自動控制系統在地下儲氣庫中的設計

李晶晶

中油遼河工程有限公司

我國的地下儲氣庫安全問題日顯突出。地下儲氣庫如果出現氣體泄漏，將對地下儲氣庫生產和工作人員安全構成巨大威脅，嚴重的事故對周邊的建筑物、人身安全等也會造成傷害。自控系統是儲氣庫生產中的主要工作系統之一，在儲氣庫安全生產、平穩生產中占有重要地位。自動控制系統，對地下儲氣庫安全可靠運行、降低事故風險，具有重要的現實意義，將會帶來巨大的間接經濟效益。

概述

由于我國的天然氣資源分布不均衡，近年來在部分地區出現了“氣荒”現象。為了平衡我國季節性用氣不均衡性，國家能源局于2010年大力推進國內天然氣儲氣庫建設工作，增強用氣高峰時段的調峰能力。

以遼寧為例，據統計，遼寧省的天然氣市場需求在東北地區最大，基本上相當于黑龍江和吉林省的需求之和，其中最主要用氣負荷集中在沈陽、大連、盤錦、遼陽、撫順等城市。據遼河油田預測，對天然氣的年需求量最高可達28 億m3/年，可替換重油約220 萬t/年。

為滿足天然氣管道沿線市場冬、夏季調峰氣量的需求，需建設地下儲氣庫。

1.綜合控制系統結構要求

包括以下主要控制系統：

（1）集注站DCS 控制系統；

（2）集注站緊急切斷系統（即ESD 系統）；

（3）井場RTU 系統；

（4）線路截斷閥室RTU 系統；

（5）聯合站PLC 控制系統。

集注站DCS 系統和ESD 系統的用房主要有中控室、機柜室、UPS 室等。中控室、機柜室、UPS 室設置防靜電活動地板。為保證計算機系統的正常運行這些房間配備了空調設備。其房間的溫度及濕度如下。

溫度：冬季在20±2℃，夏季在26±2℃，溫度變化率小于5℃/h；

相對濕度：15%～85%。

井場和線路截斷閥室設置RTU 控制系統的用房為機柜室，機柜室內不設置采暖設施和空調。

RTU 系統放置在室外露天，安裝位置在1 類2 區區域。

聯合站設置PLC 控制系統的值班間，值班間內設有采暖設施。

2.各個控制系統間的通訊與控制

井場設置RTU 控制系統，實現井場無人值守。RTU完成對所在井場工藝參數的檢測、控制、聯鎖保護等功能。RTU 采用以太網接口通過光纜與集注站的控制系統進行通信，通信協議采用TCP/IP 協議。RTU 完成對所在井場的溫度、壓力、流量等工藝變量進行數據采集和處理；對油、氣、水的計量；對電力相關變量的監控；通過安全柵對危險區域的防爆安全控制；邏輯控制；聯鎖保護；對可燃氣體泄漏和火災的監視與報警等功能；同時將數據上傳集注站的DCS 系統，并能接收ESD 系統的緊急關斷命令。

集注站站控系統由分散型控制系統（即DCS 系統），緊急切斷（即ESD）系統和火&氣系統組成，接收井場RTU 和線路截斷閥室RTU 的數據。集注站站控系統通過以太網接口采用光纖向、聯合站發布井場生產數據。集注站站控系統通過專用數字電路將生產數據上傳至倒班公寓及綜合辦公基一級控制：倒班公寓及綜合辦公基地的調控中心以通訊方式對井場、集注站和線路截斷閥室進行監控；

綜合計算機控制系統控制分為三級：

一級控制：倒班公寓及綜合辦公基地的調控中心以通訊方式對井場、集注站和線路截斷閥室設備進行監控；

二級控制：井場、集注站和線路截斷閥室控制系統對現場設備進行監控；

三級控制：在現場進行操作。

集注站作為整個工程的控制中心完成對生產過程的數據采集、監控、順序控制、聯鎖保護、計量、運行管理，確保生產安全、可靠、平穩、高效和經濟地運行。

集注站設置一個中控室，實現對整個儲氣庫的操作和管理。主要實現：系統服務器持續掃描所有井場RTU 的數據、狀態、報警信息、檢查數據的有效性并更新數據庫、完成對集注站有關信息的傳送、接收和下達執行命令；提供最新的報警狀態及可選擇的實時及歷史報警記錄。系統服務器數據庫為各操作站提供持續的數據獲取服務；完成所屬井場開、關控制；緊急關斷指令下達；及時關斷所屬井場、安全閥、井場進出口切斷閥等。

集注站通過光纖網接口與井場和線路截斷閥室進行通信；井場、集注站和線路截斷閥室的數據通過通信服務器和WEB操作站采用冗余通信信道與主調度中心進行通信，主信道為專用光纖，備用信道為公網數字電路，采用專用光纖與廊坊備用調度中心進行通信。

集注站的ESD 系統完成本站的緊急停車，同時接受調控中心下達的ESD 命令。緊急停車（ESD）系統是保證集注站安全的邏輯控制系統。ESD 系統命令優先于任何操作方式。ESD 子系統是當過程參數越限、機械設備故障、系統自身故障或能源中斷時，ESD 系統能自動——必要時也可手動地產生一系列預先定義的動作，使得工藝裝置與操作人員處于安全狀態。

對集注站而言，除站控制系統ESD 外，還包括隨壓縮機組成套提供的壓縮機組控制系統（UCP）的ESD。該系統用以完成壓縮機組安全的邏輯控制，它將由獨立的控制單元構成，通過網絡和硬線與ESD 系統連接。

根據危險程度的不同，ESD 系統分為四級。

L-0 0 級關斷：為裝置放空關斷（著火事故，全廠關斷）；

L-1 一級關斷：為裝置不放空關斷（非著火事故，全廠關斷）；

L-2 二級關斷：為單元系統關斷；

L-3 三級關斷：為設備關斷。

ESD 系統動作可手動（調控中心、中控室中的ESD手動按鈕、UCP 上的ESD 手動按鈕）或自動（中控室ESD 系統或UCP 的ESD 系統信號）觸發。無論ESD 命令從何處下達及UCP 處于何種操作模式，ESD 控制命令均可直接到達被控設備，并使它們按預定的順序動作。

所有ESD 系統的動作將發出閉鎖信號，使集注站壓縮機組、站場ESD 閥門在未接到人工復位的命令前不能再次啟動。

控制系統建成后達到的控制水平如下。

在井場和線路截斷閥室可實現自動控制，無人值守，過程參數上傳至集注站控制系統，可接受集注站控制系統下達的遠程命令。系統運行平穩后可由倒班公寓及綜合辦公基地的調控中心進行適度調整，但不能控制開井數量。

集注站站控系統可實現對集注站各裝置的過程控制和安全聯鎖保護，并接受來自井場和線路截斷閥室部分上傳的數據，同時可向各井場和線路截斷閥室下達遠程命令。

儲氣庫綜合計算機控制系統自動、連續地監視和控制儲氣庫各站場的運行，實現儲氣庫各井場、集注站和線路截斷閥室部分的生產、管理網絡化和數字化。

3.系統在儲氣庫各部分功能與作用

集注站采用DCS 系統，并配有獨立的ESD 子系統。

DCS 完成對儲氣庫生產過程參數的采集、顯示、報警、控制、聯鎖和工藝流程自動切換等功能。除完成對集注站的監視控制及生產管理任務外，還作為SCADA 系統的現場控制單元，負責將有關信息傳送給監控中心并接受和執行其下達的命令。其主要功能有：對現場的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量進行數據采集和處理；對油、氣、水等進行計量；對電力設備相關變量的監控；邏輯控制；聯鎖保護；對可燃氣體泄漏和火災的監視與報警；緊急關斷控制；顯示動態工藝流程；顯示各種工藝參數和其他有關參數；顯示報警一覽表；顯示實時趨勢曲線和歷史曲線；打印報警和事件報告；打印生產報表；數據通信管理等。

ESD 子系統是當過程參數越限、機械設備故障、系統自身故障或能源中斷時，ESD 系統能自動--必要時也可手動地產生一系列預先定義的動作，使得工藝裝置與操作人員處于安全狀態。

集注站通過光纖網接口與井場和線路截斷閥室進行通信；井場、集注站和線路截斷閥室的數據通過通信服務器和WEB 操作站采用冗余通信信道與北京主調度中心進行通信，主信道為專用光纖，備用信道為公網數字電路，采用專用光纖與廊坊備用調度中心進行通信。生活基地管理部門經WEB 操作站開發授權后，通過網絡訪問，實現生產數據的監視。

RTU 采用以太網接口通過光纜與集注站的控制系統進行通信，通信協議采用TCP/IP 協議。RTU 完成對所在井場的溫度、壓力、流量等工藝變量進行數據采集和處理；對油、氣、水的計量；對電力相關變量的監控；通過安全柵對危險區域的防爆安全控制；邏輯控制；聯鎖保護；對可燃氣體泄漏和火災的監視與報警等功能；同時將數據上傳集注站的DCS 系統，并能接收ESD 系統的緊急關斷命令。

RTU 結構緊湊，適合在惡劣環境下長期穩定地工作。RTU 集成功能強大的處理器、大容量的內存、豐富的通信接口，并內置智能I/O。

結語

天然氣地下儲氣庫是種新型的氣體儲存方法，在國際上已有幾十年的歷史，而在國內天然氣地下儲氣庫的發展很緩慢。但10年來經過不斷努力已經積累一定經驗，有了相應的設備和技術，隨著自動控制系統的發展必然更上一層樓。