淺談長輸管道自控設(shè)計(jì)

聶小敏

（陜西省燃?xì)庠O(shè)計(jì)院有限公司，西安 710043）

0 引言

天然氣長輸管道沿途一般包括首站、分輸站、閥室及末站等場站。自控系統(tǒng)在調(diào)控中心設(shè)置以計(jì)算機(jī)為核心的監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA），在沿途場站和閥室分別設(shè)置可編程式邏輯控制系統(tǒng)（Programmable Logic Controller，PLC）和遠(yuǎn)程終端（Remote Terminal Unit，RTU）控制系統(tǒng)。調(diào)控中心對各場站和閥室進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制和生產(chǎn)調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)遙控、遙測、遙調(diào)和遙信，保證天然氣安全、穩(wěn)定、連續(xù)地輸送。SCADA系統(tǒng)經(jīng)過十多年的發(fā)展，在控制要求復(fù)雜、環(huán)境要求高的領(lǐng)域中以實(shí)現(xiàn)很大的發(fā)展，在油氣項(xiàng)目中得到很多的應(yīng)用，系統(tǒng)的規(guī)模、可靠性及開放性滿足控制要求，目前已具備與國際主流系統(tǒng)同臺競爭的能力[1]。

1 自控系統(tǒng)

1.1 自控系統(tǒng)總體方案

輸氣管道在調(diào)控中心的統(tǒng)一調(diào)度下，協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行，控制和管理分為三級：①調(diào)控中心監(jiān)視、控制及調(diào)度管理；②場站控制室遠(yuǎn)程控制；③就地手動(dòng)控制。

SCADA系統(tǒng)主要由調(diào)控中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、站控系統(tǒng)、閥室RTU控制系統(tǒng)及通信系統(tǒng)構(gòu)成。PLC、RTU通過Modbus協(xié)議將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至調(diào)控中心。沿途場站、閥室和調(diào)控中心之間建立數(shù)據(jù)傳輸通道，相對調(diào)控中心業(yè)務(wù)流向?yàn)樾菭罱Y(jié)構(gòu)。各個(gè)場站的站控系統(tǒng)RTU與調(diào)度控制中心之間的通信采用光纖為主，租用電信公網(wǎng)為備用的通信方式。當(dāng)主信道故障時(shí)，自動(dòng)切換到備用信道上，用以路由器互聯(lián)兩個(gè)遠(yuǎn)程局域網(wǎng)（LAN）。在正常情況下，由調(diào)控中心對全線進(jìn)行監(jiān)視和控制，沿線各場站、閥室控制無需人工干預(yù)，各場站站控系統(tǒng)、閥室RTU在調(diào)控中心的統(tǒng)一調(diào)度下，完成各自的監(jiān)控工作。

1.2 調(diào)控中心

1）功能

輸氣管道工程設(shè)置調(diào)控中心，調(diào)控中心設(shè)有以計(jì)算機(jī)為核心的SCADA系統(tǒng)對沿線管道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度、管道模擬、泄漏檢測及定位、計(jì)量管理、網(wǎng)絡(luò)和通信通道的監(jiān)視和管理，大屏幕顯示等任務(wù)。操作人員通過操作站、大屏幕工作站對場站及閥室的壓力、溫度、流量、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和可燃?xì)怏w泄漏等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

2）主要配置

SCADA系統(tǒng)配置SCADA服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、操作站、工程師站、大屏幕顯示器和打印機(jī)等，對管道進(jìn)行連續(xù)地監(jiān)控和管理。服務(wù)器設(shè)置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器，宜采用客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要配置Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)的采集、歸檔、管理以及查詢。服務(wù)器和LAN采用熱備冗余配置[2]，操作站、工程師站等均作為LAN上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，共享服務(wù)器的資源。計(jì)算機(jī)軟件由操作系統(tǒng)軟件、SCADA系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫管理軟件和應(yīng)用軟件組成。其中，操作系統(tǒng)應(yīng)符合SCADA系統(tǒng)軟件安裝要求，應(yīng)用軟件主要包括模擬仿真軟件、泄漏檢測定位軟件等。SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 SCADA System structure

1.3 地下管道泄漏檢測系統(tǒng)

長輸管道管網(wǎng)復(fù)雜，泄漏檢測是近年來一直在討論優(yōu)化的問題。天然氣泄漏后，容易向相對封閉的空間聚集，當(dāng)泄漏的天然氣濃度達(dá)到爆炸下限的25%時(shí)，容易引起爆炸并引發(fā)火災(zāi)。常見的管線泄漏檢測方法主要如下：

1）物探法

通過管線探測儀器，對現(xiàn)有管網(wǎng)進(jìn)行空間位置信息的普查，對普查成果進(jìn)行質(zhì)檢入庫，形成地下管網(wǎng)地理信息數(shù)據(jù)庫。探測器可選用手持式、可伸縮探桿、多角度旋轉(zhuǎn)探頭，可方便地對地下泄漏的可燃?xì)怏w進(jìn)行探測。

2）在地下已有管線的每個(gè)檢修口處設(shè)置防爆型可燃?xì)怏w探測器，探測器自帶蓄電池供電，通過光纜將信號（4mA～20mA/RS485）或通過GPRS無線信號上傳至調(diào)控中心。

3）分布式光纖檢測法

①測量原理

輸氣管道天然氣泄漏后，泄漏點(diǎn)附近的溫度也隨之下降，而且溫度下降是非常迅速而且顯著地，天然氣的泄漏引起的溫度降為：0.5℃/0.1MPa（引自GB/T 13609-2012《天然氣取樣導(dǎo)則》）。根據(jù)焦耳-湯姆遜效應(yīng)就能得出溫度隨壓力變化的變化率，然后再根據(jù)光時(shí)域反射原理（OTDR）通過光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時(shí)間對這些熱點(diǎn)進(jìn)行定位。

②實(shí)踐應(yīng)用

此系統(tǒng)主要由分布式溫度傳感主機(jī)（Distributed Temperature Sensing，DTS）和單模光纖等組成。遠(yuǎn)程控制室設(shè)置控制主機(jī)，一臺主機(jī)可接數(shù)根光纖，每根光纖距離可達(dá)4km。主機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，可通過標(biāo)準(zhǔn)電信插頭與測量光纖連接。在長輸管道表面敷設(shè)光纖，光纖從管道的一端沿管道敷設(shè)到另一端，然后再沿管道敷設(shè)回來，組成一個(gè)環(huán)，采用光纖環(huán)網(wǎng)進(jìn)行測量。

3種方法均可應(yīng)用至長輸管線地下項(xiàng)目中，業(yè)主可根據(jù)項(xiàng)目投資額的多少選擇一種或者兩種、3種的結(jié)合。第一種方法簡單，精確度低，耗費(fèi)人力；第二種方法精確度稍高，但是檢測范圍小，造價(jià)稍高；第三種方法結(jié)合地理位置信息系統(tǒng)GIS，精確度高，也是近年來流行的一種方法，具有同時(shí)獲取在傳感光線區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間和空間變化的被測量分布信息的能力，但主要適用于新建的長輸管道項(xiàng)目。

1.4 站控系統(tǒng)

1）功能

站控系統(tǒng)設(shè)置在各個(gè)場站，是SCADA系統(tǒng)的基礎(chǔ)和遠(yuǎn)程終端，由操作站、工程師站、PLC控制器、壓力流量控制器、通信網(wǎng)絡(luò)接口、可燃?xì)怏w探測器及二次儀表組成，對場站進(jìn)出站壓力與溫度、流量（壓力和溫度補(bǔ)償），進(jìn)出站電動(dòng)切斷閥閥位狀態(tài)、天然氣泄漏等數(shù)據(jù)采集及控制，上傳重要信息至SCADA系統(tǒng)并接受其下達(dá)的控制命令，完成場站的管理、調(diào)度、集中操作、監(jiān)視等。

2）主要配置

站控系統(tǒng)配置操作員站、工程師站、PLC控制器、路由器和打印機(jī)等。PLC控制器的CPU、通訊接口、電源模塊采用熱備冗余配置，計(jì)算機(jī)軟件由操作系統(tǒng)軟件、PLC編程軟件、應(yīng)用軟件、組態(tài)軟件等組成[2]。PLC控制器選用國內(nèi)外成熟廠家，機(jī)架、IO模塊等要易于擴(kuò)展，PLC控制器應(yīng)具有安全儀表認(rèn)證。站控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 站控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of station control system

3）流量控制系統(tǒng)

采用安全切斷閥（SSV）＋監(jiān)控調(diào)壓閥（PCV）＋工作調(diào)壓閥（PV）構(gòu)成壓力/流量自動(dòng)選擇性調(diào)節(jié)系統(tǒng)對用戶的壓力或流量進(jìn)行控制。SSV采用自力式安全切斷閥，PCV采用自力式調(diào)節(jié)閥，PV采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

流量控制器接收調(diào)壓后的壓力和流量的模擬量信號，在正常情況下，壓力流量控制器和PV閥處于壓力調(diào)節(jié)狀態(tài)，控制下游供氣壓力在設(shè)定范圍內(nèi)。當(dāng)供氣流量超過設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)將自動(dòng)切換為流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對用戶供氣量進(jìn)行限量控制，保證輸氣管道能夠安全、平穩(wěn)、連續(xù)地為下游用戶供氣。

PCV是壓力控制系統(tǒng)中第一級安全設(shè)備，安裝在PV的上游，其壓力取自PV的下游，設(shè)定值高于PV壓力設(shè)定值且低于安全值。正常情況下，PCV處于全開位置，當(dāng)PV出現(xiàn)故障或下游超壓時(shí)，PCV將自動(dòng)取代PV進(jìn)行調(diào)壓。

SSV是壓力控制系統(tǒng)中第二級安全設(shè)備，安裝在PCV的上游，其壓力取自PV的下游，其設(shè)定值小于等于安全值。當(dāng)測量值大于設(shè)定值時(shí)，切斷供氣管路并發(fā)出報(bào)警，以保證下游設(shè)施的安全。安全切斷閥關(guān)閉后，必須人工在現(xiàn)場才能將其開啟。

1.5 遠(yuǎn)程終端裝置

RTU作為調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)的一種遠(yuǎn)端測控單元裝置，對閥室上下游壓力、氣液聯(lián)動(dòng)閥的閥位狀態(tài)、就地/遠(yuǎn)控切換等信號采集和控制，包括微處理器、控制單元、備用電池、壓力傳感器、輸入/輸出模塊、通信接口等，具有優(yōu)良的通訊能力和更大的存儲容量，適用于更惡劣的溫度和濕度環(huán)境[1]。

RTU采用太陽能電池供電，直流電源的電壓波動(dòng)范圍應(yīng)不大于（24±5%）V。太陽能供電系統(tǒng)工作狀態(tài)應(yīng)通過RTU控制系統(tǒng)提供給SCADA系統(tǒng)，包括：蓄電池剩余電壓、供電系統(tǒng)故障等，RTU自帶的后備電池需在保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常工作的條件下能持續(xù)穩(wěn)定供電15天，其使用壽命不低于3年。

1.6 站場可燃?xì)怏w泄漏檢測報(bào)警系統(tǒng)

根據(jù)GB/T 50493-2019新規(guī)范要求，無論大小項(xiàng)目須設(shè)置獨(dú)立的可燃?xì)怏w系統(tǒng)泄漏檢測報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)由可燃?xì)怏w探測器、可燃?xì)怏w報(bào)警控制主機(jī)、區(qū)域聲光報(bào)警等部分組成，完成對站場及閥室的可燃?xì)怏w泄漏的動(dòng)態(tài)監(jiān)測、區(qū)域識別、聲光報(bào)警和聯(lián)鎖控制信號輸出等功能?？扇?xì)怏w報(bào)警控制器通過RS-485通訊接口與站控系統(tǒng)控制器通訊并通過光纖上傳至調(diào)控中心?？扇?xì)怏w探測器分類及應(yīng)用如下：

1）催化燃燒式

可燃?xì)怏w探測器包含一對元件。其中一個(gè)是檢測元件，由一個(gè)電加熱的鉑金線圈制成，外面覆蓋了兩層物質(zhì)，里層是陶瓷基料，外層則是催化劑。另一個(gè)為補(bǔ)償元件，它跟檢測元件類似，只是沒有催化劑層。兩個(gè)元件分別位于惠斯通電橋電路對立的兩個(gè)支路上，檢測元件與可燃?xì)怏w發(fā)生反應(yīng)，補(bǔ)償元件則不會反應(yīng)，只對外部溫度或濕度變化起補(bǔ)償作用。正常時(shí)，對鉑金線圈通以電流，使檢測元件保持450℃～500℃高溫，當(dāng)接觸可燃?xì)怏w后，檢測元件發(fā)生催化燃燒反應(yīng)，使鉑金線圈溫度升高，電阻值上升，通過惠斯通電橋精確測量元件的阻值變化，就可以計(jì)算出樣品氣體的濃度。此種探測器安裝方便，檢測原理簡單，檢測介質(zhì)范圍廣，價(jià)格低，是目前天然氣項(xiàng)目應(yīng)用最廣泛的一種可燃?xì)怏w探測器。

2）電化學(xué)式

電化學(xué)式可燃?xì)怏w探測器常用于有毒氣體的泄漏檢測，一般由三極（傳感器、計(jì)數(shù)電極、參比電極）及電解液構(gòu)成。被測氣體在傳感電極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，計(jì)數(shù)電極相對于參比電極產(chǎn)生正、負(fù)電位差，電流的變化與被測氣體濃度呈正比。傳感器輸出的電流經(jīng)過放大、溫度補(bǔ)償和參數(shù)修正就能得到特定氣體的濃度。長輸管線沿途各站天然氣液化工廠中空壓制氮站為密閉環(huán)境，制氮機(jī)閥門及法蘭連接處容易泄漏氮?dú)?，為防止氮?dú)庑孤┖笕毖跻鹬舷ⅲO(shè)置電化學(xué)式氧氣探測器。

3）紅外吸收式

紅外吸收原理是基于某些可燃?xì)怏w對某一頻段有明顯的吸收能力，當(dāng)被測可燃?xì)怏w通過紅外線光路，可燃?xì)怏w將吸收部分紅外線，通過測量紅外線能量的多少，達(dá)到檢測可燃?xì)怏w濃度的目的［3］。碳?xì)浠衔锖推渌恍怏w對某些特定波長的紅外輻射能有較強(qiáng)的吸收能力。由于甲烷在中紅外波段3.3μm處吸收較好，因而一般選擇此波段作為檢測光源。紅外吸收式探測器一般只能測碳?xì)浠衔锏臐舛龋?dāng)待測氣體含水蒸氣和CO2時(shí)，對測量結(jié)果有一定的影響［4］。此種探測器反應(yīng)靈敏，氣體針對性強(qiáng)，超長使用壽命，具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，對介質(zhì)有一定要求。

根據(jù)以上可燃?xì)怏w探測器的功能特點(diǎn)，結(jié)合長輸管線上各站的特點(diǎn)，選用催化燃燒式可燃?xì)怏w探測器尤為普遍。

2 通信方式

通信方式的選擇要結(jié)合工程項(xiàng)目特點(diǎn)，再根據(jù)傳輸?shù)男畔⒘繋挼拇笮磉x擇，目前主要的通信方式為：光纜通信、租用電信公網(wǎng)。

光纜通信優(yōu)點(diǎn)：不受氣候影響，不受外界電磁波干擾，通信質(zhì)量高，便于形成通信專網(wǎng)；傳輸容量大，中繼距離長，保密性能好，業(yè)務(wù)范圍廣，便于今后通信容量的擴(kuò)容和功能擴(kuò)展；與管道同溝敷設(shè)可大幅降低工程建設(shè)成本。缺點(diǎn)：抗御自然災(zāi)害能力較弱；工程前期投資較大，工程量大。

租用電信公網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)：電信公網(wǎng)建設(shè)較完善，通信質(zhì)量較高，能在已建的網(wǎng)絡(luò)中建立一條虛擬的電路進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸；通信業(yè)務(wù)種類多，內(nèi)容應(yīng)用豐富；借助已建網(wǎng)絡(luò)通信，工程初期投資省。缺點(diǎn)：沿途有些地方電信公網(wǎng)欠發(fā)達(dá)，電信公網(wǎng)級別較低，通信質(zhì)量難以保障；管道沿線各站分布在不同地區(qū)，受當(dāng)?shù)仉娦挪块T的制約因素較多，也不能完全滿足管道運(yùn)行管理的要求；長期使用的租金較高[5]。

3 結(jié)束語

長輸管道SCADA系統(tǒng)、PLC、RTU實(shí)現(xiàn)了對場站運(yùn)行參數(shù)的集中檢測、控制、長傳和下載，減少了維護(hù)人員的工作量，部分實(shí)現(xiàn)了管道場站的“無人操作，少人值守”[6]?？刂葡到y(tǒng)產(chǎn)品充分發(fā)揮了配置靈活、安全可靠、擴(kuò)展方便、易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，在銀川-吳忠天然氣儲氣輸配管道項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮出很好的效果。