上海天然氣管網(wǎng)有限公司 任保衛(wèi)

天然氣是一種環(huán)保清潔能源，在生產(chǎn)生活過程中起著重要的作用。隨著我國(guó)天然氣開發(fā)應(yīng)用進(jìn)程的不斷加快，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)天然氣供不應(yīng)求、嚴(yán)重短缺等問題，特別在長(zhǎng)江中下游地區(qū)更為明顯。這就要求各地管網(wǎng)公司和供應(yīng)商必須針對(duì)不同的用戶，對(duì)天然氣的使用進(jìn)行合理限制和調(diào)配，采用限流和調(diào)流措施[1]，這從長(zhǎng)期發(fā)展來看是必然的。上海天然氣管網(wǎng)有限公司作為化工園區(qū)物業(yè)及各大重點(diǎn)用戶高壓天然氣的直供者，負(fù)責(zé)整個(gè)園區(qū)內(nèi)天然氣的計(jì)劃性供應(yīng)，尤其是幾個(gè)大用戶的保障供應(yīng)。本文根據(jù)園區(qū)內(nèi)幾個(gè)直供用戶的用氣運(yùn)行情況，分析調(diào)流控制系統(tǒng)在高壓天然氣輸配中的應(yīng)用。

1 調(diào)流控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

調(diào)流控制系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)調(diào)流閥、控制柜PLC系統(tǒng)和HMI人機(jī)界面監(jiān)控設(shè)備。其中：調(diào)流閥主要用于調(diào)節(jié)控制天然氣流量；PLC控制器用于系統(tǒng)自動(dòng)化控制；HMI人機(jī)界面用于操作人員和PLC控制器的人機(jī)交流。通過HMI人機(jī)界面操作設(shè)定，由PLC控制器程控運(yùn)算輸出，控制電動(dòng)執(zhí)行器帶動(dòng)調(diào)流閥轉(zhuǎn)動(dòng)，改變調(diào)流閥開度的大小來限定天然氣的流通量。閥體是完成調(diào)流工作的直接主體。

調(diào)流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理示意見圖1。

圖1 調(diào)流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

調(diào)流控制系統(tǒng)作為一個(gè)調(diào)配手段，可通過本地和遠(yuǎn)程兩種模式實(shí)現(xiàn)限流和調(diào)流。調(diào)流閥一般安裝在天然氣總管或調(diào)壓站的出口管上。這樣就可以有效避免因流量的波動(dòng)變化，對(duì)調(diào)壓器和流量計(jì)等站內(nèi)設(shè)備帶來沖擊和影響。調(diào)流閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)本體采用電信號(hào)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式，具有遠(yuǎn)程/就地/STOP（停止）3種操作模式。開關(guān)旋鈕可以就地執(zhí)行點(diǎn)動(dòng)開關(guān)閥門，緊急情況也可以使用手輪。由于電動(dòng)調(diào)流閥結(jié)構(gòu)的特征及優(yōu)點(diǎn)，在意外斷電的情況下，可成為一個(gè)帶有閥位指示的高精度手動(dòng)調(diào)流閥，因此也可通過手動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)精確的限流和調(diào)流[2]。

2 調(diào)流控制系統(tǒng)功能特點(diǎn)和控制原理

2.1 功能特點(diǎn)

調(diào)流控制系統(tǒng)在天然氣分輸站調(diào)壓、計(jì)量管路中增加調(diào)流閥,利用控制調(diào)流閥的開度進(jìn)行限流和調(diào)配。調(diào)流控制系統(tǒng)有恒流量供氣、恒閥位供氣兩種功能模式，模式間可進(jìn)行無擾動(dòng)切換。該系統(tǒng)的功能特點(diǎn)在于控制參數(shù)可實(shí)現(xiàn)在線設(shè)定與修改；具有多種通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；具有異常診斷與閥位斷電保持功能，當(dāng)外部輸入斷線時(shí)可實(shí)現(xiàn)保持并發(fā)出報(bào)警。

調(diào)流控制系統(tǒng)最主要的功能是外控操作。外控模式時(shí)由調(diào)度中心SCADA系統(tǒng)實(shí)際控制天然氣供給量。此時(shí)運(yùn)行控制由公司總部調(diào)度中心 SCADA遠(yuǎn)程操控設(shè)置，原則上本地的參數(shù)操作都不再會(huì)對(duì)調(diào)流控制系統(tǒng)造成影響。調(diào)度中心通過中央控制室的站控SCADA系統(tǒng)及遠(yuǎn)程RTU，依據(jù)程序組態(tài)的邏輯方式，對(duì)調(diào)流閥遠(yuǎn)程進(jìn)行恒閥位模式或恒流量模式的操控及參數(shù)設(shè)定。從調(diào)度生產(chǎn)平衡和計(jì)劃供給的角度來看，為了保障整個(gè)高壓天然氣管網(wǎng)的運(yùn)行安全，保障城市民用燃?xì)獾男枨蠹肮I(yè)資源的合理分配，如若有某個(gè)工業(yè)直供用戶嚴(yán)重超申報(bào)量肆意用氣，造成總管網(wǎng)壓力急劇降低時(shí)，就威脅到了整個(gè)城市管網(wǎng)的運(yùn)行安全。公司調(diào)度中心在通報(bào)用戶的情況下，可以通過遠(yuǎn)程自動(dòng)操控調(diào)流閥來限制這種非正常的用氣狀態(tài)（尤其是發(fā)電廠類大用戶），以保證高壓天然氣輸配系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2 控制原理

如圖1所示，儀表控制室單元由控制柜、控制器 PLC、人機(jī)界面 HMI監(jiān)控設(shè)備組成?？刂剖覇卧牟僮髦饕侵笇?duì)人機(jī)界面的操作，通過觸摸屏可在線監(jiān)控調(diào)流過程，并可實(shí)時(shí)修改系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)。通過操作可對(duì)調(diào)流閥做恒流量模式、恒閥位模式切換，PLC控制器依據(jù)流量計(jì)算機(jī)傳輸過來的天然氣瞬時(shí)流量，進(jìn)行粗步長(zhǎng)（快速粗調(diào)）、細(xì)步長(zhǎng)（中速細(xì)調(diào)）、PID（慢速精調(diào)）控制運(yùn)算輸出，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制電動(dòng)調(diào)流閥的開度，以保證天然氣流量的精確控制。特別強(qiáng)調(diào)的是，恒閥位控制切換按鈕和恒流量控制切換按鈕原理上互鎖，同一時(shí)間只能有一個(gè)為開狀態(tài)，打開其中一個(gè)模式按鈕時(shí)，另外一個(gè)模式按鈕會(huì)自動(dòng)被置為關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)欲實(shí)現(xiàn)恒流量模式控制時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)先運(yùn)行在恒閥位模式的控制下，然后再切換至恒流量模式控制。為了系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，在恒閥位狀態(tài)與恒流量狀態(tài)相互切換時(shí)，應(yīng)該預(yù)先輸入另外控制狀態(tài)的給定值后再進(jìn)行切換[3]。

3 系統(tǒng)運(yùn)行故障實(shí)例

目前，調(diào)流控制系統(tǒng)應(yīng)用的配置設(shè)計(jì)形式有兩種：一種是調(diào)流閥專門配置PLC控制柜；另一種是調(diào)流控制系統(tǒng)的控制程序納入場(chǎng)站RTU系統(tǒng)中。

從使用運(yùn)行管理情況來看，兩種形式各有利弊。第一種的優(yōu)勢(shì)在于現(xiàn)場(chǎng)有套PLC，人機(jī)界面便于操作和監(jiān)控；弱勢(shì)在于額外多出一套單獨(dú)PLC控制系統(tǒng)，增加了設(shè)備的運(yùn)行成本和故障率；且多配置一套PLC控制系統(tǒng)以后，系統(tǒng)間的信號(hào)通信連接就很復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)一些節(jié)點(diǎn)間故障。第二種的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、運(yùn)行成本低、便于管理、設(shè)備故障相對(duì)也較少；弱勢(shì)為若是無人站點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)則少了 HMI操控界面。由于調(diào)流控制系統(tǒng)主要為生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控操作所配置，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作的概率很小?？偟膩碚f，調(diào)流控制系統(tǒng)的控制邏輯程序納入場(chǎng)站RTU系統(tǒng)中，則更能貼合生產(chǎn)需求。

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行故障

調(diào)流控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)過幾次故障，給正常生產(chǎn)帶來了一定的影響。下面以Y、S站為例，分析系統(tǒng)運(yùn)行故障的原因及解決辦法。

（1） Y站調(diào)流閥瞬間關(guān)閉故障。Y站調(diào)流控制系統(tǒng)在正常生產(chǎn)投用過程中，出現(xiàn)過調(diào)流閥控制瞬間關(guān)閉的情況，導(dǎo)致下游壓力低停氣。后調(diào)流閥緊急切換至走工藝旁路。故障發(fā)生后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分析，對(duì)調(diào)流閥進(jìn)行了系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)測(cè)試。發(fā)現(xiàn)調(diào)流控制系統(tǒng)沒有問題；調(diào)度中心報(bào)調(diào)流閥有故障報(bào)警，控制柜 HMI界面上沒有體現(xiàn)報(bào)警狀態(tài)；現(xiàn)場(chǎng)查看執(zhí)行機(jī)構(gòu)也無報(bào)警；并且調(diào)度中心在系統(tǒng)報(bào)故障情況下，SCADA組態(tài)為禁止操作。此時(shí)調(diào)度控制系統(tǒng)AO通道又處于0%開度的輸出狀態(tài)無法改變，現(xiàn)場(chǎng)操作人員在不知情的情況下，PLC調(diào)流控制系統(tǒng)投用至“外控”恒閥位模式，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)調(diào)流閥收到0%開度信號(hào)而直接關(guān)閉的事件。

經(jīng)專業(yè)人員檢查判斷確認(rèn)，主要是由于調(diào)流閥綜合故障報(bào)警輸出的常開常閉組態(tài)有問題，由維護(hù)廠家立即進(jìn)行整改?？刂飘嬅嫔显械闹匾袚Q、設(shè)定環(huán)節(jié)，沒有確認(rèn)步驟，安排廠家組態(tài)雙重確認(rèn)功能。督促操作人員熟悉設(shè)備原理，避免誤操作。調(diào)度中心SCADA工程中，組態(tài)缺少無擾動(dòng)切換環(huán)節(jié)。操作設(shè)定輸出值人為確認(rèn)，報(bào)故障時(shí)又限定于無法操作，導(dǎo)致 0%閥開度直接輸出。要求修改完善程序，在本控狀態(tài)下，調(diào)度SCADA的閥位手動(dòng)給定值要跟隨現(xiàn)場(chǎng)調(diào)流閥開度反饋值的變化而變化，實(shí)現(xiàn)在線跟蹤，做到了控制上的“無擾動(dòng)切換”。調(diào)流控制系統(tǒng)的恒流量控制模式流量給定值等同之，調(diào)度控制室流量設(shè)定值要跟隨被調(diào)變量——流量計(jì)的實(shí)時(shí)測(cè)量值（瞬時(shí)流量）的變化而變化。

（2） S站調(diào)流閥開度控制波動(dòng)故障。S站調(diào)流控制系統(tǒng)正常生產(chǎn)時(shí)，出現(xiàn)過調(diào)流閥開度在遠(yuǎn)控模式下，發(fā)生自動(dòng)異常動(dòng)作的情況。當(dāng)日17:52當(dāng)班人員發(fā)現(xiàn)后立即匯報(bào)，現(xiàn)場(chǎng)切換至就地手動(dòng)狀態(tài)并保持全開，調(diào)流閥切換至走工藝旁路。經(jīng)專業(yè)人員查詢SCADA歷史記錄，運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)照分析見表1。

表1 S站運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)照

經(jīng)儀表專業(yè)人員和維保單位的共同分析，進(jìn)一步聯(lián)調(diào)測(cè)試確認(rèn)后發(fā)現(xiàn)，閥門現(xiàn)場(chǎng)就地操作正常。遠(yuǎn)程操控輸出時(shí)，開始閥門還動(dòng)作，但后期越來越慢，遲遲不能到指定的開度，此時(shí)調(diào)流閥電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)也出現(xiàn)跟蹤報(bào)警。由于該站調(diào)流控制系統(tǒng)沒有用到控制柜PLC，控制組態(tài)納入站點(diǎn)RTU系統(tǒng)里，儀表專業(yè)人員用信號(hào)源對(duì)閥門調(diào)試測(cè)試均正常，故障應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)在RTU系統(tǒng)這一部分。

經(jīng) RTU系統(tǒng)維護(hù)工程師檢查調(diào)試，測(cè)試下來硬件及通道測(cè)試均正常。進(jìn)一步檢查測(cè)試程序組態(tài)時(shí)，發(fā)現(xiàn)故障是由于 RTU調(diào)流控制程序，控制信號(hào)AO輸出通道定義出現(xiàn)沖突所致。修改程序組態(tài)后，故障得到了徹底排除。

3.2 減少系統(tǒng)故障優(yōu)化措施

為了調(diào)流控制系統(tǒng)的運(yùn)行安全，減少設(shè)備故障率，確?？刂频膶?shí)效性，可不單獨(dú)配置一套PLC系統(tǒng)去控制調(diào)流閥。因?yàn)檎{(diào)流控制系統(tǒng)中，監(jiān)控的數(shù)據(jù)參數(shù)不多，都是常規(guī)的過程變量；流量控制算法不算復(fù)雜，恒流量模式為單回路閉環(huán)負(fù)反饋PID控制，恒閥位模式為單回路模擬量輸出?？刂乒馪LC能實(shí)現(xiàn)的功能，RTU系統(tǒng)基本都可以做到；另外控制柜PLC是為調(diào)流閥配套開發(fā)的一套專用系統(tǒng)，實(shí)際運(yùn)行過程存在一些問題。PLC調(diào)流控制系統(tǒng)缺少專業(yè)的維保人員，維保技術(shù)力量不到位，一些基本的故障經(jīng)常得不到及時(shí)的處理和解決，而站點(diǎn)RTU系統(tǒng)有專業(yè)常駐的保駕單位；再者雖有了控制柜PLC，多數(shù)過程信號(hào)還是要連接到RTU系統(tǒng)中去，操控信號(hào)原則上不可以采用通信，無形中增加了控制柜PLC與RTU系統(tǒng)間的線路連接，造成系統(tǒng)的故障率上升；控制柜PLC系統(tǒng)又增加了現(xiàn)場(chǎng)操作的繁瑣程度，給系統(tǒng)誤操作埋下不必要的隱患。

從設(shè)備管理和運(yùn)行安全的角度出發(fā)，不建議單獨(dú)配置PLC系統(tǒng)，使用站點(diǎn)RTU系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)調(diào)流控制的基本功能。為減少調(diào)流控制系統(tǒng)的故障率，建議使用 RTU系統(tǒng)直接控制電動(dòng)調(diào)流閥，把調(diào)流控制系統(tǒng)程序改造到 RTU系統(tǒng)中去。因此，新的項(xiàng)目中不再使用調(diào)流控制柜PLC。此項(xiàng)建議已在化工區(qū)新建項(xiàng)目中得到了采納。

4 結(jié)語

隨著 LNG技術(shù)不斷發(fā)展，城市氣源結(jié)構(gòu)和供氣緊張局面逐漸得以改善。在高壓天然氣輸配中，調(diào)流控制系統(tǒng)的限流和調(diào)控作用也越來越弱化，但仍然不可或缺，依然有其重要意義。調(diào)流控制系統(tǒng)不但能利用工業(yè)計(jì)算機(jī)、電動(dòng)調(diào)流閥自動(dòng)進(jìn)行天然氣流量控制，而且可以有效地實(shí)現(xiàn)氣量調(diào)配、保護(hù)天然氣生產(chǎn)工藝設(shè)備、抑制喘流等，還能緩解峰谷差時(shí)天然氣分輸站的操作壓力。該系統(tǒng)在實(shí)踐中取得了較好的應(yīng)用效果，調(diào)流控制系統(tǒng)的完好運(yùn)行有助于化工園區(qū)中高壓天然氣的安全平穩(wěn)保障供應(yīng)。