董紅軍 張舒

中國(guó)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(shí)現(xiàn)無(wú)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(bào)警檢測(cè)、自動(dòng)導(dǎo)通站內(nèi)工藝流程、壓縮空氣系統(tǒng)自啟停、壓縮機(jī)廠房風(fēng)機(jī)自動(dòng)分配、壓縮機(jī)組一鍵啟動(dòng)、防喘控制與負(fù)荷分配自動(dòng)投用6個(gè)部分組成；結(jié)合壓縮機(jī)組的3種停機(jī)模式以及工藝需求，一鍵停站功能則分為正常停站、多機(jī)停止、多機(jī)保壓停機(jī)、多機(jī)泄壓停機(jī)、全站ESD5種自動(dòng)停站方式。

關(guān)鍵詞：壓氣站；一鍵啟停；國(guó)產(chǎn)化；控制系統(tǒng)融合；無(wú)人站； PCS

 

為了提高天然氣壓氣站控制系統(tǒng)自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)無(wú)人站、智慧管道的目標(biāo)[1-2]，中國(guó)石油管道公司在蓋州壓氣站進(jìn)行了基于國(guó)產(chǎn)化控制系統(tǒng)一鍵啟停站控制技術(shù)實(shí)踐。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)前國(guó)內(nèi)天然氣管道壓氣站站場(chǎng)工藝流程因部分設(shè)備無(wú)法遠(yuǎn)控或程序功能不完善等原因未能完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制[3-6]，又因干氣密封系統(tǒng)無(wú)第二路氣源或第二路氣源隔離閥為手動(dòng)控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在泄壓停機(jī)后的自動(dòng)啟機(jī)，制約了一鍵啟停站在設(shè)計(jì)上的實(shí)現(xiàn)。

控制系統(tǒng)通常分為站控、壓縮機(jī)控制、輔助設(shè)備控制、負(fù)荷分配控制等互相獨(dú)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(shí)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(wèn)題[7-9]。在啟站過(guò)程中需要調(diào)度員分別控制站場(chǎng)流程的導(dǎo)通、輔助系統(tǒng)的啟停、單臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)、多臺(tái)機(jī)組聯(lián)合啟停、防喘與負(fù)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(guò)于依賴調(diào)度員的經(jīng)驗(yàn)，調(diào)度效率低。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 站場(chǎng)工藝改進(jìn)

將進(jìn)/出站旁通管線上的平衡閥改為電動(dòng)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(guò)大時(shí)只能依靠人工去緩慢平衡壓力的狀況，使壓差平衡過(guò)程可控，從而實(shí)現(xiàn)一鍵啟站時(shí)能夠自動(dòng)導(dǎo)通工藝流程。

2.2 壓縮機(jī)工藝改進(jìn)

在原干氣密封備用氣源口位置，增加第二路工藝氣源引機(jī)組出口匯管工藝氣，增設(shè)一個(gè)氣動(dòng)閥門受壓縮機(jī)控制系統(tǒng)控制（圖 2）。當(dāng)壓縮機(jī)組進(jìn)行泄壓后的啟機(jī)時(shí)，機(jī)組出口端工藝氣源已放空，需打開(kāi)該氣動(dòng)閥從壓縮機(jī)出口匯管供應(yīng)一級(jí)密封氣，泄壓停機(jī)時(shí)需關(guān)閉該氣動(dòng)閥，從而實(shí)現(xiàn)一鍵啟停站時(shí)干氣密封系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

2.3 控制系統(tǒng)配置優(yōu)化

當(dāng)前國(guó)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(jī)控制系統(tǒng)完全獨(dú)立的模式，將過(guò)程控制部分、安全儀表部分以及負(fù)荷分配部分互相獨(dú)立，并各自單獨(dú)設(shè)置PLC[10-11]，至少8套PLC。各個(gè)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(wú)論通訊帶寬還是穩(wěn)定性均無(wú)法滿足一鍵啟停站的數(shù)據(jù)要求。

蓋州壓氣站將負(fù)荷分配PLC整合入站控PLC、整合壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的過(guò)程控制及安全儀表部分，最終全站只設(shè)有站控過(guò)程控制PLC、站控安全儀表PLC、兩套壓縮機(jī)控制系統(tǒng)PLC共4套（圖 3），數(shù)量降低了50%。同時(shí)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(lái)傳輸北京油氣調(diào)控中心、站控系統(tǒng)HMI與站場(chǎng)過(guò)程控制系統(tǒng)PLC通訊數(shù)據(jù)，設(shè)備網(wǎng)用來(lái)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(guó)產(chǎn)PLC可在設(shè)備網(wǎng)使用UCP協(xié)議，通訊速率達(dá)到108 Mbps。

2.4 站控與壓縮機(jī)控制系統(tǒng)深度融合

當(dāng)前國(guó)內(nèi)壓氣站控制系統(tǒng)有多個(gè)獨(dú)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(guò)程中必須來(lái)回切換多個(gè)畫面。

蓋州壓氣站SCADA系統(tǒng)采用中石油具自主知識(shí)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(jī)控制系統(tǒng)的工藝系統(tǒng)圖、潤(rùn)滑油系統(tǒng)圖、干氣密封圖、軸系振動(dòng)圖、啟停機(jī)組等畫面與站控畫面全面整合進(jìn)PCS系統(tǒng)。

2.5 壓縮機(jī)輔助系統(tǒng)整合

將潤(rùn)滑油系統(tǒng)、后空冷器等核心設(shè)備控制整合入 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)直接控制，對(duì)變頻控制系統(tǒng)、 UMDS、水冷系統(tǒng)的與啟停機(jī)組相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)通過(guò)硬線整合到壓縮機(jī)控制系統(tǒng)，其余參數(shù)由各輔助系統(tǒng)獨(dú)立的控制器進(jìn)行采集，并聯(lián)通到每臺(tái)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)。

3 一鍵啟站

一鍵啟站功能由狀態(tài)反饋與報(bào)警檢測(cè)、自動(dòng)導(dǎo)通站內(nèi)工藝流程、壓縮空氣系統(tǒng)自啟停、壓縮機(jī)廠房風(fēng)機(jī)自動(dòng)分配、壓縮機(jī)組一鍵啟動(dòng)、防喘控制與負(fù)荷分配自動(dòng)投用6個(gè)部分組成。

3.1 狀態(tài)反饋與報(bào)警檢測(cè)

自動(dòng)判斷一鍵啟站所涉及到的設(shè)備狀態(tài)是否正常：壓縮機(jī)組供電系統(tǒng)（UMDS）滿足正常運(yùn)行，檢查壓縮機(jī)組無(wú)綜合故障及處于ESD狀態(tài)報(bào)警，壓縮機(jī)廠房消防系統(tǒng)探測(cè)器是否有故障、可燃?xì)怏w濃度超高報(bào)警、火焰報(bào)警。

3.2 自動(dòng)導(dǎo)通站內(nèi)工藝流程

自動(dòng)檢查站場(chǎng)工藝流程是否符合一鍵啟站的要求：過(guò)濾設(shè)備上下游、壓力越站管路的電動(dòng)球閥以及進(jìn)出站ESD閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，其他電動(dòng)閥處于關(guān)閉狀態(tài)。正常的啟動(dòng)站場(chǎng)管路：打開(kāi)過(guò)濾器前后截止閥；進(jìn)/出站閥前后壓差小于0.2 MPa，則按照管路進(jìn)氣工藝流程順序打開(kāi)進(jìn)/出站閥，如果大于0.2 MPa則先打開(kāi)進(jìn)/出站旁通閥，待壓差低于0.2 MPa后再打開(kāi)進(jìn)/出站閥，并關(guān)閉旁通閥；打開(kāi)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(dòng)檢查壓縮空氣管路壓力是否正常，如過(guò)低則自動(dòng)啟動(dòng)空壓機(jī)，使空壓機(jī)出口壓力達(dá)到預(yù)定值再停止空壓機(jī)，同時(shí)對(duì)空壓機(jī)與對(duì)應(yīng)的送風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)連鎖啟停。

3.4 壓縮機(jī)廠房風(fēng)機(jī)自動(dòng)分配

將壓縮機(jī)廠房排風(fēng)機(jī)分為4組，經(jīng)過(guò)計(jì)算后自動(dòng)選取4組中工作時(shí)間最短的一臺(tái)進(jìn)行投用，同時(shí)自動(dòng)將4臺(tái)送風(fēng)機(jī)中運(yùn)行時(shí)間最短的3臺(tái)順序投用。

3.5 壓縮機(jī)組一鍵啟動(dòng)

按預(yù)選順序先后啟動(dòng)兩臺(tái)壓縮機(jī)機(jī)組。第一臺(tái)機(jī)組達(dá)到最低工作轉(zhuǎn)速后啟動(dòng)第二臺(tái)。啟機(jī)流程順序?yàn)椋喊凑諉�機(jī)條件判斷—啟動(dòng)輔助系統(tǒng)—?dú)怏w置換（保壓?jiǎn)�機(jī)自動(dòng)跳過(guò)這一步）—壓縮機(jī)進(jìn)出口工藝流程導(dǎo)通—啟機(jī)條件二次判斷—啟動(dòng)變頻器并暖機(jī)—暖機(jī)結(jié)束后快速提升到最低工作轉(zhuǎn)速。

3.6 防喘控制與負(fù)荷分配自動(dòng)投用

單臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)到達(dá)最小控制轉(zhuǎn)速以及加載條件后，經(jīng)過(guò)一段延時(shí)防喘控制系統(tǒng)自動(dòng)投用，防喘振閥按一定斜率自動(dòng)關(guān)閉同時(shí)出口壓力控制按設(shè)置速度提升壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，直到出口壓力能夠克服管網(wǎng)阻力，單向閥打開(kāi)后壓縮機(jī)并入管網(wǎng)[12-18]。當(dāng)?shù)诙�臺(tái)機(jī)組出口單向閥打開(kāi)，系統(tǒng)判定該機(jī)組進(jìn)入管網(wǎng)，隨著新并入機(jī)組的流量進(jìn)入管網(wǎng)，在線機(jī)組由主控制器控制自動(dòng)降低轉(zhuǎn)速，或者當(dāng)在線機(jī)組滿負(fù)載仍不滿足出口壓力條件時(shí)保持轉(zhuǎn)速不變，最終達(dá)到負(fù)荷平衡。

4 一鍵停站

4.1 單機(jī)組停機(jī)

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

4.2 停站

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

（1）正常停站：兩臺(tái)壓縮機(jī)組退出負(fù)荷分配后，按順序正常停機(jī)，停機(jī)成功后停止風(fēng)機(jī)并關(guān)閉站內(nèi)流程打開(kāi)越站閥。

（2）多機(jī)停止：兩臺(tái)壓縮機(jī)組按順序進(jìn)行正常停機(jī)。

（3）多機(jī)保壓停機(jī)：兩臺(tái)壓縮機(jī)組同時(shí)進(jìn)行保壓停機(jī)。

（4）多機(jī)泄壓停機(jī)：也叫做區(qū)域站ESD，兩臺(tái)壓縮機(jī)組同時(shí)進(jìn)行泄壓停機(jī)。

（5）全站ESD：兩臺(tái)壓縮機(jī)組同時(shí)進(jìn)行泄壓停機(jī)，隨后緊急關(guān)斷進(jìn)出站ESD閥，關(guān)閉現(xiàn)場(chǎng)非消防電源，壓差條件符合后打開(kāi)越站閥。

5 結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)成果實(shí)現(xiàn)了我國(guó)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(yuǎn)程操作模式中解放出來(lái)，將更多的精力投入到管網(wǎng)的整體運(yùn)行參數(shù)控制中，降低操作量，提高工作效率，標(biāo)志著由單體操作到模糊對(duì)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(wú)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(guó)石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)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(jìn)技術(shù)和科技項(xiàng)目研究推廣和應(yīng)用。張舒，女， 1971年生，大慶石油學(xué)院計(jì)算機(jī)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(dòng)化技術(shù)研究和應(yīng)用。

2019年第4期（總第47期）