董红军 张舒

中国石油管道公司

 

摘 要：天然气管道一键启停站技术是压气站实现无人站的重要技术基础。一键启停站从软件系统分为一键启站和一键停站两部分，一键启站功能由状态反馈与报警检测、自动导通站内工艺流程、压缩空气系统自启停、压缩机厂房风机自动分配、压缩机组一键启动、防喘控制与负荷分配自动投用6个部分组成；结合压缩机组的3种停机模式以及工艺需求，一键停站功能则分为正常停站、多机停止、多机保压停机、多机泄压停机、全站ESD5种自动停站方式。

关键词：压气站；一键启停；国产化；控制系统融合；无人站； PCS

 

为了提高天然气压气站控制系统自动化水平，实现无人站、智慧管道的目标[1-2]，中国石油管道公司在盖州压气站进行了基于国产化控制系统一键启停站控制技术实践。

1 技术现状

当前国内天然气管道压气站站场工艺流程因部分设备无法远控或程序功能不完善等原因未能完全实现自动控制[3-6]，又因干气密封系统无第二路气源或第二路气源隔离阀为手动控制，无法实现在泄压停机后的自动启机，制约了一键启停站在设计上的实现。

控制系统通常分为站控、压缩机控制、辅助设备控制、负荷分配控制等互相独立的部分，并分别使用PLC、 HMI不同品牌软件及集成厂家，造成使用界面与操作模式的差异，互相联络时只能使用第三通讯模式，数据带宽较低、通讯稳定性较差，并产生了诸如同一设备或参数在不同系统中的命名方式不一致等问题[7-9]。在启站过程中需要调度员分别控制站场流程的导通、辅助系统的启停、单台机组启动、多台机组联合启停、防喘与负荷分配的投用等操作，监视参数和人为操作的步骤较多，过于依赖调度员的经验，调度效率低。

2 设计思路

2.1 站场工艺改进

将进/出站旁通管线上的平衡阀改为电动并接入站控系统（图 1），以改变以往在停站后干线与站内压差过大时只能依靠人工去缓慢平衡压力的状况，使压差平衡过程可控，从而实现一键启站时能够自动导通工艺流程。

2.2 压缩机工艺改进

在原干气密封备用气源口位置，增加第二路工艺气源引机组出口汇管工艺气，增设一个气动阀门受压缩机控制系统控制（图 2）。当压缩机组进行泄压后的启机时，机组出口端工艺气源已放空，需打开该气动阀从压缩机出口汇管供应一级密封气，泄压停机时需关闭该气动阀，从而实现一键启停站时干气密封系统的自动控制。

2.3 控制系统配置优化

当前国内压气站控制系统配置采用站控系统、 辅助控制系统以及压缩机控制系统完全独立的模式，将过程控制部分、安全仪表部分以及负荷分配部分互相独立，并各自单独设置PLC[10-11]，至少8套PLC。各个系统之间的数据交流大多使用ModbusRTU通讯协议，稳定通讯速率只有0.192 Mbps，无论通讯带宽还是稳定性均无法满足一键启停站的数据要求。

盖州压气站将负荷分配PLC整合入站控PLC、整合压缩机控制系统的过程控制及安全仪表部分，最终全站只设有站控过程控制PLC、站控安全仪表PLC、两套压缩机控制系统PLC共4套（图 3），数量降低了50%。同时将控制系统网络分为控制网和设备网，控制网用来传输北京油气调控中心、站控系统HMI与站场过程控制系统PLC通讯数据，设备网用来传输各系统控制器之间的交换数据，保障了数据传输带宽，并采用国产PLC可在设备网使用UCP协议，通讯速率达到108 Mbps。

2.4 站控与压缩机控制系统深度融合

当前国内压气站控制系统有多个独立部分，不同工作站的使用界面也都不同，造成调度员在启停站过程中必须来回切换多个画面。

盖州压气站SCADA系统采用中石油具自主知识产权的PCS软件以及高性能服务器―客户端结构，保证了大数据量采集稳定性，并将压缩机控制系统的工艺系统图、润滑油系统图、干气密封图、轴系振动图、启停机组等画面与站控画面全面整合进PCS系统。

2.5 压缩机辅助系统整合

将润滑油系统、后空冷器等核心设备控制整合入 压缩机控制系统直接控制，对变频控制系统、 UMDS、水冷系统的与启停机组相关的关键参数通过硬线整合到压缩机控制系统，其余参数由各辅助系统独立的控制器进行采集，并联通到每台压缩机控制系统。

3 一键启站

一键启站功能由状态反馈与报警检测、自动导通站内工艺流程、压缩空气系统自启停、压缩机厂房风机自动分配、压缩机组一键启动、防喘控制与负荷分配自动投用6个部分组成。

3.1 状态反馈与报警检测

自动判断一键启站所涉及到的设备状态是否正常：压缩机组供电系统（UMDS）满足正常运行，检查压缩机组无综合故障及处于ESD状态报警，压缩机厂房消防系统探测器是否有故障、可燃气体浓度超高报警、火焰报警。

3.2 自动导通站内工艺流程

自动检查站场工艺流程是否符合一键启站的要求：过滤设备上下游、压力越站管路的电动球阀以及进出站ESD阀处于开启状态，其他电动阀处于关闭状态。正常的启动站场管路：打开过滤器前后截止阀；进/出站阀前后压差小于0.2 MPa，则按照管路进气工艺流程顺序打开进/出站阀，如果大于0.2 MPa则先打开进/出站旁通阀，待压差低于0.2 MPa后再打开进/出站阀，并关闭旁通阀；打开站内循环阀、关闭越站阀。

3.3 压缩空气系统自启停

自动检查压缩空气管路压力是否正常，如过低则自动启动空压机，使空压机出口压力达到预定值再停止空压机，同时对空压机与对应的送风机实现连锁启停。

3.4 压缩机厂房风机自动分配

将压缩机厂房排风机分为4组，经过计算后自动选取4组中工作时间最短的一台进行投用，同时自动将4台送风机中运行时间最短的3台顺序投用。

3.5 压缩机组一键启动

按预选顺序先后启动两台压缩机机组。第一台机组达到最低工作转速后启动第二台。启机流程顺序为：按照启机条件判断—启动辅助系统—气体置换（保压启机自动跳过这一步）—压缩机进出口工艺流程导通—启机条件二次判断—启动变频器并暖机—暖机结束后快速提升到最低工作转速。

3.6 防喘控制与负荷分配自动投用

单台机组启动到达最小控制转速以及加载条件后，经过一段延时防喘控制系统自动投用，防喘振阀按一定斜率自动关闭同时出口压力控制按设置速度提升压缩机转速，直到出口压力能够克服管网阻力，单向阀打开后压缩机并入管网[12-18]。当第二台机组出口单向阀打开，系统判定该机组进入管网，随着新并入机组的流量进入管网，在线机组由主控制器控制自动降低转速，或者当在线机组满负载仍不满足出口压力条件时保持转速不变，最终达到负荷平衡。

4 一键停站

4.1 单机组停机

单台压缩机组的停机模式分为正常停机、保压停机、泄压停机3种。正常停机与保压停机在停机结束后不进行泄压，区别仅在于变频器的停止方式不同，正常停机为先降转速到最低工作转速后停变频器、保压停机为直接停止变频器。泄压停机为直接断开变频器供电并将压缩机区的工艺气进行泄压放空[19-20]。

4.2 停站

结合压缩机组的3种停机模式与站场的实际工艺需求又分为了5种停站模式。

（1）正常停站：两台压缩机组退出负荷分配后，按顺序正常停机，停机成功后停止风机并关闭站内流程打开越站阀。

（2）多机停止：两台压缩机组按顺序进行正常停机。

（3）多机保压停机：两台压缩机组同时进行保压停机。

（4）多机泄压停机：也叫做区域站ESD，两台压缩机组同时进行泄压停机。

（5）全站ESD：两台压缩机组同时进行泄压停机，随后紧急关断进出站ESD阀，关闭现场非消防电源，压差条件符合后打开越站阀。

5 结束语

该项成果实现了我国油气管道在一键启停站控制技术方面的应用。将调度员从远程操作模式中解放出来，将更多的精力投入到管网的整体运行参数控制中，降低操作量，提高工作效率，标志着由单体操作到模糊对象操作的智能化控制的飞跃，提高了天然气管网的自控水平，为油气管道无人站建设奠定了基础。

 

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作者：董红军， 1965年生，中国石油大学油气储运专业毕业，现任中石油管道公司总经理助理，主管油气管道先进技术和科技项目研究推广和应用。张舒，女， 1971年生，大庆石油学院计算机软件专业毕业，现任中石油管道公司技术服务中心副主任，主管油气管道自动化技术研究和应用。

2019年第4期（总第47期）