摘要：论述了天然气门站压力遥调系统的功能，电动压力遥调系统和气动压力遥调系统的原理和优缺点，气动压力遥调系统的实施方案及在燃气输配中的应用效果。
关键词：天然气门站；遥调；调压；流量控制；电动；气动
Application of Remote Pressure Regulating System to Gas Transmission and Distribution
WANG Wen-xiang，LI Zhen，YANG Guang
Abstract：The function of remote pressure regulating system for natural gas city gate station，the principle，advantage and disadvantage of electric remote pressure regulating system and pneumatic remote pressure regulating system，the implementation plan of pneumatic remote pressure regulating system and its application effect in gas transmission and distribution are expounded.
Key words：natural gas city gate station；remote regulating；pressure regulating；flow control；electric type；pneumatic type
1 概述
随着天然气长输管道的大规模建设及天然气应用的普及，城市燃气输配系统发生了新的变化，从以前的中、低压系统，逐步变成了高压、次高压、中压、低压等多级系统。调压器在其中充当的角色越来越重要，向自动化发展是基本趋势。
2006年8月，广东大鹏液化天然气公司(以下简称大鹏公司)从澳大利亚进口的天然气，通过安托山、坪山两座门站供应深圳城市用户，是深圳市的主要气源。在运行过程中发现，由于门站与上游分输站的连通管管径小、管道短、管道缓冲容量不到最大小时流量的0.1%，在门站开关阀门过快或流量瞬间波动较大时，上游分输站的压力瞬间波动幅度大，甚至达到上游分输站紧急切断阀切断压力。由于两座门站已经运行，受门站场地、管道布置、不可停气等条件限制，加大管道缓冲容量已不可能，故要求门站尽量避免流量、压力的大幅度波动。
有时由于上游原因或运行要求，需要关闭门站的进站球阀。门站出口的次高压管网储气被利用后压降较大，在恢复供气时，需要将门站内出站球阀前的调压器出口压力重新设定为当时次高压管网压力，避免在打开进站球阀时，调压器设定压力远大于次高压管网压力，调压器相对开度瞬时达到100%，影响上游运行。然后再人工调节调压器的指挥器(或称导阀)，逐步平稳升压至停供前运行压力。120km的次高压管网逐步平稳升压到1.5MPa，通常需要3～5h。深圳市燃气集团股份有限公司为减轻工人工作量及避免疲劳误操作，在传统自力式调压器的基础上，引进了气动压力遥调系统(简称CS系统)。该系统在次高压管道自动升降压、多门站供气流量平衡、管道储气调峰等方面具有较好的作用。本文介绍压力遥调系统在实施过程中的基本情况。
2 压力遥调系统的功能及比选
压力遥调系统的主要功能是远程发送调压指令，调压系统实现压力安全、平稳、精准的调整。它由SCADA中心(或厂站)控制的调压子系统、通信网络、现场调压控制系统3部分组成[1]。
它的工作原理是通过SCADA中心(或厂站)控制的调压子系统下达远程压力设定值或控制指令，指令通过通信网络远传至现场调压控制系统，现场调压控制系统接到控制指令后根据现场压力和实际工况进行压力调节，最终使现场压力在允许的调节误差内达到压力设定值。现场信号通过通信网络传回到SCADA中心(或站控系统)，完成远程调压。
通过SCADA系统组态将调压子系统加到中心(或厂站)控制系统中，将现场调压系统的通信接口与SCADA系统通信网络连接，即可实现远程的压力调控。现场调压控制系统是3个组成部分的重点，它的调压方式通常有电动调节与气动调节两种方式。
2.1 电动调节方式
电动调节系统主要由控制器、压力传感器和控制电机组成。中心控制、厂站控制或控制面板给控制器输入指令，控制器给控制电机信号，控制电机直接旋拧调压器导阀的调压螺杆，实现调压。调压过程中，控制器将调压器出口处压力传感器的反馈值与指令目标压力值比较，根据比较结果来控制电机操作，直至调节到目标压力，停止动作。该方式调压范围宽，是直接的机械式作用。电机为防爆电机，供电压力为220V。电动压力遥调原理见图1。
2.2 气动调节方式
气动调节系统主要由控制器、进排气电磁阀、气包、压力传感器、CS导阀、微流阀、减压阀、安全阀组成。气包是系统中的重要设备，它是一个容积为20L的罐体，罐体上连接进气管道、排气管道、压力传感器、反馈管道、排液管道。进气管道从上游管道取气，通过减压阀将压力调整到气包所需的压力，通过开启进气电磁阀，由微流阀限制每次进气量，逐步提高气包压力。为避免减压阀失灵而造成气包超压，减压阀后设置安全阀。排气管道连接排气电磁阀、微流阀、安全阀，通过开启排气电磁阀，由微流阀限制每次排气量，逐步降低气包压力。排气管道如有条件可与放散管道连接，如条件限制，由于排放量小，可直接排放到大气中。为避免气包超压，气包上设置安全阀。反馈管道与CS导阀连接。通过反馈管道将气包压力pQ传送到CS导阀的气腔，由气腔压力pQ与导阀的弹簧设定压力pt之和决定调压器的出口压力p。排液管道用于排放气源中可能存在的水、粉尘、重烃等物。进、排气管道上的微流阀有8个档位，通过档位调整来调节电磁阀动作1次的进、排气量，进而调整电磁阀动作1次的压力的升降幅度。
中心控制、厂站控制或控制面板给控制器指令，根据p=pQ+pt，控制器控制气包的进、排气电磁阀，来调整气包压力pQ，进而改变p。调压过程中，控制器将调压器出口处压力传感器的反馈值与指令目标压力值比较，当p与目标压力相等时调压停止。气动压力遥调原理见图2。
2.3 两种压力遥调方式的比较
2.3.1电动压力遥调方式
① 优点
a.系统组成简单，不需气包，占地面积较小。
b.不需气体介质，漏点少。
c.压力可调范围宽。
② 缺点
a.机械磨损大，容易造成机械故障和调节精度下降；维护量较大，维修成本较高。
b.完全的机械作用，不适合连续的频繁调节。
c.控制电机的安全性要求较高，如果电机出现故障，可能引起失调或超调，甚至会引起停气等严重后果。
d.1套电动调压装置只能控制1台调压器工作。
e.改造费用高于气动方式。
2.3.2气动压力遥调方式
① 优点
a.既适合连续的频繁调节，也适合间歇调节。
b.1套气动调压装置可同时控制2～3台调压器。
c.CS导阀既可手动螺杆调压，又可气动远程调压。在CS系统自动调压出现故障或检修的情况下，可通过CS导阀实现手动调压。
d. 进气安全阀和出气安全阀可有效保障cs系统气包在压力允许的调节范围内正常工作。
e.无须停气改造。
②缺点
a.受到CS系统气包的压力限制，压力可调范围较窄。
b.需设置气包，占地面积较大。
c.需引介质气体，系统组成部件较多，漏点也相=对较多。
3 气动压力遥调系统的实施
考虑到频繁调压的需求，在考察了国内其他城市燃气输配调压系统的基础上，通过比选，我们认为气动遥调方式更适合我们的实际需求。
3.1 工艺原理
深圳市燃气集团股份有限公司门站气动遥调系统的工艺原理见图3。
从图3可见，1个气包可连接多个导阀，即可控制多路调压器，目前门站3路调压路分别为主路、副路、备用路，各路调压器出口压力设置呈阶梯状，主路比副路高0.1MPa，副路又比备用路高0.1MPa。根据p=pt+pQ，由于同一气包pQ相同，通过各路导阀弹簧压力pt的不同设置，实现各调压路出口压力的不同设定。当CS气包系统发生故障，可关闭备用路反馈管的阀门，pQ=0，调整导阀的螺杆来设定压力pt，使p=pt，J恢复到无压力遥调系统状态，可保证运行。
3.2 系统的工艺配置
安托山门站、坪山门站均有3路调压路，调压器的进口压力为3.8～4.4MPa，出口压力最大为1.6MPa。实际运行中，根据需要，调压器出口压力在0.6～1.5MPa范围进行设置。在夜间用气量小时，受次高压管网影响，出站压力将达到1.55MPa。结合次高压管网运行实际工况，进行了如下配置：
① 采用1个气包控制3路调压器，各调压器的CS导阀螺杆预设压力pt按主、副、备用路压力差的要求进行设置。
② 主路的CS导阀预设定压力pt为0.6MPa，气包的最大运行压力控制在1.0MPa，选用意大利飞奥公司的气包，其设计压力为3.0MPa，安全性较高。
③ 气包进排气口的安全阀放散压力应满足运行需求，即进气口放散压力设定为1.05MPa，出口放散压力设定为0.95MPa。
④ 电磁阀旁通路，由球阀和针阀串联控制，避免球阀误操作造成气包压力的变化。
⑤ 压力调节以厂站控制为主，数据可上传到调度中心。厂站遥调可通过本系统的控制面板或站控的SCADA系统的调压子系统控制。
3.3 系统的安装及调试
由于两座门站是目前供应深圳市的主要气源，不允许停气，制定合理的施工方案及调试方案很重要。
在气包取气口的选择上以利用原有接口为主，还考虑到连接导阀的反馈管应尽量短，减少接口。两座门站均利用了压力表上的接口，在压力表针阀后增加三通接口，一路接压力表针阀，一路接取气口阀门，既不影响压力表的使用，又避免了在汇管上开口，也避免了停气。在施工顺序上先施工气包、反馈管路，再单路停气改造导阀，导阀改造、调试完成后，排空该路接导阀的反馈管气体，通过调节导阀螺杆将压力设定到出口压力，切换为在用路。依此类推，实现各调压路逐一改造。实施过程中，自控设备的安装与工艺施工配合进行。改造完成后需进行系统空载调试，主要调试自控系统对现场设备的正确控制。空载调试合格后进行带负荷调试。调试方案中应对所有可能出现的异常情况作出相应的应急处理预案。通过带负荷调试，选取适合本输配系统的微流阀的档位，以确定电磁阀动作1次的压力升降幅度。
3.4 系统的安全措施
① 气包的设计压力远大于实际运行压力。
② 在气包进气口安装减压阀，在气包进出口均安装安全阀，即使进口减压阀失效，仍可保证管网运行压力不超过1.6MPa的设计压力。
③ 在电磁阀旁通路，球阀针阀串联，可在电磁阀故障时进行气包的压力粗调，仍可保证压力的稳定。
④ 自控部分的密码管理。进行遥调时，必须凭密码进入，在设置参数时需2次输入密码确认。
⑤ 控制面板与站控系统切换时作了指令的隔离处理，避免将站控的历史指令自动下达造成误操作。
4 气动压力遥调的调压方式
4.1 手动调压方式
手动调压方式是手动点击1次控制面板的进气电磁阀或排气电磁阀按键，将进行5kPa的升压或降压，连续动作n次，则进行5nkPa的压力升降。电磁阀的工作间隔最小为30s。手动控制的灵活性高，操作人员可根据流量、压力的变化及时作出压力调整，但工作量较大。
4.2 自动调压方式
自动调压方式是无须人工干预，按设定参数自动运行的调压方式。该方式又分为调压器出口调压、气包稳压两种方式。
采用调压器出口调压方式进行调压时，需设置的状态参数包括压力步长、静止时间、目标压力。压力步长是连续动作的压力变化值。静止时间是每个压力步长动作完成后至下一步长开始的停顿时间。目标压力是需升压或降压后达到的压力。控制器按设定的压力步长、静止时间运行，出口压力传感器将出口压力p的信号反馈到控制器，当p等于目标压力时，升压或降压停止。图4为采用出口调压方式进行升压的过程。
气包稳压方式是消除温度、电磁阀内漏等因素引起气包压力的变化的调压方式。控制器通过气包上的压力传感器的反馈信号，判断是否超出气包设置压力pQ的±1%的范围，指挥电磁阀动作，使气包压力稳定，从而达到p的稳定。它通常在调压器出口调压完成后用于稳定目标压力。
4.3 压力调节方式的比较
手动控制的压力调节是通过人工单次控制电磁阀的开关来调整压力，其灵活性高，可根据压力、流量的变化及时作出调整。
气包稳压是在自动控制方式下的主要用于稳定调压器出口压力的控制方式，它只针对设定好的气包压力值pQ的稳定，与改造前调压器导阀功能相似，但精度更高。
调压器出口调压主要用于自动调整压力，使压力按压力步长、静止时间的设定值进行有序的升降，最后达到目标压力值。它还可以通过设置较小步长(如5kPa)及合适的静止时间、目标压力，当出口压力反馈值p±%的范围时，控制器将按设定的压力步长、静止时间控制电磁阀，保证p在±1%的范围内波动，消除用户用气对出口压力的影响。
5 气动压力遥调在燃气输配中的应用
结合我们的输配管网情况，气动压力遥调主要在调节压力、分配流量、控制流量3方面应用。
5.1 门站出站压力的调节
在调压方面的应用主要是通过手动控制或出口调压方式来实现升、降压。在初期建议采用手动控制方式进行，通过摸索，寻找合适的压力步长、静止时间，再采用出口调压方式。在升压过程中如果设置步长过大、静止时间过短，则流量上升速率过大，造成进口压力下降太快，可能造成上游过流阀切断；在降压时则造成调压器阀口开度过小，流量下降速率过大，造成进口压力过高，甚至达到上游紧急切断阀切断压力值。如果步长过小、静止时间过长，则达到目标压力所需的时间过长。通过摸索，压力步长为10～20kPa、静止时间在10min左右，压力、流量的变化较为平稳。不同时段下游用气量不同，压力步长及静止时间的设置也不尽相同。厂站人员在刚开始调压时通常采用手动方式，实施数次后，观察流量及上下游压力变化，选择出合理的压力步长及静止时间。图5、6为改造后安托山门站将压力由1.341MPa升至1.51MPa的流量、压力曲线。
从图5可见，流量的变化较为平稳，随压力升高逐步增加。从图6可见，升压过程从5:15到6:28，压力上升速率为0.139MPa/h，压力变化较为平稳。
5.2 门站流量分配
在次高压管网连通安托山门站、坪山门站后，可以通过调整出站压力，分配两座门站的流量。两座门站出站压力均设为1.5MPa时，受用户的分布、用户的用气规律影响，在高峰、低峰时段两座门站的流量分配不同，高峰时段安托山门站与坪山门站的流量分配比例为(2.14～3.28):1；低峰时段两者比例为(0～70.97):1，即可能出现一座门站无流量的现象。上游对单站最大提气速率有限制，在高峰时段需要合理分配两座门站的流量，使任一门站不超流。在低峰时段若门站流量为0的时间过长，由于上游与门站连通管较短，在上游调压器关闭不严的情况下，可能发生连通管压力上升，甚至出现压力达到紧急切断阀的压力设定值而切断的情况。
通过多次测试，合理的运行方式是：坪山门站的出站压力设定为1.5MPa，通过调整安托山门站的压力来分配两座门站的流量。在午、晚高峰时段前1h，将安托山门站出站压力调低至1.45MPa左右(该值与用户用气需求量及用户分布有关，不同季节需作调整)；高峰时段结束后采用自动出口调压方式，目标压力设为1.5MPa，压力步长设为5kPa，静止时间设为10min，自动升压到与坪山门站出站压力相同。在低峰时段如果门站流量小于1300m3/h，则手动升压，升5～10kPa就可以将流量恢复到1300m3/h以上。2次动作的时间间隔不小于5min。
5.3 流量的控制
目前两座门站没有设置限流装置，上游也没有对门站采取限流。当出站压力保证稳定，不采取降压以利用次高压管道的管道储气的情况下，在用气高峰时段，流量超过合同规定的最大提取速率，超过最大提取速率提取的气量将按正常价格的150%计价。针对以上实际情况，将压力遥调的功能进行拓展，通过在高峰时段降低出口压力，减小调压器开度，从而间接地降低流量。在高峰时段需频繁降压，将流量控制在上游要求的最大提气速率的95%以内，用户需求的不足部分通过降低管道压力、利用管道储气来补充。低峰时升高压力来补充管道储气。这种频繁的调整，在没有遥调系统的情况下是很难实现的。图7、8为改造后安托山门站晚高峰控制流量测试时的流量、压力曲线。
从图7可见，在测试时段，流量基本可控制在控制线以下，当停止测试时，不进行持续降压，管道储气将不再被利用，流量将很快回升到用户需求量。从图8可见，压力由1.4MPa降到1.275MPa，变化平稳。
测试过程先采用手动降压，摸索合适压力步长、静止时间，然后采用自动控制的出口调压方式，压力步长为20kPa，静止时间为5min。在冬季高峰时段超过最大提气速率时间较长，必须采用出口调压方式进行自动降压。如停止降压，管道稳定在某压力下，管道储气将不再补充供气量的不足部分，门站的供气量将在短时内回升到用户需求量，门站流量将与用量基本一致。因此，停止控制流量的时间应在用户用气量已在最大提气速率以下，并呈下降趋势时。升压补充管道储气可在用气低峰时段进行，采用出口调压方式仍需采用合理步长、静止时间，压力步长比高峰降压时小，约10～15kPa，静止时间比高峰降压时长，约为10～15min。
6 结论
① 对于已供气的门站采用压力遥调系统，建议选用气动遥调的方式，它无须停气改造，可以1个气包带多路调压路，造价较低。
② 在改造前应注重工艺设置和施工方案的讨论，尤其是已供气门站的改造，必须有相应的应急处理预案。验收测试时，必须在空载测试合格后方可进行带负荷测试。
③ 气包前后的安全阀设置应结合运行管网的压力情况，进口安全阀放散压力通常为气包运行压力的1.05倍，并且安全阀放散压力与CS导阀弹簧预设压力之和小于等于出口管网设计压力，避免误操作时管道超压运行。
④ 利用该系统进行自动升(降)压、间接控制流量，均有较好的效果，但对不同的输配系统、用户情况，其出口调压方式中的压力步长、静止时间参数都不同，应通过手动调压方式进行摸索，寻求合理参数后再进行出口调压方式的参数设置。
⑤ 由于该系统阀门较多，在运行管理中应对关键阀门的开关作清晰的标示，甚至采取拆下手柄的方式避免一些阀门的误操作。
⑥ 利用该系统进行流量控制是可以实现的，可以满足要求不是很严格的流量控制。流量控制的精度不高，通常应将目标控制流量设置在最大允许流量的95%以内。
参考文献：
[1] 郝冉冉，宋永明，李颜强，等.SCADA系统在城市燃气管网调度管理的应用[J].煤气与热力，2009，29(1)：B29-B31.
(本文作者：王文想 黎珍 杨光 深圳市燃气集团股份有限公司 广东深圳 518055)
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