城镇燃气调压器故障诊断系统设计与应用

项雪峰 魏超群

摘要：燃气调压器的性能与安全性和其是否有效运行密切相关，状态监测技术在燃气管道工程应用中具有重要意义。此外，由于故障的发生将导致调压器稳压性能的快速下降，严重时造成重大的财产经济损失，各类故障诊断方法在状态监测系统设计中引起了广泛关注，并且基于信号分析的诊断技术由于其非侵入性和对早期故障的高反应性而得到普遍研究。

关键词：燃气调压器;出口压力;故障诊断;相关度分析

引言

天然气从接收站输送到输配管网，再从输配管网输送到城市燃气管网均需要调压，燃气调压器是连接燃气输配管网、城市燃气管网的核心设备，从燃气输配管网到用户用气设备，需要分级降压、控压、稳压，这些功能都是通过调压器实现的。

1国内燃气调压器的研发状况

国内对燃气调压器的研究主要集中在调节阀领域，但是大多局限于设备选型、安装、使用维护以及安全装置的改造等等，对器本身并没有进行透彻深入的研究。如有的学者应用ADO数据库操纵技术，实现了燃气调压器的自动选型，介绍新开发的调压箱的构造及特点，阐述了直接作用式调压器的优势等。但是燃气调压器的研究很少有机理方面的，多以实验为主，设计上则很大程度上依赖于设计者的经验。

2调压器工作原理及动态响应特点

燃气调压器是后压反馈式减压调节阀，高中压调压器由于要求实现精确控制和调节用气压力，一般为间接作用式调压器，其物理结构主要是由指挥器和主阀两大部分构成。指挥器操纵过程由内部微小的弹簧、阀门等实现，主阀则通过套筒与阀芯之间的开度大小实现流量调节。当下游用气量增加，流速增加，出口压力下降，此时增大开度，导致局部阻力减小，阀前后压差减小，出口压力上升并恢复到设定值，且流量增加满足了供气需求；反之亦然。

调压器对于干扰的响应特性称为动态特性。由于管网系统中用气工况，即下游流量在一天之中随时间而变化，所以调压器通过不断地进行微量调节来保持管网压力相对稳定，在此调节过程中，调压器的动态响应特性一般要遵循两个基本原则：

（1）压力振动变化在正常范围内，既不超出最大值，也不低于最小值；

（2）调压器在受到外界干扰信号时其出口压力应处于衰减振荡过程，响应时间要快，但不允许响应过快带来的反复频繁的振动，且每一次调节完成后的最终静差要小。

3系统设计

3.1硬件组成及工作方式

压力采集装置主要由微控芯片、压力变送器、通讯模组、温度传感器、电源管理及信号开关组成，装置具有出口压力检测、环境温度检测、无线通讯、锂电池供电、数据液晶显示等功能。检测环境温度的意义是为确保该采集装置内压力传感器性能，使其工作在正常温度内(－20℃～85℃)。该装置用于燃气中、低压管网压力检测，安装在工商业、居民区的区域调压柜或单元楼的调压箱内。装置工作时，内部电路根据预设的采集时间间隔由电源管理模块(锂电池供电)定期唤醒，进行压力及环境温度采集、压力超限报警、数据存储、数据通讯等动作。压力采集装置预设的压力、温度数据采集时间间隔为15分钟，数据通讯时间间隔为24小时，在2次数据采集动作之间装置处于休眠状态。采集装置设置多级报警，报警动作阈值及推送的报警信息可通过诊断系统平台远程修改。

3.2设计要点

3.2.1外壳要求

压力采集装置安装在室外的燃气调压箱(柜)中，环境存在降水、被水淹没等风险。因此，装置设计为本安型防爆设备，外壳防护等级为IP67。

3.2.2分体式传感器

民用调压器出口压力范围一般在5kPa以下，部分居民单元楼的调压箱内空间狭小，装置挂接、安装困难，运行时存在噪声、振动等工业环境干扰。压力采集装置选用的SIN－P300扩散硅压力传感器，具有高抗震性和抗冲击性;传感器量程为0～10kPa，检测精度±0.5%(满量程)。设计时，分体式传感器外置并配1至2米长的线缆与装置主机连接，以利于装置安装。

3.3软件部分

诊断系统的软件平台包括数据监测、异常报警、数据分析及管理设置功能，数据分析功能模块内置统计分析、相关系数分析算法，可将实时数据与预设的故障特征信号比对，发现异常调压器信号。

3.3.1软件算法

统计分析算法，包括均值(mean)、标准差(standarddeviation，STD)、偏度(skewness)与峰度(kurtosis)。值即数据算术和除以样本总数。在统计学上，标准差用以衡量一组数据的变化幅度:如果标准差值低，说明该组数据整体上分布于均值线附近;如果标准差值高，说明数据值分布更分散。偏度是随机变量关于其均值的概率分布的非对称性的度量，该值可为正或负。

3.3.2软件功能

软件平台采用B/S模式，配有SQLServer数据库，应用功能部署于服务器后，可以使用个人电脑的网页登陆访问诊断系统平台。硬件装置采集的压力等数据接入平台，以压力折线图形式展示;平台可对装置远程修改参数，例如报警阈值、数据采集频率等参数。

4燃气调压器的应用研究进展

燃气供应系统是输配中必不可少的环节之一，满足不同用气工况的需求，调压性能的安全对供气质量和人民的生命安全息息相关，因此，正确的使用调压器，是一项十分重要的工作。

4.1提高压力调节性能的方法

对于提高压力调节性能的方法，前人进行了深刻而细致的研究，概括为以下几方面：（1）正确设计。一方面要重视对调压器本身流通能力的设计；另一方面要注意用气负荷和管径等的检查，对于燃具所需的供气压力差异较大的，应配置调压阀。对那些流量大的燃气设备，应避免发生管网燃气放散或切断。（2）合理操作。合理操作既是要根据终端用户的用气性质，以灶前压力为准，准确操作。一是确定合理的出口压力；二是按“先切断后放散”设定保护压力；三是把握调压时间；（3）严格管理。严格的管理在提高压力调节性能中扮演着重要的作用，材料磨损以及某些杂质都会影响调压器的性能，同时放散阀口垫粘连会导致切断压力的失灵。因此，坚持定期更换调压器的部件，以确保调压设备正常工作状态尤为重要。

4.2调压设备的压力技术参数

燃气调压设备主要通过设定以下几个压力参数实现对供气工况的控制，形成一个自力调整的控制系统。（1）运行压力：调压器在正常工作状态下，出口压力应稳定在所设定的压力范围内，精度为±15%，要切记阀口的开度过小引起运行压力的波动。（2）放散压力：放散压力是根据需要所设定的一个压力保护值，放散阀可自动打开泄压，防止调压伐压力持续升高。（3）关闭压力：一般规定，关闭压力≤1.25P2。调压器自身的精度和老化因素都直接影响调压器的关闭性能。（4）切断压力：当调压器出口压力超过该设定值，切断阀迅速切断进口压力，防止“直通”。

结语

燃气调压器故障诊断系统包括无线压力采集装置和诊断系统平台。压力采集装置具有高外壳防护等级、防爆、分体式传感器等特征，适用于调压箱(柜)内调压器压力监测。诊断系统平台具有数据监测、超压报警、数据分析等功能。诊断系统的使用，能有效发现燃气调压器故障与压力异常，减少燃气管网安全事故。

参考文献

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［2］李辉，胡姚刚，李洋，等．大功率并网风电机组状态监测与故障诊断研究综述［J］．电力自动化设备，2016，36(01):6－16．

［3］李世明．基于信号分析的电力系统低频振荡辨识方法研究综述［J］．电力与能源，2016，37(04):420－426．