西二線管道壓降速率程序實現與優化

劉功銀，黃忠勝，肖 旺

（中國石油西部管道分公司， 烏魯木齊 830013）

0 引言

天然氣管道通過壓降速率判斷管道是否發生泄漏（或爆管），壓降速率監控使用專用控制器，控制器內部程序不對外開放，可擴展性差、站場維護難度較大。以西氣東輸二線為例，閥室Shafer閥門使用專用控制器，壓降速率程序固化在控制器中不對外開放；西二線站場PLC中無壓降速率程序邏輯，不利于站場調度提前發現壓力異常波動，及時采取處置措施。本文通過分析壓降速率算法，設計壓降速率邏輯并通過PLC編程實現壓降速率判斷，同時結合生產實際提出優化建議。

1 壓降速率報警值來源

天然氣泄漏后，管道內氣體處于非穩態流動狀態，通過SPS軟件建模計算[1]：150mm小孔泄漏壓降率達1057pa/s，管線調峰壓降率達62pa/s，壓縮機停停機達862pa/s，疊加3種工況壓降率為191pa/s，考慮25%裕度，壓降速率關斷值=（1057+62+862）×1.25×60=148575pa/min≈0.15mpa/min。

因此，西二線干線閥室當閥門壓降速率＞0.15MPa/min時，Shafer控制器產生報警并關斷閥門。

2 壓降速率邏輯設計

干線截斷閥門在壓降速率達到0.15MPa/min時關斷，PLC程序按照采樣周期循環存儲壓力值實時值，循環比較60s前后壓力差：PT（60s）-PT(0s)，即可計算出每分鐘的壓降。為減小計算誤差，提高壓降率計算可靠性，循環比較5個相鄰采樣周期壓力差，計算5次壓降速率的平均值，若平均值大于0.15MPa，判定管道存在泄漏。壓降速率公式如下：

圖1 PLC壓降速率計算邏輯Fig.1 Calculation logic of PLC pressure drop rate

壓降速率=((pt(60s)-pt(0s))+(pt(61s)-pt(1s))+(pt(62s)-pt(2s))+(pt(63s)-pt(3s))+(pt(64s)-pt(4s)))/5

PLC壓降速率計算，閥門關斷邏輯設計如圖1。

3 壓降速率邏輯PLC程序實現

根據圖1設計邏輯使用PLC編程實現。IEC_6-1131-3[2]中PLC支持：梯形圖（Ladder）、結構化文本（ST）、功能塊（FBD）、順序功能圖（SFC）、指令表（IL）5種編程語言。本文通過AB PLC的梯形圖、結構化文本兩種方式完成壓降速率計算邏輯，實現管道出現泄漏閥門快速關斷功能。

PLC實現壓降速率計算的難點在于：PLC滾動存儲壓力實時值，循環計算60s前后的壓力差。PLC通常用作順序控制，使用傳統的梯形圖編程，完成壓力數據滾動存儲，程序復雜，實現難度大。結構化文本是一種高級文本語言，具有很強的編程能力，高級語言可以完成較為復雜的控制運算。通過結構化文本實現數據滾動存儲，實時計算，編程較為簡潔。

3.1 壓降速率計算實現方式一：結構化文本

結構化文本編程實現實時壓力值的滾動存儲，并實時比較60s前后的壓力偏差，邏輯實現如圖2所示。

圖2 結構化文本實現壓降速率邏輯Fig.2 Structured text to realize pressure drop rate logic

圖3 PT1201數據存儲情況Fig.3 PT1201 Data storage

結構化文本編程完成后，程序下裝至AB PLC運行，觀察程序運行狀況。程序中模擬PT1201數值變化：間隔1s，PT1201增幅為0.1MPa，由10.0MPa遞增至11.0MPa，PT1201周而復始循環變化。程序下裝至PLC CPU后，數據存儲情況如圖3所示。

程序中PT1201已經實現滾動實時存儲，使用存儲的數據可完成壓降速率計算，當壓降速率大于0.15MPa時產生報警關斷閥門，如圖4所示。

3.2 壓降速率計算實現方式二：梯形圖

若是使用一般梯形圖語言，程序較為復雜且難度大。查閱AB PLC指令發現AB指令中集成了專用指令：數組移位指令LFL3可以完成數據滾動存儲，當新的存儲周期完成后，之前存儲的數據會釋放繼續存儲新的數據。LFL指令將源值復制到LIFO中，每次使能時循環向數組存儲一個數據。

圖4 PT1201壓降速率計算及報警設置Fig.4 Calculation and alarm setting of PT1201 pressure drop rate

使用LFL時間數據滾動存儲數據后，按照壓降速率計算公式同樣可算出每分鐘的壓降。

4 壓降速率的優化探討

無論使用結構化文本或者梯形圖都只是實現壓降速率計算的一種方式，AB PLC作為大型PLC指令較為豐富，可以直接使用Contollongix集成指令實現，程序簡潔易懂，站場可使用梯形圖編程實現。閥室使用BB RTU功能簡單，沒有類似指令，可使用結構化文本編程實現。

干線閥室截斷設定值是疊加管道出現150mm直徑小孔每秒泄漏率、管道調峰每秒壓降率、站場啟停壓縮機每秒壓降率，加之25%裕度，乘以60s得出每分鐘壓降速率報警值。因此，實際運行中，應考慮預設報警值，便于調度提前發現異常工況。本文通過比較61s與第1s的壓力差計算壓降率，為提高壓降速率計算的可靠性，分別計算了5次（61s～65s與1s～5s比較）壓差求平均值，若平均值大于0.15MPa，說明管道存在泄漏。

壓降速率計算，考慮到儀表工作異常可能存在跳變，壓降速率關斷程序應設置延時，避免信號干擾對管線運行造成影響，壓降速率報警程序中應該鎖存，站場及時發現問題，排查是否存在問題。

干線閥室無人值守，閥門一旦截斷影響整條管線的運行。因此，閥室壓降速率程序應該充分考慮安全性與可靠性。目前，閥室shafer壓降速率判斷僅使用1個壓力變送器判斷是否發生爆管，一旦壓力變送器失效會導致壓降程序失效。單回路壓力變送器無法滿足閥室安全性與可靠性需求。閥室目前有兩個壓力變送器PT1201、PT1301，可考慮分別計算PT1201、PT1301壓降速率，之后做2OO2（二選二）邏輯，這樣可以提高爆管判斷的可靠性；也可以考慮新增壓力變送器，做2OO3（三選二）邏輯，同時提高爆管判斷的安全性與可靠性。

5 小結

本文通過PLC實現壓降速率爆管程序的編制，程序可以根據生產實際需求，實現壓降速率計算、壓降報警預設、壓降程序屏蔽等功能，為shafer控制器程序固化，不可擴展提供一種解決思路。