調(diào)流控制系統(tǒng)在高壓天然氣輸配中的應用

上海天然氣管網(wǎng)有限公司 任保衛(wèi)

天然氣是一種環(huán)保清潔能源，在生產(chǎn)生活過程中起著重要的作用。隨著我國天然氣開發(fā)應用進程的不斷加快，有時會出現(xiàn)天然氣供不應求、嚴重短缺等問題，特別在長江中下游地區(qū)更為明顯。這就要求各地管網(wǎng)公司和供應商必須針對不同的用戶，對天然氣的使用進行合理限制和調(diào)配，采用限流和調(diào)流措施[1]，這從長期發(fā)展來看是必然的。上海天然氣管網(wǎng)有限公司作為化工園區(qū)物業(yè)及各大重點用戶高壓天然氣的直供者，負責整個園區(qū)內(nèi)天然氣的計劃性供應，尤其是幾個大用戶的保障供應。本文根據(jù)園區(qū)內(nèi)幾個直供用戶的用氣運行情況，分析調(diào)流控制系統(tǒng)在高壓天然氣輸配中的應用。

1 調(diào)流控制系統(tǒng)簡介

調(diào)流控制系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場電動調(diào)流閥、控制柜PLC系統(tǒng)和HMI人機界面監(jiān)控設備。其中：調(diào)流閥主要用于調(diào)節(jié)控制天然氣流量；PLC控制器用于系統(tǒng)自動化控制；HMI人機界面用于操作人員和PLC控制器的人機交流。通過HMI人機界面操作設定，由PLC控制器程控運算輸出，控制電動執(zhí)行器帶動調(diào)流閥轉(zhuǎn)動，改變調(diào)流閥開度的大小來限定天然氣的流通量。閥體是完成調(diào)流工作的直接主體。

調(diào)流控制系統(tǒng)結構與工作原理示意見圖1。

圖1 調(diào)流控制系統(tǒng)結構與工作原理

調(diào)流控制系統(tǒng)作為一個調(diào)配手段，可通過本地和遠程兩種模式實現(xiàn)限流和調(diào)流。調(diào)流閥一般安裝在天然氣總管或調(diào)壓站的出口管上。這樣就可以有效避免因流量的波動變化，對調(diào)壓器和流量計等站內(nèi)設備帶來沖擊和影響。調(diào)流閥執(zhí)行機構本體采用電信號與電機驅(qū)動形式，具有遠程/就地/STOP（停止）3種操作模式。開關旋鈕可以就地執(zhí)行點動開關閥門，緊急情況也可以使用手輪。由于電動調(diào)流閥結構的特征及優(yōu)點，在意外斷電的情況下，可成為一個帶有閥位指示的高精度手動調(diào)流閥，因此也可通過手動模式實現(xiàn)精確的限流和調(diào)流[2]。

2 調(diào)流控制系統(tǒng)功能特點和控制原理

2.1 功能特點

調(diào)流控制系統(tǒng)在天然氣分輸站調(diào)壓、計量管路中增加調(diào)流閥,利用控制調(diào)流閥的開度進行限流和調(diào)配。調(diào)流控制系統(tǒng)有恒流量供氣、恒閥位供氣兩種功能模式，模式間可進行無擾動切換。該系統(tǒng)的功能特點在于控制參數(shù)可實現(xiàn)在線設定與修改；具有多種通信接口進行數(shù)據(jù)傳輸；具有異常診斷與閥位斷電保持功能，當外部輸入斷線時可實現(xiàn)保持并發(fā)出報警。

調(diào)流控制系統(tǒng)最主要的功能是外控操作。外控模式時由調(diào)度中心SCADA系統(tǒng)實際控制天然氣供給量。此時運行控制由公司總部調(diào)度中心 SCADA遠程操控設置，原則上本地的參數(shù)操作都不再會對調(diào)流控制系統(tǒng)造成影響。調(diào)度中心通過中央控制室的站控SCADA系統(tǒng)及遠程RTU，依據(jù)程序組態(tài)的邏輯方式，對調(diào)流閥遠程進行恒閥位模式或恒流量模式的操控及參數(shù)設定。從調(diào)度生產(chǎn)平衡和計劃供給的角度來看，為了保障整個高壓天然氣管網(wǎng)的運行安全，保障城市民用燃氣的需求及工業(yè)資源的合理分配，如若有某個工業(yè)直供用戶嚴重超申報量肆意用氣，造成總管網(wǎng)壓力急劇降低時，就威脅到了整個城市管網(wǎng)的運行安全。公司調(diào)度中心在通報用戶的情況下，可以通過遠程自動操控調(diào)流閥來限制這種非正常的用氣狀態(tài)（尤其是發(fā)電廠類大用戶），以保證高壓天然氣輸配系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行。

2.2 控制原理

如圖1所示，儀表控制室單元由控制柜、控制器 PLC、人機界面 HMI監(jiān)控設備組成?？刂剖覇卧牟僮髦饕侵笇θ藱C界面的操作，通過觸摸屏可在線監(jiān)控調(diào)流過程，并可實時修改系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)。通過操作可對調(diào)流閥做恒流量模式、恒閥位模式切換，PLC控制器依據(jù)流量計算機傳輸過來的天然氣瞬時流量，進行粗步長（快速粗調(diào)）、細步長（中速細調(diào)）、PID（慢速精調(diào)）控制運算輸出，實時動態(tài)控制電動調(diào)流閥的開度，以保證天然氣流量的精確控制。特別強調(diào)的是，恒閥位控制切換按鈕和恒流量控制切換按鈕原理上互鎖，同一時間只能有一個為開狀態(tài)，打開其中一個模式按鈕時，另外一個模式按鈕會自動被置為關的狀態(tài)。當欲實現(xiàn)恒流量模式控制時，系統(tǒng)應先運行在恒閥位模式的控制下，然后再切換至恒流量模式控制。為了系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，在恒閥位狀態(tài)與恒流量狀態(tài)相互切換時，應該預先輸入另外控制狀態(tài)的給定值后再進行切換[3]。

3 系統(tǒng)運行故障實例

目前，調(diào)流控制系統(tǒng)應用的配置設計形式有兩種：一種是調(diào)流閥專門配置PLC控制柜；另一種是調(diào)流控制系統(tǒng)的控制程序納入場站RTU系統(tǒng)中。

從使用運行管理情況來看，兩種形式各有利弊。第一種的優(yōu)勢在于現(xiàn)場有套PLC，人機界面便于操作和監(jiān)控；弱勢在于額外多出一套單獨PLC控制系統(tǒng)，增加了設備的運行成本和故障率；且多配置一套PLC控制系統(tǒng)以后，系統(tǒng)間的信號通信連接就很復雜，經(jīng)常出現(xiàn)一些節(jié)點間故障。第二種的優(yōu)勢在于設備結構簡單、集成度高、運行成本低、便于管理、設備故障相對也較少；弱勢為若是無人站點現(xiàn)場則少了 HMI操控界面。由于調(diào)流控制系統(tǒng)主要為生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控操作所配置，現(xiàn)場實際操作的概率很小?？偟膩碚f，調(diào)流控制系統(tǒng)的控制邏輯程序納入場站RTU系統(tǒng)中，則更能貼合生產(chǎn)需求。

3.1 系統(tǒng)運行故障

調(diào)流控制系統(tǒng)運行時出現(xiàn)過幾次故障，給正常生產(chǎn)帶來了一定的影響。下面以Y、S站為例，分析系統(tǒng)運行故障的原因及解決辦法。

（1） Y站調(diào)流閥瞬間關閉故障。Y站調(diào)流控制系統(tǒng)在正常生產(chǎn)投用過程中，出現(xiàn)過調(diào)流閥控制瞬間關閉的情況，導致下游壓力低停氣。后調(diào)流閥緊急切換至走工藝旁路。故障發(fā)生后，結合現(xiàn)場實際分析，對調(diào)流閥進行了系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)測試。發(fā)現(xiàn)調(diào)流控制系統(tǒng)沒有問題；調(diào)度中心報調(diào)流閥有故障報警，控制柜 HMI界面上沒有體現(xiàn)報警狀態(tài)；現(xiàn)場查看執(zhí)行機構也無報警；并且調(diào)度中心在系統(tǒng)報故障情況下，SCADA組態(tài)為禁止操作。此時調(diào)度控制系統(tǒng)AO通道又處于0%開度的輸出狀態(tài)無法改變，現(xiàn)場操作人員在不知情的情況下，PLC調(diào)流控制系統(tǒng)投用至“外控”恒閥位模式，導致現(xiàn)場調(diào)流閥收到0%開度信號而直接關閉的事件。

經(jīng)專業(yè)人員檢查判斷確認，主要是由于調(diào)流閥綜合故障報警輸出的常開常閉組態(tài)有問題，由維護廠家立即進行整改?？刂飘嬅嫔显械闹匾袚Q、設定環(huán)節(jié)，沒有確認步驟，安排廠家組態(tài)雙重確認功能。督促操作人員熟悉設備原理，避免誤操作。調(diào)度中心SCADA工程中，組態(tài)缺少無擾動切換環(huán)節(jié)。操作設定輸出值人為確認，報故障時又限定于無法操作，導致 0%閥開度直接輸出。要求修改完善程序，在本控狀態(tài)下，調(diào)度SCADA的閥位手動給定值要跟隨現(xiàn)場調(diào)流閥開度反饋值的變化而變化，實現(xiàn)在線跟蹤，做到了控制上的“無擾動切換”。調(diào)流控制系統(tǒng)的恒流量控制模式流量給定值等同之，調(diào)度控制室流量設定值要跟隨被調(diào)變量——流量計的實時測量值（瞬時流量）的變化而變化。

（2） S站調(diào)流閥開度控制波動故障。S站調(diào)流控制系統(tǒng)正常生產(chǎn)時，出現(xiàn)過調(diào)流閥開度在遠控模式下，發(fā)生自動異常動作的情況。當日17:52當班人員發(fā)現(xiàn)后立即匯報，現(xiàn)場切換至就地手動狀態(tài)并保持全開，調(diào)流閥切換至走工藝旁路。經(jīng)專業(yè)人員查詢SCADA歷史記錄，運行數(shù)據(jù)對照分析見表1。

表1 S站運行數(shù)據(jù)對照

經(jīng)儀表專業(yè)人員和維保單位的共同分析，進一步聯(lián)調(diào)測試確認后發(fā)現(xiàn)，閥門現(xiàn)場就地操作正常。遠程操控輸出時，開始閥門還動作，但后期越來越慢，遲遲不能到指定的開度，此時調(diào)流閥電動執(zhí)行機構也出現(xiàn)跟蹤報警。由于該站調(diào)流控制系統(tǒng)沒有用到控制柜PLC，控制組態(tài)納入站點RTU系統(tǒng)里，儀表專業(yè)人員用信號源對閥門調(diào)試測試均正常，故障應當出現(xiàn)在RTU系統(tǒng)這一部分。

經(jīng) RTU系統(tǒng)維護工程師檢查調(diào)試，測試下來硬件及通道測試均正常。進一步檢查測試程序組態(tài)時，發(fā)現(xiàn)故障是由于 RTU調(diào)流控制程序，控制信號AO輸出通道定義出現(xiàn)沖突所致。修改程序組態(tài)后，故障得到了徹底排除。

3.2 減少系統(tǒng)故障優(yōu)化措施

為了調(diào)流控制系統(tǒng)的運行安全，減少設備故障率，確?？刂频膶嵭?，可不單獨配置一套PLC系統(tǒng)去控制調(diào)流閥。因為調(diào)流控制系統(tǒng)中，監(jiān)控的數(shù)據(jù)參數(shù)不多，都是常規(guī)的過程變量；流量控制算法不算復雜，恒流量模式為單回路閉環(huán)負反饋PID控制，恒閥位模式為單回路模擬量輸出?？刂乒馪LC能實現(xiàn)的功能，RTU系統(tǒng)基本都可以做到；另外控制柜PLC是為調(diào)流閥配套開發(fā)的一套專用系統(tǒng)，實際運行過程存在一些問題。PLC調(diào)流控制系統(tǒng)缺少專業(yè)的維保人員，維保技術力量不到位，一些基本的故障經(jīng)常得不到及時的處理和解決，而站點RTU系統(tǒng)有專業(yè)常駐的保駕單位；再者雖有了控制柜PLC，多數(shù)過程信號還是要連接到RTU系統(tǒng)中去，操控信號原則上不可以采用通信，無形中增加了控制柜PLC與RTU系統(tǒng)間的線路連接，造成系統(tǒng)的故障率上升；控制柜PLC系統(tǒng)又增加了現(xiàn)場操作的繁瑣程度，給系統(tǒng)誤操作埋下不必要的隱患。

從設備管理和運行安全的角度出發(fā)，不建議單獨配置PLC系統(tǒng)，使用站點RTU系統(tǒng)就能實現(xiàn)調(diào)流控制的基本功能。為減少調(diào)流控制系統(tǒng)的故障率，建議使用 RTU系統(tǒng)直接控制電動調(diào)流閥，把調(diào)流控制系統(tǒng)程序改造到 RTU系統(tǒng)中去。因此，新的項目中不再使用調(diào)流控制柜PLC。此項建議已在化工區(qū)新建項目中得到了采納。

4 結語

隨著 LNG技術不斷發(fā)展，城市氣源結構和供氣緊張局面逐漸得以改善。在高壓天然氣輸配中，調(diào)流控制系統(tǒng)的限流和調(diào)控作用也越來越弱化，但仍然不可或缺，依然有其重要意義。調(diào)流控制系統(tǒng)不但能利用工業(yè)計算機、電動調(diào)流閥自動進行天然氣流量控制，而且可以有效地實現(xiàn)氣量調(diào)配、保護天然氣生產(chǎn)工藝設備、抑制喘流等，還能緩解峰谷差時天然氣分輸站的操作壓力。該系統(tǒng)在實踐中取得了較好的應用效果，調(diào)流控制系統(tǒng)的完好運行有助于化工園區(qū)中高壓天然氣的安全平穩(wěn)保障供應。