上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 張淼馨

典型城市天然氣門站控制邏輯的設(shè)計(jì)

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 張淼馨

文章在介紹典型門站的工藝流程的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)的角度，闡述門站的主要控制點(diǎn)、控制參數(shù)、控制方式，在此基礎(chǔ)上選擇自動(dòng)化程度高、運(yùn)行可靠的城市門站控制邏輯。

天然氣門站 工藝 自控 控制邏輯

現(xiàn)代城市天然氣門站要求設(shè)有智能控制系統(tǒng)，包括：門站系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制；接受總調(diào)度中心的控制指令；根據(jù)總調(diào)度中心的查詢指令傳送相應(yīng)的數(shù)據(jù)和信號(hào)；越限報(bào)警并自動(dòng)上傳；采集的主要參數(shù)包括：溫度、壓力、流量、遙控閥門狀態(tài)、組份分析數(shù)據(jù)等。

控制系統(tǒng)是天然氣門站以及城市管網(wǎng)的安全運(yùn)行重要保障，而自控系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)需要工藝專業(yè)提供相應(yīng)的控制要求。本文在介紹典型門站的工藝流程的基礎(chǔ)上，從工藝設(shè)計(jì)角度，闡述門站的主要控制點(diǎn)、控制參數(shù)、控制方式，在此基礎(chǔ)上選擇自動(dòng)化程度高、運(yùn)行可靠的城市門站控制邏輯。

1 城市門站工藝流程

1.1 工藝流程描述

1.1.1 門站工藝流程

以輸氣干線來氣壓力為4.0 MPa，出站設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，設(shè)計(jì)流量為20 000 m3/h，作為典型門站設(shè)計(jì)案例，其流程如下：4.0 MPa高壓天然氣由高壓管網(wǎng)進(jìn)入城市門站，經(jīng)過濾、計(jì)量、調(diào)壓、加臭，將壓力降至1.6 MPa后，供給下游城市天然氣高壓輸配管網(wǎng)。

1.1.2 門站功能

門站主要的功能包括清管、過濾、貿(mào)易計(jì)量、調(diào)壓、加臭以及集中放散。

清管功能：設(shè)置清管器接收/發(fā)裝置，滿足輸氣管道清管要求和在線檢測的要求；

除塵、過濾功能：對來氣除塵、過濾，以保護(hù)后續(xù)設(shè)備的正常工作；

貿(mào)易計(jì)量：安裝高精度、高可靠性的流量計(jì)，同下游用戶進(jìn)行貿(mào)易計(jì)量；

調(diào)壓功能：對上游來氣進(jìn)行降壓，穩(wěn)定壓力后輸入下游管網(wǎng)；

加臭功能：對無臭的天然氣進(jìn)行加臭，使其在相當(dāng)于爆炸下限20%的濃度時(shí)能覺察。

集中放散：站場發(fā)生事故或設(shè)備需進(jìn)行維修保養(yǎng)時(shí)需排空管束內(nèi)天然氣，此時(shí)應(yīng)關(guān)閉相關(guān)進(jìn)出口閥門、開啟放散閥組進(jìn)行放散。

1.2 非正常工況

1.2.1 上游來氣超壓

(1)當(dāng)上游來氣臨時(shí)超壓，且超壓范圍在警戒范圍內(nèi)時(shí)，安全放散閥動(dòng)作，以初步穩(wěn)定壓力；

(2)當(dāng)上游來氣超壓時(shí)間較長，且超壓范圍超過警戒范圍時(shí)，站控系統(tǒng)報(bào)警，控制室通過進(jìn)站閥前的測壓點(diǎn)監(jiān)測到這一情況時(shí)，應(yīng)立即通知有關(guān)部門，并隨即關(guān)閉進(jìn)站閥，切斷來氣。

1.2.2 出站壓力降低

當(dāng)出站壓力突然降低，出站壓力監(jiān)測報(bào)警，并通知有關(guān)單位，要求巡檢部門加強(qiáng)巡線。若管線泄漏，考慮關(guān)斷出站閥。

1.2.3 下游超壓

若下游發(fā)生超壓，此時(shí)出站壓力監(jiān)測點(diǎn)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通過PLC控制監(jiān)控調(diào)壓器啟動(dòng)，若壓力繼續(xù)升高，則關(guān)閉主路調(diào)壓，啟動(dòng)備用路調(diào)壓，若出站壓力超過備用路設(shè)定最高出站壓力值時(shí)，關(guān)閉進(jìn)出站閥門，并向調(diào)度中心報(bào)警，由調(diào)度中心調(diào)整管網(wǎng)工作狀態(tài)。

1.3 事故工況

當(dāng)工藝管束區(qū)多處設(shè)備意外損壞時(shí)，調(diào)壓站停止運(yùn)行，通過站體旁通閥組供氣。這時(shí)打開球閥，根據(jù)閥后壓力調(diào)節(jié)閥的開度，將壓力控制在一定范圍內(nèi)，使供氣不中斷。

當(dāng)整個(gè)生產(chǎn)區(qū)發(fā)生火災(zāi)等重大事故時(shí)，應(yīng)及時(shí)關(guān)閉站上、下游控制閥門，切斷氣源。

2 主要控制方式、工藝控制點(diǎn)、控制邏輯

2.1 門站控制方式的選擇

城市門站控制系統(tǒng)至少應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下操作模式：

(1)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度控制中心集中監(jiān)視和控制；

(2)站場的控制系統(tǒng)自動(dòng)/手動(dòng)控制；

(3)站場單體設(shè)備的自動(dòng)/手動(dòng)控制、站場子系統(tǒng)的自動(dòng)/手動(dòng)控制；

(4)就地手動(dòng)操作控制；

(5)數(shù)據(jù)上傳控制中心。

在正常情況下，由門站對天然氣高壓輸配管網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)視和控制，操作人員通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成對天然氣高壓輸配管網(wǎng)的監(jiān)視和管理。PLC在調(diào)度中心的統(tǒng)一指揮下完成各自的工作?？刂茩?quán)限由調(diào)度控制中心確定，經(jīng)調(diào)度控制中心授權(quán)后，才允許操作人員通過 PLC對各下游各高中壓站進(jìn)行授權(quán)范圍內(nèi)的工作。當(dāng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)發(fā)生故障或系統(tǒng)檢修時(shí)，要求PLC能正常、可靠的獨(dú)立運(yùn)行，自動(dòng)完成對站場的監(jiān)視控制。當(dāng)進(jìn)行設(shè)備檢修或緊急停車時(shí)，可采用就地手動(dòng)控制。

站控系統(tǒng)的緊急停車系統(tǒng)(ESD)由 PLC/RTU 系統(tǒng)和繼電器回路同步實(shí)現(xiàn)，以確保該系統(tǒng)的安全性。

為了保證城市天然氣控制中心SCADA系統(tǒng)各站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性，使其及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠、協(xié)調(diào)、高效率的工作，控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新應(yīng)采用多種方式進(jìn)行，如周期掃描、例外掃描、查詢、例外報(bào)告、報(bào)警等。

在正常情況下，系統(tǒng)采用周期掃描，即按固定周期有規(guī)律集中更新數(shù)據(jù)，自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的每個(gè)點(diǎn)根據(jù)其性質(zhì)不同為它們定義不同的掃描周期。系統(tǒng)對全線掃描一次的數(shù)據(jù)更新時(shí)間不應(yīng)超過5 s。

系統(tǒng)中有突變事件或特殊請求發(fā)生時(shí)(如發(fā)布操作命令、ESD、狀態(tài)變化、對某一局部重點(diǎn)監(jiān)控、發(fā)生報(bào)警等)，系統(tǒng)將中斷周期掃描，采用其他掃描方式工作，優(yōu)先保證重要數(shù)據(jù)/命令的傳輸，確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

控制系統(tǒng)原理詳見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)原理

2.2 門站主要控制點(diǎn)

為了及時(shí)監(jiān)控門站的運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)中工藝要求的門站主要控制點(diǎn)如下：

(1)天然氣門站進(jìn)出站壓力、溫度；

(2)調(diào)壓器進(jìn)口、出口溫度檢測顯示；

(3)進(jìn)站天然氣組份；

(4)調(diào)壓器進(jìn)口、出口壓力檢測顯示；

(5)過濾器壓差檢測顯示；

(6)天然氣流量計(jì)量；

(7)匯管等壓力容器的壓力；

(8)主要工藝操作電動(dòng)閥門閥位狀態(tài)顯示及報(bào)警；

(9)安全閥的閥位狀態(tài)；

(10)可燃?xì)怏w檢測系統(tǒng)泄漏檢測濃度。

2.3 城市門站控制邏輯的設(shè)計(jì)

(1)送氣順序：從氣源點(diǎn)進(jìn)站閥門開始順氣流方向打開球閥和切斷閥；斷氣順序：從出站閥門逆氣流方向關(guān)閉切斷閥和球閥。

(2)故障狀態(tài)控制：故障狀態(tài)時(shí)，放散閥和切斷閥會(huì)依次啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)。

(3)其他壓力測控點(diǎn)作為運(yùn)行監(jiān)控參考。

(4)主用和備用路切換：順氣流方向啟動(dòng)備用路，再逆氣流方向關(guān)閉主用路。反之亦然。正常工作時(shí)：主路上的設(shè)備均為常開。旁路以及清管系統(tǒng)上的設(shè)備均為常閉。

(5)清管工藝

收球流程：檢查收球筒閥門和壓力表的完好率，在清潔器到達(dá)前1 h，ESD系統(tǒng)控制清管接收裝置前閥門打開，進(jìn)站匯管前閥門關(guān)閉，并手動(dòng)開啟清管接收裝置上手動(dòng)閥門，當(dāng)ESD系統(tǒng)收到收球指示器的信號(hào)時(shí)，控制進(jìn)站匯管前閥門打開，清管接收裝置前閥門關(guān)閉，并手動(dòng)關(guān)閉清管接收裝置上手動(dòng)閥門，收球筒排污放空，打開快開盲板取出清管器，關(guān)閉盲板。

發(fā)球流程：檢查收球筒閥門和壓力表，打開快開盲板推入清管器頂緊，關(guān)閉盲板。手動(dòng)打開清管發(fā)送裝置上手動(dòng)閥門，平衡清管發(fā)送裝置前閥門兩端的壓力。ESD系統(tǒng)控制清管發(fā)送裝置前閥門打開，出站匯管后閥門關(guān)閉。當(dāng)ESD系統(tǒng)收到發(fā)球指示器的信號(hào)時(shí)，控制出站匯管后閥門打開，清管發(fā)送裝置前閥門關(guān)閉，并手動(dòng)關(guān)閉清管發(fā)送裝置上手動(dòng)閥門，發(fā)球筒排污放空。

(6)調(diào)壓單元：正常工作時(shí)，調(diào)壓主路和備用路的設(shè)備均為常開，通過主要設(shè)備的設(shè)定點(diǎn)的不同，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換功能。在工作路檢修或監(jiān)控調(diào)壓器開始工作時(shí)，ESD系統(tǒng)須控制主路或備用路上調(diào)壓裝置前閥門的動(dòng)作：如當(dāng)主路調(diào)壓系統(tǒng)內(nèi)緊急切斷閥門切斷信號(hào)遠(yuǎn)傳至 ESD系統(tǒng),或主路調(diào)壓系統(tǒng)后監(jiān)控壓力大于1.85 MPa，則表明主路調(diào)壓器可能發(fā)生故障，ESD系統(tǒng)控制主路調(diào)壓裝置前閥門關(guān)閉，備用路投入使用。

(7)泄漏報(bào)警：可燃?xì)怏w報(bào)警設(shè)定點(diǎn)：低報(bào)警點(diǎn)20%LEL；高報(bào)警點(diǎn) 50%LEL(建議)站外的電動(dòng)球閥(ESD閥)由ESD系統(tǒng)控制，同時(shí)可與站內(nèi)燃?xì)鈭?bào)警聯(lián)鎖，當(dāng)燃?xì)鉂舛冗_(dá)到低報(bào)警時(shí)，控制柜報(bào)警。

當(dāng)燃?xì)鉂舛冗_(dá)到高報(bào)警時(shí)，須先關(guān)閉進(jìn)站閥門、切斷門站供氣，再及時(shí)切斷出站閥門。

(8)進(jìn)站超高壓切斷：當(dāng)進(jìn)站壓力大于4.0 MPa，控制柜報(bào)警，ESD系統(tǒng)控制進(jìn)站匯管前閥門關(guān)閉，切斷門站供氣系統(tǒng)。

(9)進(jìn)站超低壓報(bào)警：當(dāng)進(jìn)站壓力顯示小于系統(tǒng)設(shè)計(jì)最低壓力值(3.46 MPa)，控制柜報(bào)警，此工況表明上游管線存在管道大量泄漏的可能，應(yīng)及時(shí)通知上游管線管理單位沿線檢查。

(10)出站超低壓報(bào)警：當(dāng)出站壓力小于1.4 MPa，控制柜報(bào)警。此工況表明下游管線存在管道大量泄漏的可能，應(yīng)及時(shí)至下游管線檢查。

3 小結(jié)

為了確保城市天然氣門站的安全可靠運(yùn)行，站內(nèi)必須建立一套自動(dòng)化程度高的控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過程中充分考慮檢修工況、事故工況下的操作流程，設(shè)計(jì)合理的控制點(diǎn)和控制參數(shù)，編制合理的控制邏輯。

在門站設(shè)計(jì)過程中，工藝專業(yè)應(yīng)和自控專業(yè)緊密結(jié)合，工藝專業(yè)向自控專業(yè)提出相應(yīng)的控制要求，包括工藝控制點(diǎn)、控制方式、數(shù)據(jù)控制參數(shù)(正常工作范圍、高報(bào)警值、低報(bào)警值)、控制邏輯，自控專業(yè)根據(jù)此要求編制控制程序和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，達(dá)到自動(dòng)檢測、自動(dòng)控制要求，保障連續(xù)安全供氣。

Typical City Natural Gas Station Control Logic Design

Shanghai Gas Engineering Research & Design CO., Ltd. Zhang Miaoxin

This paper describes a typical natural gas station technology process, from the design point of view,expatiates on the station main control point, control parameters, control methods. On this basis, select high degree of automation, reliable operation of the city gas station control logic.

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