城市燃气管道带气作业自动控压方法

城市燃气管道带气作业自动控压方法

耿瑞阳

中裕燃气有限公司河南永城476600

摘要：管道腐蚀和老化问题会导致管道泄漏事故。为了不影响居民用气，经常采用带气作业方法对泄漏管道进行焊接补漏。按照燃气带压作业操作规程，带气焊接需要将管道压力控制在一定范围之内。压力过高会导致焊接操作困难，压力太低不但影响下游用气，而且可能因为空气的导入埋下重大安全隐患。传统燃气管道带气作业一般采用人工降压控压，手动将管道压力阶梯调节至带气焊接安全压力范围，并根据燃气管路末端压力和作业现场的人工反馈进行控压稳压。手动控压完全依赖操作者的经验，人工判断作业点压力并读取监测点压力后再进行信息传递，效率低、误差大，在下游用气变化的工况下稳压困难，存在安全隐患。在接下来的文章中，将针对城市燃气管道带气作业自动控压方法方面进行详细分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。

关键词：带气作业；管道仿真；自动控压

引言：文章主要从当前现有燃气管道带气作业控压方法和技术不足，提出了一种燃气管道带气作业自动控压方法，通过此方法有效解决了带气作业中压力控制的问题。文中介绍了燃气管道带气作业自动控压工艺的工作原理，并进行了理论计算公式推导，通过建立燃气管道仿真模型，获取管路压力与流速的关系以及阀门压差与其开度和流速的关系曲线，建立了Fuzzy/PID控制模型和算法，实现了燃气管道带气作业的自动控压。该方法解决了燃气管道带气作业中用气量变化导致的管道压力波动问题，实现了燃气管道的控压与稳压，提高了带气作业的效率与安全性。

1.自动控压系统工作原理

本系统采用自动控制的电控调节阀实现压力的自动控制，其工作原理如图1所示。控制系统的目标：管道末端压力p2控制在设定值p2g（一般设定为200～300Pa，并保证任何时候p2不能低于100Pa）；作业点压力p尽量低（一般设置为p2g+100～200Pa）。

图1.自动控压系统示意图：

由于作业点的压力无法自动获得，因此在自动控压过程中，需要根据调压阀出口压力p1和末端压力p2来评测作业点的压力，从而控制调节阀开度。考虑到作业安全和对燃气用户的影响，施工通常在用气低谷的时段（比如深夜）进行，此时管道的使用流量比设计流量小很多，在这种情况下可以认为p0为恒定压力（对于低压管道一般为2．4kPa）。为了通过调节阀开度进行有效的压力控制，必须获得管道系统的参数模型，即调节阀开度、管道直径、长度、压力、流量等之间的相互关系。

2.管路压力与流量的仿真

根据实际调查情况可知，中低压管道的设计流速一般小于15m/s，而城市居民燃气管道经济流速在4～6m/s，带气作业常选择在用气低谷时段（比如深夜）进行，此时管道的使用流量比设计流量小很多。本文以图1为对象，主要针对0．5～3．5m/s的低流速情况进行仿真（图中L1=L2=50m，管道内径D=100mm）。当燃气流量稳定时（v=3．5m/s），管路沿线压力随调压阀出口压力p1的变化如图2所示。由图2可以看出，当流速和管道参数确定时，沿线压力降是常数。

图2.流量稳定时管道沿线压力随入口压力变化曲线：

当入口压力不变（p1=2．4kPa），管道进出口压差（p1－p2）随出口流速变化的曲线如图3所示。

图3.管道进出口压差与流速变化的关系曲线：

由图3可知，在低流速情况下，管道进出口压差与流速的关系可近似为线性关系。为了通过调节阀对燃气管道沿线压力进行自动控制，需要知道调节阀口开度与燃气流量、压降之间的关系。本文对采用的快开式压力调节阀进行了模拟仿真，结果如图4所示。

图4.不同开度下阀门进出口压差与流速的关系：

3.Fuzzy/PID控制模型和算法

燃气的参数和流动状态随着压力和温度的变化而变化，阀门的开度与燃气流量、压降之间的关系也表现出非线性特征[1]，因此本系统属于非线性时变系统，难以建立精确的数学模型，适合采用模糊控制方法。一般而言，简单的模糊控制不具备积分作用，很难消除稳态误差。而PID控制有利于消除稳态误差，在目标点附近的小范围内有较好的控制效果。因此本文根据前面的管路压力变化规律，建立了Fuzzy/PID双模态控制模型，如图5所示。在末端压力p2与设定值p2g的差大于阈值Eth（一般取50Pa）时，采用模糊控制算法，其他情况采用PID算法。

图5.自动控压系统Fuzzy/PID控制模型：

考虑到本系统的如下特征：控制目标无需（无法）设置为精确值，作业点的压力无法自动获得[2]。本系统采用了单输入单输出的Fuzzy控制器，选取p2与设定值p2g的偏差E作为输入语言变量，调节阀开度调节量Δa作为输出语言变量。

4.仿真实验

为了验证控制方法的有效性，本文对居民用气量变化时（管道内流速从0．5m/s增加到3．5m/s）控制系统的控制效果进行仿真，如图6所示。初始状态下，管道沿线压力稳定，当用气量突然增加时，p1、p和p2点压力都呈下降趋势，末端压力出现明显下降，如果不进行控制，p2点压力有进一步下降导致风险的可能。本系统在p2点压力降达到50Pa时启动Fuzzy控制，增加调节阀开度，p2点压力回升，并在PID的控制下保持稳定，表明了控制系统的有效性[3]。

图6.用气量变化时Fuzzy/PID控制仿真结果：

结论：

简而言之，文章提出的城市燃气管道带气作业自动降压控压工艺和Fuzzy/PID控制方法解决了燃气管道带气作业过程中人工降压控压的不确定性问题，降低了对操作者经验的依赖。通过对管道内压力进行实时监测与控制，确保了在作业过程中作业点和管道末端的压力水平处于设定的安全作业范围内。该方法适用于城市燃气管网的运行维护，能够提高管道泄漏抢修效率，保障城市居民安全用气[4]。

参考文献：

[1]陈思奇．城市燃气管道小孔泄漏数值仿真研究[J].云南化工，2017，44（6）：31－34．

[2]李登辉．基于云模型的BBO算法优化模糊PID控制研究[J].无线互联科技，2018，15（9）：94－97；100．