天然氣長輸管線自控系統設計與應用

賈繼燦(中國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

隨著我國經濟的不斷發展，天然氣也迅速地得到了關注。但是在天然氣領域中，作為最重要的工作之一是天然氣的長距離運輸，因為天然氣長輸管道需要穿過的距離較長，且在中途經過的站點較多，加之其所在的工作環境相當復雜，所以，需要通過自動化控制系統將其集中控制。在天然氣長輸管道的自控系統的問題上，我國的技術還不成熟，與發達國家相比差距較大，其問題比較突出的方面是在系統的可靠性方面。因此，為了給天然氣的長距離運輸提供安全保障，設計出高安全可靠性的自動控制系統是迫切的。

1 天然氣長輸管線SCADA系統

首站，分輸站，中間壓氣站，清管站和閥室，陰極保護站組成了天然氣長輸管線系統。以計算機為核心控和SCADA系統是天然氣管網工程的自動控制系統。該系統能夠在調控中心中監控、調度、管理天然氣管道全線。管道全線的各站場可以進行無人操作、有人值守的控制和管理水平。數據采集系統主要是調度控制中心，SCS系統和數據傳輸通訊系統三個部分組成。

1.1 調度控制中心

可以根據數據采集系統的規模進行設置總調度控制中心，備用調度控制中心或區域調度控制中心，通過數據采集和控制各站PLC系統，監控及管理管道系統工藝過程中的壓力，溫度，流量，密度，設備運行狀態等等，來實現監控，調度，管理全線管道的任務。其按照客戶機/服務器結構來設置它的計算機系統，采用服務器和客戶機的操縱系統，局域網采用100Mb/s高速以太網。UNIX采用分布式結構，通過功能的不同，將它們分開設置來降低單臺服務器的負荷。

1.2 后備控制中心

各類服務器和工作站等都屬于配置硬件部分，操作系統軟件，SCADA系統軟件，數據庫管理，報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：自動的切換主備通信通道；監視管理網絡；數據采集和處理；打印并生成報表；調節流量和壓力。

1.3 輸氣管理處監視終端

雖然管理處設置了2個監視終端，但是只能進行數據的監視，不能實現控制。動態工藝流程顯示，歷史數據的趨勢顯示，儀器的故障診斷和分析顯示，報警和事件顯示等是監視終端主要的功能。

1.4 站控系統

根據管網站場的分布不同，設置出不同規模的站控系統(SCS)。數據采集系統的遠程監控站是SCS，其接收并執行主調度控制中心的指令，完成站內數據的采集和處理，聯鎖保護，監控工藝設備運行的狀態，并且將采集的各種信息和數據上傳至調度控制中心。主要由監控計算機、可編程控制器(PLC)、儀表與變送器、通訊設備組成。站控系統的PLC采用LK系列PLC，支持雙機熱備、電源冗余、以太網冗余及總線冗余，首站PLC與站內第三方設備通訊一般采用標準MODBUS通訊。

1.5 遠控終端RTU

在全線中設置遠控路線來截斷閥室RTU，RTU可以將采集和處理數據；邏輯控制；接收調度控制中心發出的指令；自我診斷和故障報警等功能進行實現。

1.6 流量計量和貿易管理

1.6.1 貿易計量

貿易交接流量計選用氣體超聲流量計或氣體渦輪流量計，渦輪流量計的口徑一般小于DN100。氣體超聲流量計在5%Qmax～Qmax之間(Qmax為流量計固有最大流量范圍)保證測量準確度優于±0.5%。氣體渦輪流量計在20% qmax～qmax的范圍內保證測量準確度優于±0.5%；氣體渦輪流量計在qmin～20% qmax的范圍內保證測量準確度優于±1%。計量系統采用獨立的流量計算機作為流量累加單元，并將數據傳給SCS系統。[1]

1.6.2 自用氣計量

在站場安裝站內自用氣處理橇，自用氣盡量是采用渦輪流量計。在站場自用氣主要包括放空火炬點火用氣，天然氣發動機用氣和生活用氣。

1.7 氣體管理系統(GMS)

GMS可自動地將天然氣進行交接，銷售和運輸的管理，提供所需要的數據。

1.8 數據傳輸通訊系統

將SCS系統和調度控制中心的數據通信完成，通常都是采用光纖工業以太網，光纖隨天然氣長輸管線敷設。

2 天然氣長輸管道的特點

在進行鋪設天然氣長輸管道時，需要對路由線路的選擇和鋪設特別重視，以下是選擇路由時應當要注意的問題：在對長輸管道路進行選擇時需要考慮的因素有很多，比如城市的建設，沿線的環境，以及管道所在地的電力，交通等等。在長輸管道路由線路的選擇上，應該要遵循投資少，高品質，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覆蓋率和集散功能，為了讓長輸管道能夠充分發揮其作用，要將大的消費市場和管道沿線連接起來。在確定路由線路的總線路時，以順直作為前提，在總線路的大體方向確定后，再對局部的線路進行調整和確定。路由線路要選擇有效的地形，盡可能避免選擇復雜的地形，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。為了達到管道施工生態的環保，要進團的避開風景旅游區，或者是國家級的自然保護區，綠化區等等。在陸游線路選擇時，還應該避開居住密集的地帶，這樣不僅能夠減少施工的難度，而且還可以降低因為管道施工而造成的工程賠款。

天然氣長輸管線沿途每隔一定距離(100～150km)設置一座壓氣站(或稱壓縮機站)，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以LK系列PLC為核心控制部件，通過光纖以太網實現與上、下位機之間的通訊。上位機采用FacView監控組態軟件，通過人機界面HMI監控運行參數、下發啟停機、工藝調整等命令。下位機，即單臺機組控制單元，以LK系列PLC為核心控制元件，通過PROFIBUS專用網路與之相連的分布式I/O現場數據采集模塊，完成數據采集，下發啟停機、工藝調整等控制

3 需求分析

通信、站場控制、站場安全三個方面的需求，在設計天然氣管長輸管道自控系統的時候，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到以下標準：(1)為了確保天然氣長輸管道自控系統在日常和關鍵時刻都可以發揮其功能和作用，需要建設一個可靠性較高的數據傳輸系統。大體上說，數據采集和監控系統所包含的場站比較多，需要傳送數量的數據比較大，所以數據的采集和監控系統相對比較復雜。當發生險情之際，他們不僅需要在執行站場緊急停車的過程中進行確保，而且同時能夠迅速的傳送報警信息到控制中心。(2)需要一個不僅具有高可靠性，而且具有高穩定性的站內通信網絡。因為只要有一個能確保站場控制的通信系統的可靠性，就能夠及時并且準確的完成采集、存儲傳送器和遠程終端的數據。

3.2 站場控制需求

因為不同的站場都是有著不同的配套工藝，所以，在天然氣長輸管線場站控制系統中需要滿足以下功能：由于不同場站的具體工藝要求是不同的，所以首先，需要根據不同站場實際的工藝區功能進行設計，設計出與之相匹配的工藝控制系統。其次，是因為大多數場站都是合建的，需要將前后不同時期建設的壓縮機系統進行聯合運行，并且設計壓縮機互聯網運行的載核分配控制系統，以此來避免出現壓縮機過載的情況，保證壓縮系統的平穩運行。

3.3 站場安全需求

站場的安全設計在天然氣長輸管線控制系統中是很重要的組成之一，因為需要根據控制系統的實際檢測的結果做出相應的指令，或者進行調解，進行報警，進行停機。而肩負著調節壓力，計量流量等任務的站場是天然氣長輸管線加氣站，在對天然氣長輸管線加氣站進行安全設計的時候，需要滿足以下兩個方面功能的要求：(1)一旦在系統中檢測到出現氣體泄露的情況時，需要馬上停車，并且直接隔離站控系統和干線。(2)當緊急停機完成以后，如果存在將其放空的必要，則必須立即放空管線和站場內的天然氣體。

4 系統構架

4.1 遠程通信系統

通信系統在整個天然氣長輸管線控制系統中處在核心的位置，其任務是特別重要的傳輸數據和執行命令，所以可以把它看作成在整個自控系統當中的神經網絡。因為天然氣長輸管線通信系統的通信距離比較長，而且其站控系統也比較復雜，在對信息的準確性上，也有著非常高的要求，但是為了實現系統的同步，修訂改正系統的延遲，需要考慮分析天然氣長輸管線通信系統的延遲性，并且計算總的延遲時長。站場控制系統是在天然氣長輸管線控制通信系統中處于最前沿的位置，但是由于大部分站場處于比較荒涼惡劣的位置，比如荒漠，戈壁，深山等等，并沒有有線通信網絡，這時需要通過不同場站的實際情況去設計相應的通信工程，來確保信息數據的順暢傳輸。通過設計天然氣長輸管線通信系統的冗余性和安全性，來確保信息的準確性，各場站，控制單元和傳感器的硬性連接，可以通過管線建設沌口的通信光纜來實現。

4.2 站場安全設計

在進行天然氣站場安全設計時，需要將緊急停車系統和放空系統設計其中。在接收到控制系統下達的緊急停車命令時，緊急停車系統能夠迅速并且及時地完成停車。由于大部分的天然氣長輸管線，都是和已經建設管道的各個場站進行合建的，所以在各緊急停車系統中存在邏輯上的聯鎖關系需要充分考慮，來確保和監場站聯合運行的可靠性，當已建管道場站的緊急停車系統被觸發時，在延時一段時間之后，本輸氣管道站場緊急停車系統將會被聯鎖關系觸發，那么相反與之同理。綜上所述因素，為了實現對緊急停車的設計，可以通過定線將兩套緊急停車系統連接。安全的將系統中所存留的天然氣排放到大氣當中去的是放空系統，在不同的站場和閥室，設計不同的放空系統，需要其結合不同的工藝特點。

5 結語

因為天然氣長輸管道所穿越的距離比較長，中途經過的站點比較多，而且其所處在的工作環境十分復雜，所以在自控系統的安全性和可靠性上要求比較高。在設計天然氣長輸管道自控系統的時候，不僅需要滿足通訊站場控制站場安全三個方面的需求，而且同時需要重點考慮遠程通訊系統，站場安全設計兩大系統的構架。