上海燃氣工程設計研究有限公司 張淼馨
典型城市天然氣門站控制邏輯的設計
上海燃氣工程設計研究有限公司 張淼馨
文章在介紹典型門站的工藝流程的基礎上,從設計的角度,闡述門站的主要控制點、控制參數(shù)、控制方式,在此基礎上選擇自動化程度高、運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有智能控制系統(tǒng),包括:門站系統(tǒng)運行參數(shù)的實時監(jiān)測和控制;接受總調度中心的控制指令;根據(jù)總調度中心的查詢指令傳送相應的數(shù)據(jù)和信號;越限報警并自動上傳;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的安全運行重要保障,而自控系統(tǒng)功能的設計需要工藝專業(yè)提供相應的控制要求。本文在介紹典型門站的工藝流程的基礎上,從工藝設計角度,闡述門站的主要控制點、控制參數(shù)、控制方式,在此基礎上選擇自動化程度高、運行可靠的城市門站控制邏輯。
以輸氣干線來氣壓力為4.0 MPa,出站設計壓力為1.6 MPa,設計流量為20 000 m3/h,作為典型門站設計案例,其流程如下:4.0 MPa高壓天然氣由高壓管網進入城市門站,經過濾、計量、調壓、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。
門站主要的功能包括清管、過濾、貿易計量、調壓、加臭以及集中放散。
清管功能:設置清管器接收/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,以保護后續(xù)設備的正常工作;
貿易計量:安裝高精度、高可靠性的流量計,同下游用戶進行貿易計量;
調壓功能:對上游來氣進行降壓,穩(wěn)定壓力后輸入下游管網;
加臭功能:對無臭的天然氣進行加臭,使其在相當于爆炸下限20%的濃度時能覺察。
集中放散:站場發(fā)生事故或設備需進行維修保養(yǎng)時需排空管束內天然氣,此時應關閉相關進出口閥門、開啟放散閥組進行放散。
(1)當上游來氣臨時超壓,且超壓范圍在警戒范圍內時,安全放散閥動作,以初步穩(wěn)定壓力;
(2)當上游來氣超壓時間較長,且超壓范圍超過警戒范圍時,站控系統(tǒng)報警,控制室通過進站閥前的測壓點監(jiān)測到這一情況時,應立即通知有關部門,并隨即關閉進站閥,切斷來氣。
當出站壓力突然降低,出站壓力監(jiān)測報警,并通知有關單位,要求巡檢部門加強巡線。若管線泄漏,考慮關斷出站閥。
若下游發(fā)生超壓,此時出站壓力監(jiān)測點發(fā)出報警信號,通過PLC控制監(jiān)控調壓器啟動,若壓力繼續(xù)升高,則關閉主路調壓,啟動備用路調壓,若出站壓力超過備用路設定最高出站壓力值時,關閉進出站閥門,并向調度中心報警,由調度中心調整管網工作狀態(tài)。
當工藝管束區(qū)多處設備意外損壞時,調壓站停止運行,通過站體旁通閥組供氣。這時打開球閥,根據(jù)閥后壓力調節(jié)閥的開度,將壓力控制在一定范圍內,使供氣不中斷。
當整個生產區(qū)發(fā)生火災等重大事故時,應及時關閉站上、下游控制閥門,切斷氣源。
城市門站控制系統(tǒng)至少應實現(xiàn)以下操作模式:
(1)整個系統(tǒng)的調度控制中心集中監(jiān)視和控制;
(2)站場的控制系統(tǒng)自動/手動控制;
(3)站場單體設備的自動/手動控制、站場子系統(tǒng)的自動/手動控制;
(4)就地手動操作控制;
(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進行監(jiān)視和控制,操作人員通過計算機系統(tǒng)完成對天然氣高壓輸配管網的監(jiān)視和管理。PLC在調度中心的統(tǒng)一指揮下完成各自的工作??刂茩嘞抻烧{度控制中心確定,經調度控制中心授權后,才允許操作人員通過 PLC對各下游各高中壓站進行授權范圍內的工作。當數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)發(fā)生故障或系統(tǒng)檢修時,要求PLC能正常、可靠的獨立運行,自動完成對站場的監(jiān)視控制。當進行設備檢修或緊急停車時,可采用就地手動控制。
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)各站點之間的數(shù)據(jù)交換的實時性,使其及時、準確、可靠、協(xié)調、高效率的工作,控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新應采用多種方式進行,如周期掃描、例外掃描、查詢、例外報告、報警等。
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)庫中的每個點根據(jù)其性質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)更新時間不應超過5 s。
系統(tǒng)中有突變事件或特殊請求發(fā)生時(如發(fā)布操作命令、ESD、狀態(tài)變化、對某一局部重點監(jiān)控、發(fā)生報警等),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)的實時性。
控制系統(tǒng)原理詳見圖1。
圖1 控制系統(tǒng)原理
為了及時監(jiān)控門站的運行工況,設計中工藝要求的門站主要控制點如下:
(1)天然氣門站進出站壓力、溫度;
(2)調壓器進口、出口溫度檢測顯示;
(3)進站天然氣組份;
(4)調壓器進口、出口壓力檢測顯示;
(5)過濾器壓差檢測顯示;
(6)天然氣流量計量;
(7)匯管等壓力容器的壓力;
(8)主要工藝操作電動閥門閥位狀態(tài)顯示及報警;
(9)安全閥的閥位狀態(tài);
(10)可燃氣體檢測系統(tǒng)泄漏檢測濃度。
(1)送氣順序:從氣源點進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閉切斷閥和球閥。
(2)故障狀態(tài)控制:故障狀態(tài)時,放散閥和切斷閥會依次啟動,實現(xiàn)安全保護。
(3)其他壓力測控點作為運行監(jiān)控參考。
(4)主用和備用路切換:順氣流方向啟動備用路,再逆氣流方向關閉主用路。反之亦然。正常工作時:主路上的設備均為常開。旁路以及清管系統(tǒng)上的設備均為常閉。
(5)清管工藝
收球流程:檢查收球筒閥門和壓力表的完好率,在清潔器到達前1 h,ESD系統(tǒng)控制清管接收裝置前閥門打開,進站匯管前閥門關閉,并手動開啟清管接收裝置上手動閥門,當ESD系統(tǒng)收到收球指示器的信號時,控制進站匯管前閥門打開,清管接收裝置前閥門關閉,并手動關閉清管接收裝置上手動閥門,收球筒排污放空,打開快開盲板取出清管器,關閉盲板。
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,關閉盲板。手動打開清管發(fā)送裝置上手動閥門,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,出站匯管后閥門關閉。當ESD系統(tǒng)收到發(fā)球指示器的信號時,控制出站匯管后閥門打開,清管發(fā)送裝置前閥門關閉,并手動關閉清管發(fā)送裝置上手動閥門,發(fā)球筒排污放空。
(6)調壓單元:正常工作時,調壓主路和備用路的設備均為常開,通過主要設備的設定點的不同,可以實現(xiàn)自動切換功能。在工作路檢修或監(jiān)控調壓器開始工作時,ESD系統(tǒng)須控制主路或備用路上調壓裝置前閥門的動作:如當主路調壓系統(tǒng)內緊急切斷閥門切斷信號遠傳至 ESD系統(tǒng),或主路調壓系統(tǒng)后監(jiān)控壓力大于1.85 MPa,則表明主路調壓器可能發(fā)生故障,ESD系統(tǒng)控制主路調壓裝置前閥門關閉,備用路投入使用。
(7)泄漏報警:可燃氣體報警設定點:低報警點20%LEL;高報警點 50%LEL(建議)站外的電動球閥(ESD閥)由ESD系統(tǒng)控制,同時可與站內燃氣報警聯(lián)鎖,當燃氣濃度達到低報警時,控制柜報警。
當燃氣濃度達到高報警時,須先關閉進站閥門、切斷門站供氣,再及時切斷出站閥門。
(8)進站超高壓切斷:當進站壓力大于4.0 MPa,控制柜報警,ESD系統(tǒng)控制進站匯管前閥門關閉,切斷門站供氣系統(tǒng)。
(9)進站超低壓報警:當進站壓力顯示小于系統(tǒng)設計最低壓力值(3.46 MPa),控制柜報警,此工況表明上游管線存在管道大量泄漏的可能,應及時通知上游管線管理單位沿線檢查。
(10)出站超低壓報警:當出站壓力小于1.4 MPa,控制柜報警。此工況表明下游管線存在管道大量泄漏的可能,應及時至下游管線檢查。
為了確保城市天然氣門站的安全可靠運行,站內必須建立一套自動化程度高的控制系統(tǒng),在設計過程中充分考慮檢修工況、事故工況下的操作流程,設計合理的控制點和控制參數(shù),編制合理的控制邏輯。
在門站設計過程中,工藝專業(yè)應和自控專業(yè)緊密結合,工藝專業(yè)向自控專業(yè)提出相應的控制要求,包括工藝控制點、控制方式、數(shù)據(jù)控制參數(shù)(正常工作范圍、高報警值、低報警值)、控制邏輯,自控專業(yè)根據(jù)此要求編制控制程序和設計控制系統(tǒng),達到自動檢測、自動控制要求,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.
natural gas Station, technology, automatic control, control logic