燃气管道工况模拟试验系统及设计与实现.doc

燃气管道工况模拟试验系统的设计与实现2010-7-28郝冉冉 张秀琴 陈浩 岳明 王洪林 赵自军分享到： QQ空间 新浪微博 开心网 人人网 摘要：依据城镇燃气管网的结构，设计燃气管道工况模拟试验系统，为调控、检测、模拟等技术方法的研究提供试验条件，为燃气应用软件提供现场测试平台。关键词：燃气管道；工况模拟；试验系统；软件测试Design and Implementation of Test System Simulating Gas Pipeline ConditionsHAO Ran-ran，ZHANG Xiu-qin，CHEN Hao，YUE Ming，WANG Hong-lin.ZHA0 Zi-junAbstract：A test system for simulating gas pipeline conditions is designed based on the structure of city gas pipeline network. It provides test conditions for studying gas control，testing，simulation and other techniques and methods as well as a field testing platform for gas application software.Key words：gas pipeline；condition simulation；test system；software testing 近几年来，随着供气规模的日益扩大，为保证安全、可靠供气和燃气有效利用，燃气管网优化调度问题受到了普遍重视。为实现燃气管网调度自动化，解决燃气管网系统工况优化以及管道事故分析等问题，涌现出了许多监督控制、数据采集、仿真模拟、泄漏分析与定位软件。这些软件运行结果的准确与否，直接影响管网系统的设计、投资和运行的可靠性。由于燃气管网的特殊性，即使将软件安装在现场，也无法设置各种工况来检验软件的可靠性，只能依靠软件本身设定参数进行前期虚拟调试，软件计算的准确度、能否适应不同工况、能否对运行中的突发事故做出正确响应均无法得到有效验证。本文介绍的燃气管道工况模拟试验系统是在充分研究城镇燃气输配系统结构的基础上设计的，运行环境接近实际，工况设定灵活，可以模拟事故，为燃气应用软件提供现场测试平台。1 试验系统的设计1.1 总体结构概述 2008年底，燃气管道工况模拟试验系统建成于国家燃气用具质量监督检验中心，是我国建成的第一个集合模拟试验、工况分析与SCADA技术的综合试验台。试验系统由压缩机、储罐、调压器、流量计、压力传感器、温度传感器、电磁阀、电动调节阀等仪器设施组成。储罐分高压罐和中压罐，容积均为100m3。试验管道设计流量为05000m3/h，试验压力为02.5MPa，管径为100mm，管道长度为400m，试验系统气源为螺杆压缩机增压储存的压缩空气。借助球阀组，试验管道可以组合成单管枝状管道、单环状管网、多环状管网以及枝状与环状相结合的复杂管网。试验系统有4个试验区，分别为高压试验区(压力为0.42.5MPa)、覆土试验区、中压试验区和低压试验区。高压试验区和覆土试验区建在室外，中压试验区和低压试验区建在室内，与试验系统配套的小型SCADA系统调度中心设在调度控制室内。燃气管道工况模拟试验系统工艺流程见图1。目前，试验系统可以完成城市燃气输配系统低压、中压和高压管道的工况模拟。高压罐出口设置调压器设定系统试验压力，中压罐出口设置电动阀调节流量，保证试验系统气源压力恒定或流量恒定。压缩空气从空气压缩站进入储罐，再经过压力或流量调节后进入各个试验区，完成特定试验。调度控制室负责控制试验流程，实时采集和保存试验数据并自动生成报表和趋势曲线。图1中，把球阀11、4、19、29、20、16、13、17、21、27、26、25、22、18、5、10、9打开，其他带编号的球阀关闭，管道组合成一个枝状管道，压缩空气从高压罐流到中压罐，沿途设有露天电磁阀和埋地电磁阀模拟的瞬态泄漏点，设有手动放散阀模拟泄漏及用户。单管流程模型见图2，图2中第一漏点距是指从第一个压力监测点到第一个模拟泄漏点的距离。 单管与单环流程把球阀11、4、19、29、28、20、21、16、17、13、6、10、9打开，其他带编号的球阀关闭，管道组合成一个单枝状(球阀1141929)和一个单环状(球阀28211713162028)串联管网。压缩空气从高压罐流到中压罐，沿途设有露天电磁阀模拟的瞬态泄漏点，设有手动放散阀模拟泄漏点及用户。单管与单环流程模型见图3。 单管与多环流程 把球阀11、4、19、29、28、27、26、25、22、21、20、16、17、18、13、12、5、10、9打开，其他带编号的球阀关闭，管道组合成一个单枝状(球阀111929)和一个双环状(球阀28211713162028，球阀272625221812172027)串联管网。压缩空气从高压罐流到中压罐，沿途设有露天电磁阀和埋地电磁阀模拟的瞬态泄漏点，设有手动放散阀模拟泄漏点及用户。单管与多环流程模型见图4。 多环流程 把球阀11、4、19、29、28、27、26、25、20、21、22、15、16、17、18、14、13、12、5、10、9打开，其他带编号的球阀关闭，管道组合成多环状(球阀29201614151929，球阀28211713162028，球阀272625221812172127)并联管网。压缩空气从高压罐流到中压罐，沿途设有露天电磁阀和埋地电磁阀模拟的瞬态泄漏点，设有手动放散阀模拟泄漏及用户。多环流程模型见图5。1.3 SCADA系统 为试验系统配套建立的小型SCADA系统，具有开放性、可扩展性、实用性、易操作性等优点。SCADA主站系统的软件选用在Windows环境下运行的标准网络版组态软件，利用其预设置的各种软件模块和二次开发程序完成上位机各项监控功能；选用通用的PLC设备作远端站，利用梯形图编制程序，控制试验装置；远端站与主站之间采用有线的方式通信。 该SCADA系统除了具有采集与存储数据、控制设备运行、动态显示工艺流程、生成试验报表和趋势曲线、提供报警和事件记录等基本功能外，还集成了高速采集程序，通过设定数据采集数量和采集周期，可以实现最快100次/s的数据采集速率，能够捕捉到瞬间即逝的负压波。2 试验系统实现的功能2.1 燃气管道工况模拟 试验系统通过控制管道内气体流速或压差来模拟多种工况流态，为燃气管道稳态和瞬态模拟研究提供了试验条件。在试验系统上，利用电动阀调节流量用以改变管道流速，手动调节试验管道上的球阀开度来改变管道的当量长度和压差。 城市燃气管道设计流速一般不超过20m/s，以此为条件设计试验，DN 100mm的试验管道，设定管输流量约为540m3/h，流速小于或等于20m/s，用来模拟低压的小区用户系统、楼栋用户系统、单用户系统等；改变气源压力和管道内气体的流速或压差，用来模拟中压工业用户、城市高压主干管等。2.2 多种泄漏监测与定位方法的验证试验模拟 造成燃气管道泄漏的原因多种多样，主要为腐蚀、自然灾害、人为破坏以及管理不当等，具体形式为渗漏和泄漏。渗漏主要指法兰、螺纹连接部位、焊接部位渗漏等，泄漏主要指腐蚀穿孔、人为打孔、管道断裂等。 在试验系统中，利用阀门和管件来模拟多种泄漏状况。试验管道上预留的两端有法兰的短管和螺纹接头可以用来模拟渗漏；手动放散阀模拟小孔泄漏；电磁阀模拟人为打孔等较大流量的泄漏；撤掉高压试验区管段末端上的法兰，控制球阀开度就能够模拟管道断裂。上述类型的模拟泄漏部件安装在管道上，用于模拟干管、环状管网以及枝状管网和用户管道上不同压力和流速下的多种泄漏情况，可以很方便地进行负压波、压力流量法、压力梯度法、小波分析法等检漏技术的试验验证和分析。在覆土试验区，通过在泄漏点上覆盖不同性质、不同孔隙的土壤，可以用来研究不同埋深和不同地质条件下管道燃气泄漏后的扩散规律。2.3 SCADA系统对试验的监控利用试验系统所做的各种试验都是在SCADA系统的监控下进行的。SCADA系统实时准确地记录试验数据，动态在线监测各压力和流量点，并对异常数据进行标记和分析。SCADA系统采集数据的精度为1%，在软件测试的过程中，通过软件计算结果与实测结果的对比分析，可以测试软件的计算准确度和稳定性，以期改进软件模型，提高计算的精度，使理论模型更符合实际工况。3 试验实例 城市燃气管网泄漏在线检测软件的检测试验目的是检验基于负压波原理的城市燃气管网泄漏在线检测软件对泄漏点定位的准确度。选用单管试验流程，将试验系统充压至设定值，保证气源稳定供气；将电动阀开启，开始调节，保证一定的用气量；开启模拟泄漏的电磁阀，高速采集并记录实时压力值，采集频率为10次/s。图6为SCADA系统提供的压力实时趋势，P0是距离泄漏点最近的压力测点，P2次之，P1最远。由于负压波传输需要一定的时间，P0具有明显的负压点，P1和P2的负压点不太明显。图7为压差趋势，通过压差比对判定压差波动最大的时刻发生泄漏，泄漏位置在P0附近。在试验过程中，城市燃气管网泄漏在线检测软件同步运行，得出的结果与试验实测结果对比，即可判定出软件的准确度。 瞬态模拟软件的试验检测瞬态模拟软件是根据气源压力或流量、用户压力或流量的变化来预测未来一段时间内管道的压力、温度、流量以及储气情况。试验目的是检验瞬态模拟软件计算的准确度。首先，计算出试验系统管道摩擦阻力系数作为瞬态模拟软件的初始参数。然后，任意选定一个管网流程，气源压力稳定在一个设定值，改变模拟用户的用气量，保证试验是一个非稳态的过程，实时采集并记录管道的压力、温度