王 硙， 張曉瑞， 李夏喜， 孫明燁

(1. 北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，北京100035；2.北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京100032)

1 概述

近年來(lái)，隨著城市燃?xì)獾闹悄芑l(fā)展，天然氣調(diào)壓作為城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其智能化發(fā)展越來(lái)越受到重視，智能調(diào)壓箱的應(yīng)用越來(lái)越多。目前智能調(diào)壓箱的功能以遠(yuǎn)程調(diào)控、運(yùn)行數(shù)據(jù)采集等為主，缺少運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析功能，仍然處于比較初級(jí)的智能階段。

智能調(diào)壓箱的功能可分為3類：遠(yuǎn)程調(diào)控、自我感知分析、自動(dòng)控制。目前的研究與應(yīng)用主要集中在遠(yuǎn)程調(diào)控、自我感知分析兩方面[1-3]，例如，遠(yuǎn)程調(diào)整調(diào)壓箱出口壓力設(shè)定值，設(shè)定流量上限，采集關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)等。隨著燃?xì)夤緦?duì)安全運(yùn)行、精細(xì)化管理等方面的要求不斷提高，運(yùn)行參數(shù)分析、自動(dòng)控制方面的需求逐漸凸顯，提出了故障預(yù)警、關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)報(bào)警、設(shè)備維檢修信息監(jiān)測(cè)等需求。

本文從燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)單位需求角度出發(fā)，分別從遠(yuǎn)程調(diào)控、自我感知分析、自動(dòng)控制3個(gè)方面討論智能調(diào)壓箱的功能。

2 遠(yuǎn)程調(diào)控

遠(yuǎn)程調(diào)控功能主要是遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)調(diào)壓箱的出口壓力、流量或改變調(diào)壓箱運(yùn)行模式。具體分為4個(gè)方面。

① 遠(yuǎn)程修改調(diào)壓器出口壓力設(shè)定值。

② 遠(yuǎn)程設(shè)定調(diào)壓支路流量上限。當(dāng)實(shí)際流量小于流量限值時(shí)，按照定設(shè)定出口壓力模式運(yùn)行；當(dāng)實(shí)際流量接近或超過(guò)流量限值時(shí)，按照流量限制模式運(yùn)行。

③ 遠(yuǎn)程設(shè)定調(diào)壓器出口壓力、調(diào)壓器流量或流量上限隨時(shí)間的變化曲線。

④ 遠(yuǎn)程調(diào)整調(diào)壓箱的運(yùn)行模式，例如下文介紹的梯次運(yùn)行模式、流量均分模式等。

經(jīng)過(guò)多年的開發(fā)與實(shí)踐，目前已有多種方法實(shí)現(xiàn)調(diào)壓箱的遠(yuǎn)程調(diào)控功能，壓力級(jí)制覆蓋全面，而且不少功能已投入應(yīng)用[4-6]。目前研究方向逐漸轉(zhuǎn)向開發(fā)更加精準(zhǔn)可靠、空間緊湊的遠(yuǎn)程控制設(shè)備。

3 自我感知分析

自我感知分析功能具體可以分為運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行數(shù)據(jù)分析、設(shè)備維檢修信息監(jiān)測(cè)3個(gè)方面，其中運(yùn)行數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，而具體的數(shù)據(jù)分析功能又對(duì)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)、采集方案提出了要求。目前，調(diào)壓箱運(yùn)行數(shù)據(jù)采集方案已經(jīng)比較完善，具體包括關(guān)鍵位置壓力、溫度、流量、關(guān)鍵閥位等。但是針對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析比較匱乏，現(xiàn)有研究與應(yīng)用大多集中在中-低壓調(diào)壓箱的故障診斷方面[7-12]。為了滿足燃?xì)夤揪?xì)化、智能化管理需求，逐漸提出了運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)警、調(diào)壓器預(yù)警、主要設(shè)備故障診斷等功能。

3.1 運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

運(yùn)行數(shù)據(jù)采集主要服務(wù)于監(jiān)視分析調(diào)壓箱運(yùn)行狀態(tài)，據(jù)此可以初步列出需要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。需要采集的壓力類數(shù)據(jù)包括調(diào)壓箱進(jìn)出口干線壓力、運(yùn)行調(diào)壓器指揮器壓力、運(yùn)行調(diào)壓器與監(jiān)控調(diào)壓器間壓力、調(diào)壓后壓力。

壓差類數(shù)據(jù)只有過(guò)濾器前后壓差。

流量類數(shù)據(jù)只有調(diào)壓箱總流量，單個(gè)調(diào)壓支路的流量可以根據(jù)運(yùn)行調(diào)壓器閥口開度、調(diào)壓前后壓力等參數(shù)計(jì)算[3，5]，相對(duì)誤差的絕對(duì)值在5%左右[2，6]，基本滿足調(diào)壓支路限流功能需求。

溫度類數(shù)據(jù)包括調(diào)壓箱進(jìn)出口干線氣體溫度。

需要采集的閥位類數(shù)據(jù)包括調(diào)壓箱旁通支路閥、流量計(jì)前后閥、計(jì)量旁通閥、調(diào)壓器前后閥、監(jiān)控調(diào)壓器的開關(guān)狀態(tài)以及運(yùn)行調(diào)壓器開度。

閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要反饋其狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括扭矩、電壓等。

可燃?xì)怏w探測(cè)儀可以反饋調(diào)壓箱上部的可燃?xì)怏w濃度。

此外，還需要加設(shè)智能鎖，僅獲得授權(quán)的用戶可以打開調(diào)壓箱，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓箱防入侵監(jiān)測(cè)。

如前所述，部分運(yùn)行數(shù)據(jù)分析方法尚不成熟，需要采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)會(huì)隨著相應(yīng)方法發(fā)展而不斷改進(jìn)。例如，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)能夠遠(yuǎn)程調(diào)壓的部分調(diào)壓器發(fā)生故障時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出指揮器氣包壓力異常的現(xiàn)象。

3.2 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

運(yùn)行數(shù)據(jù)分析的目的是了解調(diào)壓箱運(yùn)行規(guī)律，診斷調(diào)壓箱運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)問題，是調(diào)壓箱“智能”的核心功能。其中包含的功能多種多樣，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，逐漸凸顯的需求包括調(diào)壓器故障預(yù)警、調(diào)壓箱主要設(shè)備故障診斷，用以解決高壓調(diào)壓箱(包括高壓A-高壓B、高壓B-次高壓A、次高壓A-中壓等，以下統(tǒng)稱高壓調(diào)壓箱)過(guò)度維檢修，實(shí)現(xiàn)中-低壓調(diào)壓箱精準(zhǔn)維檢修。高壓調(diào)壓箱流量大，出故障后影響范圍大，因此，燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)單位一般定期拆卸、檢修其調(diào)壓器，存在工作量大、調(diào)壓器過(guò)度檢修的問題。中-低壓調(diào)壓箱數(shù)量眾多，而且大多數(shù)缺少運(yùn)行數(shù)據(jù)采集功能，人工巡檢不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

調(diào)壓器故障預(yù)警功能指通過(guò)收集分析調(diào)壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)，在調(diào)壓器發(fā)生故障前發(fā)出預(yù)警，提前檢修調(diào)壓器，避免調(diào)壓器故障影響范圍過(guò)大。李清等人[13]基于小波包能量法和專家經(jīng)驗(yàn)建立了高-中壓燃?xì)庹{(diào)壓器安全預(yù)警模型，安小然等人[10]采用支持向量機(jī)法建立了中-低壓燃?xì)庹{(diào)壓器預(yù)警模型。但是到目前為止，調(diào)壓器故障預(yù)警，尤其是高-中壓調(diào)壓器故障預(yù)警的問題還處于研究階段，尚未有明確的解決方案。

故障預(yù)警分析通常要求采集調(diào)壓器前后壓力，間接式調(diào)壓器需要采集指揮器壓力，高壓調(diào)壓器需要采集閥口開度。通過(guò)分析歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立調(diào)壓器故障數(shù)據(jù)模式，對(duì)比實(shí)時(shí)采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障預(yù)警?？梢钥闯觯{(diào)壓器故障預(yù)警是一個(gè)典型的模式識(shí)別問題，在理論研究與實(shí)際應(yīng)用中主要受限于數(shù)據(jù)樣本不夠豐富、故障數(shù)據(jù)模擬困難。

主要設(shè)備故障診斷主要實(shí)現(xiàn)調(diào)壓器、進(jìn)出口閥門、流量計(jì)、過(guò)濾器等設(shè)備的故障診斷。目前調(diào)壓器故障診斷方面的研究比較多[7-12]。據(jù)文獻(xiàn)介紹，中-低壓調(diào)壓器故障診斷問題已經(jīng)得到了較好的解決且投入了應(yīng)用[14]，高壓調(diào)壓器故障診斷則處于初步研究階段。與中-低壓調(diào)壓器相比，高壓調(diào)壓器因數(shù)量少、檢修頻繁，故障數(shù)據(jù)樣本很少，中-低壓調(diào)壓器模式識(shí)別類的研究方法不再適用于高壓調(diào)壓器。

流量計(jì)、閥門、過(guò)濾器故障診斷的相關(guān)文獻(xiàn)比較少。閆國(guó)帥[15]研究了天然氣計(jì)量用超聲波流量計(jì)的故障診斷問題。趙然[16]統(tǒng)計(jì)了北京燃?xì)鉁u輪流量計(jì)的典型故障與原因，開發(fā)了渦輪流量計(jì)的在線故障診斷系統(tǒng)。黨國(guó)棟[17]研究了往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥的故障診斷問題。目前沒有公開發(fā)表的過(guò)濾器診斷相關(guān)研究成果。

除上述功能外，運(yùn)行數(shù)據(jù)分析還有一些其他的輔助功能，例如，運(yùn)行數(shù)據(jù)超限報(bào)警、下游流量異常報(bào)警等。運(yùn)行數(shù)據(jù)超限報(bào)警根據(jù)閾值報(bào)警，基本沒有分析功能，具體包括壓力流量超限報(bào)警、閥位錯(cuò)誤報(bào)警、執(zhí)行機(jī)構(gòu)錯(cuò)誤報(bào)警、泄漏報(bào)警、入侵報(bào)警、過(guò)濾器壓差超限報(bào)警等。下游流量異常報(bào)警則通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間采集分析調(diào)壓箱正常流量變化規(guī)律，當(dāng)監(jiān)測(cè)到流量異?？焖偕邥r(shí)發(fā)出報(bào)警，應(yīng)對(duì)下游管道爆管等事故。

3.3 設(shè)備維檢修信息監(jiān)測(cè)

設(shè)備維檢修信息監(jiān)測(cè)功能主要輔助解決調(diào)壓箱易損件定期更換的問題。隨著城市燃?xì)夤具\(yùn)營(yíng)的調(diào)壓箱數(shù)量越來(lái)越多，安排調(diào)壓箱定期檢修、維護(hù)備品備件庫(kù)存等工作越來(lái)越復(fù)雜。該功能通過(guò)錄入調(diào)壓箱各部件與易損件的型號(hào)、生產(chǎn)廠家、檢修期限、庫(kù)存量等信息，從而能夠配合運(yùn)行單位安排檢修計(jì)劃、調(diào)整庫(kù)存，降低燃?xì)膺\(yùn)行單位的工作量。

4 自動(dòng)控制

自動(dòng)控制方面，目前提出的需求包括多個(gè)調(diào)壓支路的自動(dòng)倒臺(tái)、梯次運(yùn)行、流量均衡、小流量運(yùn)行、控制模式切換等。典型調(diào)壓箱內(nèi)一般擁有多個(gè)調(diào)壓支路，自動(dòng)倒臺(tái)、梯次運(yùn)行、流量均衡等功能是為了保障調(diào)壓箱各調(diào)壓支路之間協(xié)調(diào)運(yùn)行。小流量運(yùn)行是為了解決用氣低峰時(shí)，調(diào)壓箱過(guò)氣不計(jì)量的問題。控制模式切換則為多個(gè)運(yùn)行模式之間的切換提供提示。

自動(dòng)倒臺(tái)功能是為了解決調(diào)壓支路累計(jì)運(yùn)行時(shí)間不均衡的問題。設(shè)定每條調(diào)壓支路累計(jì)運(yùn)行時(shí)間上限，當(dāng)某條調(diào)壓支路達(dá)到設(shè)定上限時(shí)，自動(dòng)切換到備用路并提示檢修。在應(yīng)用中，只要調(diào)壓器運(yùn)行就計(jì)入累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，不考慮流量大小，沒有考慮不同流量對(duì)調(diào)壓器磨損程度的差異。目前這方面尚缺少相應(yīng)研究，需要在應(yīng)用中進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

梯次運(yùn)行功能僅適用于調(diào)壓支路多用一備的調(diào)壓箱。通過(guò)設(shè)定每條調(diào)壓支路的流量上限，或?yàn)槊織l調(diào)壓支路設(shè)定不同的調(diào)壓器出口壓力設(shè)定值，防止出現(xiàn)小流量工況下多路調(diào)壓支路運(yùn)行，或大流量工況下僅一路調(diào)壓支路運(yùn)行的情況，使調(diào)壓支路運(yùn)行數(shù)量與調(diào)壓箱總流量相匹配。梯次運(yùn)行功能與自動(dòng)倒臺(tái)功能協(xié)調(diào)搭配，能夠執(zhí)行調(diào)度運(yùn)行人員制定的調(diào)壓器運(yùn)行計(jì)劃。

流量均衡功能同樣僅適用于調(diào)壓支路多用一備的調(diào)壓箱，能夠在多條運(yùn)行調(diào)壓支路間均分流量。該功能的提出基于以下樸素的認(rèn)識(shí)：多條調(diào)壓支路運(yùn)行時(shí)，總流量在多條支路之間均分是最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。但這一認(rèn)識(shí)的正確性還需論證以下問題：不同流量條件下調(diào)壓器磨損是否有差別？該差別有多大？是否值得投入相應(yīng)的費(fèi)用增加流量均衡功能？

小流量運(yùn)行是主要針對(duì)夜間用氣低峰時(shí)的智能運(yùn)行模式，目前在實(shí)踐中已經(jīng)得到了比較好的應(yīng)用[1]。非供暖期城市燃?xì)庳?fù)荷基本穩(wěn)定，但在夜間會(huì)出現(xiàn)小流量工況，流量計(jì)在精度范圍外容易產(chǎn)生較大的計(jì)量誤差。為了保證貿(mào)易流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確性，當(dāng)流量計(jì)瞬時(shí)流量小于流量計(jì)量程下限時(shí)，關(guān)閉調(diào)壓器，依靠管存氣量對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行供氣。當(dāng)調(diào)壓器出口處壓力下降至設(shè)定壓力下限時(shí)，恢復(fù)調(diào)壓器工作，以保證流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性，有效降低供銷差。同時(shí)，由于運(yùn)行壓力的降低，還可以提高管網(wǎng)運(yùn)行安全性。

控制模式切換功能是通過(guò)分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，選擇調(diào)壓箱最優(yōu)的運(yùn)行模式，向運(yùn)行調(diào)度人員發(fā)出提示，降低運(yùn)行調(diào)度人員的工作強(qiáng)度，降低運(yùn)行模式切換的隨意性。

5 結(jié)語(yǔ)

燃?xì)庵悄苷{(diào)壓箱的功能可以劃分為遠(yuǎn)程調(diào)控、自我感知分析與自動(dòng)控制3類。其中，遠(yuǎn)程調(diào)控包括遠(yuǎn)程調(diào)壓、遠(yuǎn)程調(diào)流、遠(yuǎn)程修改運(yùn)行模式功能。自我感知分析包括運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行數(shù)據(jù)分析、設(shè)備維檢修信息監(jiān)測(cè)功能。自動(dòng)控制包括自動(dòng)倒臺(tái)、梯次運(yùn)行、流量均衡、小流量運(yùn)行、控制模式切換功能。

本文構(gòu)建的智能調(diào)壓箱功能體系可以作為燃?xì)庠O(shè)施智能化建設(shè)的參考。目前遠(yuǎn)程調(diào)控、運(yùn)行數(shù)據(jù)采集在實(shí)踐中已經(jīng)有了不少應(yīng)用，但運(yùn)行數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)控制類功能還需要進(jìn)一步研究。