定时限压限流远程监控管理系统的研究

摘 要

论述了燃气调压站定时限压限流远程监控管理系统的组成、工作原理、特点、造价及运行费用、运行效果。

摘要:论述了燃气调压站定时限压限流远程监控管理系统的组成、工作原理、特点、造价及运行费用、运行效果。
关键词:限压;限流;调压站;电动调节阀
Research on Regular Pressure-and Flow-limited Remote Monitoring Management System
ZHAO Henghai,BAO Xiuwei,HAO Changfu,YANG Lei
AbstractThe composition,working principle,characteristics,construction and operation cost and operation effect of regular pressure-and flow-limited remote monitoring management system in gas regulator station are expounded.
Key wordspressure limiting;flow limiting;regulator station;electrical control valve
1 概述
   随着天津城市建设特别是滨海新区的快速发展,燃气管网已延伸至18个区县,输配管道总长度达近1×104km,燃气用户达230×104户。作为燃气管网中重要的设施——燃气调压站,具有控制燃气供气流量、调节供气压力的功能。由于燃气管道的不断延伸,无人值守调压站越来越多,如何保证调压站安全稳定供气并实时监控供气工况是燃气企业必须面对的关键问题之一。定时限压限流远程监控管理系统是在原有的区域中-低压调压站已有的设备基础上增加一套包括调压站流量、出口压力等工艺参数的数据采集装置和电动调节阀开度的调节装置的无线远程调节控制系统。“定时”是指在保证居民用户正常用气的前提下,根据民用燃气供应的特性,分别按照供气高峰时段和低峰时段,通过远程调节电动调节阀开度的大小实现控制区域中-低压调压站出口压力大小。
2 系统的组成[1]
    定时限压限流远程监控管理系统主要由监控中心、无线远程监控站、管网压力远程监测站、GPRS通信网络、定时限压限流远程监控管理系统软件组成,见图1。

2.1 监控中心
   为了对分布在不同区域内的无线远程监控站进行控制和管理,在分管这些区域供气的销售分公司设立监控中心,监控中心设有1台工控机、无线数传Modem等。
2.2 无线远程监控站
    无线远程监控站是在原有的区域中-低压调压站的基础上,通过工艺改造增设罗茨流量计、压力变送器、电动调节阀、无线数据采集器(RTU)、后备电源以及无线数传Modem构成。无线远程监控站工艺流程见图2。无线数据采集器是一种具有采集、处理功能的自动化设备,专门针对低功耗、无人值守站而设计,与流量计、压力传感器、电动阀门上的数据通信接口相连接,按内置程序采集数据后,执行操作指令上传数据,由无线数传Modem接收信号并解码压缩后将信号传回监控中心的工控机。在后备电源的支持下,能够保证系统在断电的情况下正常运行48h。
 

2.3 管网压力远程监测站
    为了确保系统安全稳定供气,在调压站的供气区域内实时监测管网供气压力。在处于压力最低点的用户内安装压力变送器、RTU及无线数传Modem,建立管网压力远程监测站。通过对区域管网末端(压力最低点)用户供气压力的实时监测,确保管网压力最低点的压力值不低于500Pa(注:保证民用双眼灶能够点着火的最低压力值为80Pa),以保证用户安全稳定用气。
2.4 GPRS通信网络[2~3]
   GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的简称,它是在GSM(Global System of Mobile communication,全球移动通信系统)基础上发展出来的一种新的无线传输方式承载业务。GPRS采用分组交换技术,每个用户可同时占用多个无线信道,同一个无线信道又可以由多个用户共享,资源得到有效利用,可以实现高速率数据传输。具有信号覆盖范围广、通信效果稳定、误码率极低、数据通信速率较高、费用低廉等特点。因此,本系统采用GPRS通信网络进行数据传输。
2.5 定时限压限流远程监控管理系统软件
    定时限压限流远程监控管理系统软件安装在监控中心的工控机上,除实现调节功能外,还可显示无线远程监控站的现场工艺图,实时上传现场工艺参数(包括流量计的累积流量、瞬时流量,电动调节阀的开度,无线远程监控站出口压力,管网压力远程监测站的压力等),报警,显示趋势图,生成报表等。
3 系统的工作原理
    定时限压限流远程监控管理系统的工作原理就是利用无线数据采集器将无线远程监控站(即改造后的调压站)内流量、温度、出口压力、电动调节阀的开度等信息采集上来,利用GPRS通信网络传输到监控中心的工控机中,通过定时限压限流远程监控管理系统软件分析处理显示出来,系统根据需要自动调节无线远程监控站内的电动调节阀。工控机即工业控制计算机,是专门为工业现场而设计的计算机,有较高的防磁、防尘、防冲击的能力,机箱内有专用电源,电源有较强的抗干扰能力,具有连续长时间工作能力。
    在通常状况下居民用气主要集中在早、中、晚炊事的时间段,通过对远程监控的供气区域的供气状况进行分析比较,确定每天的6:00—9:00、11:00—14:00、17:00—21:00这3个时段为供气高峰时段。除此之外则为供气低峰时段,即为限压限流时段。
    在供气高峰时段内,电动调节阀的相对开度处于100%全开状态,系统按常规运行方式运行。当进入供气低峰时段时,系统自动远程调节无线远程监控站内电动调节阀的相对开度从100%逐步减小,同时出口压力也发生相应的改变;而出口压力的变化又反过来影响电动调节阀的相对开度,当出口压力达到1000Pa,电动调节阀的相对开度将不再继续变动(电动调节阀的相对开度最低不得小于20%),在供气低峰时段,系统处于限压限流的运行状态。当再次到供气高峰时段时,系统又将自动调节电动调节阀的开度,直至电动调节阀的相对开度达到100%,处于常规运行状态。
    用于调节控制供气压力的电动调节阀是可以实现远程调控且阀门的开度与供气流量成线性关系的平衡式电动阀门。这种电动调节阀具有3种控制方式,既可以现场转动轮盘进行开、关,又可以通过阀门上的按钮来进行现场操作,还具备远程调节控制的功能。根据不同供气区域、不同时段供气量的变化,可以通过电动调节阀自带的具有PLC自主编程的单片机随时调节开度,也可以通过GPRS通信网络远程调节控制阀门的开度,确保按需供气,以此达到安全稳定供气、减少气量损失、降低运行成本的目的。
4 系统的造价及运行费用
   截至2009年底,我们完成了5个无线远程监控站、6个管网压力远程监测站、1个监控中心的建设工作。定时限压限流远程监控管理系统经过2年的运行,系统运行稳定,性能可靠,达到了预期的目标。
   1个无线远程监控站的建设费用为25×104元,1个管网压力远程监测站的建设费用为3.5×104元,1个监控中心的建设费用为10×104元。无线远程监控站运行维护费2000元/(个·a),管网压力远程监测站运行维护费很少。12个站点通信费用共需2880元/a。
5 系统运行效果
   在定时限压限流远程监控管理系统刚建成的时候,我们以天津市某个居民小区进行了正常供气方式与限压限流供气方式的实时监测及统计分析。
5.1 两种供气方式供气量的对比分析
   2008年11月16至22日共计7天,正常供气(没有启动限压供气系统)的总供气量为40628m3。11月23日至29日共计7天,限压供气(启动限压限流监控系统)的总供气量为34253m3。由此可见,采取限压供气方式比正常供气方式减少16%左右的供气量。
5.2 高峰供气量的对比分析
    11月16至22日共计7天,正常供气方式下的高峰供气量为18375m3。11月23日至29日共计7天,限压供气方式下的高峰供气量为19078m3。二者供气差为-703m3,供气差率为-3.83%。由此可见,在高峰供气阶段,电动调节阀处于全开状态,与正常供气状态一样,此时供气量很接近,略微增加的供气量主要是受温度的影响,随着气温的逐渐降低,日均供气量呈上升趋势。
5.3 低峰供气量的对比分析
    11月16至22日共计7天,按正常供气方式下的低峰供气量为22253m3。11月23日至29日共计7天,限压供气方式下的低峰供气量为15175m3。二者供气差为7078m3,供气差率为31.81%。在不影响燃气用户高峰时用气的状态下,限压供气减少了管网的漏损量,降低了管理成本。
6 系统的特点
6.1 系统的安全性
    ① 为保证安全稳定供气,必须确保管网供气不能中断,因此,在系统设定时,当电动调节阀的相对开度为20%时,不论调压站出口压力为多少,电动调节阀将不再继续降低它的开度,也就是将电动调节阀开度的20%设定为安全供气的最低标准,以此作为保障系统安全运行的必要条件。
    ② 为确保整个定时限压限流远程监控系统安全运行,且在任何情况下都能正常供气,我们在无线远程监控站增加一套UPS供电系统,保证了系统在断电的情况下也能够正常运行。如发生外部断电,电动调节阀将在备用电源的支持下,瞬时将电动调节阀的相对开度提升到100%,确保安全供气。
    ③ 在现场控制系统中将电动调节阀控制位调为“1”时,此时电动调节阀的相对开度为100%,且不再进行自动调节,以保证供气正常。
    ④ 当电动调节阀的开度处于变化的过程中,而出站压力在一段时间内却一直没有变化,可能是出站压力变送器出现故障,此时系统会自动将电动调节阀的相对开度提升到100%,电动调节阀不再进行自动调节,以保证供气正常。
    ⑤ 为防止电动调节阀的开度提升过快,造成瞬间供气量突然增大冲坏计量仪表,电动调节阀的开度提升速度为每30s提升5%。
6.2 系统的可靠性
    建立突发情况应急响应,即外部电源突然断电时电动调节阀的相对开度自动增大至100%;电动调节阀的最小相对开度为20%,确保不间断气。系统可在现场环境下长期稳定运行,并具有抗各种干扰能力,满足安全防爆的要求。
6.3 数据的准确性
    本系统数据的采集是利用现场数据采集器通过RS-485数据通信接口与流量积算仪、压力传感器、电动调节阀上的数据通信口相连接,保证了上传数据与现场的流量、压力数据完全一致。
6.4 系统的可扩展性
    本系统具有强大的扩展能力。无线远程监控站和管网压力远程监测站均可扩展到1024个。
6.5 系统的开放性
    系统既具有可自由编程的通信接口与各种开放的通信协议的计量仪表相连接,还具有以太网、ModBus等通信协议可直接与原调度系统、集团内部局域网连接。
7 结论
    定时限压限流远程监控管理系统通过2年的运行,以其高度的安全性、稳定性、可靠性及精确性,实现了对燃气调压站供气工况实时监测、调节和控制,是实现燃气管网自动化管理的基础,是对燃气管网调度管理系统的补充,也是实现燃气管网自动化管理的初步尝试。
参考文献:
[1] 刘晨,王大全.无人值守调压站远程监控与安全防护系统[J].煤气与热力,2007,27(8):1-3.
[2] 王增霈,李勇慧.GPRS技术在燃气监测系统改造的应用[J].煤气与热力,2007,27(5):46-47.
[3] 张杰.基于GPRS/ADSL的SCADA系统开发[J].煤气与热力,2007,27(7):49-52.
 
(本文作者:赵恒海 鲍秀伟 郝长富 杨蕾 天津市燃气集团有限公司 天津 300070)