張震，張勇

(中國石油集團 東南亞管道有限公司,北京 100028)

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SCADA系統(tǒng)在中緬天然氣管道調控運行中的應用

張震，張勇

(中國石油集團 東南亞管道有限公司,北京 100028)

隨著中國經濟的高速發(fā)展，管輸天然氣呈現(xiàn)跨越式發(fā)展。由于長輸管道輸送天然氣的特殊性，要求調度人員統(tǒng)一指揮、全面協(xié)調，因而采用了先進的自動化系統(tǒng)保障生產運行。監(jiān)視控制與數據采集SCADA(supervisory control and data acquisition)系統(tǒng)是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統(tǒng)，可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數據采集、設備控制、參數調節(jié)以及各類信號報警等功能。SCADA系統(tǒng)方便調度人員對天然氣長輸管道的運行狀況進行實時監(jiān)控，完成對全線各個站場的監(jiān)控、調度、管理等任務，可實現(xiàn)沿線各個監(jiān)控閥室無人值守的運行模式[1-2]。

1管道概述及SCADA系統(tǒng)架構

1.1中緬天然氣管道緬甸段概述

中緬天然氣管道緬甸境內線路全長792.5km，管徑1016mm，設計壓力10MPa。管道沿線地質條件復雜，落差大，共設有28座線路截斷閥室，其中有7座監(jiān)控閥室、21座普通閥室。

中緬管道作為國家四大能源通道的西南通道，目標是建成具有國際先進水平的跨國輸氣管線，這對管道的自動化水平提出了很高的要求。中緬天然氣管道SCADA系統(tǒng)采用招標方式，選定了Telvent公司的OASyS系統(tǒng)，管線自2013年7月投產以來，運行安全平穩(wěn)。

1.2SCADA系統(tǒng)結構及組成

管道SCADA系統(tǒng)是以計算機為核心的分布式控制系統(tǒng)，由曼德勒調控中心、分布在沿線站場的站控系統(tǒng)及監(jiān)控閥室的遠程終端(RTU)、通信系統(tǒng)組成。

1) 調控中心。曼德勒調控中心是該管道SCADA系統(tǒng)的核心，主要建立整個系統(tǒng)的數據存儲及交換中心，配置有2臺實時服務器(CMX)、2臺歷史服務器(XIS)、冗余磁盤陣列(RAID)、Web服務器、路由器、交換機、時鐘服務器、工程師工作站、操作員工作站、打印機等。服務器選用的是Sun SPARC Enterprise M4000，操作系統(tǒng)采用UNIX實時多任務操作系統(tǒng)，采用雙機熱備、冗余配置。操作員工作站、工程師工作站等均作為局域網上的一個節(jié)點，共享各服務器的資源，選用標準可靠、高穩(wěn)定性版本的Windows操作系統(tǒng)。調控中心和站控系統(tǒng)以全球定位系統(tǒng)(GPS)提供的時間為基準，調控中心負責周期性地向各個RTU發(fā)送時間基準點來保持整個系統(tǒng)的時間同步。

2) 輸氣站場和閥室。站控系統(tǒng)是SCADA系統(tǒng)的基本單元，是保證SCADA系統(tǒng)正常運行的基礎，基本配置包括站控計算機、RTU或可編程邏輯控制器(PLC)、通信設施以及必需的外部單元。PLC用于控制天然氣工藝設備、CPU、電源及通信冗余，具備防雷擊和浪涌保護功能。站控系統(tǒng)自動采集溫度、壓力、流量等數據,在設有壓力控制系統(tǒng)的站場,采用電動調節(jié)閥控制出站壓力,均裝備有流量計算機，部分站場裝有氣質組分分析儀、H2S分析儀、水露點和烴露點分析儀。

無人值守的監(jiān)控閥室只配置RTU、通信設施以及必需的外部單元，它本身可與調控中心進行通信，在出現(xiàn)異常情況時，線路截斷閥可由調控中心將其關閉。

3) 通信網絡。目前,國內外SCADA系統(tǒng)中控室與站控之間的通信方式主要有衛(wèi)星通信、微波通信、光纜通信以及公用通信網等幾種，一般采用主備雙通道。兩個通道采用不同的通信方式,可以大幅提高系統(tǒng)的可靠性?？紤]到管線地域跨度大，沿線地理地貌條件較差,整個系統(tǒng)以光纖通信為主，衛(wèi)星通信為輔，當主通信通道故障時,自動切換到備用通信通道上，保證了系統(tǒng)的可靠性和傳輸速度。站控系統(tǒng)設有2個通信接口，通過路由器及光端機接入光通信系統(tǒng)，同時通過路由器接入衛(wèi)星通信系統(tǒng)，再共同接入曼德勒調控中心。在監(jiān)控閥室的RTU提供2路以太網接口與光端機相連，通過光信道的配置，分別將數據傳送到相鄰的上、下游工藝站場的站控系統(tǒng)的局域網中，再通過這兩座站場的站控系統(tǒng)將數據上傳到調控中心，使得閥室的數據能夠利用站場的主備信道傳輸，可靠性得以提高[3-5]。

2SCADA系統(tǒng)的常規(guī)應用

1) 管道運行監(jiān)控。SCADA系統(tǒng)能夠進行現(xiàn)場數據的采集和處理，可以方便讀取站場的壓力、溫度、流量等生產參數，并且可以通過點擊各站場的圖標，調出各站場的操作界面進行監(jiān)控，進行工藝流程的動態(tài)顯示。通過HMI人機界面，調度員可以在第一時間直觀地了解到SCADA系統(tǒng)內任意站點的生產情況，訪問各站場以及整體管網運行的實時數據、歷史數據，進行實時數據的歸檔管理以及趨勢圖的顯示。站控系統(tǒng)釆集的實時數據可以動態(tài)地顯示在參數列表、趨勢圖和工藝流程圖上，方便調度員對管道的運行監(jiān)控。

2) 管道調度控制。SCADA系統(tǒng)采集現(xiàn)場實時數據在調度中心顯示，調度員可根據實際情況進行現(xiàn)場設備的遠程控制操作，或下達調度和操作命令；進行壓力、溫度和流量的調節(jié)；進行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；直接監(jiān)視、控制管道沿線的緊急截斷閥和異常狀況，根據需要關閉截斷閥或者啟動緊急停車系統(tǒng)(ESD)；設置報警上、下限，若參數變化超過報警限值,系統(tǒng)就會發(fā)出報警,調度員可立即查看出具體設備，通過語音交換系統(tǒng)下發(fā)調度令，與上、中、下游進行溝通與協(xié)調，與信息中心、維護搶修等各部門進行聯(lián)系，進行管道的調度控制。

3) 服務其他系統(tǒng)。隨著信息化建設以及無紙化辦公的發(fā)展，SCADA系統(tǒng)可為更多的信息系統(tǒng)提供基礎數據。目前中緬天然氣管道架設了管道生產數據管理系統(tǒng)(PPS)，利用數據采集中間實時歷史庫采集SCADA系統(tǒng)的生產實時數據。用戶可以通過專網訪問，便于管道沿線站場的數據填報和調控中心的審核，在沒有專網的地區(qū)可以通過Internet外網訪問，https加密傳輸，身份認證采用軟證書，方便各相關部門以及相關單位查看數據。

SCADA系統(tǒng)生產數據進入PPS后極大地擴展了應用范圍。可以實現(xiàn)管輸計劃制訂、審批和下發(fā)，實現(xiàn)運銷日報、運銷臺帳、計量交接憑證、氣質報告管理，實現(xiàn)調度日報、運行參數管理、場站作業(yè)、運行方案、調度令、儲運專業(yè)計算管理和值班日志記錄，生產、生活能源消耗管理等。極大地方便了日常生產運行，簡化了流程操作，并且可以生成報表，方便進行存檔及打印。

4) HMI界面的適時調整。中緬天然氣管道調控中心建在緬甸曼德勒，員工來自不同國家，因而SCADA系統(tǒng)的可操作性和可維護性顯得非常重要。管道SCADA系統(tǒng)采用全英文界面，站場工藝圖與現(xiàn)場實際方位一致，調度員全程參與系統(tǒng)設計，共同制作出了具有可視化且易于操作、便于維護的界面。系統(tǒng)具有強大的人機對話能力，系統(tǒng)工程師可以根據實際需要隨時進入系統(tǒng)內部修改數據庫和程序，對HMI界面進行調整，以更好地滿足運行需要。

5) 其他應用。SCADA系統(tǒng)除可進行上述應用外，還具有報警顯示和報警優(yōu)先級設置的功能，所有報警信息都存儲在數據庫中，可查詢打印及顯示，進行聲、光、像等多種信息顯示，提高系統(tǒng)操作的可視性和安全性；查詢歷史曲線與實時曲線，進行實時和歷史數據的采集、歸檔、管理以及趨勢圖顯示；提供多級權限設置功能，滿足工程師維護和調度員日常調度的需要；提供了運行參數的在線采集、數據趨勢和設備狀態(tài)的顯示；從軟件設計上考慮邏輯條件的關聯(lián)及互鎖，在系統(tǒng)中嵌入安全聯(lián)鎖保護程序，啟動管道運行的各類保護系統(tǒng),如管道壓降速率保護、高低壓保護、ESD緊急停站保護等。

3異常工況下SCADA系統(tǒng)的應用

3.1管存氣管理

管存是指管道中儲存的天然氣量。SCADA系統(tǒng)可使用實時模型來計算總的管存和相關的能量值，進行管存氣管理和預測時間的分析。按照需要，可以計算不同管段的充氣情況。當上游氣量減少或停止供氣時，計算剩余氣體可用時間。合理的管存范圍應當符合以下要求： 減少管道控制所需時間、改善管道的運行安全、減少現(xiàn)場作業(yè)時間、改善分輸的可靠性、改善進氣的可靠性。根據調度主管下達的管段管存范圍，利用SCADA系統(tǒng)進行管存計算、分析，各管段的天然氣量維持在要求管存范圍之內。

(1)

式中：qpack——管道的儲氣量，m3；V——管道的容積，m3；T0=293.15K；p0=0.101325MPa；T——氣體的平均溫度；p1m——管道計算段內氣體的最高平均壓力(絕)，MPa；P2m——管道計算段內氣體的最低平均壓力(絕)，MPa；Z1、Z2——對應p1m和p2m時的氣體壓縮因子。

其中，氣體壓縮因子可根據美國加利福尼亞天然氣協(xié)會公式進行計算：

Z=1/(1+5.0725×106×p×101.758ρ1/T3.825)

(2)

式中：p——氣體壓力(絕)，MPa；ρ1——氣體的相對密度。

將式(1)、式(2)編入SCADA系統(tǒng)的程序中，即可建立管存模型，利用各站場和RTU閥室的進出站壓力、溫度，計算出管道各管段以及整個管道的實時管存，顯示在HMI主參數表中。

3.2堵塞泄漏的分析判斷

堵塞是天然氣管道運行中的異常事件，曲線分析是SCADA系統(tǒng)提供的重要功能,通過觀察壓力和流量的變化曲線，調用某段時間的歷史數據進行趨勢分析,基本能確定堵塞的大致時間和地點。若SCADA系統(tǒng)顯示的上游站場或相鄰RTU閥室的出站壓力迅速上升，同時下游站場或相鄰RTU閥室的進站壓力迅速下降，就可判斷為疑似堵塞。在沒有發(fā)送清管器和進行內檢測的情況下，就可判斷為疑似閥室自動關斷現(xiàn)象。這時可再根據流量和相關管段管存的變化，進行綜合分析判斷，克服天然氣具有壓縮性造成的影響，有利于調度員更加快速準確地判斷堵塞的位置。

3.3氣質氣量異常的分析判斷

輸氣干線要輸送符合管輸標準和合同約定的天然氣給下游用戶，因而接收站和各分輸站除進行常規(guī)的壓力、溫度、液位和流量的監(jiān)控外,還需進行氣質的檢測。天然氣組分的測定，也是進行計量交接的重要內容之一，SCADA系統(tǒng)將在站場檢測的天然氣組分傳輸至調控中心，調度員可實時查看，以便進行監(jiān)測，確保氣質的合格，提高天然氣的計量輸送精度。

除氣質外，輸氣量也是氣體輸送中應考慮的重要內容。隨季節(jié)時間的差異，調控中心會根據用戶需求制訂相應的年輸氣計劃、月計劃、周計劃，具體到每日就是日指定，調度員需按照日指定輸氣量進行調度控制，所以SCADA系統(tǒng)中首末站和各分輸站的流量計參數是需要關注的，如果流量計的瞬時流量發(fā)生較大變化，就需要及時查找原因，排除異常工況的可能，確保管道安全平穩(wěn)運行，并根據日累量及時地進行輸量調整，以便完成當天的日指定。

3.4通信中斷及火災發(fā)現(xiàn)

SCADA系統(tǒng)可以顯示光通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的實時狀態(tài)，若光纜中斷或者某條衛(wèi)星鏈路中斷，系統(tǒng)會立即報警提示，并在頁面上顯示中斷的大致位置，可以及時有效地提示調度員出現(xiàn)了通信問題，便于調度員及時聯(lián)系通信運維部門進行處理。

在中控室和各站場、RTU閥室有可燃氣體探測儀，如果發(fā)生泄漏或者火災情況，檢測到可燃氣體濃度超過限值，就會在中控室HMI界面上顯示報警，調度員可以據此采取相應措施；在中控室和沿線站場設置了閉路電視系統(tǒng)(CCTV)，信號通過光通信系統(tǒng)傳輸，調度員可實時監(jiān)控各站場各區(qū)域的情況，及時發(fā)現(xiàn)和處理火災等情況，并可以保存為歷史視頻，便于之后的調取。

4結束語

中緬天然氣管道SCADA系統(tǒng)功能設計能滿足生產運行的需要,并且在使用過程中對系統(tǒng)進行了進一步優(yōu)化和完善,使管道自動化水平和安全性得到了很大提高，在管線正常運行監(jiān)控、維搶修作業(yè)的監(jiān)控指揮過程中發(fā)揮了重要作用，方便了調度及生產的協(xié)調，具有一鍵ESD、自動切換流量計和過濾器等功能，提高了管道輸送效率，節(jié)約了運行成本，提高了生產效益。

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魏德米勒導軌開關電源

魏德米勒系列開關電源產品——PROeco，PROmax和PRO-H以及不間斷電源DC UPS，DC/DC轉換器，電子熔斷器和功能擴展模塊。

PROmax系列電源用于解決能源、電力、過程、機械和設備工程的復雜應用。經濟緊湊型的PROeco開關電源具備電源所有標準功能，高效、可靠。對于更高特殊要求的應用,如石油石化，極度可靠的PRO-H系列產品被廣泛使用，平均故障間隔時間高達18×105h。得益于產品的模塊化設計，魏德米勒電源能夠為用戶提供滿足各種可靠等級的電源解決方案，切合至應用的每一個細節(jié)。

PROeco系列開關電源是現(xiàn)場柜、扁平柜和緊湊型設備上的首選電源。其外形小巧緊湊，深度僅為100mm，適用于小尺寸的盤柜。該系列具備所有的標準功能，高效、簡單易用。PROeco系列電源具有過溫、短路、過載和過壓等保護功能，滿足各種應用需求。高達93%的效率等性能遠優(yōu)于市場同級別電源，高轉換效率減少了熱能的產生，更有利于它們在小尺寸盤柜和箱體中的使用。

PROmax開關電源的性能高和耐用性好，適用于要求嚴苛的能源、電力、機械和設備工程、過程行業(yè)及船舶工程等應用。45℃環(huán)境溫度內可長時間120%超載運行，70℃可保持75%的額定功率。PROmax可短時間輸出額定功率的300%，滿足順時負載沖擊要求；可在-40℃低溫啟動，適用環(huán)境更廣。單相PROmax電源額定輸入AC電壓高達277V，具有SEMI F47、C1D2防爆，CCC，RCM，GOST，GL(EMC1)船級社，TUV,CE和UL認證，滿足各種復雜應用環(huán)境要求；過壓防護等級Ⅲ，耐壓4 kV(AC)，穩(wěn)定可靠。

PRO-H系列開關電源可在極端環(huán)境下使用，適用于發(fā)電、化工、醫(yī)藥和過程自動化等行業(yè)應用。具有ATEX和C1D2認證，適用于爆炸危險區(qū)域和高性能區(qū)域。大功率裕量,寬廣的工作溫度范圍和長達180萬小時的平均故障間隔時間使PRO-H系列開關電源成為理想的滿足極端應用環(huán)境的專業(yè)選擇。(魏德米勒電聯(lián)接(上海)有限公司)

稿件收到日期： 2015-02-02，修改稿收到日期： 2015-03-26。

摘要：介紹了中緬天然氣管道的概況，闡述了管道SCADA系統(tǒng)的結構組成、配置及控制模式。詳細描述了SCADA系統(tǒng)在中緬天然氣管道調控運行中的應用： 除了常規(guī)應用，還包括泄漏、堵塞、通信中斷、氣質異常等異常工況下的分析判斷處理。應用結果表明，該SCADA系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)中緬天然氣管道的監(jiān)視與控制，有效提高了生產管理水平，具有很高的實用價值。

關鍵詞：天然氣管道SCADA系統(tǒng)調度控制

Application of SCADA System in China-Myanmar Natural Gas Pipeline Regulation and ControlZhang Zhen, Zhang Yong

(CNPC South-East Asia Pipeline Co. Ltd., Beijing, 100028, China)

Abstract：The overview of China-Myanmar natural gas pipeline is introduced. The structure components, configuration and control mode of SCADA system are expounded. The application of SCADA system in China-Myanmar natural gas pipeline regulation and control is introduced. The analysis, judgment and treatment under abnormal working conditions of leakage, pipeline obstruction, communication outage, and abnormal gas supply are discussed except routine use. Application results show SCADA system can realize monitoring and controlling of natural gas pipeline very well with improving production management effectively and with high practical value.

Key words：natural gas; pipeline; SCADA system; dispatcher control

作者簡介：張震(1986—)，男，安徽宿州人，畢業(yè)于中國石油大學(華東)控制科學與工程專業(yè)，獲工學碩士學位，現(xiàn)就職于中國石油東南亞管道公司調控中心，主要從事自動化系統(tǒng)檢測與控制、管道調度控制與運行仿真方面的工作與研究，任工程師。

中圖分類號：TP274.4+

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)03-0025-04