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(shí)現無(wú)人站的重要技術(shù)基礎。一鍵啟停站從軟件系統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(dòng)導通站內工藝流程、壓縮空氣系統自啟停、壓縮機廠(chǎng)房風(fēng)機自動(dòng)分配、壓縮機組一鍵啟動(dòng)、防喘控制與負荷分配自動(dòng)投用6個(gè)部分組成；結合壓縮機組的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(dòng)停站方式。

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

 

為了提高天然氣壓氣站控制系統自動(dòng)化水平，實(shí)現無(wú)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(jìn)行了基于國產(chǎn)化控制系統一鍵啟停站控制技術(shù)實(shí)踐。

1 技術(shù)現狀

當前國內天然氣管道壓氣站站場(chǎng)工藝流程因部分設備無(wú)法遠控或程序功能不完善等原因未能完全實(shí)現自動(dòng)控制[3-6]，又因干氣密封系統無(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)現在泄壓停機后的自動(dòng)啟機，制約了一鍵啟停站在設計上的實(shí)現。

控制系統通常分為站控、壓縮機控制、輔助設備控制、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(chǎng)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，數據帶寬較低、通訊穩定性較差，并產(chǎn)生了諸如同一設備或參數在不同系統中的命名方式不一致等問(wèn)題[7-9]。在啟站過(guò)程中需要調度員分別控制站場(chǎng)流程的導通、輔助系統的啟停、單臺機組啟動(dòng)、多臺機組聯(lián)合啟停、防喘與負荷分配的投用等操作，監視參數和人為操作的步驟較多，過(guò)于依賴(lài)調度員的經(jīng)驗，調度效率低。

2 設計思路

2.1 站場(chǎng)工藝改進(jìn)

將進(jìn)/出站旁通管線(xiàn)上的平衡閥改為電動(dòng)并接入站控系統（圖 1），以改變以往在停站后干線(xiàn)與站內壓差過(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)現一鍵啟站時(shí)能夠自動(dòng)導通工藝流程。

2.2 壓縮機工藝改進(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組出口匯管工藝氣，增設一個(gè)氣動(dòng)閥門(mén)受壓縮機控制系統控制（圖 2）。當壓縮機組進(jìn)行泄壓后的啟機時(shí)，機組出口端工藝氣源已放空，需打開(kāi)該氣動(dòng)閥從壓縮機出口匯管供應一級密封氣，泄壓停機時(shí)需關(guān)閉該氣動(dòng)閥，從而實(shí)現一鍵啟停站時(shí)干氣密封系統的自動(dòng)控制。

2.3 控制系統配置優(yōu)化

當前國內壓氣站控制系統配置采用站控系統、 輔助控制系統以及壓縮機控制系統完全獨立的模式，將過(guò)程控制部分、安全儀表部分以及負荷分配部分互相獨立，并各自單獨設置PLC[10-11]，至少8套PLC。各個(gè)系統之間的數據交流大多使用ModbusRTU通訊協(xié)議，穩定通訊速率只有0.192 Mbps，無(wú)論通訊帶寬還是穩定性均無(wú)法滿(mǎn)足一鍵啟停站的數據要求。

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的過(guò)程控制及安全儀表部分，最終全站只設有站控過(guò)程控制PLC、站控安全儀表PLC、兩套壓縮機控制系統PLC共4套（圖 3），數量降低了50%。同時(shí)將控制系統網(wǎng)絡(luò )分為控制網(wǎng)和設備網(wǎng)，控制網(wǎng)用來(lái)傳輸北京油氣調控中心、站控系統HMI與站場(chǎng)過(guò)程控制系統PLC通訊數據，設備網(wǎng)用來(lái)傳輸各系統控制器之間的交換數據，保障了數據傳輸帶寬，并采用國產(chǎn)PLC可在設備網(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深度融合

當前國內壓氣站控制系統有多個(gè)獨立部分，不同工作站的使用界面也都不同，造成調度員在啟停站過(guò)程中必須來(lái)回切換多個(gè)畫(huà)面。

蓋州壓氣站SCADA系統采用中石油具自主知識產(chǎn)權的PCS軟件以及高性能服務(wù)器―客戶(hù)端結構，保證了大數據量采集穩定性，并將壓縮機控制系統的工藝系統圖、潤滑油系統圖、干氣密封圖、軸系振動(dòng)圖、啟停機組等畫(huà)面與站控畫(huà)面全面整合進(jìn)PCS系統。

2.5 壓縮機輔助系統整合

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

3 一鍵啟站

一鍵啟站功能由狀態(tài)反饋與報警檢測、自動(dòng)導通站內工藝流程、壓縮空氣系統自啟停、壓縮機廠(chǎng)房風(fēng)機自動(dòng)分配、壓縮機組一鍵啟動(dòng)、防喘控制與負荷分配自動(dòng)投用6個(gè)部分組成。

3.1 狀態(tài)反饋與報警檢測

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

3.2 自動(dòng)導通站內工藝流程

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)站內循環(huán)閥、關(guān)閉越站閥。

3.3 壓縮空氣系統自啟停

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，使空壓機出口壓力達到預定值再停止空壓機，同時(shí)對空壓機與對應的送風(fēng)機實(shí)現連鎖啟停。

3.4 壓縮機廠(chǎng)房風(fēng)機自動(dòng)分配

將壓縮機廠(chǎng)房排風(fēng)機分為4組，經(jīng)過(guò)計算后自動(dòng)選取4組中工作時(shí)間最短的一臺進(jìn)行投用，同時(shí)自動(dòng)將4臺送風(fēng)機中運行時(shí)間最短的3臺順序投用。

3.5 壓縮機組一鍵啟動(dòng)

按預選順序先后啟動(dòng)兩臺壓縮機機組。第一臺機組達到最低工作轉速后啟動(dòng)第二臺。啟機流程順序為：按照啟機條件判斷—啟動(dòng)輔助系統—氣體置換（保壓?jiǎn)�機自動(dòng)跳過(guò)這一步）—壓縮機進(jìn)出口工藝流程導通—啟機條件二次判斷—啟動(dòng)變頻器并暖機—暖機結束后快速提升到最低工作轉速。

3.6 防喘控制與負荷分配自動(dòng)投用

單臺機組啟動(dòng)到達最小控制轉速以及加載條件后，經(jīng)過(guò)一段延時(shí)防喘控制系統自動(dòng)投用，防喘振閥按一定斜率自動(dòng)關(guān)閉同時(shí)出口壓力控制按設置速度提升壓縮機轉速，直到出口壓力能夠克服管網(wǎng)阻力，單向閥打開(kāi)后壓縮機并入管網(wǎng)[12-18]。當第二臺機組出口單向閥打開(kāi)，系統判定該機組進(jìn)入管網(wǎng)，隨著(zhù)新并入機組的流量進(jìn)入管網(wǎng)，在線(xiàn)機組由主控制器控制自動(dòng)降低轉速，或者當在線(xiàn)機組滿(mǎn)負載仍不滿(mǎn)足出口壓力條件時(shí)保持轉速不變，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束后不進(jìn)行泄壓，區別僅在于變頻器的停止方式不同，正常停機為先降轉速到最低工作轉速后停變頻器、保壓停機為直接停止變頻器。泄壓停機為直接斷開(kāi)變頻器供電并將壓縮機區的工藝氣進(jìn)行泄壓放空[19-20]。

4.2 停站

結合壓縮機組的3種停機模式與站場(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(fēng)機并關(guān)閉站內流程打開(kāi)越站閥。

（2）多機停止：兩臺壓縮機組按順序進(jìn)行正常停機。

（3）多機保壓停機：兩臺壓縮機組同時(shí)進(jìn)行保壓停機。

（4）多機泄壓停機：也叫做區域站ESD，兩臺壓縮機組同時(shí)進(jìn)行泄壓停機。

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

5 結束語(yǔ)

該項成果實(shí)現了我國油氣管道在一鍵啟停站控制技術(shù)方面的應用。將調度員從遠程操作模式中解放出來(lái)，將更多的精力投入到管網(wǎng)的整體運行參數控制中，降低操作量，提高工作效率，標志著(zhù)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(wú)人站建設奠定了基礎。

 

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作者：董紅軍， 1965年生，中國石油大學(xué)油氣儲運專(zhuān)業(yè)畢業(yè)，現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)和科技項目研究推廣和應用。張舒，女， 1971年生，大慶石油學(xué)院計算機軟件專(zhuān)業(yè)畢業(yè)，現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)研究和應用。

2019年第4期（總第47期）