自動控制系統(tǒng)在地下儲氣庫中的設計

李晶晶

中油遼河工程有限公司

我國的地下儲氣庫安全問題日顯突出。地下儲氣庫如果出現(xiàn)氣體泄漏，將對地下儲氣庫生產(chǎn)和工作人員安全構成巨大威脅，嚴重的事故對周邊的建筑物、人身安全等也會造成傷害。自控系統(tǒng)是儲氣庫生產(chǎn)中的主要工作系統(tǒng)之一，在儲氣庫安全生產(chǎn)、平穩(wěn)生產(chǎn)中占有重要地位。自動控制系統(tǒng)，對地下儲氣庫安全可靠運行、降低事故風險，具有重要的現(xiàn)實意義，將會帶來巨大的間接經(jīng)濟效益。

概述

由于我國的天然氣資源分布不均衡，近年來在部分地區(qū)出現(xiàn)了“氣荒”現(xiàn)象。為了平衡我國季節(jié)性用氣不均衡性，國家能源局于2010年大力推進國內天然氣儲氣庫建設工作，增強用氣高峰時段的調峰能力。

以遼寧為例，據(jù)統(tǒng)計，遼寧省的天然氣市場需求在東北地區(qū)最大，基本上相當于黑龍江和吉林省的需求之和，其中最主要用氣負荷集中在沈陽、大連、盤錦、遼陽、撫順等城市。據(jù)遼河油田預測，對天然氣的年需求量最高可達28 億m3/年，可替換重油約220 萬t/年。

為滿足天然氣管道沿線市場冬、夏季調峰氣量的需求，需建設地下儲氣庫。

1.綜合控制系統(tǒng)結構要求

包括以下主要控制系統(tǒng)：

（1）集注站DCS 控制系統(tǒng)；

（2）集注站緊急切斷系統(tǒng)（即ESD 系統(tǒng)）；

（3）井場RTU 系統(tǒng)；

（4）線路截斷閥室RTU 系統(tǒng)；

（5）聯(lián)合站PLC 控制系統(tǒng)。

集注站DCS 系統(tǒng)和ESD 系統(tǒng)的用房主要有中控室、機柜室、UPS 室等。中控室、機柜室、UPS 室設置防靜電活動地板。為保證計算機系統(tǒng)的正常運行這些房間配備了空調設備。其房間的溫度及濕度如下。

溫度：冬季在20±2℃，夏季在26±2℃，溫度變化率小于5℃/h；

相對濕度：15%～85%。

井場和線路截斷閥室設置RTU 控制系統(tǒng)的用房為機柜室，機柜室內不設置采暖設施和空調。

RTU 系統(tǒng)放置在室外露天，安裝位置在1 類2 區(qū)區(qū)域。

聯(lián)合站設置PLC 控制系統(tǒng)的值班間，值班間內設有采暖設施。

2.各個控制系統(tǒng)間的通訊與控制

井場設置RTU 控制系統(tǒng)，實現(xiàn)井場無人值守。RTU完成對所在井場工藝參數(shù)的檢測、控制、聯(lián)鎖保護等功能。RTU 采用以太網(wǎng)接口通過光纜與集注站的控制系統(tǒng)進行通信，通信協(xié)議采用TCP/IP 協(xié)議。RTU 完成對所在井場的溫度、壓力、流量等工藝變量進行數(shù)據(jù)采集和處理；對油、氣、水的計量；對電力相關變量的監(jiān)控；通過安全柵對危險區(qū)域的防爆安全控制；邏輯控制；聯(lián)鎖保護；對可燃氣體泄漏和火災的監(jiān)視與報警等功能；同時將數(shù)據(jù)上傳集注站的DCS 系統(tǒng)，并能接收ESD 系統(tǒng)的緊急關斷命令。

集注站站控系統(tǒng)由分散型控制系統(tǒng)（即DCS 系統(tǒng)），緊急切斷（即ESD）系統(tǒng)和火&氣系統(tǒng)組成，接收井場RTU 和線路截斷閥室RTU 的數(shù)據(jù)。集注站站控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口采用光纖向、聯(lián)合站發(fā)布井場生產(chǎn)數(shù)據(jù)。集注站站控系統(tǒng)通過專用數(shù)字電路將生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳至倒班公寓及綜合辦公基一級控制：倒班公寓及綜合辦公基地的調控中心以通訊方式對井場、集注站和線路截斷閥室進行監(jiān)控；

綜合計算機控制系統(tǒng)控制分為三級：

一級控制：倒班公寓及綜合辦公基地的調控中心以通訊方式對井場、集注站和線路截斷閥室設備進行監(jiān)控；

二級控制：井場、集注站和線路截斷閥室控制系統(tǒng)對現(xiàn)場設備進行監(jiān)控；

三級控制：在現(xiàn)場進行操作。

集注站作為整個工程的控制中心完成對生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、順序控制、聯(lián)鎖保護、計量、運行管理，確保生產(chǎn)安全、可靠、平穩(wěn)、高效和經(jīng)濟地運行。

集注站設置一個中控室，實現(xiàn)對整個儲氣庫的操作和管理。主要實現(xiàn)：系統(tǒng)服務器持續(xù)掃描所有井場RTU 的數(shù)據(jù)、狀態(tài)、報警信息、檢查數(shù)據(jù)的有效性并更新數(shù)據(jù)庫、完成對集注站有關信息的傳送、接收和下達執(zhí)行命令；提供最新的報警狀態(tài)及可選擇的實時及歷史報警記錄。系統(tǒng)服務器數(shù)據(jù)庫為各操作站提供持續(xù)的數(shù)據(jù)獲取服務；完成所屬井場開、關控制；緊急關斷指令下達；及時關斷所屬井場、安全閥、井場進出口切斷閥等。

集注站通過光纖網(wǎng)接口與井場和線路截斷閥室進行通信；井場、集注站和線路截斷閥室的數(shù)據(jù)通過通信服務器和WEB操作站采用冗余通信信道與主調度中心進行通信，主信道為專用光纖，備用信道為公網(wǎng)數(shù)字電路，采用專用光纖與廊坊備用調度中心進行通信。

集注站的ESD 系統(tǒng)完成本站的緊急停車，同時接受調控中心下達的ESD 命令。緊急停車（ESD）系統(tǒng)是保證集注站安全的邏輯控制系統(tǒng)。ESD 系統(tǒng)命令優(yōu)先于任何操作方式。ESD 子系統(tǒng)是當過程參數(shù)越限、機械設備故障、系統(tǒng)自身故障或能源中斷時，ESD 系統(tǒng)能自動——必要時也可手動地產(chǎn)生一系列預先定義的動作，使得工藝裝置與操作人員處于安全狀態(tài)。

對集注站而言，除站控制系統(tǒng)ESD 外，還包括隨壓縮機組成套提供的壓縮機組控制系統(tǒng)（UCP）的ESD。該系統(tǒng)用以完成壓縮機組安全的邏輯控制，它將由獨立的控制單元構成，通過網(wǎng)絡和硬線與ESD 系統(tǒng)連接。

根據(jù)危險程度的不同，ESD 系統(tǒng)分為四級。

L-0 0 級關斷：為裝置放空關斷（著火事故，全廠關斷）；

L-1 一級關斷：為裝置不放空關斷（非著火事故，全廠關斷）；

L-2 二級關斷：為單元系統(tǒng)關斷；

L-3 三級關斷：為設備關斷。

ESD 系統(tǒng)動作可手動（調控中心、中控室中的ESD手動按鈕、UCP 上的ESD 手動按鈕）或自動（中控室ESD 系統(tǒng)或UCP 的ESD 系統(tǒng)信號）觸發(fā)。無論ESD 命令從何處下達及UCP 處于何種操作模式，ESD 控制命令均可直接到達被控設備，并使它們按預定的順序動作。

所有ESD 系統(tǒng)的動作將發(fā)出閉鎖信號，使集注站壓縮機組、站場ESD 閥門在未接到人工復位的命令前不能再次啟動。

控制系統(tǒng)建成后達到的控制水平如下。

在井場和線路截斷閥室可實現(xiàn)自動控制，無人值守，過程參數(shù)上傳至集注站控制系統(tǒng)，可接受集注站控制系統(tǒng)下達的遠程命令。系統(tǒng)運行平穩(wěn)后可由倒班公寓及綜合辦公基地的調控中心進行適度調整，但不能控制開井數(shù)量。

集注站站控系統(tǒng)可實現(xiàn)對集注站各裝置的過程控制和安全聯(lián)鎖保護，并接受來自井場和線路截斷閥室部分上傳的數(shù)據(jù)，同時可向各井場和線路截斷閥室下達遠程命令。

儲氣庫綜合計算機控制系統(tǒng)自動、連續(xù)地監(jiān)視和控制儲氣庫各站場的運行，實現(xiàn)儲氣庫各井場、集注站和線路截斷閥室部分的生產(chǎn)、管理網(wǎng)絡化和數(shù)字化。

3.系統(tǒng)在儲氣庫各部分功能與作用

集注站采用DCS 系統(tǒng)，并配有獨立的ESD 子系統(tǒng)。

DCS 完成對儲氣庫生產(chǎn)過程參數(shù)的采集、顯示、報警、控制、聯(lián)鎖和工藝流程自動切換等功能。除完成對集注站的監(jiān)視控制及生產(chǎn)管理任務外，還作為SCADA 系統(tǒng)的現(xiàn)場控制單元，負責將有關信息傳送給監(jiān)控中心并接受和執(zhí)行其下達的命令。其主要功能有：對現(xiàn)場的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量進行數(shù)據(jù)采集和處理；對油、氣、水等進行計量；對電力設備相關變量的監(jiān)控；邏輯控制；聯(lián)鎖保護；對可燃氣體泄漏和火災的監(jiān)視與報警；緊急關斷控制；顯示動態(tài)工藝流程；顯示各種工藝參數(shù)和其他有關參數(shù)；顯示報警一覽表；顯示實時趨勢曲線和歷史曲線；打印報警和事件報告；打印生產(chǎn)報表；數(shù)據(jù)通信管理等。

ESD 子系統(tǒng)是當過程參數(shù)越限、機械設備故障、系統(tǒng)自身故障或能源中斷時，ESD 系統(tǒng)能自動--必要時也可手動地產(chǎn)生一系列預先定義的動作，使得工藝裝置與操作人員處于安全狀態(tài)。

集注站通過光纖網(wǎng)接口與井場和線路截斷閥室進行通信；井場、集注站和線路截斷閥室的數(shù)據(jù)通過通信服務器和WEB 操作站采用冗余通信信道與北京主調度中心進行通信，主信道為專用光纖，備用信道為公網(wǎng)數(shù)字電路，采用專用光纖與廊坊備用調度中心進行通信。生活基地管理部門經(jīng)WEB 操作站開發(fā)授權后，通過網(wǎng)絡訪問，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的監(jiān)視。

RTU 采用以太網(wǎng)接口通過光纜與集注站的控制系統(tǒng)進行通信，通信協(xié)議采用TCP/IP 協(xié)議。RTU 完成對所在井場的溫度、壓力、流量等工藝變量進行數(shù)據(jù)采集和處理；對油、氣、水的計量；對電力相關變量的監(jiān)控；通過安全柵對危險區(qū)域的防爆安全控制；邏輯控制；聯(lián)鎖保護；對可燃氣體泄漏和火災的監(jiān)視與報警等功能；同時將數(shù)據(jù)上傳集注站的DCS 系統(tǒng)，并能接收ESD 系統(tǒng)的緊急關斷命令。

RTU 結構緊湊，適合在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定地工作。RTU 集成功能強大的處理器、大容量的內存、豐富的通信接口，并內置智能I/O。

結語

天然氣地下儲氣庫是種新型的氣體儲存方法，在國際上已有幾十年的歷史，而在國內天然氣地下儲氣庫的發(fā)展很緩慢。但10年來經(jīng)過不斷努力已經(jīng)積累一定經(jīng)驗，有了相應的設備和技術，隨著自動控制系統(tǒng)的發(fā)展必然更上一層樓。