天然氣長(zhǎng)輸管線自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

賈繼燦(中國(guó)石油化工股份有限公司西南油氣分公司油氣銷售中心，四川 德陽 618000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，天然氣也迅速地得到了關(guān)注。但是在天然氣領(lǐng)域中，作為最重要的工作之一是天然氣的長(zhǎng)距離運(yùn)輸，因?yàn)樘烊粴忾L(zhǎng)輸管道需要穿過的距離較長(zhǎng)，且在中途經(jīng)過的站點(diǎn)較多，加之其所在的工作環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，所以，需要通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)將其集中控制。在天然氣長(zhǎng)輸管道的自控系統(tǒng)的問題上，我國(guó)的技術(shù)還不成熟，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距較大，其問題比較突出的方面是在系統(tǒng)的可靠性方面。因此，為了給天然氣的長(zhǎng)距離運(yùn)輸提供安全保障，設(shè)計(jì)出高安全可靠性的自動(dòng)控制系統(tǒng)是迫切的。

1 天然氣長(zhǎng)輸管線SCADA系統(tǒng)

首站，分輸站，中間壓氣站，清管站和閥室，陰極保護(hù)站組成了天然氣長(zhǎng)輸管線系統(tǒng)。以計(jì)算機(jī)為核心控和SCADA系統(tǒng)是天然氣管網(wǎng)工程的自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在調(diào)控中心中監(jiān)控、調(diào)度、管理天然氣管道全線。管道全線的各站場(chǎng)可以進(jìn)行無人操作、有人值守的控制和管理水平。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是調(diào)度控制中心，SCS系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸通訊系統(tǒng)三個(gè)部分組成。

1.1 調(diào)度控制中心

可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的規(guī)模進(jìn)行設(shè)置總調(diào)度控制中心，備用調(diào)度控制中心或區(qū)域調(diào)度控制中心，通過數(shù)據(jù)采集和控制各站PLC系統(tǒng)，監(jiān)控及管理管道系統(tǒng)工藝過程中的壓力，溫度，流量，密度，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等等，來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，調(diào)度，管理全線管道的任務(wù)。其按照客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)來設(shè)置它的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，采用服務(wù)器和客戶機(jī)的操縱系統(tǒng)，局域網(wǎng)采用100Mb/s高速以太網(wǎng)。UNIX采用分布式結(jié)構(gòu)，通過功能的不同，將它們分開設(shè)置來降低單臺(tái)服務(wù)器的負(fù)荷。

1.2 后備控制中心

各類服務(wù)器和工作站等都屬于配置硬件部分，操作系統(tǒng)軟件，SCADA系統(tǒng)軟件，數(shù)據(jù)庫(kù)管理，報(bào)警和事件管理專用軟件包等都是屬于軟件部分。其主要功能有：自動(dòng)的切換主備通信通道；監(jiān)視管理網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集和處理；打印并生成報(bào)表；調(diào)節(jié)流量和壓力。

1.3 輸氣管理處監(jiān)視終端

雖然管理處設(shè)置了2個(gè)監(jiān)視終端，但是只能進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)視，不能實(shí)現(xiàn)控制。動(dòng)態(tài)工藝流程顯示，歷史數(shù)據(jù)的趨勢(shì)顯示，儀器的故障診斷和分析顯示，報(bào)警和事件顯示等是監(jiān)視終端主要的功能。

1.4 站控系統(tǒng)

根據(jù)管網(wǎng)站場(chǎng)的分布不同，設(shè)置出不同規(guī)模的站控系統(tǒng)(SCS)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控站是SCS，其接收并執(zhí)行主調(diào)度控制中心的指令，完成站內(nèi)數(shù)據(jù)的采集和處理，聯(lián)鎖保護(hù)，監(jiān)控工藝設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，并且將采集的各種信息和數(shù)據(jù)上傳至調(diào)度控制中心。主要由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、可編程控制器(PLC)、儀表與變送器、通訊設(shè)備組成。站控系統(tǒng)的PLC采用LK系列PLC，支持雙機(jī)熱備、電源冗余、以太網(wǎng)冗余及總線冗余，首站PLC與站內(nèi)第三方設(shè)備通訊一般采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通訊。

1.5 遠(yuǎn)控終端RTU

在全線中設(shè)置遠(yuǎn)控路線來截?cái)嚅y室RTU，RTU可以將采集和處理數(shù)據(jù)；邏輯控制；接收調(diào)度控制中心發(fā)出的指令；自我診斷和故障報(bào)警等功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

1.6 流量計(jì)量和貿(mào)易管理

1.6.1 貿(mào)易計(jì)量

貿(mào)易交接流量計(jì)選用氣體超聲流量計(jì)或氣體渦輪流量計(jì)，渦輪流量計(jì)的口徑一般小于DN100。氣體超聲流量計(jì)在5%Qmax～Qmax之間(Qmax為流量計(jì)固有最大流量范圍)保證測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于±0.5%。氣體渦輪流量計(jì)在20% qmax～qmax的范圍內(nèi)保證測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于±0.5%；氣體渦輪流量計(jì)在qmin～20% qmax的范圍內(nèi)保證測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于±1%。計(jì)量系統(tǒng)采用獨(dú)立的流量計(jì)算機(jī)作為流量累加單元，并將數(shù)據(jù)傳給SCS系統(tǒng)。[1]

1.6.2 自用氣計(jì)量

在站場(chǎng)安裝站內(nèi)自用氣處理橇，自用氣盡量是采用渦輪流量計(jì)。在站場(chǎng)自用氣主要包括放空火炬點(diǎn)火用氣，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)用氣和生活用氣。

1.7 氣體管理系統(tǒng)(GMS)

GMS可自動(dòng)地將天然氣進(jìn)行交接，銷售和運(yùn)輸?shù)墓芾恚峁┧枰臄?shù)據(jù)。

1.8 數(shù)據(jù)傳輸通訊系統(tǒng)

將SCS系統(tǒng)和調(diào)度控制中心的數(shù)據(jù)通信完成，通常都是采用光纖工業(yè)以太網(wǎng)，光纖隨天然氣長(zhǎng)輸管線敷設(shè)。

2 天然氣長(zhǎng)輸管道的特點(diǎn)

在進(jìn)行鋪設(shè)天然氣長(zhǎng)輸管道時(shí)，需要對(duì)路由線路的選擇和鋪設(shè)特別重視，以下是選擇路由時(shí)應(yīng)當(dāng)要注意的問題：在對(duì)長(zhǎng)輸管道路進(jìn)行選擇時(shí)需要考慮的因素有很多，比如城市的建設(shè)，沿線的環(huán)境，以及管道所在地的電力，交通等等。在長(zhǎng)輸管道路由線路的選擇上，應(yīng)該要遵循投資少，高品質(zhì)，高安全性，降低施工難度為原則。要以提高效益作為前提，充分的考慮管道的市場(chǎng)覆蓋率和集散功能，為了讓長(zhǎng)輸管道能夠充分發(fā)揮其作用，要將大的消費(fèi)市場(chǎng)和管道沿線連接起來。在確定路由線路的總線路時(shí)，以順直作為前提，在總線路的大體方向確定后，再對(duì)局部的線路進(jìn)行調(diào)整和確定。路由線路要選擇有效的地形，盡可能避免選擇復(fù)雜的地形，以此來降低管道施工的難度。為了管道能夠安全的施工，要避免選擇地震活躍的地帶，也要減少選擇沖溝地帶，來減少水工的工程量。為了達(dá)到管道施工生態(tài)的環(huán)保，要進(jìn)團(tuán)的避開風(fēng)景旅游區(qū)，或者是國(guó)家級(jí)的自然保護(hù)區(qū)，綠化區(qū)等等。在陸游線路選擇時(shí)，還應(yīng)該避開居住密集的地帶，這樣不僅能夠減少施工的難度，而且還可以降低因?yàn)楣艿朗┕ざ斐傻墓こ藤r款。

天然氣長(zhǎng)輸管線沿途每隔一定距離(100～150km)設(shè)置一座壓氣站(或稱壓縮機(jī)站)，主要是給在輸送中消耗了壓力能的天然氣增壓。中間壓氣站站控系統(tǒng)以LK系列PLC為核心控制部件，通過光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與上、下位機(jī)之間的通訊。上位機(jī)采用FacView監(jiān)控組態(tài)軟件，通過人機(jī)界面HMI監(jiān)控運(yùn)行參數(shù)、下發(fā)啟停機(jī)、工藝調(diào)整等命令。下位機(jī)，即單臺(tái)機(jī)組控制單元，以LK系列PLC為核心控制元件，通過PROFIBUS專用網(wǎng)路與之相連的分布式I/O現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊，完成數(shù)據(jù)采集，下發(fā)啟停機(jī)、工藝調(diào)整等控制

3 需求分析

通信、站場(chǎng)控制、站場(chǎng)安全三個(gè)方面的需求，在設(shè)計(jì)天然氣管長(zhǎng)輸管道自控系統(tǒng)的時(shí)候，都是需要被滿足的，具體要求如下：

3.1 通信需求

在通信需求方面需要被滿足達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：(1)為了確保天然氣長(zhǎng)輸管道自控系統(tǒng)在日常和關(guān)鍵時(shí)刻都可以發(fā)揮其功能和作用，需要建設(shè)一個(gè)可靠性較高的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。大體上說，數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)所包含的場(chǎng)站比較多，需要傳送數(shù)量的數(shù)據(jù)比較大，所以數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜。當(dāng)發(fā)生險(xiǎn)情之際，他們不僅需要在執(zhí)行站場(chǎng)緊急停車的過程中進(jìn)行確保，而且同時(shí)能夠迅速的傳送報(bào)警信息到控制中心。(2)需要一個(gè)不僅具有高可靠性，而且具有高穩(wěn)定性的站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)橹灰幸粋€(gè)能確保站場(chǎng)控制的通信系統(tǒng)的可靠性，就能夠及時(shí)并且準(zhǔn)確的完成采集、存儲(chǔ)傳送器和遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)。

3.2 站場(chǎng)控制需求

因?yàn)椴煌恼緢?chǎng)都是有著不同的配套工藝，所以，在天然氣長(zhǎng)輸管線場(chǎng)站控制系統(tǒng)中需要滿足以下功能：由于不同場(chǎng)站的具體工藝要求是不同的，所以首先，需要根據(jù)不同站場(chǎng)實(shí)際的工藝區(qū)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出與之相匹配的工藝控制系統(tǒng)。其次，是因?yàn)榇蠖鄶?shù)場(chǎng)站都是合建的，需要將前后不同時(shí)期建設(shè)的壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)行，并且設(shè)計(jì)壓縮機(jī)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的載核分配控制系統(tǒng)，以此來避免出現(xiàn)壓縮機(jī)過載的情況，保證壓縮系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

3.3 站場(chǎng)安全需求

站場(chǎng)的安全設(shè)計(jì)在天然氣長(zhǎng)輸管線控制系統(tǒng)中是很重要的組成之一，因?yàn)樾枰鶕?jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際檢測(cè)的結(jié)果做出相應(yīng)的指令，或者進(jìn)行調(diào)解，進(jìn)行報(bào)警，進(jìn)行停機(jī)。而肩負(fù)著調(diào)節(jié)壓力，計(jì)量流量等任務(wù)的站場(chǎng)是天然氣長(zhǎng)輸管線加氣站，在對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管線加氣站進(jìn)行安全設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要滿足以下兩個(gè)方面功能的要求：(1)一旦在系統(tǒng)中檢測(cè)到出現(xiàn)氣體泄露的情況時(shí)，需要馬上停車，并且直接隔離站控系統(tǒng)和干線。(2)當(dāng)緊急停機(jī)完成以后，如果存在將其放空的必要，則必須立即放空管線和站場(chǎng)內(nèi)的天然氣體。

4 系統(tǒng)構(gòu)架

4.1 遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)在整個(gè)天然氣長(zhǎng)輸管線控制系統(tǒng)中處在核心的位置，其任務(wù)是特別重要的傳輸數(shù)據(jù)和執(zhí)行命令，所以可以把它看作成在整個(gè)自控系統(tǒng)當(dāng)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)樘烊粴忾L(zhǎng)輸管線通信系統(tǒng)的通信距離比較長(zhǎng)，而且其站控系統(tǒng)也比較復(fù)雜，在對(duì)信息的準(zhǔn)確性上，也有著非常高的要求，但是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步，修訂改正系統(tǒng)的延遲，需要考慮分析天然氣長(zhǎng)輸管線通信系統(tǒng)的延遲性，并且計(jì)算總的延遲時(shí)長(zhǎng)。站場(chǎng)控制系統(tǒng)是在天然氣長(zhǎng)輸管線控制通信系統(tǒng)中處于最前沿的位置，但是由于大部分站場(chǎng)處于比較荒涼惡劣的位置，比如荒漠，戈壁，深山等等，并沒有有線通信網(wǎng)絡(luò)，這時(shí)需要通過不同場(chǎng)站的實(shí)際情況去設(shè)計(jì)相應(yīng)的通信工程，來確保信息數(shù)據(jù)的順暢傳輸。通過設(shè)計(jì)天然氣長(zhǎng)輸管線通信系統(tǒng)的冗余性和安全性，來確保信息的準(zhǔn)確性，各場(chǎng)站，控制單元和傳感器的硬性連接，可以通過管線建設(shè)沌口的通信光纜來實(shí)現(xiàn)。

4.2 站場(chǎng)安全設(shè)計(jì)

在進(jìn)行天然氣站場(chǎng)安全設(shè)計(jì)時(shí)，需要將緊急停車系統(tǒng)和放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)其中。在接收到控制系統(tǒng)下達(dá)的緊急停車命令時(shí)，緊急停車系統(tǒng)能夠迅速并且及時(shí)地完成停車。由于大部分的天然氣長(zhǎng)輸管線，都是和已經(jīng)建設(shè)管道的各個(gè)場(chǎng)站進(jìn)行合建的，所以在各緊急停車系統(tǒng)中存在邏輯上的聯(lián)鎖關(guān)系需要充分考慮，來確保和監(jiān)場(chǎng)站聯(lián)合運(yùn)行的可靠性，當(dāng)已建管道場(chǎng)站的緊急停車系統(tǒng)被觸發(fā)時(shí)，在延時(shí)一段時(shí)間之后，本輸氣管道站場(chǎng)緊急停車系統(tǒng)將會(huì)被聯(lián)鎖關(guān)系觸發(fā)，那么相反與之同理。綜上所述因素，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)緊急停車的設(shè)計(jì)，可以通過定線將兩套緊急停車系統(tǒng)連接。安全的將系統(tǒng)中所存留的天然氣排放到大氣當(dāng)中去的是放空系統(tǒng)，在不同的站場(chǎng)和閥室，設(shè)計(jì)不同的放空系統(tǒng)，需要其結(jié)合不同的工藝特點(diǎn)。

5 結(jié)語

因?yàn)樘烊粴忾L(zhǎng)輸管道所穿越的距離比較長(zhǎng)，中途經(jīng)過的站點(diǎn)比較多，而且其所處在的工作環(huán)境十分復(fù)雜，所以在自控系統(tǒng)的安全性和可靠性上要求比較高。在設(shè)計(jì)天然氣長(zhǎng)輸管道自控系統(tǒng)的時(shí)候，不僅需要滿足通訊站場(chǎng)控制站場(chǎng)安全三個(gè)方面的需求，而且同時(shí)需要重點(diǎn)考慮遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)，站場(chǎng)安全設(shè)計(jì)兩大系統(tǒng)的構(gòu)架。