西氣東輸天然氣用戶分輸自動控制技術研究與分析

曹永樂 王 浩 王海龍

（1.中石油西氣東輸科技信息中心；2.中石油西氣東輸銀川管理處）

西氣東輸管道公司目前涵蓋西一線、西二線、西三線等多條重要干線以及貫穿國內東西部地區(qū)各省份的多條支干線和支線， 分輸用戶數量近五百家，并且呈逐年快速上升趨勢。用戶類型豐富多樣，對于分輸自動控制的需求越來越迫切。

近年來西氣東輸持續(xù)開展了自動分輸控制方法研究， 并陸續(xù)對所轄全線范圍的分輸站、分輸清管站及分輸壓氣站等帶分輸功能的站場實施了改造。 明確和統(tǒng)一了用戶自動分輸控制工藝需求、邏輯功能、技術標準及實現方法等，并通過功能測試和實踐應用充分驗證了用戶自動分輸控制技術的可行性。 另外，針對目前運行過程中發(fā)現的問題，西氣東輸管道公司也在逐步對自動分輸控制功能進行相應完善［1］。

1 分輸站場工藝流程簡介

天然氣管道分輸站主要由閥門、管線、過濾裝置、計量裝置、加熱器和調壓設備構成。 在過濾支路、計量支路和加熱調壓支路一般均會設置備用支路。 工藝輸送流程為：通過接收長輸天然氣管道氣源，經過濾、計量、加熱和調壓后輸送給下游各天然氣用戶［2］。 典型的分輸站場工藝流程如圖1 所示。

圖1 典型分輸站場工藝流程簡圖

2 用戶分輸自動啟停控制

用戶自動啟停控制是用戶分輸過程最重要的控制邏輯，包括單用戶分輸啟輸邏輯和單用戶分輸停輸邏輯兩項［3］。根據用戶分輸類型、調壓撬電動調節(jié)閥控制方式和調壓撬電動閥位置的不同，以及針對所實現功能的區(qū)別，研究并設計了各類用戶所適用的控制邏輯，具體如下：

a. 根據用戶分輸類型，分為連續(xù)性分輸用戶和間歇性分輸用戶兩種。

b. 根據用戶分輸調壓撬電動調節(jié)閥控制方式，分為通過站控PLC 系統(tǒng)進行PID 控制和通過外部調壓控制器（多回路控制器）進行PID 控制兩種。 另外，還有少數用戶分輸調壓撬采用自力式調節(jié)閥控制，或者采用直供無調壓分輸方式。

c. 根據用戶分輸調壓撬電動閥位置，分為電動閥位于調壓撬入口和電動閥位于調壓撬出口兩種。

2.1 用戶自動啟輸功能

2.1.1 前提條件

單用戶分輸啟輸邏輯需要同時滿足以下前提條件：

a. 進站閥全開到位，過濾器投用成功，電加熱區(qū)或加熱爐區(qū)至少有一條支路打開；

b. 設定好電動調節(jié)閥閥位上下限、高低壓保護值、流量保護值和啟輸壓力值；

c. 啟輸時選擇壓力調節(jié)，如果用戶正常分輸時為流量調節(jié)，則待到啟輸成功之后切換到流量調節(jié)；

d. 超壓截斷閥均處于開啟狀態(tài)；

e. 人工確認所有分輸相關的手動閥門均處于全開位；

f. 各用戶支路的電動調節(jié)閥閥位開度為0；g. 自動啟輸壓力低限設定值已設置。

2.1.2 觸發(fā)方式

單用戶分輸啟輸觸發(fā)條件包括：操作員下發(fā)啟輸命令、 定時啟輸、 低流量停輸后自動啟輸3種方式。

操作員下發(fā)啟輸命令：

a. 在“中心”模式下，由調控中心操作員通過中控系統(tǒng)下達各分輸用戶啟輸命令；

b. 在“站控”模式下，由站場操作員通過站控系統(tǒng)下達分輸用戶啟輸命令。

定時啟輸，達到設定時間之后自動觸發(fā)啟輸邏輯：

a. 在“中心”模式下，由調控中心操作員通過中控系統(tǒng)設定啟輸時間（小時、分鐘）；

b. 在“站控”模式下，由站場操作員通過站控系統(tǒng)設定啟輸時間（小時、分鐘）。

低流量停輸后自動啟輸：工況瞬時流量低于流量計計量下限觸發(fā)自動停輸后，當分輸壓力下降到低限設定值時自動啟輸。 該壓力低限設定值由站場操作員通過站控系統(tǒng)設定。

2.1.3 執(zhí)行過程

根據站場工藝條件不同，用戶啟輸執(zhí)行過程可分為4 種情況：通過站控PLC 控制PID 調節(jié)支路的執(zhí)行過程，通過外部調壓控制器控制調節(jié)支路的執(zhí)行過程， 自力式調節(jié)支路的執(zhí)行過程，以及直供無調壓支路的執(zhí)行過程。

通過站控PLC 控制PID 調節(jié)支路的執(zhí)行過程。該調壓的實現方式是通過站場PLC 系統(tǒng)對用戶分輸調壓撬電動調節(jié)閥進行PID 控制來完成，步驟如下：

a. 單用戶啟輸條件觸發(fā)；

b. 判斷出站閥是否在開到位狀態(tài)，如果不在則開啟該閥門；

c. 待檢測到出站閥開到位信號，開啟計量撬高優(yōu)先級電動閥（若主路閥門出現故障則開啟備用路）；

d. 待檢測到計量區(qū)任意支路電動閥開到位信號時，按梯級開啟調壓撬電動閥（首先判斷每一支路的電動閥和電動調節(jié)閥是否均在無故障狀態(tài)，若是則開啟高優(yōu)先級閥門，如高優(yōu)先級閥門有故障則開啟優(yōu)先級低一級閥門）；

e. 待檢測到調壓撬電動閥全開到位后，將電動調節(jié)閥投自動， 并按梯級寫入壓力設定值，按設定值逐步開啟閥門；

f. 當檢測到工況瞬時流量達到流量計下限時（一般情況下，流量下限值為超聲流量計滿量程的10%，渦輪流量計滿量程的20%），判斷啟輸成功；

g. 如果600s 延時后未檢測到啟輸成功，則判斷啟輸失敗。

通過外部調壓控制器控制調節(jié)支路的執(zhí)行過程：該調壓方式是通過外部調壓控制器實現電動調節(jié)閥PID 控制。啟輸過程與通過站控PLC 對電動調節(jié)閥控制的過程相似。 區(qū)別在于，當執(zhí)行到調壓撬電動閥全開到位，并將電動調節(jié)閥投自動時，站控PLC 將目標壓力或流量設定值發(fā)送到外部調壓控制器，閥門自動開啟。 其他執(zhí)行過程不變。

自力式調節(jié)支路的執(zhí)行過程：該調壓的實現是通過調壓撬自力式調節(jié)閥機械結構來完成。 啟輸過程與通過站控PLC 對電動調節(jié)閥控制的過程相似。 區(qū)別在于，當執(zhí)行到調壓撬電動閥全開到位時，自力式調節(jié)閥會根據已設定好的壓力自動開始動作。 其他執(zhí)行過程不變。

對于直供無調壓支路的執(zhí)行過程的具體步驟闡述如下：

a. 單用戶啟輸條件觸發(fā)；

b. 判斷出口閥門是否在開到位狀態(tài)，如果不在則開啟該閥門；

c. 待檢測到出口閥門開到位信號，開啟計量撬高優(yōu)先級電動閥（若主路閥門出現故障則開啟備用路）；

d. 待檢測到計量區(qū)任意支路電動閥開到位信號時，判斷啟輸成功；

e. 如果600s 延時后未檢測到啟輸成功，則判斷啟輸失敗。

2.2 用戶自動停輸功能

2.2.1 準備條件

單用戶分輸停輸邏輯需要同時滿足以下前提條件：

a. 對于調壓撬電動閥位于調壓撬入口之處的，該電動閥處于遠控、無故障、自動、無偏差報警的狀態(tài)；

b. 對于調壓撬電動閥位于調壓撬出口之處的，該電動閥常開（不參與邏輯動作），要求上游計量撬電動閥處于遠控、無故障、自動、無偏差報警的狀態(tài)；

c. 對于直供無調壓撬用戶，其計量撬電動閥處于遠控、無故障、自動、無偏差報警狀態(tài)；

d. 調節(jié)閥閥位開度大于5%；

e. 超壓截斷閥處于非全關位。

2.2.2 觸發(fā)條件

單用戶分輸停輸邏輯觸發(fā)條件包括操作員下發(fā)用戶停輸命令、 操作員下發(fā)用戶停站命令、分輸到量自動停輸［4］、低流量停輸4 種方式。

操作員下發(fā)停輸命令：

a. 在“中心”模式下，由調控中心操作員通過中控系統(tǒng)下達分輸用戶停輸命令；

b. 在“站控”模式下，由站場人員通過站控系統(tǒng)下達分輸用戶停輸命令。

正常停站命令觸發(fā)單用戶停輸邏輯：

a. 在“中心”模式下，由調控中心操作員通過中控系統(tǒng)下達正常停站命令；

b. 在“站控”模式下，由站場人員通過站控系統(tǒng)下達正常停站命令。

當日已分輸量達到日指定量（上位機操作界面可設定范圍99.5%～99.9%）后，自動觸發(fā)該用戶停輸邏輯。

低流量停輸。 在壓力/流量PID 控制時，分輸用戶工況瞬時流量不大于流量計計量下限值300s 后執(zhí)行，并給出相應報警。一般情況下，流量下限為超聲流量計滿量程的10%，渦輪流量計滿量程的20%。 剛啟輸5min 內， 以及調壓回路切換、單用戶分輸啟輸邏輯的執(zhí)行過程中，此條件無效。

2.2.3 執(zhí)行過程

根據站場工藝條件不同，單用戶停輸邏輯執(zhí)行過程分為以下5 種情況。

通過站控PLC 控制PID 調節(jié)支路或通過外部調壓控制器控制調節(jié)時，調壓撬電動閥在調壓支路入口的情況：

a. 停輸條件觸發(fā)；

b. 關閉調壓撬電動調節(jié)閥 （通過站控PLC控制PID 調節(jié)的支路將閥切到手動控制模式，并將閥位賦0； 通過外部調壓控制器控制調節(jié)的支路將壓力、流量設定值置為0）；

c. 當檢測到電動調節(jié)閥關到位信號或在延時2min 后，關閉調壓撬入口電動閥；

d. 當檢測到調壓撬入口電動閥關到位信號后，判斷停輸成功；

e. 如果300s 延時后未檢測到停輸成功，則判斷停輸失敗。

通過站控PLC 控制PID 調節(jié)支路或通過外部調壓控制器控制調節(jié)時，調壓撬電動閥在調壓支路出口的情況，執(zhí)行過程與電動閥在調壓支路入口的情況相似，在執(zhí)行到“檢測到電動調節(jié)閥關到位信號或在延時2min 后”，應關閉上游計量撬電動閥。 其他執(zhí)行過程不變。

調節(jié)閥為自力式調節(jié)方式時，調壓撬電動閥在調壓支路入口的情況，執(zhí)行過程如下：

a. 停輸條件觸發(fā)；

b. 關閉調壓撬電動球閥；

c. 當檢測到調壓撬入口電動閥關到位信號后，判斷停輸成功；

d. 如果300s 延時后未檢測到停輸成功，則判斷停輸失敗。

調節(jié)閥為自力式調節(jié)方式時，調壓撬電動閥在調壓支路出口的情況：

a. 停輸條件觸發(fā)；

b. 關閉計量撬電動球閥；

c. 當檢測到計量撬電動閥關到位信號后，判斷停輸成功；

d. 如果300s 延時后未檢測到停輸成功，則判斷停輸失敗。

直供無調壓支路的執(zhí)行過程：

a. 停輸條件觸發(fā)；

b. 關閉計量撬出口匯管電動閥；

c. 當檢測到計量撬出口匯管電動閥關到位后，判斷停輸成功；

d. 如果300s 延時后未檢測到停輸成功，則判斷停輸失敗。

3 壓力/流量自動切換控制

3.1 壓力/流量自動控制實現方式

西氣東輸站場用戶壓力/流量自動分輸控制通過3 種方式實現：

a. 通過外部調壓控制器實現。站控PLC 作為上位機與外部調壓控制器數據顯示與傳輸的中間環(huán)節(jié)，不參與壓力/流量的自動調節(jié)過程，電動調節(jié)閥的自動控制功能完全是由外部調壓控制器實現的。

b. 自力式調節(jié)閥控制方式。 在固定的壓力設定值下，通過純機械方式進行調節(jié)控制，無法實現壓力調節(jié)與流量調節(jié)切換。

c. 通過站控PLC 程序中的PID 邏輯進行控制。 電動調節(jié)閥的自動控制功能由站控PLC 實現， 并可保證壓力/流量調節(jié)模式間的無擾動切換。 針對這種控制方式，以下選取西氣東輸應用較為典型的站場對切換過程進行說明。

3.2 西一線典型分輸站

控制器為施耐德昆騰PLC，編程軟件為Concept2.6。 壓力/流量自動調節(jié)切換有4 種情況。

上位機下發(fā)流量調節(jié)與壓力調節(jié)切換命令實現互相切換，切換過程調節(jié)閥無擾動。 壓力調節(jié)時，流量設定值自動跟隨當前瞬時流量；流量調節(jié)時，壓力設定值自動跟隨當前分輸壓力。

流量保護調節(jié)。 壓力調節(jié)自動切換為流量調節(jié)，步驟如下：

a. 當前調節(jié)方式設定為壓力PID 自動調節(jié)；

b. 當流量反饋值大于流量保護設定值，則自動切換到流量保護調節(jié)狀態(tài)，采用流量PID 進行調節(jié)，0.9 倍的流量保護設定值作為當前流量設定值；

c. 當流量反饋值小于等于95%流量保護設定值， 延時2min 后將自動復位流量保護調節(jié)狀態(tài)，切換回壓力PID 調節(jié)方式，切換前的壓力反饋值作為當前壓力設定值。

高壓保護調節(jié)。 流量調節(jié)自動切換為壓力調節(jié)，步驟如下：

a. 當前調節(jié)方式設定為流量PID 自動調節(jié)。

b. 當壓力反饋值大于高壓保護設定值，延時15s 后將自動切到高壓保護調節(jié)狀態(tài)。 高壓保護設定值作為當前壓力設定值。

c. 調節(jié)方式將保持為壓力PID 自動調節(jié)，僅在達到流量保護條件時才切換為流量調節(jié)。

低壓保護調節(jié)。 流量調節(jié)自動切換為壓力調節(jié)，步驟如下：

a. 當前調節(jié)方式設定為流量PID 自動調節(jié)。

b. 壓力反饋值小于低壓保護設定值，延時5s后將自動切到低壓保護調節(jié)狀態(tài)。 低壓保護設定值作為當前壓力設定值。

c. 調節(jié)方式將保持為壓力PID 自動調節(jié)，僅在達到流量保護條件時才切換為流量調節(jié)。

3.3 西二線典型分輸站

控制器為AB PLC， 編程軟件RSlogix 5000。壓力/流量調節(jié)切換有4 種情況。

上位機下發(fā)流量調節(jié)與壓力調節(jié)切換命令實現互相切換，切換過程調節(jié)閥無擾動。 壓力調節(jié)時，流量設定值自動跟隨當前瞬時流量；流量調節(jié)時，壓力設定值自動跟隨當前分輸壓力。

流量保護調節(jié)。 壓力調節(jié)自動切換為流量調節(jié)，步驟如下：

a. 當前調節(jié)方式設定為壓力PID 自動調節(jié)。

b. 當流量反饋值大于流量保護設定值，延時10s 后將自動切換到流量保護調節(jié)狀態(tài)， 采用流量PID 進行調節(jié)；流量保護設定值作為當前流量設定值。

c. 當壓力反饋值大于壓力設定值，且98%保護流量設定值＜流量反饋值＜102%保護流量設定值，延時10s 后將自動復位流量保護調節(jié)狀態(tài)，切換回壓力PID 調節(jié)方式。

高壓保護調節(jié)。 流量調節(jié)自動切換為壓力調節(jié)的步驟如下：

a. 當前調節(jié)方式設定為流量PID 自動調節(jié)。

b. 當壓力反饋值大于高壓保護設定值，延時10s 后將自動切到高壓保護調節(jié)狀態(tài)。 高壓保護設定值作為當前壓力設定值。

c. 當流量反饋值大于流量設定值，且98%高壓保護設定值＜壓力反饋值＜102%高壓保護設定值，延時10s 后將復位高壓保護調節(jié)狀態(tài)，切換回流量PID 調節(jié)方式。

低壓保護調節(jié)。 流量調節(jié)自動切換為壓力調節(jié)的步驟如下：

a. 當前調節(jié)方式設定為流量PID 自動調節(jié)。

b. 當壓力反饋值小于低壓保護設定值，延時10s 后將自動切到低壓保護調節(jié)狀態(tài)。 低壓保護設定值作為當前壓力設定值。

c. 當流量反饋值小于流量設定值，且98%低壓保護設定值＜壓力反饋值＜102%低壓保護設定值，延時10s 后將復位低壓保護調節(jié)狀態(tài)，切換回流量PID 調節(jié)方式。

4 用戶日指定分輸控制

西氣東輸分輸站場用戶日指定自動分輸控制模式，在站控/中控兩級均可操作，操作員在上位機對相關分輸參數設定完成后，邏輯自動執(zhí)行分輸過程，包括用戶啟輸、用戶停輸、分輸控制及分輸保護等環(huán)節(jié)，具體實現方法如下：

a. 上位機需要設定的參數包括日指定分輸量、定時啟輸時間、啟輸壓力/流量、低流量啟輸壓力限值、計量/調壓支路優(yōu)先級、流量保護值、高/低壓保護值、高/低閥位保護值和到量停輸百分比（范圍99.5%～99.9%）。

b. 若投用定時啟輸功能， 并設置啟輸時間，比如8：00， 則在滿足用戶啟輸條件的前提下，每日8：00 自動啟動用戶分輸支路， 執(zhí)行單用戶分輸啟輸邏輯。啟輸成功后按照預設壓力/流量進行自動分輸。

c. 在自動分輸過程中，若壓力/流量值超過保護限值，則自動切換壓力/流量調節(jié)方式；同時，調節(jié)閥在自動調節(jié)開度過程中， 受高低閥位限制，以共同實現分輸保護功能。

d. 當瞬時工況流量低于流量計計量精確度下限后（一般情況下，流量下限為超聲流量計滿量程的10%，渦輪流量計滿量程的20%），執(zhí)行單用戶停輸邏輯。 在用戶分輸日指定量未完成的前提下， 當分輸壓力達到啟輸壓力低限設定值后，再次執(zhí)行用戶啟輸邏輯，繼續(xù)自動分輸。

e. 正常分輸情況下，若在用計量或調壓支路出現故障，無法滿足正常分輸功能時，相應的計量或調壓支路將自動執(zhí)行故障切換，成功開啟優(yōu)先級高的備用支路后， 關閉故障計量或調壓支路，保證分輸繼續(xù)進行。

f. 對于計量和調壓多支路（多于兩路）分輸用戶，在正常分輸情況下，除故障切換功能外，還設置增開減關邏輯。 當在用計量或調壓支路設備分輸最大性能不能滿足計量或調壓需求時，自動執(zhí)行高優(yōu)先級支路增開邏輯；當在用計量或調壓支路設備分輸最小性能超出當前計量或調壓需求時，自動執(zhí)行低優(yōu)先級支路減關邏輯，以保證在滿足分輸需求的前提下，計量和調壓設備運行在最優(yōu)工作性能狀態(tài)。

g. 若當日已分輸量超過日指定量的95%時，上位機將觸發(fā)“當日分輸量占日指定分輸量百分比超過95%報警”。

h. 若投用分輸到量自動停輸功能，則當日已分輸量超過到量停輸的百分比設定值時，將觸發(fā)單用戶分輸停輸邏輯，同時觸發(fā)上位機報警。 如果未投用該功能，則該分輸用戶不停輸。

5 結束語

西氣東輸雖然在用戶自動分輸控制方法上做了大量研究、測試和改造工作，但從目前運行情況來看，還有一定優(yōu)化空間，具體如下：

a. 西一線、西二線等不同管線站場的邏輯參數設置有一定差別，并未實現細節(jié)方面的完全統(tǒng)一， 如在分輸壓力/流量調節(jié)模式切換方式上，保護參數、限值設定存在不一致。

b. 程序中邏輯編制散亂、可讀性較差，在變量名稱及數據地址空間分配等方面隨意性強。 而且隨著用戶分輸控制邏輯的不斷改造，在增刪優(yōu)化過程中，原有的一些邏輯段、數據變量未做相應刪除，占用多余系統(tǒng)資源。

c. 已有分輸控制邏輯還不能完全適用于現有全部用戶類型。 對于一些分輸控制過程要求比較高的工業(yè)用戶（如電廠等），自動分輸風險系數高，容錯能力弱，屬于不可停輸用戶，如何通過技術手段降低自動分輸風險，并且根據日指定量準確控制無中斷連續(xù)分輸過程，還有待研究具體方法。 同樣，還有CNG 等用戶，用氣時段無規(guī)律、管存量小而且隨機性強，也需要根據具體情況設計相應的控制方法。

d. 實現用戶自動分輸控制的前提是工藝滿足遠控條件，工藝參數應實時上傳，工藝設備能夠遠程操作， 而對于部分老舊管線站場來說，仍停留在人工手動就地操作的模式。 另外，對于臨時性用戶、代輸類型用戶及計量調壓等工藝設備在用戶方等一些情況，實質上還不具備自動分輸控制條件，一方面需要協(xié)調用戶方配合開展自動分輸功能改造，另一方面需要供氣方增加資金投入實施工藝改造。

對此，西氣東輸已經開始著手對用戶自動分輸控制方式繼續(xù)開展功能提升工作，逐步對不滿足工藝遠控條件的用戶實施工藝改造。 同時優(yōu)化完善已有控制邏輯，統(tǒng)一控制參數，將PID 調節(jié)等控制邏輯全部采用功能塊的方式， 增加數據點、邏輯段中文注釋等。 下一階段將針對不同類型用戶研究多種二十四小時連續(xù)分輸控制方法，進一步分析比對不同切換控制方法的利弊，選擇最有效的控制方式。 目標是全面實現任意工況條件的無人干預自動分輸， 提升站場自動控制水平，向智能智慧管網建設方向邁進。