劉功銀，黃忠勝，肖 旺

（中國石油西部管道分公司， 烏魯木齊 830013）

0 引言

天然氣管道通過壓降速率判斷管道是否發(fā)生泄漏（或爆管），壓降速率監(jiān)控使用專用控制器，控制器內(nèi)部程序不對外開放，可擴(kuò)展性差、站場維護(hù)難度較大。以西氣東輸二線為例，閥室Shafer閥門使用專用控制器，壓降速率程序固化在控制器中不對外開放；西二線站場PLC中無壓降速率程序邏輯，不利于站場調(diào)度提前發(fā)現(xiàn)壓力異常波動，及時(shí)采取處置措施。本文通過分析壓降速率算法，設(shè)計(jì)壓降速率邏輯并通過PLC編程實(shí)現(xiàn)壓降速率判斷，同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際提出優(yōu)化建議。

1 壓降速率報(bào)警值來源

天然氣泄漏后，管道內(nèi)氣體處于非穩(wěn)態(tài)流動狀態(tài)，通過SPS軟件建模計(jì)算[1]：150mm小孔泄漏壓降率達(dá)1057pa/s，管線調(diào)峰壓降率達(dá)62pa/s，壓縮機(jī)停停機(jī)達(dá)862pa/s，疊加3種工況壓降率為191pa/s，考慮25%裕度，壓降速率關(guān)斷值=（1057+62+862）×1.25×60=148575pa/min≈0.15mpa/min。

因此，西二線干線閥室當(dāng)閥門壓降速率＞0.15MPa/min時(shí)，Shafer控制器產(chǎn)生報(bào)警并關(guān)斷閥門。

2 壓降速率邏輯設(shè)計(jì)

干線截?cái)嚅y門在壓降速率達(dá)到0.15MPa/min時(shí)關(guān)斷，PLC程序按照采樣周期循環(huán)存儲壓力值實(shí)時(shí)值，循環(huán)比較60s前后壓力差：PT（60s）-PT(0s)，即可計(jì)算出每分鐘的壓降。為減小計(jì)算誤差，提高壓降率計(jì)算可靠性，循環(huán)比較5個(gè)相鄰采樣周期壓力差，計(jì)算5次壓降速率的平均值，若平均值大于0.15MPa，判定管道存在泄漏。壓降速率公式如下：

圖1 PLC壓降速率計(jì)算邏輯Fig.1 Calculation logic of PLC pressure drop rate

壓降速率=((pt(60s)-pt(0s))+(pt(61s)-pt(1s))+(pt(62s)-pt(2s))+(pt(63s)-pt(3s))+(pt(64s)-pt(4s)))/5

PLC壓降速率計(jì)算，閥門關(guān)斷邏輯設(shè)計(jì)如圖1。

3 壓降速率邏輯PLC程序?qū)崿F(xiàn)

根據(jù)圖1設(shè)計(jì)邏輯使用PLC編程實(shí)現(xiàn)。IEC_6-1131-3[2]中PLC支持：梯形圖（Ladder）、結(jié)構(gòu)化文本（ST）、功能塊（FBD）、順序功能圖（SFC）、指令表（IL）5種編程語言。本文通過AB PLC的梯形圖、結(jié)構(gòu)化文本兩種方式完成壓降速率計(jì)算邏輯，實(shí)現(xiàn)管道出現(xiàn)泄漏閥門快速關(guān)斷功能。

PLC實(shí)現(xiàn)壓降速率計(jì)算的難點(diǎn)在于：PLC滾動存儲壓力實(shí)時(shí)值，循環(huán)計(jì)算60s前后的壓力差。PLC通常用作順序控制，使用傳統(tǒng)的梯形圖編程，完成壓力數(shù)據(jù)滾動存儲，程序復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大。結(jié)構(gòu)化文本是一種高級文本語言，具有很強(qiáng)的編程能力，高級語言可以完成較為復(fù)雜的控制運(yùn)算。通過結(jié)構(gòu)化文本實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)滾動存儲，實(shí)時(shí)計(jì)算，編程較為簡潔。

3.1 壓降速率計(jì)算實(shí)現(xiàn)方式一：結(jié)構(gòu)化文本

結(jié)構(gòu)化文本編程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)壓力值的滾動存儲，并實(shí)時(shí)比較60s前后的壓力偏差，邏輯實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)化文本實(shí)現(xiàn)壓降速率邏輯Fig.2 Structured text to realize pressure drop rate logic

圖3 PT1201數(shù)據(jù)存儲情況Fig.3 PT1201 Data storage

結(jié)構(gòu)化文本編程完成后，程序下裝至AB PLC運(yùn)行，觀察程序運(yùn)行狀況。程序中模擬PT1201數(shù)值變化：間隔1s，PT1201增幅為0.1MPa，由10.0MPa遞增至11.0MPa，PT1201周而復(fù)始循環(huán)變化。程序下裝至PLC CPU后，數(shù)據(jù)存儲情況如圖3所示。

程序中PT1201已經(jīng)實(shí)現(xiàn)滾動實(shí)時(shí)存儲，使用存儲的數(shù)據(jù)可完成壓降速率計(jì)算，當(dāng)壓降速率大于0.15MPa時(shí)產(chǎn)生報(bào)警關(guān)斷閥門，如圖4所示。

3.2 壓降速率計(jì)算實(shí)現(xiàn)方式二：梯形圖

若是使用一般梯形圖語言，程序較為復(fù)雜且難度大。查閱AB PLC指令發(fā)現(xiàn)AB指令中集成了專用指令：數(shù)組移位指令LFL3可以完成數(shù)據(jù)滾動存儲，當(dāng)新的存儲周期完成后，之前存儲的數(shù)據(jù)會釋放繼續(xù)存儲新的數(shù)據(jù)。LFL指令將源值復(fù)制到LIFO中，每次使能時(shí)循環(huán)向數(shù)組存儲一個(gè)數(shù)據(jù)。

圖4 PT1201壓降速率計(jì)算及報(bào)警設(shè)置Fig.4 Calculation and alarm setting of PT1201 pressure drop rate

使用LFL時(shí)間數(shù)據(jù)滾動存儲數(shù)據(jù)后，按照壓降速率計(jì)算公式同樣可算出每分鐘的壓降。

4 壓降速率的優(yōu)化探討

無論使用結(jié)構(gòu)化文本或者梯形圖都只是實(shí)現(xiàn)壓降速率計(jì)算的一種方式，AB PLC作為大型PLC指令較為豐富，可以直接使用Contollongix集成指令實(shí)現(xiàn)，程序簡潔易懂，站場可使用梯形圖編程實(shí)現(xiàn)。閥室使用BB RTU功能簡單，沒有類似指令，可使用結(jié)構(gòu)化文本編程實(shí)現(xiàn)。

干線閥室截?cái)嘣O(shè)定值是疊加管道出現(xiàn)150mm直徑小孔每秒泄漏率、管道調(diào)峰每秒壓降率、站場啟停壓縮機(jī)每秒壓降率，加之25%裕度，乘以60s得出每分鐘壓降速率報(bào)警值。因此，實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)考慮預(yù)設(shè)報(bào)警值，便于調(diào)度提前發(fā)現(xiàn)異常工況。本文通過比較61s與第1s的壓力差計(jì)算壓降率，為提高壓降速率計(jì)算的可靠性，分別計(jì)算了5次（61s～65s與1s～5s比較）壓差求平均值，若平均值大于0.15MPa，說明管道存在泄漏。

壓降速率計(jì)算，考慮到儀表工作異?？赡艽嬖谔?，壓降速率關(guān)斷程序應(yīng)設(shè)置延時(shí)，避免信號干擾對管線運(yùn)行造成影響，壓降速率報(bào)警程序中應(yīng)該鎖存，站場及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，排查是否存在問題。

干線閥室無人值守，閥門一旦截?cái)嘤绊懻麠l管線的運(yùn)行。因此，閥室壓降速率程序應(yīng)該充分考慮安全性與可靠性。目前，閥室shafer壓降速率判斷僅使用1個(gè)壓力變送器判斷是否發(fā)生爆管，一旦壓力變送器失效會導(dǎo)致壓降程序失效。單回路壓力變送器無法滿足閥室安全性與可靠性需求。閥室目前有兩個(gè)壓力變送器PT1201、PT1301，可考慮分別計(jì)算PT1201、PT1301壓降速率，之后做2OO2（二選二）邏輯，這樣可以提高爆管判斷的可靠性；也可以考慮新增壓力變送器，做2OO3（三選二）邏輯，同時(shí)提高爆管判斷的安全性與可靠性。

5 小結(jié)

本文通過PLC實(shí)現(xiàn)壓降速率爆管程序的編制，程序可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)壓降速率計(jì)算、壓降報(bào)警預(yù)設(shè)、壓降程序屏蔽等功能，為shafer控制器程序固化，不可擴(kuò)展提供一種解決思路。