自动化监控技术在城市燃气管网智能化发展中的典型应用

亳州市公用事业管理服务中心 刘宗

本文简要概述了自动化监控技术的作用，对城市燃气管网的智能化发展中的设备智能化、技术智能化以及管理智能化进行了分析，重点探究了远程流量调节控制、远程压力流量控制以及智能调压等自动化监控技术在城市燃气管网智能化发展中的典型应用，期望通过分析其系统组成结构、控制原理、系统功能以及应用情况进一步了解自动化监控技术的特点与作用。

自动化技术以云技术为基础，秉持大数据理念进行自动化智能监测工作。其能够在很大程度上提高监测的效率，获得的分析数据更加精确，获取数据的速度也更快，由于其突出的优势，被广泛应用于各大领域中，在城市燃气管网智能化的发展中也发挥出了巨大作用。

1 自动化监控技术概述

自动化监控技术是随着科技进步出现的新兴技术，其自动化的特点使其监控功能更加强大，当前自动化监控技术已经能够对各大系统的运行状态与运行设备实施全方位的监控，逐一排查安全隐患，并发出预警，充分降低出现风险的概率。其能够在数据一体化的帮助下对渐变性的故障进行预判，当该故障发生恶化且判断其趋势即将到达故障上限时，系统则会自动报警，并将该故障的位置显示出来，向工作人员提供详细的资料，帮助其分析故障的根本原因。除了检测设备故障之外，自动化监控技术还可以监控各大系统运行流程，对其运行的时间、运行发生的变化等各种工况进行监测，提前判断运行异常的状况并提醒工作人员进行适当地调整。该技术完美利用了人工智能的相关技术，结合大数据的优势，让各大领域中的系统智能化向前迈进了一大步，将其工作质量大幅提升。

2 城市燃气管网智能化发展

2.1 设备智能化

城市燃气管网通常根据其压力被分成三大等级，分别为低压、中压以及高压，在输送天然气时，通常由高压向低压输送，高压管网中的燃气无法直接提供给用户使用，而是需要将其调整为低压燃气才能够进行入户，将燃气从高压调整至低压的降压过程需要依靠专业设备进行，此类设备通常被称为燃气调压站或减压站，调压器是其中的核心设备，控制着调压工作的进行，根据调压的位置以及所调压力的等级又能够将调压站分成多种站点，燃气管网燃气传输工作的核心即为调压站，除了调压站之外，燃气管网中较为重要的设备还有燃气阀门、管道等。随着燃气管网智能化建设的推进，其相应的燃气设备也被升级为智能化设备，为燃气管网的智能化发展带来了坚实的后勤保障[1]。

2.2 管理智能化

城市燃气管网的管理也应当逐渐步入智能化，将新一代的大数据技术、云计算技术以及物联网技术等新型信息技术集中利用，将燃气管网的自动化程度大大提高，实现监控系统可视化，科学地进行决策支持。燃气管网可以利用监控系统获得海量数据，对数据进行分析并作出正确的决策，对管网中的各项燃气数据以及运行管理实施集成化控制，最终构成智能管理平台。实际进行智能化管理时还可以设置适当的运行参数，实现动态在线监测并向工作人员进行及时预警。在进行智能化管理时需要对公共模型以及各项参数的统一存储与管理，对数据进行定期的全面维护，保证燃气管网得以正常运行，让燃气管网的工作更加规范，实现运行和管理的一体化工作、扩大其经济优势，将资源最大化利用起来。

3 典型应用介绍

3.1 远程流量调节控制系统

3.1.1 系统组成

该系统的主要作用是确保城市的燃气管网能够为下游的燃气用户安全平稳且连续地供气，并在此基础上对输气过程中的燃气流量进行准确有效的控制，此类系统主要有三大组成部分，第一部分为SCADA调度中心的调流子系统，第二部分为通讯网络，第三部分为现场调流工作的控制系统。现场调流工作的控制系统又由PLC(系统控制器）、电动执行机构以及流量调节阀三大部分组成[2]。

3.1.2 控制算法

系统中的流量调节阀大多运用电动类型的执行机构，因此采取人工智能的方式取代PID算法控制流量能够避免燃气管网在调流与限流时造成较大的周期性震荡，对燃气管网中的设备以及燃气用户带来不良影响。该系统使用方法为以合理的控制精度按照实际测量值与系统中设定值的偏差，把偏差的区间进行分区处理，对不同的区间应用对应的调节速率，以确保其控制的准确性。此类控制方式能够避免用户花费大量的时间与精力在燃气管网的工况发生变化的时候以及被控流量产生变化时调整控制参数，将用户的调节时间缩短在十分钟之内，确保其能够达到系统中设定的流量值范围，提高用户用气的方便性与快捷性。

3.1.3 应用情况

该系统的设计介质为非腐蚀性的气体，当其处于-20℃到60℃之间的环境温度下时，能够在分输站、调压站等多种工况下被广泛地应用。系统中的控制方式可以满足本地、远程等多种控制需求，能够进行恒流、恒阀位供气，并且系统可以提供4～20mA、RS485以及TCP/IP等多种通讯接口，其大多使用Modbus协议作为系统通讯协议。

3.2 远程压力流量控制系统

3.2.1 系统结构

此类系统的组成部分主要有三大部分，第一部分为SCADA调度中心的压力流量控制子系统，第二部分为通讯网络，第三部分为现场压力流量控制系统。其中现场类型的压力流量控制系统的组成部分较多，除了紧急切断阀、工作调压器等部分，还包括阀门定位器、监控调压器以及各类监控设备。此类结构的系统采用的供气模式大多为两用一备，除此之外，多用多备模式也应用较多。因此现场类型的压力流量调节系统需要由多个调压火车构成，调压火车的数量应当控制在三个以上，要求其拥有完全相同的结构，并且以并联的形式组合起来。为了更好地对压力流量进行调节和控制，需要使用具备高性能的监控设备以及控制器对调压过程中运行的工作调压器进行同时控制，进而有效控制调压站正常的出口压力，或者对调压站应有的总流量进行高效调节。

3.2.2 系统原理

按照工艺要求，通常需要应用失效关闭型也就是FC型的监控调压器与失效常开型也就是FO型的工作调压器。当系统正常运行时，执行机构志宏的定位器会根据系统控制器设定好的压力与燃气流量进行自动开启、关闭工作调压器的工作，并将压力与燃气流量的波动控制在系统设定的范围之内。一旦工作调压器出现了故障且处于全部开启状态时，监控调压器则会启动其监控功能，按照系统设定好的压力对其进行自动调节。如果监控调压器也出现了故障，则需要立刻切断阀门，实施安全保护，当燃气出口的压力高于系统设定值时将会开启自动切断功能，确保下游用户的供气安全[3]。

3.2.3 系统功能

该系统进行调压和调流的方式有两种，一种为本地调节，另一种为远程调节，本地的控制系统中为了给予用户更多的选择，增加了安全保护功能，提高了燃气输配调度的可靠性与安全性。本地控制系统也增加了保护功能供用户选择，使得输配调度更加安全可靠。其提供的调节模式也有两种，一种为恒压供气，另一种为恒流供气。当其处于同一时刻时，只可以选择调压与调流中的某一种控制模式，但当系统进行调压工作时也能够保护燃气流量的上限与下限，形成在一定流量范围之内进行调压的功能，也可以在进行调流工作时保护压力的上限与下限，形成在一定压力范围之内进行合理调流的功能。此类系统中往往会配置专用监控设备，例如，高清触摸屏，将各类工况清晰、全面地显示出来，各种调节方式与调节模式、调节阀进出口时的压力数据、反馈数据以及各类反馈信号、故障记录都能够在监控设备中显示出来。

3.2.4 应用情况

当前国内已有诸多城市应用了此类系统。此类系统能够调节的最大压力为10MPa，其在单路上调节的流量每小时超过20万方，每小时能够达到的站控流量为80万方。由于其控制设备的组成部分具有较高的品质，再与其专用控制技术结合起来，能够使管网中压力和燃气流量的控制精度达到1%。此类系统的主要应用对象为天然气，其在控制天然气压力与调节天然气流量的工作上应用较好，对于拥有多个气源的地区而言，其还可以远程分配管理多气源，并且保证分配管理的方便性。

3.3 智能调压站

3.3.1 特点

与传统调压站比较而言，智能调压站拥有的最大特征为其智能化，其可以实现智能监控、数据动态管理，且在智能化技术的支持下确保调压的安全与高效。在此基础上设计开发的调压站能够在智能化技术的帮助下独立地完成监测、控制调压站的工作，且在监测与控制的过程中应用自动化技术，提高监测控制的效率。智能调压站其自身运用的监控系统就能够以本地、远程两类不同的方式调节、控制燃气压力与流量，并且在控制的同时监控整个调压站的运行状态。其具备的动态管理的特点指的是智能调压站利用移动终端以动态应答的方式对调压站实际的运行参数进行采集，除了调压站进出口燃气的压力与流量之外，还可以获取阀位开度、故障报警等多方面的信息。在动态管理的帮助下，管理人员不用来到调压站的现场就能够对调压站的实际运行状态了如指掌，做到随时随地地掌控调压站信息，既节省了工作时间，也为故障检修减少了麻烦，还提高了监控的效率。由于其具备动态管理的能力，因此可以利用此项功能，适当减少工作人员在调压站的现场巡检，大大减轻了人力负担，优化了企业的人力资源结构，节省了人力成本，为企业带来了更多的选择，智能调压站中设置了多重安全预警功能以及安全保护的相关功能。例如增加压力报警的数量，当系统发出警报时，其发出的警报信号会在第一时间输送至管理人员的设备上，使管理人员在第一时间获得故障现场的信息，及时进行故障应对。除此之外，智能调压站还可以实现超压自动切断功能，同时其具备欠压人为切断功能。因此总体而言，智能调压站的安全性能远远高于传统调压站[4]。

3.3.2 功能原理

智能调压站为了实现更高效快捷的工作，将阀位变送器连接在调压器上，并将其另一端与控制器相连。因此开启或者关闭燃气调压器阀芯时，设置于阀位变送器的探测杆将会跟随阀芯的移动进行同步运动，该探测杆连接着位移传感器，在此基础上，阀位开度的相关信号能够被转换成电子信号，方便控制器识别与传递，控制器连接着调压器的进出口管路，因此调压器进出口的燃气压力也能够被顺利检测。智能调压站能够通过信号传输的方式使智能监控平台连接上调节控制器，无论使用有线方式还是无线方式，都能够通过网络实现连接，进而实现平台监控，在监控平台的帮助下，调压器进出口的燃气压力获得了妥善的设定，其绘制的调节曲线也能够取得理想中的效果。智能调压站中还具有气动控制单元，作为新增加的单元，其能够有效调节弹簧压力，并对螺栓进行调整，与此同时，智能调压站还可以对CS导阀下腔压力进行调节，通过该处的变化调整调压器燃气出口压力，一般来说，调压器的燃气出口压力为弹簧压力和CS导阀下腔实际压力相加，其数值基本一致。将弹簧压力设置为调压器中起到保障作用的最低压力，则不再需要对弹簧的压力进行重复设定，想要改变出口压力时，只需要对CS导阀下腔实际压力进行调节即可。CS导阀下腔实际压力的控制需要依靠其他措施进行，为了实现有效压力控制，需要在其单元中科学设置进气与排气的电磁阀。开启进气电磁阀时，导阀下腔实际压力会逐渐增加，进而增大调压器中燃气的出口压力。而开启排气电磁阀时，导阀下腔实际压力则会随之下降，进而降低调压器中燃气的出口压力。当前主要选取时间比例的算法作为调节出口压力的控制算法。智能调压站中应用的通讯模块还具有接收远程限流指令的功能，调流过程中的瞬时流量值比系统设定的限流值高时，系统控制器将会输送降压指令到控制模块中，控制模块接收到相应指令后将会将排气电磁阀快速开启，降低CS导阀下腔的实际压力，进而使其出口压力下降，使阀芯向下关闭，降低调压器流量，使远程限流功能得以实现。

4 结语

总而言之，自动化监控技术能够在很大程度上提高监测的效率，其获得的分析数据更加精确，获取数据的速度也更快，在城市燃气管网智能化的发展中发挥出了巨大作用。远程流量调节控制、远程压力流量控制以及智能调压站是自动化技术在城市燃气管网智能化发展中的典型应用，其充分反映了自动化监控技术的智能、高效与便捷，从其实际应用能够看出自动化监控技术在城市燃气管网的智能化发展中功不可没。