城市燃气阀门井远程监测与控制技术在南方环境的运用研究

黄蓉：昆山中石油昆仑燃气有限公司

肖牧阳、王奥妮：昆山利通天然气有限公司

摘要

关键词：城市燃气阀井监测阀门控制南方环境 高温高湿

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前言

近几年来，随着城市天然气普及速度的加快，越来越多的城乡居民用上了方便、洁净的管道天然气。这些便利措施的背后，是由复杂的城市输气管 来支撑，在这么庞大的输气管 中，由于种种原因造成的燃气管道破损、泄漏事故层出不穷，导致的财产损失、人员伤亡等情况也经常见诸 端，对城市燃气干线管道节点阀门井的各项数据进行监测，并且能够在出现紧急险情时对相应阀门进行应急截断，是城市燃气从业者的心愿，但是这些技术手段的实现却面临着一些尴尬的问题——井位分散、环境复杂、通讯不畅、缺少供电条件等等。

随着通讯、自动控制等技术的迅速发展，“互联 +”的概念也出现在城市燃气行业，互联 与城市燃气行业的融合，渐渐成为城市燃气行业技术研究的新热点。运用物联 技术，采集、上传、分析燃气阀门井中的压力、浓度、水位、阀门状态等数据，将阀井传感器数据与人工决策、远程控制相结合，构建起全方位、全天候、全流程的燃气阀井智能监管体系，已经不再是设想中的未来科幻，而是成熟可行的现实技术。

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阀井的运营及环境现状

城市燃气公司普遍存在着管道管线长、阀井（室）数量多、市区内散布面积大、系统尚处于人工管理状态等问题，出现紧急情况时，由于在阀井远程监测和自动化控制方面信息化建设的滞后，工作人员很难做到立即发现问题，并及时到场操作阀门处置险情，这样往往会增加二次事故的发生几率，使小问题变成大事故。同时，南方的高温高湿高水位环境，也容易对燃气公司的日常运维造成影响，在信息化设备部署工作上更是制造了不少难题。下面将详细分析这些问题。

1、阀井的运营现状

1）阀井(室)目前仍采取人工巡查，由于阀井（室）数量众多，并且分布于市区范围及辖区县、乡镇等，巡查维护工作量十分巨大，并且人工巡查效率低下，巡查时间间隔长，留下了安全隐患；

2）阀井（室）截断阀人工控制，用人力开闭阀门，紧急情况下无法及时有效的实现阀门控制。这一点在城市燃气应用中尤为突出，目前交通拥堵的情况已是各大中城市的常态，当发生紧急情况需要切断相应阀门时，抢修人员难以迅速到达现场，这种情况是一个巨大的隐患。

3）阀井（室）无监测 警设施，无应急安全措施。阀井（室）中有阀门、管道及天然气相应设备，正常情况下阀井（室）属于封闭状态运行，内部密闭、潮湿、积水、背光、易于微生物繁殖，设备在这种环境下运行易产生故障或泄露，即使内部阀门的微量泄露，也极易积累形成较高的气体浓度，存在安全隐患。

4）阀井（室）管理无法直接纳入生产调度中心控制系统，降低了整体系统的安全性、稳定性和可靠性，难以对燃气系统进行整体的监控，给安全生产和信息化管理带来一定难度，严重时可影响安全供气，而且员工日常巡检、现场操作等维护记录无法详细及时存档及管理。

2、南方阀井的环境现状

1）高温环境

南方地区是亚热带季风气候，特点是平均温度高。以本次试验地点昆山为例，7-8月份平均气温最高，月平均气温约28°C，1月份平均气温最低，月平均气温约4°C，全年平均气温在16°C左右。这个温度对于阀井来说，易于在阀井中产生沼气。

2）高湿环境

南方地区雨量充沛，空气湿度大。同样以本次试验地点昆山为例，年平均降雨量在1200毫米左右，并且一年中60%的降雨量集中在5-9月份的雨季。昆山本地的阀井都处于高湿状态，易造成机械设备生锈、腐蚀，电子设备短路、故障等情况，在下暴雨时会出现淹没设备等极端情况。

3）高水位环境

阀井处于地面下，南方的地下水位较高，有些地方下挖不到半米就有地下水渗出，这么高的地下水位，一般的阀井防水措施往往没有效果，这些阀井中的设备通常都处于长期浸泡状态，同时长期积水也极易产生沼气。

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技术思路与设计原理

1、设计思路概述

根据对现有阀井运营和环境的调查分析，可以得出结论，对阀井系统（包括员工的工作模式）进行信息化升级改造，以提高阀井（室）维护和管理的信息化应用水平，减轻员工的工作量，优化阀井（室）管理流程，强化对阀井的监测和控制能力，就是我们的工作目标和建设方向。整体建设思路可以分为四大部分，首先是对阀井本身的针对性改造，其次是安装可适应环境的相关传感器和控制器，第三是建立阀井的日常运维和应急控制系统，第四是依托先进的阀井信息化系统，优化阀井的日常管理和应急处置流程。通过针对性的技术改造，建设适应本地阀井运营环境的稳定信息化系统，整体形成从物到人的全优化阀井管理系统。

2、基本技术原理

通过RTU采集智能仪表、监控设备及电磁阀或电动执行器状态等信号，经无线传输设备将信号传到控制中心接收并实时监控；当危险情况时人工远程操作发出关阀指令，通过无线信号传输至阀井RTU，阀井RTU操作实现自动关阀；或者管道压力异常升高或降低，超过管道系统设计运行标准要求时，上位机自动对比数据，RTU自动控制电磁阀开关或远程控制达到开关阀门的目的；此外，还可实现阀井每天定时发送数据监控信息，上位机可按阀井地址依次轮询采集各阀井数据，达到自动智能巡井目的。

通过使用远程控制系统，能够实时监测阀井的各项技术参数，通过阀门远程控制系统，可对管道阀门进行有效的启闭调节，从而保障了生产的安全。结合嵌入式技术和无线 络通信技术，基于对燃气管道阀门控制的可靠性和远程控制要求，实现了城市燃气干线管道阀门的远程控制，有效的保证了城市燃气管 的可靠运行。下面对系统用到的技术分别阐述：

1）信息采集技术

随着嵌入式计算的不断发展，控制器的功能也越来越强大，其中具有 络功能的嵌入式控制器（RTU）在工业生产中得到了广泛的应用。对各种信息及状态的采集，以及对管道阀门的控制是其中重要的内容。RTU负责对现场信号、工业设备的监测和控制，通常由信号输入/出模块、微处理器、有线/无线通讯设备、电源及外壳等组成，由微处理器控制，并支持 络系统。它通过自身的软件(或智能软件)系统，可实现监控调度系统对生产现场仪表的遥测、遥控、遥信和遥调等功能。

2）无线通讯技术

现代无线通信技术能够使控制器和监控系统进行通信，执行监控系统的命令并且对执行结果进行反馈。系统还能够自主的对 络状态进行诊断，当发现 络发生中断或者异常现象时，可以自主的呼叫上位机，直到 络通信恢复为止。目前主流的无线通讯技术是GPRS技术，新兴的无线通讯技术有NB-lot和LARA技术。

a GPRS技术

GPRS为通用分组无线业务，只有在发送或接收数据期间才占用资源，意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率，具有充分利用现有的 络、资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点。

b NB-lot技术

窄带物联 的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝 络，只消耗大约180KHz的带宽，

支持低功耗设备在广域 的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域 (LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对 络连接要求较高设备的高效连接。

c LoRa技术

LoRa是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。目前，LoRa主要在全球免费频段运行，包括433、868、915 MHz等。LoRa的最大特点就是：传输距离远，工作功耗低，组 节点多。

3）先进传感器技术

阀井内需要采集的数据主要有管道压力、流量、温度、阀井内可燃气体浓度、阀井积水水位、供电系统电量等，下面详细说明各数据采集方式。

a压力变送器

以输出为标准信号的压力传感器，由测压元件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成，是一种接受压力变量，经传感转换后，将压力变化量按一定比例转换为标准输出信号的仪表。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如4~20mADC等），以供给指示 警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。

b流量计

用于测量管道中流体流量的一种仪表，它可分为瞬时流量（Flow Rate）和累计流量（Total Flow），瞬时流量即单位时间内过封闭管道有效截面的量，流过的物质可以是气体、液体、固体；累计流量即为在某一段时间间隔内（一天、一周、一月、一年）流体流过封闭管道有效截面的累计量。通过瞬时流量对时间积分亦可求得累计流量，所以瞬时流量计和累计流量计之间也是可以相互转化的。

c可燃气体探测器

是对单一或多种可燃气体浓度响应的探测器。安装于可燃气体最易泄露的地点，其核心部件为内置的可燃气体传感器，传感器检测空气中气体的浓度。探测器将传感器检测到的气体浓度转换成电信号，传输到控制器，气体浓度越高，电信号越强，当气体浓度达到或超过 警控制器设置的 警点时， 警器发出 警信号。

d水位计

自动测定水体水位的仪器。按传感器原理分浮子式、跟踪式、压力式和反射式等。阀井应用通常选用浮子式水位计，其原理是由浮子感应水位的升降，把浮子提供的转角量转换成增量电脉冲或二进制编码脉冲，当水位超过相应高度时，可发出提醒以及 警信号，水位超限时，可联动切断井端系统供电，以保护设备。

e电量监测表

用于监测蓄电池的剩余容量，采用独特算法，依据蓄电池放电曲线来计算剩余电量，是一种真正的精确的数字式电量表，对电池电量检测的准确度可达±10％。

4）阀门控制技术

电控阀门通常由电动执行机构和阀门组成。电控阀使用电能作为动力,通过电动执行机构来驱动阀门，实现阀门的开关动作。从而达到对管道介质的开关目的。常用于液体、气体和风系统管道介质流量的模拟量调节，是AO控制。

a电磁阀

电磁阀是电动阀的一个种类；是利用电磁线圈产生的磁场来拉动阀芯，从而改变阀体的通断，线圈断电，阀芯就依靠弹簧的压力退回。

b电动执行器

一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。基本的执行机构用于把阀门驱动至全开或全关的位置。用与控制阀的执行机构能够精确的使阀门走到任何位置。在一些危险性的场合，自动化的执行机构装置能减少人员的伤害。某些阀门要求在特殊情况下紧急打开或关闭，阀门执行机构能阻止危险进一步扩散同时将损失减至最少。

3、阀井远程监测与控制技术系统结构

业务层：控制所辖区域内的所有电动阀，显示当前各阀门的开关状态、天然气浓度、管道压力等。

汇聚层：数据通过公 后分离出来，将数据传给业务层，其连接了外 和内部 络。

传输层：数据在公 中的传输。

应用层：是最基本执行层，负责各远端节点的任务的执行。如阀门开关、数据采集等。

结构如下图：

4、实现功能

阀井远程监测与控制技术主要可以完成阀井数据实时采集、阀井异常联动 警和远程紧急开关阀门等功能，并进行相应的数据处理、分析、存储及共享。以便管理人员在控制中心实时监测阀井的状态。主要功能如下：

? 远程实现阀井压力、流量、浓度等数据的实时采集功能；

? 远程实现阀井图像的定时采集和非法闯入抓拍 警功能；

? 远程实现阀井异常情况下的紧急关断功能；

? 远程实现阀井可燃气体浓度监测 警与联动紧急关断功能；

? 远程实现对阀井采集和通信模块参数设置和维护功能；

? 远程实现阀井积水水位监测 警功能；

? 远程实现井端设备供电系统的监测 警功能；

? 自动记录阀井工作数据，保存历史信息；

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阀井远程监测与控制技术南方试验应用实例详述

阀井远程监测与控制技术南方试验，地点选择在江苏省昆山市，管径DN250，设计运行压力1.6MPa，实际运行压力0.8MPa，井号G005、G006。

1、 阀井基本情况

1） G005阀井

阀井位于开阔地，阀室空间大小为2m*1.5m*1.8m，阀室墙主体为砖结构，墙表面水泥粗粉（厚度约5mm），井内积水深约70cm，有市电供给条件（距离阀井约50m）。阀门为手动钢制球阀，成色较新，处于打开状态，开关频率低，锈蚀情况轻微，开关工况正常，阀门有曾被水浸泡痕迹。

2） G006阀井

阀井位于无人值守调压站院内，阀室空间大小为2.5m*1.2m*1.7m，阀室墙主体为砖结构，墙表面水泥粗粉（厚度约5mm），井内积水深约40cm，无市电供给条件。阀门为手动钢制球阀，成色较新，处于打开状态，开关频率低，锈蚀情况轻微，开关工况正常，阀门有曾被水浸泡痕迹。

2、系统升级部署过程

1）井体改造

因原有阀井井室空间较小，数字化改造所需要的空间不达标，并且防水措施不足，阀室内积水严重，设备易被浸泡，阀室井壁采用砖结构，墙壁无法承载设备悬挂重量等原因，需对阀室做相应改造。拆除原有阀室，根据阀门基点重新进行测量放线，对阀室底部及侧部增加外防水层，进行防水处理，防水处理层面积大于新的阀室底部面积和侧面积，在外防水层处理完成的基础上，采用钢筋混凝土重新浇筑阀室地面及墙体。

改造情况见下图：

2）加装电动执行机构，实现阀门的远程控制和应急切断

拆除手动蜗轮箱，匹配新花键规格，检查与阀杆键槽是否合适，更换电动蜗轮箱，在之上加装电动执行机构，调节机械及电子限位，加电测试机电系统至运转正常。

3）加装可燃浓度探测器，实现对有限空间内的可燃气体浓度实时监测与超限 警

气体探测器选择催化型探测器，是利用铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度。当可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反应（无焰燃烧），其产生的热量使铂丝的温度升高，而铂丝的电阻率便发生变化。用以监测周围空气中可燃气体从0~100%LEL范围内的变化。

可燃气体探测器安装方式可根据现场情况选择贴壁安装，安装时应确保安装牢固可靠，先将可燃气体探测器用2枚M6十字槽沉头螺钉固定在安装底板上，在距阀室天花板10cm处标记安装位置，用ST5.5*35的开槽盘头自攻螺钉固定设备（详见图4）。安装时，应将探测器的传感器朝下固定，避免被浸入水或其它液体而损坏，将探测器背面的接地端子作好接地连接，接地电阻≤4Ω，对探测器与穿线钢管间的螺纹连接处、传感器与探测器壳体间的连接螺纹以及探测器上盖与壳体间的连接螺纹，必须扭紧密封。探测器现场走线应穿管，连接处应密封，避免危险气体或水进入管子。安装完毕后，连线加电进行设置、调试，数据反馈正常后对探测器接口进行密封。

（图4 气体探测器安装示意图）

4）加装液位计，实现对阀井内积水情况的实时掌握与超限 警

液位计通过液位传感器把液位深度测量出来，并经过信号处理电路转换成标准信号输出，要求精度高、体积小，防渗漏性能好，长期浸入水中工作可靠、稳定。根据阀井深度标定安装位置，安装完毕后，进行模拟液位测试，当上位机反馈数据与模拟数据吻合后，密封系统。

（图5 液位计安装示意图）

5）防水防潮隔爆处理

防水处理：井体做底部及侧面外防水层，井端系统硬件设备按照IP67防护标准设计生产，控制箱、接线盒等处采用橡胶O型圈密封，阀井内安装电子水位计，当井内水位超限时，自动向调度中心发出 警，以便运维人员及时处置。

防潮处理：所有电路全部进行“三防”处理，控制箱内放置干燥剂，保持设备的工作湿度处于理想状态。

防爆处理：所有电气设备处于防爆箱或防爆壳体内，设备连线全部穿于防爆管内，接头采用防爆接头，内部空隙用防爆泥密封，确保防爆隔离状态。

6）上位机软件系统及 警系统部署

在昆山中石油昆仑燃气有限公司维抢修中心机房服务器上部署数据库及上位机软件，在办公楼调度中心部署监测控制终端软件和相应的声光 警体统。

3、联机调试

检测全系统各个设备的工作状态是否正常，在控制平台检查整体监控系统的监测状态和测量数据是否正常，在上位机查看上传电压监测数据，与现场系统工作电压比较，数值比对吻合后，进行阀门远程控制操作，阀门自控运转正常后，全系统联机调试完毕，转入测试阶段。

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实际测试数据和效果

1、实现功能和效果

实施阀井数字化改造测试井项目后，测试效果明显，能够减少劳动强度、提高生产安全性，使用效果如下：

1）可简化组织管理结构，提高管理、调度的效率；减少生产定员，降低生产运行成本。

2）从安全方面看，实施数字化管理前人工巡井消耗的时间多，持续周期长；数字化改造后可按设定的时间自动巡井，减少现场操作次数，极大地提高了巡井的频率，提高了生产的安全性。

3）从减少劳动强度方面看，以前关阀需要人工到现场手动关阀，耗费时间较多，数字化改造后员工可以直接在上位机上远程关阀，整个关阀过程在很短时间内完成，极大的提高了工作效率和安全程度。

4）阀井的管理方式由人工手动管理跨越到信息化管理。

5）无线信号上传顺畅，可实现阀井生产数据（液位、可燃气体浓度、阀位状态、电源状态等）实时采集、存储。

6）无线信号下传顺畅，可实现阀井阀门远程控制操作。

7）阀井内可燃气体探测器，可依据 警限设定值，智能诊断 警。

8）可自动生成阀井电子 表及生产数据库。

2、实际测试数据

选择2018年2月18日的数据，当天天气为小雨转中雨，气温14℃，相对湿度97%，从G005、G006两口阀井全天24小时数据内，以4小时为间隔选择数据，详见下表：

1）G005号阀井数据

2）G006号阀井数据

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结论

经过对阀井监测技术、阀门控制技术、防水防潮技术等理论情况的充分分析，和对测试地点环境因素的充分调查，再结合昆山地区G005、G006两口阀井信息化改造的结果，我们可以得出结论：本次城市燃气阀门井远程监测与控制技术在南方环境的部署实验，可以改变南方燃气行业阀井系统管理的现状，通过技术的提升，给南方燃气行业阀井的管理模式带来了革新，很大程度上解决了南方城市燃气行业在发展过程中所遇到的问题。值得继续发展此项技术，并在实际生产中推广运用。

参考 献资料：

[1] 天然气输配技术. [化学工业出版社严铭卿]；

[2] GPRS 络技术. [电子工业出版社摩托罗拉工程学院主编]；

[3] 城市燃气干线管 安全调查分析与应急处置[中国燃气安全总第234期梁鋆辉]；

[4] 燃气输配. [中国建筑工业出版社段常贵]；

[5] 传感器技术及应用. [华中科技大学出版社夏银桥]；