埋地阀井作为燃气管网地面调节和控制设施的必要补充，遍及燃气管网各个节点[1]。如图 1所示，在城市燃气管网适应性分析中[2]，由于埋地阀井现场未设置检测仪表，导致其管道内燃气压力、流量信息无法采集，无法给管网适应性分析提供基础数据支撑。此外, 数量众多的埋地阀井还没有大面积实现井内可燃气体浓度检测，因此井内管道泄漏或其附近的上、下游管线泄漏存在燃气积聚的风险，给安全生产留下隐患[3]。阀井作为燃气管网调节、控制的重要环节，若能在其井内实现远程切断功能，将大幅提升燃气公司的应急处置效率，避免或减少燃气事故发生。综上阀井信息采控一体化设备在城市燃气管网适应性分析、管网泄漏报警和应急抢险等方面起着举足轻重的作用。
湖北十堰“6.13”燃气爆炸事故给城市燃气安全运营敲响了警钟[4]，阀井作为燃气管道的重要节点，将在城市燃气信息化建设中扮演重要角色。充分利用运营商无线传输网络，根据燃气管网安全生产需求研制一体化信息采控设备，降低系统功耗，完善系统供电方案和防水封装工艺，降低工程投资和后期运维管理将是城市燃气阀井信息化建设未来发展的方向[5]。
因燃气公司对阀井安全生产的需求不同，阀井设置的信息采集设备或供电方式也各不相同。刘军等[6]提出了阀井在线检测系统，采用太阳能光伏组件+蓄电池组的供电方式(见图 2)，采集阀井内可燃气体含量，对阀井在线检测系统的防水封装工艺和通信方式未作过多介绍。其在阀井地面上设置光伏板组件的方式在中国石油西南油气田所在川渝地区的城市阀井的信息化建设中推广难度较大。
苗雨晖等[7]提出在阀井中采用GPRS(General Packet Radio Service)无线通信技术，采用太阳能光伏板组件+固体蓄电池供电方式，太阳能光伏板安装在井盖下侧，实现了阀井温度、积水液位、可燃气体含量、电池电量和阀井GPS(Global Positioning System)定位信息的采集与上传。
刘金岚等[8]采用GPRS无线通信(支持APN(Access Point Name))和太阳光伏组件+锂电池组供电方式，采集阀井内可燃气体浓度并上传。太阳光伏组件的安装方式和刘军等提出的类似。
王彦强等[9]采用GSM(Global System for Mobile Communication)/GPRS无线通信方案、太阳能光伏组件+电池组的供电方式，采集阀井内温度、积水液位等信息并上传。
此外，在阀井信息化建设中的实际应用还有其他几种方式，主要有采用变送器带GPRS无线传输模块的方式。采用阀井内安装变送器，并将变送器信号接入在阀井地面附近设置的常规RTU(Remote Terminal Unit)，利用运营商GPRS或互联网网络上传至燃气公司。在部分燃气公司建设的“管网哨兵”系统则基于一体化集成思路，综合了催化或红外等燃气泄漏检测探头+信息采集模块+NB-iot(Narrow Band internet of things)模块[10]。
综上，城市阀井目前主要采用运营商GPRS/NB-iot无线网络、太阳能供电或锂电池直接供电模式，采集阀井内可燃气体浓度和管道压力等生产信息上传至燃气公司，实现燃气公司对城市燃气管道的远程集中监视和管理。
综合上述阀井信息化监控的实例，可以看出, 低功耗一体化设备适应阀井工况环境，实现了管道压力信息的采集和上传，设备运行稳定，但在功能和通信模板互换性上还存在一定的不足[11]，主要体现在以下几方面：
(1) 缺少天然气流量数据采集，单纯的管道压力不足以支撑管网适应性分析和日常生产经营管理分析。
(2) 缺少管道远程切断功能，当管网出现意外情况时，仍采用人工到现场手动关阀，对燃气公司应急响应和失效处置支撑力度不够。
(3) 通信模块固化，升级困难。设备将NB-iot通信模组固化在设备主板上，当阀井所处位置的NB-iot信号不稳定需要更换4G网络时，需要将设备主板一同更换，付出的代价高。
根据调研情况的分析，围绕“研究一套适合于城市燃气阀井工况条件的低功耗信息采控一体化集成设备”的核心思想，形成以下几个方面的研制思路。
城市燃气阀井因井内空间狭小，原有设备设施不便改造等特点，新增一体化设备从外观设计上就必须要考虑轻便小巧、装拆灵活、结构稳固等，以满足现场施工需求[12]。
城市燃气阀井因城市燃气管道敷设的条件所限，位于城市地表之下，井内容易积水，加上天然气本身易燃易爆的特性，就设备的使用环境而言，必须要满足防水防尘防爆的特种工业环境应用需求。
城市燃气管道由于本身就埋于地下，现加装阀井处的信息采集一体化设备就会面临如何降低周围建筑物间接接触电压和不同金属部件间的电位差，并消除自身外经电气线路和各种金属管道引入危险故障电压的危害。
城市燃气阀井由于数量多、散布广，现阶段通过有线网络接入方式实现数据传输的方案不具备推广性。但阀井本身又是一个相对密闭的地下空间，受环境所限，传统长距离无线通信制式(2G/3G/4G)无法通过加装信号馈线的安装方式来做到通信信号全覆盖，就使得数据无线传输的稳定性无法得到保障。为突破这一难题，需要考虑引入新的无线通信技术并整合到目前的产品设计中来，实现稳定可行的数据通信。
随着今后应用的展开，设备安装的数量会越来越多，相关的日常维护工作量也会随之增大，如何降低设备运维工作量的需求将日渐凸显。如何通过设备对自身信息采集和辅助分析，做到物联网运维管理和简便易行的巡检调试，也就成为项目建设需要考虑的重要因素之一。
因为阀井的工况条件决定了设备只能考虑自身供电的需求，所以对于系统研发，不能以诸多功能的简单堆叠来考虑，必须通过结合设备供电条件来实现追求多功能应用与控制设备能耗的平衡，才能在为方便应用而增加功能的同时，又能够实现整体设备的微功耗。这使得通过软件设计来区分不同的场景应用，以及硬件架构的整体优化成为该产品技术研发的关键。
根据城市燃气阀井内工艺流程，同时考虑设备安装空间、减少因增加计量设备对阀井内工艺改造的影响，可以选择的计量方式有孔板计量、气体超声计量。
孔板计量分为一体化孔板计量和智能型孔板计量，广泛应用于工业领域。然而, 由于孔板计量主要是通过节流装置产生的差压来完成流体计量，因此, 基于燃气管网分布、压力等级、管网运行、冬季保供等综合因素，孔板计量不适用于燃气管道埋地阀井。
超声波流量计可作非接触测量，适用于圆形管道和矩形管道，对管网没有节流影响。此外，适用于阀井工况条件的超声波流量计有外夹式超声波流量计和接触式超声波流量计两种[13]。
综合考虑阀井生产环境，采用低功耗接触式超声波流量计计量，其防护等级不低于IP68，使用可唤醒模式进行数据通讯，传感器和通信接口平时静默，到下一个采集周期时，RTU将对其进行唤醒。
阀井工况条件下管道内燃气压力信息采集技术方案主要分为以下两种情况。
(1) 带计量功能的埋地阀井，管道内压力由计量模块统一采集，接入RTU。
(2) 不带计量功能的埋地阀井，采用在法兰处取压+压力传感器的方式实现管道内燃气压力信息的检测，并接入RTU。
阀井切断阀可分为带超声波流量计与不带超声波流量计两种(见图 3、图 4)，相比于前者，后者的结构更加紧凑，成本更低，应用场景更广泛。两种设备中的复位手柄可根据阀井切断阀埋地深度来调节长度，方便人员现场操作。
固定式可燃气体含量探测器主要有催化燃烧型、热导型、红外吸收型、半导体型、激光型，综合其性能、功率、价格等多因素，采用激光型可燃气体含量探测器，其功率为0.175 W。
运营商提供的无线传输业务根据传输速率的不同分为高、中、低速。目前，普遍采用4G无线网络(向下兼容3G、2G)实现偏远站场的数据和视频图片信息的传输。城市燃气阀井处于地面以下，且井口设置有金属盖板，对信号又有一定的屏蔽作用，使得阀井内采用常规的2G/3G/4G技术可能存在信号不稳定、数据传输不可靠等问题。
窄带物联网(NB-iot)是物联网领域一种广泛应用的新兴技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-iot构建于蜂窝网络，只消耗大约180 kHz的带宽，与现有网络共存，且同时具有覆盖广、连接多、功耗低等特点，可降低部署成本、实现平滑升级[14]。
综上所述，利用NB-iot通信技术，可以有效解决传统(2G/3G/4G)无线通信耗能高、信号弱、成本高、穿透力不强等问题。本研究拟在阀井内设置NB-iot通信模块，搭建阀井与SCADA系统之间的无线通信链路，实现阀井内生产数据的传输。
鉴于阀井具体工况，目前市场上还没有现成的远程切断装置能直接使用。为了克服城市燃气管道埋地阀井内积水、防爆I区、市电接入不易、空间狭小等现实困难，采用非橇装一体化思路，外形上看似为一个阀门，实际上涵盖了阀体、远程控制、信息采控与传输模块、微功率可燃气体探测器、压力传感器、温度传感器、供电等模块[15]。
一体化设备阀筒由执行拨块旋转打开，并通过传动轴连接挂钩，固定在动作机构上(见图 5)。在接受到远程关阀指令后，电磁铁推动动作机构零件，松开挂钩，阀筒在复位弹簧的作用下关闭阀口，实现切断。位移传感器可通过检测固定在传动轴上的挡板来判断切断阀的开启、关闭。
城市燃气阀井周围能利用的供电方式主要有工业用电、农电、太阳能、自带电池等方式。采用常规的工业用电付出的代价太高; 采用农电接入代价也高，且不符合供电管理规定; 采用太阳能供电，现场安装条件往往不满足要求; 采取自带电池可以解决前面几种供电方式存在的代价高、安装困难等问题，但会涉及到系统后期运行时更换电池的运维工作。通过对上述几种供电方式的优缺点比较，本研究拟采用系统自带电池供电方式。常见的自带电池类型主要有干电池、铅蓄电池、锂电池。
为便于自带电池的安装和拆卸、更换，采用锂电池供电。在系统封装时，对锂电池的安装、拆卸做一定的接口设置，确保系统运行安全，更换电池操作简单、快捷。
线图是一种分析机械系统动力学问题的有力工具，它可以形象地表示系统的工作，并决定重要的影响，而不建立完整的方程式和解出物理系统。本节将通过建立线图模型分析阀井一体化设备在远程关阀控制过程中的动态力学特性。线图由一系列的线段构成，而这些线段分别代表着系统的源元件、基本元件、变换器。基本元件分为两种形式，一种积聚能量(质量元件和弹簧元件)，另一种消耗能量(阻尼器)。每1个原件构成线图中的1条线段，每条线代表 1个通过变量和1个跨越变量。
在一体化设备远程关阀控制的过程中，系统的输入量为电磁铁的推力，该推力推动动作机构零件进行水平移动，从而松开连接挂钩(见图 5)。挂钩在重力作用下进行旋转，产生力矩，松开传动轴。传动轴和执行拨块由于缺少了力矩的作用，使得复位弹簧的势能得以转化为动能，从而产生推力，并最终关闭了阀口。若忽略挂钩间的摩擦力，并将复位弹簧的推力作为系统输出，可得该系统的线图模型，如图 6所示。
基于对阀井一体化设备远程关阀过程的力学分析和线图模型构建，可知该系统共有1个通过变量源Fin、4个参考点、10个结点、15条支路、4个变换器、1个输出量Fout。其中，连续性节点包括a、b、c、d、e、f，也称为平衡节点。
通过线图模型可以计算阀井关阀动作时力和位移的关系。一是计算关阀时弹簧压缩力和恢复行程的关系，二是计算手柄处的作用力和位移关系，从而为手柄的选材和尺寸设计提供依据。线图模型的计算则主要基于系统的元件方程、相容性方程和连续性方程。
系统元件方程用来表达各个基本元件处通过变量与跨越变量之间的关系，一般1个基本元件有1个方程，转换器连接处有2个方程，输出支路没有元件方程，该系统的元件方程如式(1)~式(9)所示。
式中：J为动作机构的转动惯量，kg·m2; ωJ为动作机构的转速，r/s; t为时间，s; TJ为动作机构的做功，J; K1为连接挂钩的弹性系数，无量纲; TK1为连接挂钩的做功，J; VK1为连接挂钩的移动速度，m/s; r1为连接挂钩的转动半径，m; TB1为电磁铁的做功，J; L为动作机构移动距离，m; F1电磁铁施加的力(输入)，N; m1为传动轴质量，kg; Vm1为传动轴的移动速度，m/s; Fm1为传动轴施加的力，N; F2、F3为液压缸输入、输出端的力，N; D1、D2分别为液压缸输入、输出端活塞直径，m; p1、p2分别为液压缸输入、输出端的压力，MPa; Cf为液压缸中的液容，m3; pCf为液体压力，MPa; QCf为液体流量，m3/s; m2为执行拨块的质量，kg; Vm2为执行拨块的移动速度，m/s; Fm2为执行拨块施加的力，N; K2为复位弹簧的弹性系数，无量纲; VK2为复位弹簧的移动速度，m/s; FK2为复位弹簧的弹力，N。
系统的相容性条件通过回路定律来体现，即是指每个封闭的环路内跨越变量的平衡关系，是一种能量守恒的体现。该系统的相容性方程如式(10)~式(15)所示：
式中：ωK1为挂钩的转速，r/s; VF3为液压缸输出端活塞的移动速度，m/s; pRf为管路液阻压力，MPa; VFout为系统输出端的移动速度，m/s。
系统的连续性方程也称节点方程，是指各结点处流入节点的通过变量的平衡关系，即结点处流入的通过变量等于流出的通过变量，是能量守恒定律的另一种体现。除去1个源元件、3个变换器，每个结点处有1个方程，故可得6个方程，如式(16)~式(21)所示。
式中：Tin为系统输入端的总功，J; Qp1、Qp2分别为液压缸输入、输出端的液体流量，m3/s; QRf为管路液阻流量，m3/s; F4为复位弹簧施加的推力，N; Fout为系统输出端施加的力，N。
为满足燃气管网系统日益复杂的生产需求，例如管网流量计量、管道安全监控报警及管网参数收集等, 本研究设计出了具有丰富功能的阀井信息采控一体化设备。该设备的显示功能、切断功能、信号传输功能、电量检测功能、数据储存功能及可扩展功能简介如下。
(1) 就地+远程阀位显示功能：承架盖上有阀位显示标志，承架内安装有位移传感器(8.2 V直流电，电流5 mA)，可在现场及远端观察切断阀的切断情况。
(2) 手动+远程切断功能：承架内安装有电磁铁(电源为24 V直流，电流1.1 A)，如遇突发情况，可在远端直接关闭切断阀。
(3) 切断阀进出口法兰上安装有压力变送器，所有信号均可传入物联网平台，可实时检测切断阀的运行情况及管线的压力并生成压力曲线，在压力异常时进行报警。法兰上的安装口也可作为切断阀的排气口。
(4) 切断阀采用手动复位，确定管线安全后才可开启切断阀; 手动复位时，可根据地下深度，选配不同长度的手轮或扳手，方便人工操作。承架上安装有密封胶条，防水防尘。
(5) 电池电量检测：当电池电量低于20%时，及时对用户进行提醒，并根据使用状况，对剩余电池电量使用时间进行估算，提供给用户。
(6) 切断阀数据储存：切断阀一物一码，每套阀井切断阀均有一个不重复的出厂编号，在阀井切断阀安装调试完成，并正常使用后，将阀井切断阀的出厂编号、使用地点、安装时间、安装人员、现场环境照片等数据录入系统，方便实时监控与维修。
(7) 可选配及扩展功能：包括安全报警功能、泄漏报警功能、维修检测记录储存功能、流量估算功能和流量调节功能。
阀井紧急切断阀(见图 7)具有以下特点：
(1) 结构紧凑，总体积为320 mm×440 mm×900 mm。
(2) 设备高度可根据实际需求进行调整，默认为900 mm总高，使用在直径800 mm、深度1 000 mm的标准阀井内。
(3) 手动复位点距阀井地面高度约300 mm，可在地面上直接进行手动复位。
(4) 阀体内结构简单，设计时尽量减少了阀体内零件，提高可靠性，降低故障率。
(5) 阀体内所有金属件均采用2Cr13不锈钢材质，所有密封件均采用氟橡胶材质，保证阀体在井内长时间运行。
(6) 阀口处密封面为焊材CHR507堆焊后加工而成，提高阀口硬度。
(7) 阀井设备采用全平衡设计，复位时仅需克服关闭弹簧力与可忽略的摩擦力，无需考虑气压大小，使手动复位变得简单容易。
(8) 阀井设备进出口与管线连接采用焊接方式，防止法兰连接时因法兰锈蚀和密封件老化造成泄漏。
埋地式切断阀主要用于城市门站、区域调压站及民用气的安全切断保护。在不方便现场实时监控的时候，通过手机APP或电脑客户端远程监控切断阀的运行状况，以及实现远程切断功能。
埋地阀井是燃气管网调节与控制的重要设施，遍及燃气管网各个节点。传统的埋地阀井缺乏数据采集、安全报警和远程应急处置等功能，极大地影响了燃气管网的安全生产运行。为解决埋地阀井监控的多种功能需求，本研究在传统阀井功能设计的基础上，开展了一体化设备的研制思路探讨、关键技术方案分析和设备线图模型研究。重点讨论了该设备的计量技术、燃气压力信息采集技术、气体浓度检测技术、网络通信技术、远程控制与封装技术和供电技术，并对所提出的阀井信息采控一体化设备的设备功能、设备特点和应用范围进行了介绍。研究结果表明，该设备具有数据采集与储存、数据分析统计、故障报警、阀位显示、远程切断操作等功能。采用该阀井一体化设备可实现对城市燃气管网远程化与智能化管理。
2022, Vol. 51 Issue (6): 132-138, 146 2022, Vol. 51 Issue (6): 132-138, 146