董紅軍 張舒

中國石油管道公司

 

摘 要：天然氣管道一鍵啟停站技術(shù)是壓氣站實現(xiàn)無人站的重要技術(shù)基礎(chǔ)。一鍵啟停站從軟件系統(tǒng)分為一鍵啟站和一鍵停站兩部分，一鍵啟站功能由狀態(tài)反饋與報警檢測、自動導通站內(nèi)工藝流程、壓縮空氣系統(tǒng)自啟停、壓縮機廠房風機自動分配、壓縮機組一鍵啟動、防喘控制與負荷分配自動投用6個部分組成；結(jié)合壓縮機組的3種停機模式以及工藝需求，一鍵停站功能則分為正常停站、多機停止、多機保壓停機、多機泄壓停機、全站ESD5種自動停站方式。

關(guān)鍵詞：壓氣站；一鍵啟停；國產(chǎn)化；控制系統(tǒng)融合；無人站； PCS

 

為了提高天然氣壓氣站控制系統(tǒng)自動化水平，實現(xiàn)無人站、智慧管道的目標[1-2]，中國石油管道公司在蓋州壓氣站進行了基于國產(chǎn)化控制系統(tǒng)一鍵啟停站控制技術(shù)實踐。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

當前國內(nèi)天然氣管道壓氣站站場工藝流程因部分設(shè)備無法遠控或程序功能不完善等原因未能完全實現(xiàn)自動控制[3-6]，又因干氣密封系統(tǒng)無第二路氣源或第二路氣源隔離閥為手動控制，無法實現(xiàn)在泄壓停機后的自動啟機，制約了一鍵啟停站在設(shè)計上的實現(xiàn)。

控制系統(tǒng)通常分為站控、壓縮機控制、輔助設(shè)備控制、負荷分配控制等互相獨立的部分，并分別使用PLC、 HMI不同品牌軟件及集成廠家，造成使用界面與操作模式的差異，互相聯(lián)絡(luò)時只能使用第三通訊模式，數(shù)據(jù)帶寬較低、通訊穩(wěn)定性較差，并產(chǎn)生了諸如同一設(shè)備或參數(shù)在不同系統(tǒng)中的命名方式不一致等問題[7-9]。在啟站過程中需要調(diào)度員分別控制站場流程的導通、輔助系統(tǒng)的啟停、單臺機組啟動、多臺機組聯(lián)合啟停、防喘與負荷分配的投用等操作，監(jiān)視參數(shù)和人為操作的步驟較多，過于依賴調(diào)度員的經(jīng)驗，調(diào)度效率低。

2 設(shè)計思路

2.1 站場工藝改進

將進/出站旁通管線上的平衡閥改為電動并接入站控系統(tǒng)（圖 1），以改變以往在停站后干線與站內(nèi)壓差過大時只能依靠人工去緩慢平衡壓力的狀況，使壓差平衡過程可控，從而實現(xiàn)一鍵啟站時能夠自動導通工藝流程。

2.2 壓縮機工藝改進

在原干氣密封備用氣源口位置，增加第二路工藝氣源引機組出口匯管工藝氣，增設(shè)一個氣動閥門受壓縮機控制系統(tǒng)控制（圖 2）。當壓縮機組進行泄壓后的啟機時，機組出口端工藝氣源已放空，需打開該氣動閥從壓縮機出口匯管供應(yīng)一級密封氣，泄壓停機時需關(guān)閉該氣動閥，從而實現(xiàn)一鍵啟停站時干氣密封系統(tǒng)的自動控制。

2.3 控制系統(tǒng)配置優(yōu)化

當前國內(nèi)壓氣站控制系統(tǒng)配置采用站控系統(tǒng)、 輔助控制系統(tǒng)以及壓縮機控制系統(tǒng)完全獨立的模式，將過程控制部分、安全儀表部分以及負荷分配部分互相獨立，并各自單獨設(shè)置PLC[10-11]，至少8套PLC。各個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交流大多使用ModbusRTU通訊協(xié)議，穩(wěn)定通訊速率只有0.192 Mbps，無論通訊帶寬還是穩(wěn)定性均無法滿足一鍵啟停站的數(shù)據(jù)要求。

蓋州壓氣站將負荷分配PLC整合入站控PLC、整合壓縮機控制系統(tǒng)的過程控制及安全儀表部分，最終全站只設(shè)有站控過程控制PLC、站控安全儀表PLC、兩套壓縮機控制系統(tǒng)PLC共4套（圖 3），數(shù)量降低了50%。同時將控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為控制網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)，控制網(wǎng)用來傳輸北京油氣調(diào)控中心、站控系統(tǒng)HMI與站場過程控制系統(tǒng)PLC通訊數(shù)據(jù)，設(shè)備網(wǎng)用來傳輸各系統(tǒng)控制器之間的交換數(shù)據(jù)，保障了數(shù)據(jù)傳輸帶寬，并采用國產(chǎn)PLC可在設(shè)備網(wǎng)使用UCP協(xié)議，通訊速率達到108 Mbps。

2.4 站控與壓縮機控制系統(tǒng)深度融合

當前國內(nèi)壓氣站控制系統(tǒng)有多個獨立部分，不同工作站的使用界面也都不同，造成調(diào)度員在啟停站過程中必須來回切換多個畫面。

蓋州壓氣站SCADA系統(tǒng)采用中石油具自主知識產(chǎn)權(quán)的PCS軟件以及高性能服務(wù)器―客戶端結(jié)構(gòu)，保證了大數(shù)據(jù)量采集穩(wěn)定性，并將壓縮機控制系統(tǒng)的工藝系統(tǒng)圖、潤滑油系統(tǒng)圖、干氣密封圖、軸系振動圖、啟停機組等畫面與站控畫面全面整合進PCS系統(tǒng)。

2.5 壓縮機輔助系統(tǒng)整合

將潤滑油系統(tǒng)、后空冷器等核心設(shè)備控制整合入 壓縮機控制系統(tǒng)直接控制，對變頻控制系統(tǒng)、 UMDS、水冷系統(tǒng)的與啟停機組相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)通過硬線整合到壓縮機控制系統(tǒng)，其余參數(shù)由各輔助系統(tǒng)獨立的控制器進行采集，并聯(lián)通到每臺壓縮機控制系統(tǒng)。

3 一鍵啟站

一鍵啟站功能由狀態(tài)反饋與報警檢測、自動導通站內(nèi)工藝流程、壓縮空氣系統(tǒng)自啟停、壓縮機廠房風機自動分配、壓縮機組一鍵啟動、防喘控制與負荷分配自動投用6個部分組成。

3.1 狀態(tài)反饋與報警檢測

自動判斷一鍵啟站所涉及到的設(shè)備狀態(tài)是否正常：壓縮機組供電系統(tǒng)（UMDS）滿足正常運行，檢查壓縮機組無綜合故障及處于ESD狀態(tài)報警，壓縮機廠房消防系統(tǒng)探測器是否有故障、可燃氣體濃度超高報警、火焰報警。

3.2 自動導通站內(nèi)工藝流程

自動檢查站場工藝流程是否符合一鍵啟站的要求：過濾設(shè)備上下游、壓力越站管路的電動球閥以及進出站ESD閥處于開啟狀態(tài)，其他電動閥處于關(guān)閉狀態(tài)。正常的啟動站場管路：打開過濾器前后截止閥；進/出站閥前后壓差小于0.2 MPa，則按照管路進氣工藝流程順序打開進/出站閥，如果大于0.2 MPa則先打開進/出站旁通閥，待壓差低于0.2 MPa后再打開進/出站閥，并關(guān)閉旁通閥；打開站內(nèi)循環(huán)閥、關(guān)閉越站閥。

3.3 壓縮空氣系統(tǒng)自啟停

自動檢查壓縮空氣管路壓力是否正常，如過低則自動啟動空壓機，使空壓機出口壓力達到預定值再停止空壓機，同時對空壓機與對應(yīng)的送風機實現(xiàn)連鎖啟停。

3.4 壓縮機廠房風機自動分配

將壓縮機廠房排風機分為4組，經(jīng)過計算后自動選取4組中工作時間最短的一臺進行投用，同時自動將4臺送風機中運行時間最短的3臺順序投用。

3.5 壓縮機組一鍵啟動

按預選順序先后啟動兩臺壓縮機機組。第一臺機組達到最低工作轉(zhuǎn)速后啟動第二臺。啟機流程順序為：按照啟機條件判斷—啟動輔助系統(tǒng)—氣體置換（保壓啟機自動跳過這一步）—壓縮機進出口工藝流程導通—啟機條件二次判斷—啟動變頻器并暖機—暖機結(jié)束后快速提升到最低工作轉(zhuǎn)速。

3.6 防喘控制與負荷分配自動投用

單臺機組啟動到達最小控制轉(zhuǎn)速以及加載條件后，經(jīng)過一段延時防喘控制系統(tǒng)自動投用，防喘振閥按一定斜率自動關(guān)閉同時出口壓力控制按設(shè)置速度提升壓縮機轉(zhuǎn)速，直到出口壓力能夠克服管網(wǎng)阻力，單向閥打開后壓縮機并入管網(wǎng)[12-18]。當?shù)诙�臺機組出口單向閥打開，系統(tǒng)判定該機組進入管網(wǎng)，隨著新并入機組的流量進入管網(wǎng)，在線機組由主控制器控制自動降低轉(zhuǎn)速，或者當在線機組滿負載仍不滿足出口壓力條件時保持轉(zhuǎn)速不變，最終達到負荷平衡。

4 一鍵停站

4.1 單機組停機

單臺壓縮機組的停機模式分為正常停機、保壓停機、泄壓停機3種。正常停機與保壓停機在停機結(jié)束后不進行泄壓，區(qū)別僅在于變頻器的停止方式不同，正常停機為先降轉(zhuǎn)速到最低工作轉(zhuǎn)速后停變頻器、保壓停機為直接停止變頻器。泄壓停機為直接斷開變頻器供電并將壓縮機區(qū)的工藝氣進行泄壓放空[19-20]。

4.2 停站

結(jié)合壓縮機組的3種停機模式與站場的實際工藝需求又分為了5種停站模式。

（1）正常停站：兩臺壓縮機組退出負荷分配后，按順序正常停機，停機成功后停止風機并關(guān)閉站內(nèi)流程打開越站閥。

（2）多機停止：兩臺壓縮機組按順序進行正常停機。

（3）多機保壓停機：兩臺壓縮機組同時進行保壓停機。

（4）多機泄壓停機：也叫做區(qū)域站ESD，兩臺壓縮機組同時進行泄壓停機。

（5）全站ESD：兩臺壓縮機組同時進行泄壓停機，隨后緊急關(guān)斷進出站ESD閥，關(guān)閉現(xiàn)場非消防電源，壓差條件符合后打開越站閥。

5 結(jié)束語

該項成果實現(xiàn)了我國油氣管道在一鍵啟停站控制技術(shù)方面的應(yīng)用。將調(diào)度員從遠程操作模式中解放出來，將更多的精力投入到管網(wǎng)的整體運行參數(shù)控制中，降低操作量，提高工作效率，標志著由單體操作到模糊對象操作的智能化控制的飛躍，提高了天然氣管網(wǎng)的自控水平，為油氣管道無人站建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

 

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作者：董紅軍， 1965年生，中國石油大學油氣儲運專業(yè)畢業(yè)，現(xiàn)任中石油管道公司總經(jīng)理助理，主管油氣管道先進技術(shù)和科技項目研究推廣和應(yīng)用。張舒，女， 1971年生，大慶石油學院計算機軟件專業(yè)畢業(yè)，現(xiàn)任中石油管道公司技術(shù)服務(wù)中心副主任，主管油氣管道自動化技術(shù)研究和應(yīng)用。

2019年第4期（總第47期）