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1 項目背景

3371公里長、1422毫米口徑、21.4毫米、25.7毫米、30.8毫米壁厚、12兆帕壓力等級、380億立方米年輸量、極端嚴(yán)寒的天氣、極其復(fù)雜的地理環(huán)境、中俄兩國不同建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)……

作為世界規(guī)模第一的中俄東線天然氣管道工程，自2015年6月開工，2017年12月13日全面建設(shè)以來，該項目取得了多項創(chuàng)新性成果，制定了多項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)范，在帶動我國鋼鐵冶煉、制管、裝備制造等基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展方面起到了積極推動作用，有力促進(jìn)了國內(nèi)氣田、管道、儲氣庫、天然氣利用項目等上中下游產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展。

浙江中控技術(shù)股份有限公司（以下簡稱“中控技術(shù)”）作為致力于面向以流程工業(yè)為主的工業(yè)企業(yè)提供以自動化控制系統(tǒng)為核心，涵蓋工業(yè)軟件、自動化儀表及運維服務(wù)的智能制造產(chǎn)品及解決方案供應(yīng)商，有幸參與了此次重大項目。

在業(yè)主單位提出要實現(xiàn)國產(chǎn)天然氣管道站控系統(tǒng)整體解決方案，形成國產(chǎn)站控系統(tǒng)、壓縮機控制系統(tǒng)、壓縮機保護(hù)系統(tǒng)、站控保護(hù)系統(tǒng)需求規(guī)格，并打造國內(nèi)天然氣管道壓氣站核心裝置國產(chǎn)化示范應(yīng)用的需求下，中控技術(shù)提供了多項核心控制系統(tǒng)產(chǎn)品。其中，CS-G5作為站控系統(tǒng)的主裝置，實現(xiàn)蓋州壓氣站遠(yuǎn)程一鍵啟停及自動化運行；TCS-900實現(xiàn)核心壓氣站核心裝置壓縮機的一鍵啟停機自動化運行與機組保護(hù)，以及壓氣站站控安全保護(hù)。同時中控技術(shù)也承擔(dān)了多項任務(wù)，包括負(fù)責(zé)完成蓋州壓氣站國產(chǎn)化硬件系統(tǒng)（PLC、SIS、CCS）的搭建；站場壓縮機離線仿真模型和一鍵啟停機仿真平臺搭建；機柜生產(chǎn)、集成及出廠測試；協(xié)助工廠聯(lián)合測試；機組負(fù)荷分配系統(tǒng)調(diào)試并協(xié)助沈鼓完成機組控制系統(tǒng)調(diào)試；完成現(xiàn)場調(diào)試階段的技術(shù)保障。

圖1 天然氣壓氣站布置圖

其中，壓縮機組作為長輸天然氣管道的核心設(shè)備，需要在站場無人干預(yù)的前提下，實現(xiàn)北京油氣調(diào)控中心對壓縮機組及配套空壓機系統(tǒng)、壓縮機廠房通風(fēng)系統(tǒng)、變頻電機外冷卻系統(tǒng)、壓縮機廠房火氣系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)和站內(nèi)管路的集中監(jiān)控功能，而油氣集輸和管網(wǎng)自動化控制具有流程復(fù)雜、易燃易爆等特點，對自動化控制系統(tǒng)也提出了很高的可靠性和安全性要求。中控技術(shù)的天然氣管道壓氣站壓縮機組控制方案，可以滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，在不需要站場人員介入的情況下，實現(xiàn)場站全系統(tǒng)遠(yuǎn)程一鍵開機。同時，配套提供的單機和多機負(fù)荷分配控制的技術(shù)方案，能夠優(yōu)化控制系統(tǒng)功效。

2 項目亮點

2.1 站場遠(yuǎn)程一鍵啟停

蓋州壓氣站于2018年底分別成功對兩臺壓縮機組進(jìn)行站控一鍵啟機。11月27日20點38分北京油氣調(diào)控中心一鍵啟站，中心調(diào)度通過PCS系統(tǒng)對蓋州站下發(fā)一鍵啟站命令。21點38分、21點53分，1#、2#機組分別達(dá)到最低轉(zhuǎn)速6484，命令執(zhí)行完成。站場繼而提高機組負(fù)荷，22點18分兩臺機組轉(zhuǎn)速均提至8000，進(jìn)入72小時試運行。整個過程，蓋州站出站壓力從5.6MPa升至8.3MPa。第一臺機組啟機時長1小時（冷機），兩臺機組啟機時長共1小時15分鐘。

一鍵啟停站的控制邏輯是實現(xiàn)天然氣長輸管道壓氣站無人值守功能的重要基礎(chǔ)，減少啟停過程的人為因素，降低因人為主觀錯誤判斷和誤操作等導(dǎo)致的風(fēng)險，提高站啟停過程的本質(zhì)安全。除此之外，該功能將調(diào)度員由遠(yuǎn)程設(shè)備操作的模式中解放出來，把更多的精力投入監(jiān)視到管網(wǎng)的整體運行參數(shù)中，減少操作工作量，提高工作效率。一鍵啟停站功能的實現(xiàn)彌補了國內(nèi)技術(shù)空白，追上了國際一流管道工程建設(shè)發(fā)展的腳步。它標(biāo)志著由單體操作到模糊對象操作的智能化控制的飛躍，是實現(xiàn)無人站場的重要基礎(chǔ)，也成為了智慧管道的必備條件之一。

2.2 壓縮機負(fù)荷分配控制

在管道壓縮機系統(tǒng)中，存在多機組串并聯(lián)控制需求，需要有效、穩(wěn)定的負(fù)荷分配控制算法，以滿足多臺壓縮機在并聯(lián)運行中實現(xiàn)負(fù)荷自動分配調(diào)整，通過壓縮機性能特點和負(fù)荷特性，使效率高的機組多做功，使得多臺并聯(lián)機組自動調(diào)整負(fù)荷，從而達(dá)到整體高效運轉(zhuǎn)。針對站場壓縮機系統(tǒng)，中控技術(shù)提供了單機和多機組性能和負(fù)荷控制的調(diào)節(jié)方案，單機主要完成壓縮機進(jìn)出口壓力調(diào)節(jié)，多機完成進(jìn)出站壓力和進(jìn)出站流量調(diào)節(jié)。

（1）單臺壓縮機調(diào)節(jié)

壓縮機單機性能控制根據(jù)壓縮機進(jìn)出口壓力進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。由性能控制PIC到變頻器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)輸出，保證壓縮機進(jìn)出口壓力始終穩(wěn)定在一個工藝要求的數(shù)值上。在性能自動控制模式中，性能控制器檢測到的壓力實際值（PV）和輸入的設(shè)定值（SP）自動進(jìn)行PID計算，并將結(jié)果發(fā)送給變頻調(diào)速器。

圖2 性能控制示意圖

（2）多機負(fù)荷平衡控制

并聯(lián)壓縮機組的負(fù)荷分配控制過程分為兩部分：負(fù)荷控制，即調(diào)節(jié)各臺壓縮機組的總負(fù)荷，滿足站場進(jìn)出口壓力、流量滿足設(shè)置要求；平衡控制，即在滿足出口壓力、流量的基礎(chǔ)上，根據(jù)各臺機組的能力進(jìn)行平衡分配。這兩部分控制進(jìn)行疊加，將并聯(lián)運行的壓縮機組的運行點自動控制在與喘振控制線等距的位置上，使各機組的喘振控制器的偏差DEV相等。同時負(fù)荷分配控制由位于SCS中主性能控制器、每臺機組UCS中的性能控制器、喘振控制器共同完成。

圖3 喘振畫面

2.3 控制系統(tǒng)優(yōu)化

壓縮機組是壓氣站的核心裝置，一旦壓縮機有故障，整個生產(chǎn)裝置將不得不停產(chǎn)。因此壓縮機組控制對控制算法的有效性和硬件平臺的可靠性、安全性提出了非常高的要求。由于壓縮機控制轉(zhuǎn)速高，工況變化快，具有大量的輸入輸出測點，大量中間變量的浮點運算和快速準(zhǔn)確的系統(tǒng)響應(yīng)，業(yè)內(nèi)普遍面臨能達(dá)到控制要求的系統(tǒng)不可靠，可靠的系統(tǒng)無法達(dá)到控制要求的問題。TCS-900作為SIL3等級的安全控制系統(tǒng)，具備壓縮機組控制系統(tǒng)硬件平臺的技術(shù)能力，配合沈鼓自控先進(jìn)壓縮機組控制算法，完美地解決壓縮機控制行業(yè)這一關(guān)鍵問題。

本項目應(yīng)用中，為獲得更好的壓縮機控制性能，中控技術(shù)采用50ms控制周期，硬點規(guī)模超500點，軟點規(guī)模超2500點，控制器負(fù)荷小于50%，選用TCS-900系統(tǒng)SIL3等級的快速輸入輸出模擬量處理模塊，啟用輸入輸出回路線路故障診斷功能，并對關(guān)鍵信號的有效性進(jìn)行判斷，設(shè)計模擬量、開關(guān)量故障退守算法，實現(xiàn)關(guān)鍵信號安全采樣的同時，保證壓縮機運行的平穩(wěn)和無擾。同時，采用變量有效范圍檢測等防御性編程方法，保證程序編程的正確性和健壯性。

其系統(tǒng)優(yōu)化主要體現(xiàn)在：

（1）原有壓縮機兩套控制系統(tǒng)ESD與UCP優(yōu)化整合為一套壓縮控制系統(tǒng)UCS，減少系統(tǒng)之間的往來信號點，既節(jié)約生產(chǎn)成本，同時也規(guī)避兩個系統(tǒng)之間往來信號產(chǎn)生的故障點，提高了系統(tǒng)可靠性；

（2）原有單獨工藝后空冷系統(tǒng)優(yōu)化整合到UCP控制系統(tǒng)中，既節(jié)省了成本，又達(dá)到節(jié)能的目的。機組運行投入空冷風(fēng)機控制，機組停止工藝后空冷風(fēng)機隨即停止，這樣節(jié)省風(fēng)機運行時間，減少能源浪費；

（3）原有壓縮機時序啟動控制邏輯等待時間進(jìn)行優(yōu)化，自動控制潤滑油系統(tǒng)油溫在啟機之前一直處于熱備狀態(tài)。平時潤滑油溫加熱到啟機溫度需要30分鐘左右，通過自動控制溫度便可為機組迅速啟動節(jié)省了30分鐘時間，使壓縮機啟動時間整體大幅度縮短；

（4）優(yōu)化防喘振及負(fù)荷分配調(diào)節(jié)：自動負(fù)荷分配投入調(diào)節(jié)穩(wěn)定，防喘振控制穩(wěn)定。

長輸天然氣管線上的閥室均配有壓氣站，對途經(jīng)的天然氣進(jìn)行加壓處理。壓氣站壓縮機組有電機驅(qū)動和燃機驅(qū)動，一般組合方式是并聯(lián)。長期以來，盡管有部分站場實現(xiàn)了調(diào)控中心遠(yuǎn)程啟停單臺壓縮機的功能，但壓氣站壓縮機組的控制很大程度仍然依賴站場運行人員對壓縮機組及輔助系統(tǒng)的控制及現(xiàn)場就地操作、確認(rèn)。中控技術(shù)的天然氣管道壓氣站壓縮機組控制方案可對并聯(lián)的壓縮機組實現(xiàn)高效率的防喘振控制、性能控制、負(fù)荷平衡控制，使壓縮機組實現(xiàn)上下游工況穩(wěn)定可靠、節(jié)能增效、降低人為操作失誤率的效果。

3 項目意義

中俄東線作為我國四大能源戰(zhàn)略通道之一，是中國石油管道建設(shè)的一張“創(chuàng)新名片”。極端嚴(yán)寒下的1422毫米超大口徑、X80高鋼級管材、12兆帕高壓力等級、380億立方米年輸量的組合在世界管道天然氣建設(shè)史上尚數(shù)首次。

該項目首次實現(xiàn)了壓氣站一鍵啟停站和壓縮機組一鍵啟停機控制和可視化展示，為調(diào)控運行提供了友好界面，實現(xiàn)了國產(chǎn)控制系統(tǒng)軟硬件的全面應(yīng)用，充分驗證了國產(chǎn)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，為中俄東線及新建管道應(yīng)用國產(chǎn)化控制系統(tǒng)提供了參考模式，積累了大量應(yīng)用經(jīng)驗。此次壓氣站控制功能和國產(chǎn)控制系統(tǒng)應(yīng)用的全面突破，極大提高了天然氣管網(wǎng)的自控水平，為油氣管道無人站建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，為智能管道的建設(shè)提供了技術(shù)保障，成為管道建設(shè)領(lǐng)域的一張嶄新名片。

摘自《自動化博覽》2020年5月刊