隋明新

(中國天辰工程有限公司 項目管理部，天津 30040)

中國天辰工程有限公司承建的土耳其某天然氣儲庫項目是目前全球單腔體積最大的鹽穴儲氣庫之一。該儲氣庫是在地下1 km以下的鹽丘內(nèi)建造的天然氣儲氣庫，用來調(diào)節(jié)土耳其的天然氣峰值戰(zhàn)略儲備之用。儲氣庫建造12座地下腔體，腔體的形成依靠注入淡水，在地下鹽丘中進行溶腔。從淡水湖抽取淡水送達場站，再經(jīng)溶腔泵加壓送入12個地下井口。淡水進入井口后會溶解鹽礦變成鹵水，在注水的壓力下將飽和鹵水排出井口，反復(fù)循環(huán)淡水和鹵水在地下形成一個溶腔。單個腔體體積約7.5×105m3，在20 MPa壓力下存儲天然氣可達1.5×109m3。

該項目硬件設(shè)施主要包括輸送淡水的長輸管線、溶腔地面設(shè)施和天然氣注入及采出設(shè)施。淡水輸送距離長約120 km；溶腔地面設(shè)施包含泵站和鹵水沉淀池及相應(yīng)管道設(shè)施。溶腔后的鹵水回到地面，通過自流方式輸送到40 km以外的鹽湖。為了保證鹵水管道密封性，防止鹵水泄漏造成計量不準確及環(huán)境污染，同時參考鹵水的流量來核算地下腔體的體積，在鹵水管道出口處設(shè)立通信控制站，用來傳輸相關(guān)檢測數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可以判斷溶腔是否正常，鹵水長輸管道是否有堵塞等。該控制站不僅要經(jīng)受風(fēng)沙的侵蝕、日曬雨淋，更要面對沒有電力供應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)通信的巨大挑戰(zhàn)。而對于架設(shè)電纜、鋪設(shè)光纖這樣常規(guī)的解決方案，不僅工期長，而且費用高昂。通過多方比較，最終采用太陽能為現(xiàn)場儀表供電及采用Modbus TCP協(xié)議通過衛(wèi)星的無線通信方式將現(xiàn)場的PLC與中心控制室的控制系統(tǒng)連接的方案。

1 供電解決方案

該項目采用的是分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，對于電源供應(yīng)的連續(xù)性有保障。太陽能發(fā)電不產(chǎn)生任何廢棄物、噪音，是理想的潔凈能源，無人值守模式節(jié)省了運營期間的人力負荷，滿足了當?shù)卣畬υ擁椖康沫h(huán)保要求。

1.1 基本設(shè)置

太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要由電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜、太陽跟蹤控制系統(tǒng)等設(shè)備組成，還包含了供電系統(tǒng)監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測裝置。該項目使用的太陽能設(shè)備主要由42塊太陽能電池板和24塊蓄電池組成，可向直流48 V 500 W和24 V 600 W的負載提供5～7個陰雨天的電量，從而保證負載正常的供電需求，并且可以使用逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)化成220 V交流電，為現(xiàn)場的設(shè)備供電。太陽能控制器是由專用處理器CPU、電子元器件、顯示器、開關(guān)功率管等組成。

該套太陽能發(fā)電系統(tǒng)可為1套小型PLC、1臺控制閥，1臺流量計，1個路由器、1臺衛(wèi)星信號發(fā)射器、1臺信號轉(zhuǎn)換器及現(xiàn)場照明系統(tǒng)提供電力。該系統(tǒng)的充電控制采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，使整個系統(tǒng)始終運行于最大功率點Pm附近區(qū)域；當電池缺電、系統(tǒng)故障時采用放電控制，如電池開路或接反時切斷開關(guān)。

1.2 系統(tǒng)效率

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總效率ηese包括電池組件的PV轉(zhuǎn)換率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負載效率等，提高電池組件的轉(zhuǎn)換率，降低單位功率造價是太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的重點和難點。該項目采用了既能跟蹤調(diào)控Pm點，又能跟蹤太陽移動參數(shù)的“向日葵”式控制器，將固定電池組件的效率提高了50%左右，現(xiàn)場采用了鉛酸免維護蓄電池。

1.3 太陽能電池

單一太陽能電池通過串聯(lián)或者并聯(lián)組成的電池系統(tǒng)，稱為電池組件方陣。太陽能電池產(chǎn)生的直流電先進入蓄電池儲存，蓄電池的特性直接影響系統(tǒng)的工作效率，蓄電池的容量受到末端需電量和日照時間的影響。因此蓄電池瓦時容量和安時容量由預(yù)定的連續(xù)無日照時間設(shè)定。由于土耳其當?shù)氐貏葺^高、日照時間較長、陰雨天氣少，良好的氣候環(huán)境為太陽能使用提供了便利條件。

1.4 系統(tǒng)優(yōu)勢

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)周期短，而且發(fā)電組件的使用壽命長、發(fā)電方式比較靈活，發(fā)電系統(tǒng)的能量回收周期短，不受資源分布地域的限制，可在用電處就近發(fā)電。

該系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)工作5 a多，未出現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象，為現(xiàn)場設(shè)備提供了穩(wěn)定的電力保障。供電系統(tǒng)設(shè)置在地面，所占面積也比較小，滿足方便快捷的要求。

2 通信解決方案

該項目采用無線電通信方案，無線電通信具有不需要架設(shè)傳輸線路，通信距離遠，機動性好的優(yōu)點。通信站設(shè)立在距離控制室40 km以外的鹽堿地里，所以可靠性是系統(tǒng)運行的關(guān)鍵。

2.1 無線通信方案

無線通信方案如圖1所示，在PLC的通信卡采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)后，通過地面站發(fā)出無線電信號，該微弱信號被衛(wèi)星通信天線接收后，在通信轉(zhuǎn)發(fā)器中進行變頻和放大功率，將放大后的無線電波發(fā)向地面站，位于中心控制室的800xA控制系統(tǒng)通過衛(wèi)星信號接收站接收來自Internet的過程數(shù)據(jù)。衛(wèi)星通信范圍廣，在衛(wèi)星發(fā)射的電波所覆蓋的范圍內(nèi)，從任何2點之間都可進行通信，同時可在多處接收，實現(xiàn)數(shù)據(jù)多址通信；在采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)過程中保證了各種數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。該項目使用衛(wèi)星通信的頻率是微波頻段的10 GHz頻段。

圖1 無線通信方案示意

無線電波的傳輸使用了TCP協(xié)議，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕o每個數(shù)據(jù)包分配一定序號，保證了傳送到接收端實體包的按序接收。TCP通過Modbus寄存器地址來交換數(shù)據(jù),接收端實體對已成功收到的字節(jié)發(fā)回一個相應(yīng)的確認(ACK)；如果發(fā)送端實體在合理的往返時延(RTT)內(nèi)未收到確認，那么對應(yīng)的數(shù)據(jù)，假設(shè)已丟失，將會被重傳，確保了項目對操作數(shù)據(jù)的可靠傳輸和接收。硬件接口Modbus TCP則采用以太網(wǎng)口。

該項目中無線通信控制柜設(shè)置在地下掩體中，可以避免過大的溫差和濕度變化的影響，巡檢人員可以通過人孔進入到地下機柜間，完成相應(yīng)的檢修工作。

2.2 無線通信設(shè)置

由于通信距離超過40 km，該項目選擇了蜂巢式無線通信網(wǎng)絡(luò)，而無線電頻率為政府的公共財產(chǎn)，受土耳其國家管控，因此在數(shù)據(jù)傳輸上受到很多限制，但是經(jīng)過協(xié)調(diào)當?shù)卣_定了一固定頻寬傳輸數(shù)據(jù)。

組態(tài)編程時，設(shè)置PLC PN-IO接口的IP地址和子網(wǎng)掩碼地址，在“網(wǎng)關(guān)”中必須選擇“使用路由器”，IP地址為路由器的IP，與PN-IO接口IP保持在同一個網(wǎng)段上。再設(shè)置800xA系統(tǒng)的Modbus TCP，這樣就可以通過無線通信獲得由PLC提供的現(xiàn)場數(shù)據(jù)了。

經(jīng)PLC PN-IO接口向路由器不斷發(fā)送數(shù)據(jù)包，路由器VPN對數(shù)據(jù)包進行加密并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)包目標地址，再通過衛(wèi)星信號發(fā)射鍋將加密的數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上的一條專用的數(shù)據(jù)鏈路上。

在中心控制室，專用數(shù)據(jù)鏈路上的數(shù)據(jù)包再由衛(wèi)星信號接收器接收，經(jīng)路由器對數(shù)據(jù)包進行解碼，通過防火墻保證數(shù)據(jù)安全，最后數(shù)據(jù)包再由中心控制室核心交換機送入800xA系統(tǒng)。

2.3 Modbus TCP程序設(shè)置

Modbus是目前工業(yè)電子設(shè)備之間常用的協(xié)議方式，它覆蓋了使用TCP/IP協(xié)議的“Intranet”和“Internet”環(huán)境中的Modbus報文。

該項目的通信協(xié)議采用了Modbus TCP，其中“FC20”為量程轉(zhuǎn)換模塊，將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為0～100.0。然而由于現(xiàn)場離控制室較遠，不易于在現(xiàn)場對程序進行修改，于是將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)直接由PLC中的“MOVE”模塊轉(zhuǎn)換到Modbus地址上，再由中控室對其傳送的數(shù)據(jù)根據(jù)需求進行轉(zhuǎn)換。

由于Modbus TCP傳輸控制協(xié)議是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的通信協(xié)議，每發(fā)出一個數(shù)據(jù)包都要求確認，如果有數(shù)據(jù)包丟失，就會不被確認，發(fā)送方就必須重發(fā)該數(shù)據(jù)包。為保證傳輸?shù)目煽啃?，TCP協(xié)議在UDP基礎(chǔ)之上建立了三次對話的確認機制，即在正式收發(fā)數(shù)據(jù)前，必須和對方建立可靠連接。這種可靠連接的建立，為該項目數(shù)據(jù)的準確傳輸和接收提供了有力保障。

3 結(jié)束語

面對沒有電力供應(yīng)，沒有通信網(wǎng)絡(luò)的情況，采用太陽能供電，運用衛(wèi)星無線通信的解決方案，不僅省時省力，且相對于架設(shè)電纜鋪設(shè)光纖這樣的傳統(tǒng)解決方法，更加具有造價低廉的優(yōu)勢。

該項目溶腔階段注水排鹵的過程正在順暢運行，各種數(shù)據(jù)采集得到很好的驗證，控制站已經(jīng)連續(xù)運轉(zhuǎn)超過5a，無論是電力穩(wěn)定供應(yīng)還是無線通信可靠傳輸，均未出現(xiàn)任何意外情形，這些充分說明了該套解決方案可行性和有效性。