長輸原油管道壓力調(diào)節(jié)與保護(hù)探討

孫佳琳　王子復(fù)　儲(chǔ)繼偉

摘要：長輸原油管道是靠壓力把不同的油品輸送到各煉化企業(yè)。高凝固點(diǎn)的油品還需加熱，降低粘度，加壓運(yùn)行，壓力調(diào)節(jié)與保護(hù)是長輸管道平穩(wěn)、安全運(yùn)行的關(guān)鍵。文章通過對(duì)站場壓力調(diào)節(jié)與保護(hù)、系統(tǒng)壓力保護(hù)設(shè)備功能的闡述，進(jìn)一步明確了各調(diào)節(jié)設(shè)備的功能和控制作用，以期保證原油在長距離管道平穩(wěn)順利地運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：長輸原油管道；壓力調(diào)節(jié)；壓力保護(hù)；調(diào)節(jié)閥；調(diào)速電機(jī)；雙機(jī)在線

中圖分類號(hào)：TE88 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）36-0088-03

伴隨著國家經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型、環(huán)境管理的需求，長輸管道的平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。關(guān)鍵因素之一是系統(tǒng)的壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)和保護(hù)。長輸管道長至幾百、幾千公里，平均幾十公里到幾百公里設(shè)置一個(gè)輸油泵站，運(yùn)行多采用跨地區(qū)多點(diǎn)的集中控制，即在中心控制室對(duì)不同地區(qū)的泵站進(jìn)行遠(yuǎn)距離設(shè)備操作。根據(jù)工藝和輸送任務(wù)要求對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，通過控制系統(tǒng)、輸油泵機(jī)組、調(diào)節(jié)閥、調(diào)速電機(jī)對(duì)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)從一個(gè)輸量上升或下降到另一個(gè)所需輸量，完成輸送油品的任務(wù)。這期間，會(huì)有管道閥門誤關(guān)、地震等意外因素，SCADA系統(tǒng)設(shè)置了泵站和系統(tǒng)壓力超限保護(hù)功能。

1 壓力調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)采用以計(jì)算機(jī)為核心的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)，各站場采用PLC控制，完成對(duì)全線各工藝站場和遠(yuǎn)控線路閥室的監(jiān)控任務(wù)。它們之間通過廣域網(wǎng)連接，完成主要工藝參數(shù)、設(shè)備的監(jiān)控和保護(hù)、進(jìn)出站壓力調(diào)節(jié)、全線水擊超前保護(hù)、ESD等功能。

2 壓力調(diào)節(jié)控制機(jī)理

長輸管道的壓力控制，如泵站泵入口匯管壓力、出站壓力、管道干線背壓為雙信號(hào)選擇性閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用低選原則。分輸壓力等為單信號(hào)閉環(huán)控制系統(tǒng)。設(shè)定值確定后，系統(tǒng)輸出量以一定的調(diào)節(jié)特性接近設(shè)定值，站控調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過輸出量同設(shè)定值的偏差對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

3 壓力控制調(diào)節(jié)設(shè)備

3.1 調(diào)節(jié)閥

長輸原油管道各站出站均設(shè)置出站調(diào)節(jié)閥，等百分比流量特性，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電液聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)型執(zhí)行機(jī)構(gòu)。調(diào)節(jié)設(shè)定值由調(diào)控中心給定，經(jīng)調(diào)控中心授權(quán)后可由站控系統(tǒng)給定，控制權(quán)限的變更、手動(dòng)/自動(dòng)和就地/遠(yuǎn)程的切換不應(yīng)影響調(diào)節(jié)閥的正常調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。

3.2 調(diào)節(jié)閥保護(hù)控制

3.2.1 出站調(diào)節(jié)閥設(shè)置為輸油泵入口匯管壓力和出站壓力的選擇性調(diào)節(jié)既能控制出站壓力，又能控制輸油泵入口匯管壓力。

3.2.2 背壓調(diào)節(jié)閥控制干線進(jìn)站壓力，同時(shí)對(duì)背壓調(diào)節(jié)閥后壓力進(jìn)行監(jiān)控，以進(jìn)站壓力和閥后壓力為調(diào)節(jié)參數(shù)，也為選擇性控制回路。當(dāng)進(jìn)站壓力低于設(shè)定值時(shí)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，控制進(jìn)站壓力在設(shè)定值以上。當(dāng)閥后壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)回路自動(dòng)切換為下游壓力保護(hù)調(diào)節(jié)，保證閥后壓力不超高，控制閥后壓力。

3.2.3 分輸、注入調(diào)節(jié)閥設(shè)置為調(diào)節(jié)閥出口壓力的調(diào)節(jié)（分輸調(diào)節(jié)閥設(shè)置為分輸流量調(diào)節(jié)，分輸壓力保護(hù)），均根據(jù)調(diào)節(jié)閥后壓力設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

調(diào)節(jié)閥均具有自動(dòng)邏輯調(diào)節(jié)和手動(dòng)閥位調(diào)節(jié)兩種模式。出站調(diào)節(jié)閥設(shè)有10%閥位限制功能，分輸流量調(diào)節(jié)，分輸壓力保護(hù)，均根據(jù)調(diào)節(jié)閥后壓力設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)閥均具有自動(dòng)邏輯調(diào)節(jié)和手動(dòng)閥位調(diào)節(jié)兩種模式。出站調(diào)節(jié)閥設(shè)有10%閥位限制功能。

3.3 調(diào)速電機(jī)

調(diào)速電機(jī)是通過變頻系統(tǒng)實(shí)施壓力的調(diào)節(jié)控制。通過變頻器進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變，變頻器的檢測和控制參數(shù)包括變頻器遙控狀態(tài)、變頻器運(yùn)行狀態(tài)、變頻器允許啟泵狀態(tài)、預(yù)啟動(dòng)命令、啟動(dòng)命令、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制及變頻器故障狀態(tài)和變頻電機(jī)電流等。

調(diào)速電機(jī)與出站調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)功能相同，均對(duì)輸油泵入口匯管壓力和出站壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

4 控制調(diào)節(jié)方式

4.1 單機(jī)運(yùn)行

管道啟輸前主調(diào)節(jié)閥前后截?cái)嚅y開啟，給擬投用調(diào)節(jié)閥賦初始設(shè)定值，設(shè)定為自動(dòng)調(diào)節(jié)模式。調(diào)節(jié)閥切換時(shí)給擬投用備用調(diào)節(jié)閥根據(jù)進(jìn)出站壓力賦初始設(shè)定值，無擾切換，開啟備用調(diào)節(jié)閥前后截?cái)嚅y，關(guān)閉在用調(diào)節(jié)閥，在用調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后關(guān)閉其前后截?cái)嚅y。

調(diào)節(jié)閥與調(diào)速電機(jī)不同時(shí)在線調(diào)節(jié)，選用調(diào)速電機(jī)進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)閥設(shè)為遠(yuǎn)方手動(dòng)。反之亦然。正常情況下調(diào)速電機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)閥處于手動(dòng)全開狀態(tài)。當(dāng)調(diào)速電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)閥投自動(dòng)，調(diào)速電機(jī)變頻器處于遠(yuǎn)方手動(dòng)狀態(tài)。

在輸油泵的入口匯管和出站端分別設(shè)置壓力變送器（冗余），進(jìn)行壓力檢測。假定出站調(diào)節(jié)閥（變頻調(diào)速泵）的出站壓力調(diào)節(jié)設(shè)定值為SP2，輸油泵入口匯管壓力調(diào)節(jié)設(shè)定值為SP1，出站壓力為P2，輸油泵入口匯管壓力為P1。壓力調(diào)節(jié)如下：當(dāng)P2SP2時(shí)，關(guān)調(diào)節(jié)閥（變頻調(diào)速泵降低轉(zhuǎn)速）；當(dāng)P1>SP1時(shí)，開調(diào)節(jié)閥（變頻調(diào)速泵提高轉(zhuǎn)速）；當(dāng)P1

該調(diào)節(jié)方式為選擇性調(diào)節(jié)控制，任何情況下，出站調(diào)節(jié)閥優(yōu)先選擇關(guān)（變頻調(diào)速泵優(yōu)先選擇降低轉(zhuǎn)速）。

4.2 雙機(jī)在線

雙機(jī)在線解決了由于控制室操作人員人為切換不及時(shí)，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定運(yùn)行的問題，同時(shí)解決了管道的低輸量運(yùn)行，進(jìn)、出站壓力由于調(diào)節(jié)器PID的參數(shù)選擇局限造成的系統(tǒng)壓力的過調(diào)或跟不上調(diào)節(jié)的問題。

管道啟輸前出站壓力為P2，輸油泵入口壓力為P1。主調(diào)節(jié)閥出站壓力設(shè)定值為SP2，輸油泵入口壓力為SP1，備用調(diào)節(jié)閥出站壓力設(shè)定值為SP2+△Y，△Y為出站壓力設(shè)定值的變化量。輸油泵入口壓力設(shè)定值為SP1-△X，△X為進(jìn)站壓力設(shè)定值的變化量。兩調(diào)節(jié)閥或調(diào)節(jié)閥和調(diào)速電機(jī)同時(shí)在線運(yùn)行。

進(jìn)出站壓力設(shè)定值的選擇：即當(dāng)△X、△Y>0時(shí)，出站壓力△Y應(yīng)為運(yùn)行壓力的3%～5%，進(jìn)站壓力△X應(yīng)為運(yùn)行壓力的2%～3%。根據(jù)輸量需求進(jìn)行設(shè)定。該種方式為區(qū)間調(diào)節(jié)。即當(dāng)主調(diào)節(jié)閥對(duì)進(jìn)、出站端的壓力調(diào)節(jié)出現(xiàn)問題時(shí)，備用調(diào)節(jié)閥根據(jù)設(shè)定值需求自動(dòng)投入運(yùn)行，即主調(diào)節(jié)閥遵循單機(jī)運(yùn)行的原則。備用調(diào)節(jié)閥（或調(diào)速電機(jī)）為：當(dāng)P2SP2+△Y時(shí)，關(guān)備調(diào)節(jié)閥（變頻調(diào)速泵降低轉(zhuǎn)速）；當(dāng)P1>SP-△X時(shí)，開備調(diào)節(jié)閥（變頻調(diào)速泵提高轉(zhuǎn)速）；當(dāng)P1

4.3 輔助系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

4.3.1 注入系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)。出站調(diào)節(jié)閥設(shè)在注入泵出口匯管上或注入泵配置了變頻調(diào)速，可以給定開度（轉(zhuǎn)速）或根據(jù)輸油泵入口匯管壓力和出站壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

4.3.2 進(jìn)站背壓保護(hù)調(diào)節(jié)。進(jìn)站背壓調(diào)節(jié)閥設(shè)在進(jìn)站閥和罐區(qū)之間，可根據(jù)進(jìn)站壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)對(duì)背壓調(diào)節(jié)閥后壓力進(jìn)行監(jiān)控。

5 壓力保護(hù)

5.1 站場保護(hù)功能

5.1.1 輸油泵進(jìn)、出口匯管壓力，出站壓力保護(hù)。輸油站輸油泵入口匯管、輸油泵出口匯管、出站端設(shè)有壓力變送器（冗余設(shè)置），當(dāng)壓力超過停泵定值時(shí)實(shí)施保護(hù)停泵，順序停泵。

5.1.2 進(jìn)、出站閥組聯(lián)鎖保護(hù)。當(dāng)進(jìn)行清管器接收、發(fā)送作業(yè)時(shí)不能同時(shí)關(guān)閉進(jìn)、出站閥組，需實(shí)現(xiàn)互鎖。即進(jìn)、出各三臺(tái)電動(dòng)閥，其中兩臺(tái)關(guān)閉，另一臺(tái)電動(dòng)閥離開開閥位，進(jìn)行軟件鎖定。

站控機(jī)將站綜合關(guān)閉信號(hào)報(bào)警上傳至調(diào)控中心，報(bào)警延遲20秒仍不在全開位置或閥門開度小于85%，自動(dòng)觸發(fā)全線緊急停輸。

5.1.3 高、低壓泄壓閥泄流保護(hù)。調(diào)節(jié)閥和出站閥門之間安裝高壓泄壓閥，用于保護(hù)本站出站端的設(shè)備、管線和出站下游側(cè)的干線。出站壓力高于高壓泄壓閥定值，高壓泄壓閥動(dòng)作泄流，出站壓力低于高壓泄壓閥定值自動(dòng)停止。泄壓閥出口管線直接接入泄壓罐，正常生產(chǎn)時(shí)泄壓罐入口閥門常開，保證泄壓管線的暢通。

5.1.4 進(jìn)站壓力保護(hù)。進(jìn)站ESD閥前冗余壓力變送器設(shè)進(jìn)站壓力高報(bào)警、高高停輸設(shè)定值。當(dāng)進(jìn)站壓力達(dá)到報(bào)警設(shè)定值時(shí)，進(jìn)行壓力高報(bào)警，進(jìn)站壓力超高高全線立即停輸。

5.2 系統(tǒng)保護(hù)

5.2.1 ESD系統(tǒng)保護(hù)。緊急停車（ESD）系統(tǒng)主要用于使工藝過程從危險(xiǎn)的狀態(tài)迅速脫離。保障管道能夠在緊急的狀態(tài)下安全的停輸，同時(shí)使系統(tǒng)安全地與外界截?cái)嗖恢劣趯?dǎo)致故障和危險(xiǎn)的擴(kuò)散。

站場一旦發(fā)生火災(zāi)、泄漏以及管道沿線發(fā)生洪水、地震、第三方破壞等事故均會(huì)危及整個(gè)管道的安全運(yùn)行，需要實(shí)現(xiàn)緊急切斷。

ESD控制命令為最高優(yōu)先級(jí)，均可直接到達(dá)被控設(shè)備，并使它們按預(yù)定的程序動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)全線緊急停輸功能。ESD系統(tǒng)具備ESD鎖定及復(fù)位功能。

5.2.2 水擊超前保護(hù)。系統(tǒng)采用了停泵和保護(hù)調(diào)節(jié)的方法進(jìn)行水擊超前保護(hù)，即在泵站突然全停泵或部分停泵時(shí)，遠(yuǎn)控干線截?cái)嚅y和站場引起工藝流程堵塞的閥門誤關(guān)（離開全開位）時(shí)，水擊保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)下達(dá)水擊保護(hù)指令，采取調(diào)節(jié)閥和調(diào)速電機(jī)的保護(hù)性調(diào)節(jié)或順序停掉各站部分或全部輸油泵等措施，以防止管線系統(tǒng)超壓或高點(diǎn)汽化。

以調(diào)控中心水擊超前保護(hù)為主控，各站控系統(tǒng)PLC作為從控，組成站間聯(lián)動(dòng)的水擊超前保護(hù)系統(tǒng)，通過獲得水擊信息并發(fā)出控制指令。

壓力調(diào)節(jié)和保護(hù)系統(tǒng)是長輸管道平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。功能的正常操作和在線，不僅能保證管道的平穩(wěn)，又能確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國石油天然氣總公司.石油地面工程設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四冊(cè)）——原油長輸管道工程設(shè)計(jì)[M].北京：石油大學(xué)出版社，1995.

[2] 輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50253-2003）[S].

作者簡介：孫佳琳（1987-），女（滿族），沈陽惠東控制有限公司技術(shù)員，研究方向：自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)管理及技術(shù)研發(fā)；王子復(fù)（1975-），男，沈陽惠東控制有限公司工程師，研究方向：自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)管理及研發(fā)；褚繼偉（1966-），男，中國石油管道公司沈陽調(diào)度中心工程師，研究方向：長輸原油管道的運(yùn)行技術(shù)管理及研發(fā)。