定位故障点，给故障排除提供有效的时间窗口。

(1)有效增加管道运行安全管理功能

确保大丰城区燃气管道安全管理更加精细化，用智能化的管理模式，用信息化的技术手段，将城镇燃气管道的巡查、巡检用自动化、智能化的监测辅以人工巡视，实现责权明晰，管理具象，为管网的安全运行创造条件。该系统可以通过后台管理系统实时监控本区域内所有管网的运行情况，一旦管道上方压力变换超过临界值，将会及时将信息反馈给运维人员和现场施工方，防止第三方破坏事件。

(2)增强统计功能

由于系统采用了信息化技术，对于管道的各个监测参数进行了全天时的统计，确保了数据的完备性，有利于规范检查流程，确保监测点位的完整性和巡查工作的闭环。通过系统智能化方式，制定巡检计划，遍历监测点位，生成监测日志，管理各项管网安全数据，实现有效监测。在管道的安监管理过程中，用统计、综合、计算方式检视各项安全数据，及时发现隐患，为城镇管道的改扩建工作提供保障。通过该系统可以实时检测到各片区管道的压力数值及变化规律，从而对各处管道压差临界值进行及时的修正，避免误报警情况的发生。