天然氣輸送聯(lián)動聯(lián)鎖安全控制研究應(yīng)用

張 昀 張向京 趙 昕 李娟娟

（1.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠；2.中國石油勘探開發(fā)研究院）

0 引 言

近年來隨著我國生態(tài)環(huán)境的建設(shè)，藍(lán)天白云、綠水青山工程力度加強(qiáng)，作為優(yōu)質(zhì)、清潔能源的天然氣在生產(chǎn)、銷售上快速發(fā)展，天然氣輸送管道同步得到迅猛建設(shè)應(yīng)用［1］。

輸氣管道主要的風(fēng)險有以下方面：施工和材料缺陷、設(shè)計缺陷、腐蝕、第三方損傷、地質(zhì)災(zāi)害、誤操作等。一旦某個或幾個因素造成管道運(yùn)行失效，就會出現(xiàn)泄漏、爆炸、火災(zāi)等情況，導(dǎo)致財產(chǎn)損失甚至威脅人員生命安全。如何加強(qiáng)過程管控，有效防止輸氣管道事故，降低風(fēng)險或事故影響，是石油天然氣企業(yè)所面臨的重大課題［2］。

1 天然氣管道安全聯(lián)動管控的必要性

表1為近兩年來發(fā)生的天然氣管道事件事故統(tǒng)計情況。

表1 近兩年天然氣管道事件統(tǒng)計

通過分析可發(fā)現(xiàn)人為破壞和材料老化、材料與施工占比較高。通過圖1對2018年7年月全國燃?xì)馐鹿试蚪y(tǒng)計可看出，使用不當(dāng)占41%、原因不明占40%，這些事故共導(dǎo)致3人死亡、28人受傷［3］。

圖1 2018年7月全國燃?xì)馐鹿试蚪y(tǒng)計

對于油氣田上游生產(chǎn)和管道輸送企業(yè)，相對城市下游用戶，存在輸氣管道壓力高、距離長、服役時間久、沿途地面復(fù)雜等情況，并且由于常年連續(xù)生產(chǎn)，很多管道閥門難以及時有效開展檢修，發(fā)生事故造成的損失更是難以估量。

管道沿途緊急截斷閥隨運(yùn)營時間延長，會逐步發(fā)生內(nèi)漏、動作不靈活、控制失效等問題，突發(fā)事故時，如何有效減少天然氣持續(xù)泄漏，防止事態(tài)持續(xù)擴(kuò)大，就顯得尤為必要。

2 天然氣生產(chǎn)和管輸管控現(xiàn)狀

天然氣生產(chǎn)過程一般是井口氣經(jīng)管道輸送到集氣站，進(jìn)行初步脫烴脫水處理，然后經(jīng)增壓后通過管道輸送到下游處理單元，進(jìn)行深度脫烴、脫水、脫硫、除塵，達(dá)到國家二類氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后，繼續(xù)采用管道輸送到下游用戶。

一般在輸送管道的高風(fēng)險、高危害等區(qū)域安裝了氣液或電液聯(lián)動閥門，該閥門通過本體控制器采集上下游壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)壓力降低速率過快時，控制器邏輯程序則判斷為管道嚴(yán)重泄漏或破裂，則自動發(fā)出關(guān)閥命令，從而截斷管道流程。

當(dāng)管道突然關(guān)閉時，傳統(tǒng)模式下為防止單井高壓氣體會持續(xù)流向集氣站引起生產(chǎn)系統(tǒng)超壓，一般采取放空、燃燒進(jìn)行應(yīng)急處置，并逐個關(guān)閉單井生產(chǎn)閥門，同時通知下游關(guān)閉進(jìn)站閥門。這樣不僅難以高效協(xié)同處置事故事件，而且排放燃燒造成資源浪費(fèi)、環(huán)境污染，更容易導(dǎo)致處理不及時引發(fā)次生災(zāi)害。

3 聯(lián)動聯(lián)鎖控制技術(shù)研究

隨著數(shù)字氣田的建設(shè)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與過程控制得到普遍應(yīng)用，基本實(shí)現(xiàn)了重要環(huán)節(jié)的自動化遠(yuǎn)程管理。管道閥門除了接受自身控制器指令外，還受監(jiān)控中心控制。集氣站控制及單井生產(chǎn)閥門也能夠接受監(jiān)控中心指令，隨時進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)操作。監(jiān)控中心對整個生產(chǎn)區(qū)的集中監(jiān)控，為管道及集氣站進(jìn)行自動聯(lián)動聯(lián)鎖控制提供了基礎(chǔ)。

為了有效防止或控制事故狀態(tài)，結(jié)合生產(chǎn)區(qū)域特性，將事故管控劃分為管道上下游閥門、管道及上下游站點(diǎn)、生產(chǎn)相關(guān)區(qū)域等三級區(qū)域，進(jìn)行分級聯(lián)動聯(lián)鎖控制［4］。

當(dāng)管道發(fā)生異常情況時，將管道閥門動作與上下游閥門進(jìn)行聯(lián)動：即當(dāng)壓力變化觸發(fā)本地閥門關(guān)閉時，監(jiān)控中心根據(jù)該閥門狀態(tài)信號發(fā)出指令，令該管道沿途上下游閥門立即全部關(guān)閉，阻止上下游氣體向泄漏區(qū)流動，提高管道整體控制能力。

為防止管道閥門關(guān)閉后，引發(fā)上下游生產(chǎn)站點(diǎn)壓力異常，將閥門狀態(tài)、管道壓力與站點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)動聯(lián)鎖，即由監(jiān)控中心在異常情況下自動發(fā)出上下游站點(diǎn)、單井關(guān)停指令，截斷上下游生產(chǎn)流程，防止上游站點(diǎn)超壓或下游氣體反流，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，進(jìn)一步降低安全風(fēng)險。

由于部分區(qū)域管道插輸、互連，上下游關(guān)聯(lián)站點(diǎn)數(shù)量多，在緊急狀態(tài)下需要對整個區(qū)域進(jìn)行聯(lián)動控制：即結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)，由監(jiān)控中心向整個區(qū)域內(nèi)的單井、站點(diǎn)閥門發(fā)出統(tǒng)一緊急關(guān)停命令，保障所有連接站點(diǎn)不超壓、不返流，實(shí)現(xiàn)區(qū)域的安全有效控制。

由于目前監(jiān)控中心是通過人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場不同區(qū)域的控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，由控制器接受人工指令控制現(xiàn)場閥門動作，需要對多個控制點(diǎn)下達(dá)指令時，監(jiān)控人員有時難以快速處置。為此，要實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，達(dá)到自動聯(lián)鎖控制或者一鍵關(guān)停，則需要在監(jiān)控系統(tǒng)上開發(fā)管道壓力監(jiān)測點(diǎn)、閥門狀態(tài)信號與集氣站、單井閥門的聯(lián)動聯(lián)鎖控制邏輯，建立起管控上百公里區(qū)域控制器的集散式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)有效集中管控。

4 聯(lián)動聯(lián)鎖控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

區(qū)域聯(lián)動聯(lián)鎖控制，核心目的是為了保障異常情況發(fā)生時，最大作用對局勢進(jìn)行控制，系統(tǒng)運(yùn)行必須穩(wěn)定可靠。從應(yīng)用角度上，在監(jiān)控系統(tǒng)上開發(fā)控制邏輯，具有開發(fā)簡便、成本低的特點(diǎn)，但監(jiān)控服務(wù)器存在宕機(jī)切換、冗余同步、客戶端訪問以及第三方數(shù)據(jù)交流等影響因素，運(yùn)行生產(chǎn)過程控制邏輯存在風(fēng)險。

為切實(shí)保障控制邏輯運(yùn)行可靠，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，采取部署獨(dú)立工業(yè)級控制器。如圖2所示，搭建的中央控制器，利用工業(yè)控制網(wǎng)與監(jiān)控服務(wù)器同步采集現(xiàn)場控制器數(shù)據(jù)，并與監(jiān)控服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)控數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的監(jiān)控和指令下達(dá)［5］。

圖2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)采用BB CONGTROL WAVE控制器進(jìn)行開發(fā)，中央控制器與現(xiàn)場控制器采用MODBUS協(xié)議通訊，采取主從通訊模塊化程序開發(fā)方式。通過給通訊模塊賦予不同參數(shù)與通訊地址，實(shí)現(xiàn)主、從通訊模式的設(shè)定及數(shù)據(jù)讀取、指令下達(dá)。

中央控制器根據(jù)讀取到的壓力數(shù)據(jù)和閥門信號狀態(tài)，通過邏輯程序判斷，下達(dá)控制指令。為確保檢修或現(xiàn)場作業(yè)影響，將指令下達(dá)設(shè)定為手、自動模式：自動模式下，異常情況觸發(fā)邏輯后，系統(tǒng)自動下達(dá)聯(lián)動控制指令，并在監(jiān)控服務(wù)器進(jìn)行告警及結(jié)果反饋；手動模式下，由人工通過監(jiān)控服務(wù)器下達(dá)指令，對現(xiàn)場閥門進(jìn)行控制［6］。

4.1 管道聯(lián)動控制

作為最小范圍聯(lián)動控制，管道閥門本體控制器始終對壓力10 s變化進(jìn)行對比，當(dāng)壓降速率大于0.5 MPa／10 s時，立即發(fā)出關(guān)閥指令，并在人機(jī)監(jiān)控界面告警提示。

中央控制器根據(jù)現(xiàn)場控制器傳輸來的閥門動作指令、開關(guān)狀態(tài)及壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行二次判斷：如果閥門關(guān)閉指令大于5 s后（閥門要求在5 s內(nèi)必須關(guān)閉），上下游閥門壓力也逐步降低，則立即發(fā)出上下游閥門同時關(guān)閉信號，以確保泄漏點(diǎn)管道得到有效截斷，防止事態(tài)擴(kuò)大，同時結(jié)合各閥門之間壓力變化情況，顯示壓降持續(xù)段為事故位置；如上下游壓力沒有發(fā)生變化，則判斷為該閥門壓力儀表故障，提示人工分析、確認(rèn)并恢復(fù)生產(chǎn)流程。管道運(yùn)行人機(jī)監(jiān)控與故障顯示界面如圖3所示。

圖3 管道閥門集中監(jiān)控界面

4.2 管道與上下游站點(diǎn)聯(lián)動控制

當(dāng)管道沿途閥門關(guān)停后，為有效防止上游超壓、下游氣體倒流，將管道閥門關(guān)閉信號與上下游站點(diǎn)的進(jìn)、出站閥門進(jìn)行聯(lián)動控制，即當(dāng)管道閥門關(guān)閉后，系統(tǒng)自動發(fā)出上下游站點(diǎn)進(jìn)、出站閥門關(guān)閉信號；同時，為防止氣井高壓氣體持續(xù)向上游集氣站輸氣導(dǎo)致超壓，將上游站點(diǎn)出站閥門動作與所轄單井進(jìn)站閥門進(jìn)行聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)井、站閥門自動同步關(guān)閥，解決緊急狀態(tài)下監(jiān)控人員難以高效處置的問題，以保障緊急狀態(tài)下集輸系統(tǒng)安全受控。

4.3 區(qū)域聯(lián)動控制

在氣田生產(chǎn)流程中，往往有多個集氣站外輸沿途匯總到一條管道向下游輸氣，如圖4所示。

圖4 區(qū)域井站串接示意

為了確保類似的區(qū)域在下游管道關(guān)閉后，引發(fā)超壓等事件，對此類區(qū)域的管道、集氣站與單井關(guān)聯(lián)閥門進(jìn)行整體聯(lián)動聯(lián)鎖控制，即當(dāng)下游管道關(guān)閉后，上游所有站點(diǎn)、氣井均自動進(jìn)行閥門關(guān)閉，從而有效提高了對該區(qū)域的整體控制能力。

該系統(tǒng)經(jīng)過邏輯離線測試、運(yùn)行穩(wěn)定性測試后，在生產(chǎn)檢修期間，分區(qū)域進(jìn)行上線運(yùn)行。2017年7月25—26日，陜北中部出現(xiàn)大面積持續(xù)大暴雨，最大為子洲縣水地灣234 mm。7月26日凌晨6時左右，監(jiān)控人員正處于疲憊狀態(tài)時，李家河上游發(fā)生潰壩，穿越河流的管道被泥沙沖至水面，導(dǎo)致管道撕裂，管道內(nèi)4.6 MPa天然氣瞬間彌漫到空氣中。該管段上下游所連接的5座集氣站、61口井，因管道壓力突降而陸續(xù)自動關(guān)閉相關(guān)閥門，避免了天然氣持續(xù)泄放，未引起爆炸燃燒事故，整個局面得到及時有效控制。

5 結(jié)束語

通過對整個系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制邏輯分析以及現(xiàn)場突發(fā)事件觸發(fā)的自動控制結(jié)果，證明了天然氣管道、站點(diǎn)和區(qū)域集輸系統(tǒng)聯(lián)動聯(lián)鎖控制的必要性和有效性，能夠集中分析、分散控制，提高安全應(yīng)急管控能力。由于系統(tǒng)對各類敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行高度集成、分析，在系統(tǒng)的日常維護(hù)與運(yùn)行中，需要加強(qiáng)作業(yè)過程溝通協(xié)調(diào)，防止聯(lián)鎖信號中的儀表、閥門在檢修中未屏蔽相應(yīng)邏輯條件，而引發(fā)意外生產(chǎn)中斷等事件。

通過對上游天然氣管輸安全管控總結(jié)，僅為長輸及下游管道管網(wǎng)安全管控提經(jīng)驗(yàn)供借鑒。