中緬原油管道天然氣發(fā)動機(jī)泵機(jī)組監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

袁野(廊坊開發(fā)區(qū)中油龍慧自動化工程有限公司，河北廊坊065001)

1 概述

1.1 背景

中緬原油管道工程是國家重點(diǎn)建設(shè)的重要能源通道之一，“一帶一路”在緬甸的先導(dǎo)示范項(xiàng)目和樣板工程。管道線路全長770.5km，沿線共設(shè)置4座輸油泵站和1座計(jì)量站。由于緬甸基礎(chǔ)實(shí)施條件差，電力資源匱乏，且輸油站場多位于海島、海溝、高山地區(qū)，沒有可依托的電力設(shè)施資源，受到以上條件的限制，設(shè)計(jì)采用將天然氣發(fā)動機(jī)作為輸油主泵驅(qū)動方式，氣源來自并行的天然氣管道閥室或鄰近天然氣站場。

1.2 站控系統(tǒng)概況

本工程的站場控制系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為核心、以Rockwell Controllogix 系列PLC為控制單元組成。站控系統(tǒng)通過硬線連接、Modbus 協(xié)議通訊等方式對站場工藝儀表設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

輸油站場泵機(jī)組的控制通常由調(diào)度控制中心或站控系統(tǒng)完成，由調(diào)度員下達(dá)泵機(jī)組的啟/停命令，設(shè)定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)出站壓力、流量等設(shè)定值的操作。

站控系統(tǒng)對天然氣發(fā)動機(jī)泵機(jī)組的主要監(jiān)視和控制功能包括：數(shù)據(jù)采集和處理、工藝流程的動態(tài)顯示、壓力流量設(shè)定值調(diào)節(jié)、泵機(jī)組連鎖/單體啟?？刂啤⑹鹿?緊急停車執(zhí)行、報(bào)警及事件管理、實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)趨勢管理、機(jī)組運(yùn)行報(bào)表管理等等。

1.3 天然氣發(fā)動機(jī)泵機(jī)組系統(tǒng)概況

中緬原油管道全線配備10臺天然氣發(fā)動機(jī)泵機(jī)組，泵機(jī)組主泵采用德國生產(chǎn)的魯爾泵，美國卡特彼勒公司G3600系列天然氣發(fā)動機(jī)作為驅(qū)動設(shè)備，由并行的天然氣管道分輸站或鄰近閥室引出氣源，經(jīng)自用氣撬調(diào)壓后供給天然氣發(fā)動機(jī)使用。G3600系列發(fā)動機(jī)有16個(gè)燃燒氣缸，呈V 字型排列，標(biāo)稱功率4735-5045馬力，轉(zhuǎn)速700～1000rpm。泵機(jī)組自帶UCP(Unit Control Panel)控制系統(tǒng)和Metrix 振動監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測和控制發(fā)動機(jī)和泵的各項(xiàng)參數(shù)以及發(fā)動機(jī)啟、停、轉(zhuǎn)速控制、緊急停車等。

天然氣發(fā)動機(jī)組多用于天然氣長輸管道壓縮機(jī)組的驅(qū)動，原油長輸管道輸油泵多采用電機(jī)驅(qū)動，站控系統(tǒng)對燃?xì)怛?qū)動泵機(jī)組的監(jiān)控，在長距離輸油管道領(lǐng)域應(yīng)用尚無可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

2 站控系統(tǒng)對天然氣發(fā)動機(jī)泵機(jī)組監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)方式

2.1 通訊方式

天然氣發(fā)動機(jī)泵機(jī)組與站控系統(tǒng)通訊方式包括硬線信號、Modbus TCP/IP協(xié)議和ModbusRTU 協(xié)議等方式。

2.1.1 硬線連接實(shí)現(xiàn)泵機(jī)組的監(jiān)控

泵機(jī)組關(guān)鍵控制與狀態(tài)信號通過硬線信號方式與站控系統(tǒng)進(jìn)行連接，包括發(fā)動機(jī)泵機(jī)組的預(yù)啟動、啟動、允許加載、加載、停泵、緊急停車、發(fā)動機(jī)故障、發(fā)動機(jī)報(bào)警以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制與轉(zhuǎn)速反饋。

以上信號由泵機(jī)組UCP控制柜通過信號電纜與站控系統(tǒng)PLC采集模塊的通道進(jìn)行連接。確保了泵機(jī)組關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集和重要命令控制的可靠性和穩(wěn)定性。

2.1.2 Modbus通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)泵機(jī)組的監(jiān)控

泵機(jī)組的發(fā)動機(jī)和泵的相關(guān)保護(hù)、報(bào)警、狀態(tài)信號通過Modbus TCP/IP和ModbusRS485通訊方式與站控系統(tǒng)進(jìn)行連接，站控系統(tǒng)通過第三方數(shù)據(jù)采集設(shè)備“MOXA”數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換器采集泵機(jī)組數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)至PLC和HM I(人機(jī)界面)進(jìn)行顯示。數(shù)據(jù)包括發(fā)動機(jī)和泵的溫度、壓力、震動、泄漏、報(bào)警、狀態(tài)等，每臺天然氣發(fā)動機(jī)泵機(jī)組采集的數(shù)據(jù)含112個(gè)數(shù)字量信號和120個(gè)模擬量信號。

2.2 控制原理

站控系統(tǒng)對天然氣發(fā)動機(jī)泵機(jī)組的操作是通過一系列的序列完成的，這些序列是由站控系統(tǒng)自動操作以及一些操作員的手動操作來實(shí)現(xiàn)。發(fā)動機(jī)組操作程序有“正常啟動序列”、“正常停機(jī)序列”、“故障停機(jī)序列”、“緊急停機(jī)序列”。

站控系統(tǒng)通過HM I人機(jī)界面檢視機(jī)組的狀態(tài)參數(shù)，下發(fā)控制序列命令至泵機(jī)組的UCP(泵機(jī)組控制盤)控制單元。泵機(jī)組自身的保護(hù)程序和內(nèi)部執(zhí)行序列如溫度、壓力、震動保護(hù)以及潤滑油系統(tǒng)啟停、冷卻系統(tǒng)啟停等程序，則由泵機(jī)組UCP中的PLC控制器程序自行控制。

2.2.1 正常啟動序列

正常啟動序列執(zhí)行之前，泵機(jī)組需在“Ready to Start 狀態(tài)，即滿足以下啟動條件：

(1)所有“A”類傳感器無故障。

(2)電氣系統(tǒng)的所有手自動狀態(tài)置于自動位置狀態(tài)。

(3)橇座的所有手自動置于自動位置狀態(tài)。

(4)發(fā)動機(jī)控制盤的模式控制開關(guān)置于自動位置。

(5)站控系統(tǒng)許可通電(預(yù)啟動命令)。

(6)燃料供氣壓力在45～150PSIG 之間。

(7)啟動氣的供應(yīng)壓力在120～150PSIG 之間。

(8)泵的排氣閥關(guān)閉(閥門的限位開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài))。

以上條件滿足后，由站控系統(tǒng)下發(fā)正常啟動序列命令，程序?qū)⒆詣哟蜷_回流電動閥和回流調(diào)節(jié)閥；當(dāng)程序判斷回流電動閥全開，回流調(diào)節(jié)閥全開時(shí)，程序自動下發(fā)啟動命令，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火啟動，轉(zhuǎn)速提升，發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)指示燈變?yōu)榫G色；UCP 系統(tǒng)自行檢測確認(rèn)滿足加載條件后，將會向站控系統(tǒng)發(fā)送泵機(jī)組允許加載狀態(tài)，站控系統(tǒng)下發(fā)加載命令確認(rèn)加載；加載命令下發(fā)后，程序自動下發(fā)泵出口閥門自動開閥命令；當(dāng)泵出口閥全開后，自動下發(fā)關(guān)閉回流電動閥和回流調(diào)節(jié)閥命令；當(dāng)程序檢測到回流電動閥全關(guān)、回流調(diào)節(jié)閥全關(guān)后，站控系統(tǒng)PLC程序?qū)⒆詣釉O(shè)定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為720rpm；當(dāng)程序收到泵機(jī)組運(yùn)行信號、泵出口閥全開、泵回流電動閥全關(guān)、回流調(diào)節(jié)閥全關(guān)、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大于等于710rpm 后，發(fā)動機(jī)泵機(jī)組正常啟動序列程完成；正常啟動序列過程中若出現(xiàn)發(fā)動機(jī)報(bào)警、發(fā)動機(jī)故障、回流調(diào)節(jié)閥故障、回流電動閥故障、回流電動閥偏差、出口閥故障、出口閥偏差等任一報(bào)警，都會導(dǎo)致起泵失敗；再次起泵前，需要在站控系統(tǒng)上點(diǎn)擊綜合報(bào)警復(fù)位命令，將起泵失敗報(bào)警狀態(tài)復(fù)位，再重新順序執(zhí)行以上啟動步驟。

2.2.2 正常停機(jī)序列

正常停機(jī)序列執(zhí)行之前，泵機(jī)組需在“Ready to Start”狀態(tài)，條件滿足后，由站控系統(tǒng)下發(fā)正常停機(jī)序列命令，程序自動打開回流電動閥和回流調(diào)節(jié)閥；程序檢測到回流電動閥全開、回流調(diào)節(jié)閥開度大于20%，程序自動下發(fā)泵出口閥關(guān)閥命令；程序?qū)某隹陂y離開全開位開始計(jì)時(shí)，25秒后自動執(zhí)行發(fā)動機(jī)停機(jī)命令；當(dāng)程序檢測到發(fā)動機(jī)運(yùn)行信號消失后，且發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速反饋小于600rpm，程序?qū)⒆詣酉掳l(fā)回流調(diào)節(jié)閥和回流電動閥關(guān)閥命令；當(dāng)程序檢測到發(fā)動機(jī)泵機(jī)組沒有運(yùn)行信號、回流調(diào)節(jié)閥全關(guān)、回流電動閥全關(guān)，泵出口閥全關(guān)后，正常停機(jī)序列完成；正常停機(jī)序列過程中若出現(xiàn)發(fā)動機(jī)報(bào)警，發(fā)動機(jī)故障，回流調(diào)節(jié)閥故障，回流電動閥故障、偏差，泵出口閥故障、偏差等任一報(bào)警，都會導(dǎo)致正常停機(jī)序列失敗，再次停泵前需要在站控系統(tǒng)上點(diǎn)擊綜合警復(fù)位命令，將正常停機(jī)序列失敗報(bào)警復(fù)位，重新執(zhí)行以上步驟。

2.2.3 故障停機(jī)序列

在UCP控制系統(tǒng)檢測到泵或發(fā)動機(jī)保護(hù)參數(shù)達(dá)到停車設(shè)定值或系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障停機(jī)序列將被激活，并由UCP將故障停機(jī)信號發(fā)送至站控系統(tǒng)PLC。故障停機(jī)順序與正常停機(jī)順序類似，只是沒有冷卻循環(huán)的步驟。

故障停機(jī)后，泵機(jī)組會自動啟動潤滑油系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，站控系統(tǒng)不參與故障停機(jī)后的控制，但可以通過站控系統(tǒng)畫面監(jiān)視相應(yīng)的狀態(tài)和參數(shù)。

2.2.4 緊急停機(jī)序列

發(fā)動機(jī)泵機(jī)組的緊急停機(jī)序列可由站控系統(tǒng)發(fā)出的緊急停輸命令觸發(fā)。

站控系統(tǒng)緊急停輸被觸發(fā)后，將由站控系統(tǒng)直接向UCP 下發(fā)緊急停機(jī)命令。緊急停機(jī)序列觸發(fā)后，泵機(jī)組將不會自動啟動發(fā)動機(jī)的后潤滑系統(tǒng)，并將立即停止發(fā)動機(jī)、潤滑油泵、LOC風(fēng)扇、散熱風(fēng)扇、熱啟動冷卻液和潤滑油泵及電池充電系統(tǒng)。

當(dāng)泵機(jī)組完全停機(jī)后，UCP向站控系統(tǒng)發(fā)送緊急停車反饋狀態(tài)，緊急停機(jī)序列完成。

3 結(jié)語

天然氣驅(qū)動發(fā)動機(jī)解決了中緬原油管道輸油泵的動力問題，同以往的電驅(qū)輸油泵、燃?xì)鈮嚎s機(jī)組不同，國內(nèi)外幾乎沒有天然氣發(fā)動機(jī)在輸油管道中的應(yīng)用案例可以借鑒。中緬原油管道站控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了站控系統(tǒng)和天然氣發(fā)動機(jī)泵機(jī)組間的通訊和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。管道自2016年投產(chǎn)以來，已安全運(yùn)行三年時(shí)間。隨著天然氣發(fā)動機(jī)在節(jié)能減排以及大氣污染防治方面的優(yōu)勢日益突出，相信天然氣驅(qū)動發(fā)動機(jī)技術(shù)會在未來的長輸油氣管道建設(shè)中起到更大的作用。