城镇燃气无人值守调压计量撬的应用前景

崔文豪,江国建

(1.青岛润昊天然气有限公司,山东 青岛 266000;2.山东龙禹胜利能源有限公司,山东 济南 251000)

1 无人值守调压计量撬的定义及优势

1.1 无人值守调压计量撬的定义

无人值守调压计量撬,是指无需派驻人员值班,通过信息化手段,由燃气公司管网调度中心值班人员远程调控,或者通过现场自动控制装置实现对撬内设备及主要仪表的运行管理及调度;并通过撬内的数据监控与采集系统,将撬内的主要远传设备及周界监控系统的安全运行实时状况、运行参数等数据及场站周边环境情况进行动态的监测[1]。

1.2 无人值守调压计量撬的优势

相对于传统的常规调压计量站,无人值守调压计量撬集成度高、占地面积小、安装位置获取容易、施工工期短;同时不需要辅助站房等建、构筑物设施;无须征地,解决了当下征地难的问题,降低了土地及土建的投资建设成本。同时无人值守调压计量撬信息化程度较高,采用了站控系统对整个撬区进行监控、管理和控制,可以有效地保证人员、工艺设备的可靠、安全、稳定运行。同时结合自动化技术、通信技术,实现数据的自动采集、传输、处理、报警、远程控制、储存等功能,从而最终达到无人值守的效果。

2 无人值守调压计量撬的应用

2.1 无人值守调压计量撬的选址及设计

无人值守调压计量撬的功能主要有过滤、计量、调压、加臭等,其功能与天然气常规门站、调压计量站基本类似,往往选址安装于农田、绿化带、集体用地、城市边缘地带,距离城市建成区较远,选址较为方便,但也要保证与周边建、构筑物的安全间距要求。 无人值守调压计量撬的设计依据主要为《城镇燃气设计规范》(GB 50028—2020)附录B燃气输配系统生产区域用电场所的爆炸危险区域等级和范围的划分,以及《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》中的相关要求,无人值守调压计量撬属“一区”爆炸危险环境场所,介质属易燃易爆的气体,首要问题就是安全第一[2]。

2.2 无人值守调压计量撬的构成

无人值守调压计量撬主要包括:现场工艺设备、自动控制系统、供电系统、流量计、双金属温度计、压力变送器、压差变送器、阀门电动执行机构、可燃气体报警器、加臭机、UPS、调压器、过滤器、旁通、放散阀等,为保证其运营可靠稳定,一般采用双路计量、调压。

2.3 无人值守调压计量撬的控制系统

无人值守调压计量撬的控制系统一般指SCADA系统,是整个调压计量撬实现无人值守的核心,根据结构划分可分为:应用层、控制层和设备层。应用层一般主要由服务器、工作站、工控机、通讯设备组成。控制层主要是由PLC、DCS等组成的控制系统,与应用层通过以太网、无线电或者其他通信形式进行通讯。设备层主要由压力变送器、温度变送器、电动球阀、阀位远传、气动调节阀等具体的工艺设备组成[3]。

本实际工程应用案例中的流量计、可燃气体报警器通过RS485的方式进行通讯;压力变送器、温度变送器等通过模拟量信号传递,紧急切断、电动执行机构通过开关量信号进行控制和信息反馈。

控制系统工艺确定后,要进行控制系统I/O统计,以便进行下一步的控制系统选型,控制系统的I/O定义表以实际工程应用案例孝里街道西无人值守调压计量撬项目为例,主要设备、信号名称、信号类型等见表1。

表1 主要设备、信号名称、信号类型、I/O地址信息

由于篇幅原因,控制系统的逻辑运行不作展开说明。

2.4 无人值守调压计量撬控制系统的实现

RTU(Remote Terminal Unit,远程测控单元)[4]作为现场控制站,通过设备间的线缆采集现场设备层传送来的模拟量信号及脉冲量信号,进行综合的逻辑分析后通过开关量输出模块控制电动球阀的开关,并在应用层中显示现场采集的各类参数;同时RTU通过RS232接口,经DDN调制解调器向上级调度中心传输相应的压力和流速信息数据,包括:进口压力、出口压力、电动球阀的工作状态、调压后的压力、出站的压力、温度、切断阀位的状态、调压器阀口的开度、流量计的流速和温度等,以此来实现调度中心SCADA控制系统对现场设备层的遥测、遥控、遥调等功能,RTU是SCADA系统的基本组成单元。

3 无人值守调压计量撬的应用案例

3.1 案例背景

以青岛某公司目前实际应用工程为案例,济南辖区内的孝里街道,位于黄河滩区下游,辖区内33个自然村拆迁后整合集中安置到了一个万户级的大社区,均采用17～22层的高层,建筑物149栋,由于社区的位置偏远,距离主城区供热管网较远,经过多方案比较,政府最终采纳天然气空气源热泵机组的供暖方式,随着入住率的提升,导致该片区冬季对天然气的需求量逐步提升,为了保障民生供气的平稳,同时降低供气成本,公司不得不引进第二气源。在国土空间规划调整日益严峻的背景下,乡镇边缘农耕地的征用成为了一大难题(选址图1),同时为考虑公司的经营环境和服务长久性,要尽可能地降低投资成本,同时也到保证安全运营的水平,并使其获得最大的投资回报,因此经过多方考量论证,最终采用了无人值守调压计量撬的设计,并通过快速的施工,仅在一个月内,完成所有设备安装及调试工作,目前已经投入生产运营,安全、生产效益良好。

图1 无人值守高压调压计量撬的选址位置图

3.2 工程概况

孝里街道西3公里处有一处设计压力4.0 MPa,管径DN250的汉岳高压燃气管道并预留有截断阀室即“孝里阀室”,该应用工程起点为孝里阀室,经DN150燃气高压管道,长度约50 m,连接无人值守调压计量撬进口后,向下游de200的中压管网输送天然气。调压撬的设计进口压力为4.0 MPa,出口压力为0.4 MPa,最大供气能力4 000 m3/h。同时为了减少占地和硬化面积,PLC控制柜、电源控制柜、UPS电源、加臭机等均集中在了撬体内,撬体整体尺寸为5.0 m×2.2 m,四周采用钢制镂空护栏,总占地面积20余m2,搭配SCADA系统、视频监控系统的使用可实现远程的调度控制。

3.3 无人值守调压计量撬的设计

该工程的设计主要考虑其位置偏远、征地难度大,同时为提升安全运营水平,该调压计量撬采用D型结构(2+1),进出口配备了电动球阀,电压采用220 V电源,采用高、中压二级调压,其中调压阀位信号、切断阀位信号、温度、压力、流速等等均可实现远传。主要功能有过滤、调压、计量、加臭、安全切断、旁通、电伴热、远程控制、切断、压力温度、流速监控等,同时匹配SCADA远程控制系统,结构流程如图2所示。

图2 无人值守调压计量撬的工艺流程图

3.3.1 防爆电动执行器的设计选型

防爆电动执行器主要安装在撬体进出口的阀门和两个调压管路前的阀门,具备了手动和远程操控的开关功能,因选址位置偏远,临近的电源均使用的是农排灌溉电,电压波动较大,为了使其可靠,选用了国产的防爆电动执行器,方便后期维修保养。

3.3.2 绝缘接头的设计选型

绝缘接头如图3所示,是将燃气输配管线的各段间、设备和管线间相关绝缘隔离,保护其不受腐蚀,提升管线和设备的使用寿命,根据城镇燃气设计规范要求,所有的入站和出站都需要有绝缘接头,考虑到北方地区冬季天气的影响,选用了耐介质温度为-20～60 ℃的绝缘接头,大大提高管线安全运营的水平。

图3 绝缘接头结构图

3.3.3 流量计的设计选型

由于该区域主要为民生用气,导致夏季和冬季用气比例严重不匹配,为满足冬夏峰谷10∶1的不平衡差值问题,使其计量精准,调压计量采用一高一低的设计,低流量管路采用了精度±1.0%级的涡轮流量计,其流量范围20～400 m3/h、高流量管路则采用了±1.0%的超声波流量计,流量范围22～1 400 m3/h,保证其最低小时流量在20 m3和最高小时流量在5 000 m3之间均可实现精准的调压、计量、加臭,避免出现过大的一级输差,同时为确保计量更精准,压损更小,两路计量均在二级调压后计量。通过专家评审,为保证其可靠性和耐久度,最终选取天信TUA-150A-GI 超声波流量计和TBQZII-100B-B-GI涡轮流量计。

3.3.4 调压器和切断的设计选型

调压器和切断的设计选型是确保整个无人值守撬工作稳定的重要基础,为了更好地匹配无人值守功能,方便运营维护,兼顾成本,本次的调压设备选用EQ系列。该系列调压器将调压与切断集融为一体,且是外置式的全平衡式结构。流量调节范围大,适用场合范围广,出口压力控制精准,稳压能力强,操作和设定简单,灵敏度高,响应速度快,性能好,切断精准,操作维护方便,可在线维修。其中一级调压选用的型号为:RTJ-50/6.3-EQ、二级调压选用的型号为:RTJ-80/1.6-EQ。

其中EQ系列调压器主要由顶盖、阀杆推杆、皮膜、指挥器和阀体组成,为间接式调压器,如图4所示。

图4 EQ系列调压器结构图

切断的主要作用则是为了保证燃气调压器以及下游用户的用气安全,当运行压力高于设定的切断压力时,切断部件迅速动作,防止压力升高而导致安全事故。切断装置一般由监控装置、切断装置、阀头行程指示器和复位装置组成。当设备发生故障或其他特殊原因时,下游监控压力升高或降低时,作用在监控膜上的压力与弹簧力不平衡将带动撞杆向右或向左轴向移动触动切断装置,使切断装置中限位块与限位钩脱开,同时阀头在主阀弹簧的作用下迅速地切断气流,以达到切断下游压力的作用。

3.4 实际运行效果

无人值守调压计量撬的运行和常规调压计量撬的运行原理大致相同,主要为调压和计量,仅需在投产前将调压的一二级压力、加臭、切断数值等调试到设定值,同时通过SCADA测试其远程操控的准确性和延迟性,调试监控系统的角度,便可保证投入运营后的无人值守调压计量撬数据检测准确,现场实时监控。现有的两路调压计量出口分别设定在0.35,0.38 MPa,切断数值为运行压力的1.5倍,供暖季选用22～1 400 m3/h的一路,其余时间选用20～400 m3/h的一路,保证其流量计的计量准确性,减少二级输差,同时确保流量计的年检空挡问题。目前该站运营平稳,较常规站的运行大大提升结算管理、安全管理、二级输差管理等指标。

4 无人值守调压计量撬的应用前景

无人值守是实现调压计量撬无人值守管理的基础,无人值守是信息化远程管理的目的。无人值守的调压计量撬由于其占地面积小、施工简便、周期短,且吊装简便,一次性投资少,在新建的项目中越来越受到燃气公司的重视,同时无人值守的模式可以减少后期的运维人工费用,在运营管理上实行高效的信息化智能化管理,使得管理有的放矢,提升效率和精准度,其次可以减少管理难度,提升安全管理水平等。

在无人值守的模式下,打破其原有的传统计量模式,不再需要人为过多干预,可按照上下游实际的用气量需求自动控制计量设备的开关,按设定的流量工况和下游的实际用气量,自动检测流量计的输出并可实现流量设备的自动切换,在上下游结算计量、供需平衡上达到按需供应,安全监管,节能运行的效果。

5 结语

在日益严峻的经营形势下,智慧化、信息化的管理手段不断地得到应用,无人值守调压计量撬不仅符合低耗节能的社会要求且燃气企业在人、财、物等方面做到以最少的投入,便可获取最大的回报。为企业创造较大的经济效益同时,缩短了项目投资回收期限,同时可提升其安全运营和盈利的能力,是城燃企业在该类投资项目中的首选,相信无人值守调压计量撬的应用将会逐步地得到推广。