董紅軍 張舒

中國石油管道公司

 

摘 要：天然氣管道一鍵啟停站技術是壓氣站實現無人站的重要技術基礎。一鍵啟停站從軟件系統分為一鍵啟站和一鍵停站兩部分，一鍵啟站功能由狀態反饋與報警檢測、自動導通站內工藝流程、壓縮空氣系統自啟停、壓縮機廠房風機自動分配、壓縮機組一鍵啟動、防喘控制與負荷分配自動投用6個部分組成；結合壓縮機組的3種停機模式以及工藝需求，一鍵停站功能則分為正常停站、多機停止、多機保壓停機、多機泄壓停機、全站ESD5種自動停站方式。

關鍵詞：壓氣站；一鍵啟停；國產化；控制系統融合；無人站； PCS

 

為了提高天然氣壓氣站控制系統自動化水平，實現無人站、智慧管道的目標[1-2]，中國石油管道公司在蓋州壓氣站進行了基于國產化控制系統一鍵啟停站控制技術實踐。

1 技術現狀

當前國內天然氣管道壓氣站站場工藝流程因部分設備無法遠控或程序功能不完善等原因未能完全實現自動控制[3-6]，又因干氣密封系統無第二路氣源或第二路氣源隔離閥為手動控制，無法實現在泄壓停機后的自動啟機，制約了一鍵啟停站在設計上的實現。

控制系統通常分為站控、壓縮機控制、輔助設備控制、負荷分配控制等互相獨立的部分，并分別使用PLC、 HMI不同品牌軟件及集成廠家，造成使用界面與操作模式的差異，互相聯絡時只能使用第三通訊模式，數據帶寬較低、通訊穩定性較差，并產生了諸如同一設備或參數在不同系統中的命名方式不一致等問題[7-9]。在啟站過程中需要調度員分別控制站場流程的導通、輔助系統的啟停、單臺機組啟動、多臺機組聯合啟停、防喘與負荷分配的投用等操作，監視參數和人為操作的步驟較多，過于依賴調度員的經驗，調度效率低。

2 設計思路

2.1 站場工藝改進

將進/出站旁通管線上的平衡閥改為電動并接入站控系統（圖 1），以改變以往在停站后干線與站內壓差過大時只能依靠人工去緩慢平衡壓力的狀況，使壓差平衡過程可控，從而實現一鍵啟站時能夠自動導通工藝流程。

2.2 壓縮機工藝改進

在原干氣密封備用氣源口位置，增加第二路工藝氣源引機組出口匯管工藝氣，增設一個氣動閥門受壓縮機控制系統控制（圖 2）。當壓縮機組進行泄壓后的啟機時，機組出口端工藝氣源已放空，需打開該氣動閥從壓縮機出口匯管供應一級密封氣，泄壓停機時需關閉該氣動閥，從而實現一鍵啟停站時干氣密封系統的自動控制。

2.3 控制系統配置優化

當前國內壓氣站控制系統配置采用站控系統、 輔助控制系統以及壓縮機控制系統完全獨立的模式，將過程控制部分、安全儀表部分以及負荷分配部分互相獨立，并各自單獨設置PLC[10-11]，至少8套PLC。各個系統之間的數據交流大多使用ModbusRTU通訊協議，穩定通訊速率只有0.192 Mbps，無論通訊帶寬還是穩定性均無法滿足一鍵啟停站的數據要求。

蓋州壓氣站將負荷分配PLC整合入站控PLC、整合壓縮機控制系統的過程控制及安全儀表部分，最終全站只設有站控過程控制PLC、站控安全儀表PLC、兩套壓縮機控制系統PLC共4套（圖 3），數量降低了50%。同時將控制系統網絡分為控制網和設備網，控制網用來傳輸北京油氣調控中心、站控系統HMI與站場過程控制系統PLC通訊數據，設備網用來傳輸各系統控制器之間的交換數據，保障了數據傳輸帶寬，并采用國產PLC可在設備網使用UCP協議，通訊速率達到108 Mbps。

2.4 站控與壓縮機控制系統深度融合

當前國內壓氣站控制系統有多個獨立部分，不同工作站的使用界面也都不同，造成調度員在啟停站過程中必須來回切換多個畫面。

蓋州壓氣站SCADA系統采用中石油具自主知識產權的PCS軟件以及高性能服務器―客戶端結構，保證了大數據量采集穩定性，并將壓縮機控制系統的工藝系統圖、潤滑油系統圖、干氣密封圖、軸系振動圖、啟停機組等畫面與站控畫面全面整合進PCS系統。

2.5 壓縮機輔助系統整合

將潤滑油系統、后空冷器等核心設備控制整合入 壓縮機控制系統直接控制，對變頻控制系統、 UMDS、水冷系統的與啟停機組相關的關鍵參數通過硬線整合到壓縮機控制系統，其余參數由各輔助系統獨立的控制器進行采集，并聯通到每臺壓縮機控制系統。

3 一鍵啟站

一鍵啟站功能由狀態反饋與報警檢測、自動導通站內工藝流程、壓縮空氣系統自啟停、壓縮機廠房風機自動分配、壓縮機組一鍵啟動、防喘控制與負荷分配自動投用6個部分組成。

3.1 狀態反饋與報警檢測

自動判斷一鍵啟站所涉及到的設備狀態是否正常：壓縮機組供電系統（UMDS）滿足正常運行，檢查壓縮機組無綜合故障及處于ESD狀態報警，壓縮機廠房消防系統探測器是否有故障、可燃氣體濃度超高報警、火焰報警。

3.2 自動導通站內工藝流程

自動檢查站場工藝流程是否符合一鍵啟站的要求：過濾設備上下游、壓力越站管路的電動球閥以及進出站ESD閥處于開啟狀態，其他電動閥處于關閉狀態。正常的啟動站場管路：打開過濾器前后截止閥；進/出站閥前后壓差小于0.2 MPa，則按照管路進氣工藝流程順序打開進/出站閥，如果大于0.2 MPa則先打開進/出站旁通閥，待壓差低于0.2 MPa后再打開進/出站閥，并關閉旁通閥；打開站內循環閥、關閉越站閥。

3.3 壓縮空氣系統自啟停

自動檢查壓縮空氣管路壓力是否正常，如過低則自動啟動空壓機，使空壓機出口壓力達到預定值再停止空壓機，同時對空壓機與對應的送風機實現連鎖啟停。

3.4 壓縮機廠房風機自動分配

將壓縮機廠房排風機分為4組，經過計算后自動選取4組中工作時間最短的一臺進行投用，同時自動將4臺送風機中運行時間最短的3臺順序投用。

3.5 壓縮機組一鍵啟動

按預選順序先后啟動兩臺壓縮機機組。第一臺機組達到最低工作轉速后啟動第二臺。啟機流程順序為：按照啟機條件判斷—啟動輔助系統—氣體置換（保壓啟機自動跳過這一步）—壓縮機進出口工藝流程導通—啟機條件二次判斷—啟動變頻器并暖機—暖機結束后快速提升到最低工作轉速。

3.6 防喘控制與負荷分配自動投用

單臺機組啟動到達最小控制轉速以及加載條件后，經過一段延時防喘控制系統自動投用，防喘振閥按一定斜率自動關閉同時出口壓力控制按設置速度提升壓縮機轉速，直到出口壓力能夠克服管網阻力，單向閥打開后壓縮機并入管網[12-18]。當第二臺機組出口單向閥打開，系統判定該機組進入管網，隨著新并入機組的流量進入管網，在線機組由主控制器控制自動降低轉速，或者當在線機組滿負載仍不滿足出口壓力條件時保持轉速不變，最終達到負荷平衡。

4 一鍵停站

4.1 單機組停機

單臺壓縮機組的停機模式分為正常停機、保壓停機、泄壓停機3種。正常停機與保壓停機在停機結束后不進行泄壓，區別僅在于變頻器的停止方式不同，正常停機為先降轉速到最低工作轉速后停變頻器、保壓停機為直接停止變頻器。泄壓停機為直接斷開變頻器供電并將壓縮機區的工藝氣進行泄壓放空[19-20]。

4.2 停站

結合壓縮機組的3種停機模式與站場的實際工藝需求又分為了5種停站模式。

（1）正常停站：兩臺壓縮機組退出負荷分配后，按順序正常停機，停機成功后停止風機并關閉站內流程打開越站閥。

（2）多機停止：兩臺壓縮機組按順序進行正常停機。

（3）多機保壓停機：兩臺壓縮機組同時進行保壓停機。

（4）多機泄壓停機：也叫做區域站ESD，兩臺壓縮機組同時進行泄壓停機。

（5）全站ESD：兩臺壓縮機組同時進行泄壓停機，隨后緊急關斷進出站ESD閥，關閉現場非消防電源，壓差條件符合后打開越站閥。

5 結束語

該項成果實現了我國油氣管道在一鍵啟停站控制技術方面的應用。將調度員從遠程操作模式中解放出來，將更多的精力投入到管網的整體運行參數控制中，降低操作量，提高工作效率，標志著由單體操作到模糊對象操作的智能化控制的飛躍，提高了天然氣管網的自控水平，為油氣管道無人站建設奠定了基礎。

 

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作者：董紅軍， 1965年生，中國石油大學油氣儲運專業畢業，現任中石油管道公司總經理助理，主管油氣管道先進技術和科技項目研究推廣和應用。張舒，女， 1971年生，大慶石油學院計算機軟件專業畢業，現任中石油管道公司技術服務中心副主任，主管油氣管道自動化技術研究和應用。

2019年第4期（總第47期）