中緬原油管道天然氣發動機泵機組監控的實現

袁野(廊坊開發區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建設的重要能源通道之一，“一帶一路”在緬甸的先導示范項目和樣板工程。管道線路全長770.5km，沿線共設置4座輸油泵站和1座計量站。由于緬甸基礎實施條件差，電力資源匱乏，且輸油站場多位于海島、海溝、高山地區，沒有可依托的電力設施資源，受到以上條件的限制，設計采用將天然氣發動機作為輸油主泵驅動方式，氣源來自并行的天然氣管道閥室或鄰近天然氣站場。

1.2 站控系統概況

本工程的站場控制系統以計算機為核心、以Rockwell Controllogix 系列PLC為控制單元組成。站控系統通過硬線連接、Modbus協議通訊等方式對站場工藝儀表設備進行監控。

輸油站場泵機組的控制通常由調度控制中心或站控系統完成，由調度員下達泵機組的啟/停命令，設定發動機轉速、進出站壓力、流量等設定值的操作。

站控系統對天然氣發動機泵機組的主要監視和控制功能包括：數據采集和處理、工藝流程的動態顯示、壓力流量設定值調節、泵機組連鎖/單體啟停控制、事故/緊急停車執行、報警及事件管理、實時/歷史數據趨勢管理、機組運行報表管理等等。

1.3 天然氣發動機泵機組系統概況

中緬原油管道全線配備10臺天然氣發動機泵機組，泵機組主泵采用德國生產的魯爾泵，美國卡特彼勒公司G3600系列天然氣發動機作為驅動設備，由并行的天然氣管道分輸站或鄰近閥室引出氣源，經自用氣撬調壓后供給天然氣發動機使用。G3600系列發動機有16個燃燒氣缸，呈V字型排列，標稱功率4735-5045馬力， 轉速700～1000rpm。泵機組自帶UCP(Unit Control Panel)控制系統和Metrix振動監測系統，用于監測和控制發動機和泵的各項參數以及發動機啟、停、轉速控制、緊急停車等。

天然氣發動機組多用于天然氣長輸管道壓縮機組的驅動，原油長輸管道輸油泵多采用電機驅動，站控系統對燃氣驅動泵機組的監控，在長距離輸油管道領域應用尚無可借鑒經驗。

2 站控系統對天然氣發動機泵機組監控的實現方式

2.1 通訊方式

天然氣發動機泵機組與站控系統通訊方式包括硬線信號、Modbus TCP/IP協議和Modbus RTU協議等方式。

2.1.1 硬線連接實現泵機組的監控

泵機組關鍵控制與狀態信號通過硬線信號方式與站控系統進行連接，包括發動機泵機組的預啟動、啟動、允許加載、加載、停泵、緊急停車、發動機故障、發動機報警以及發動機轉速控制與轉速反饋。

以上信號由泵機組UCP控制柜通過信號電纜與站控系統PLC采集模塊的通道進行連接。確保了泵機組關鍵數據采集和重要命令控制的可靠性和穩定性。

2.1.2 Modbus通訊協議實現泵機組的監控

泵機組的發動機和泵的相關保護、報警、狀態信號通過Modbus TCP/IP 和Modbus RS485 通訊方式與站控系統進行連接，站控系統通過第三方數據采集設備“MOXA”數據協議轉換器采集泵機組數據，并轉發至PLC和HMI(人機界面)進行顯示。數據包括發動機和泵的溫度、壓力、震動、泄漏、報警、狀態等，每臺天然氣發動機泵機組采集的數據含112個數字量信號和120個模擬量信號。

2.2 控制原理

站控系統對天然氣發動機泵機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自動操作以及一些操作員的手動操作來實現。發動機組操作程序有“正常啟動序列”、“正常停機序列”、“故障停機序列”、“緊急停機序列”。

站控系統通過HMI人機界面檢視機組的狀態參數，下發控制序列命令至泵機組的UCP(泵機組控制盤)控制單元。泵機組自身的保護程序和內部執行序列如溫度、壓力、震動保護以及潤滑油系統啟停、冷卻系統啟停等程序，則由泵機組UCP中的PLC控制器程序自行控制。

2.2.1 正常啟動序列

正常啟動序列執行之前，泵機組需在“Ready to Start狀態，即滿足以下啟動條件：

(1)所有“A”類傳感器無故障。

(2)電氣系統的所有手自動狀態置于自動位置狀態。

(3)橇座的所有手自動置于自動位置狀態。

(4)發動機控制盤的模式控制開關置于自動位置。

(5)站控系統許可通電(預啟動命令)。

(6)燃料供氣壓力在45～150PSIG之間。

(7)啟動氣的供應壓力在120～150PSIG之間。

(8)泵的排氣閥關閉(閥門的限位開關處于關閉狀態)。

以上條件滿足后，由站控系統下發正常啟動序列命令，程序將自動打開回流電動閥和回流調節閥；當程序判斷回流電動閥全開，回流調節閥全開時，程序自動下發啟動命令，發動機點火啟動，轉速提升，發動機運行狀態指示燈變為綠色；UCP系統自行檢測確認滿足加載條件后，將會向站控系統發送泵機組允許加載狀態，站控系統下發加載命令確認加載；加載命令下發后，程序自動下發泵出口閥門自動開閥命令；當泵出口閥全開后，自動下發關閉回流電動閥和回流調節閥命令；當程序檢測到回流電動閥全關、回流調節閥全關后，站控系統PLC程序將自動設定發動機轉速為720rpm；當程序收到泵機組運行信號、泵出口閥全開、泵回流電動閥全關、回流調節閥全關、發動機轉速大于等于710rpm后，發動機泵機組正常啟動序列程完成；正常啟動序列過程中若出現發動機報警、發動機故障、回流調節閥故障、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警，都會導致起泵失敗；再次起泵前，需要在站控系統上點擊綜合報警復位命令，將起泵失敗報警狀態復位，再重新順序執行以上啟動步驟。

2.2.2 正常停機序列

正常停機序列執行之前，泵機組需在“Ready to Start”狀態，條件滿足后，由站控系統下發正常停機序列命令，程序自動打開回流電動閥和回流調節閥；程序檢測到回流電動閥全開、回流調節閥開度大于20%，程序自動下發泵出口閥關閥命令；程序將從出口閥離開全開位開始計時，25秒后自動執行發動機停機命令；當程序檢測到發動機運行信號消失后，且發動機轉速反饋小于600rpm，程序將自動下發回流調節閥和回流電動閥關閥命令；當程序檢測到發動機泵機組沒有運行信號、回流調節閥全關、回流電動閥全關，泵出口閥全關后，正常停機序列完成；正常停機序列過程中若出現發動機報警，發動機故障，回流調節閥故障，回流電動閥故障、偏差，泵出口閥故障、偏差等任一報警，都會導致正常停機序列失敗，再次停泵前需要在站控系統上點擊綜合警復位命令，將正常停機序列失敗報警復位，重新執行以上步驟。

2.2.3 故障停機序列

在UCP控制系統檢測到泵或發動機保護參數達到停車設定值或系統發生故障時，故障停機序列將被激活，并由UCP將故障停機信號發送至站控系統PLC。故障停機順序與正常停機順序類似，只是沒有冷卻循環的步驟。

故障停機后，泵機組會自動啟動潤滑油系統和冷卻系統，站控系統不參與故障停機后的控制，但可以通過站控系統畫面監視相應的狀態和參數。

2.2.4 緊急停機序列

發動機泵機組的緊急停機序列可由站控系統發出的緊急停輸命令觸發。

站控系統緊急停輸被觸發后，將由站控系統直接向UCP下發緊急停機命令。緊急停機序列觸發后，泵機組將不會自動啟動發動機的后潤滑系統，并將立即停止發動機、潤滑油泵、LOC風扇、散熱風扇、熱啟動冷卻液和潤滑油泵及電池充電系統。

當泵機組完全停機后，UCP向站控系統發送緊急停車反饋狀態，緊急停機序列完成。

3 結語

天然氣驅動發動機解決了中緬原油管道輸油泵的動力問題，同以往的電驅輸油泵、燃氣壓縮機組不同，國內外幾乎沒有天然氣發動機在輸油管道中的應用案例可以借鑒。中緬原油管道站控系統實現了站控系統和天然氣發動機泵機組間的通訊和數據采集與監控。管道自2016年投產以來，已安全運行三年時間。隨著天然氣發動機在節能減排以及大氣污染防治方面的優勢日益突出，相信天然氣驅動發動機技術會在未來的長輸油氣管道建設中起到更大的作用。