智能化控制在大型天然氣場站中的運用

徐進軍，白一海，田勝利，牛治國

（中國石油天然氣股份有限公司油長慶油田分公司第一采氣廠，西安 710000）

0 引言

為更好地滿足經濟社會發展及城市化建設要求，能源結構不斷調整，人們生產生活對天然氣資源的消耗量有逐年增長的趨勢，天然氣的應用范圍也有很大的拓展。在這樣的情況下，天然氣資源的輸送、調配工作難度均增加，如果沿用傳統調配方法很難取得理想效果，故而場站應積極改革創新輸送調配方法。如果大型場站能集成自動化、大數據、遠程通信等高新科技，與天然氣傳輸、調配控制系統相配合，就能實現故障問題自動化診斷、需求分析、遠程調控等功能。可建立健全管網監控與數據采集（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統，為天然氣實現智能化輸送調配提供可靠的技術支持。

1 傳統生產管理模式缺陷

既往對天然氣場站采用的生產管理模式，基本是依靠個體執行氣井、集氣站、處理廠的生產管理任務。比如，通過人工巡視檢查的方式采集氣井生產數據信息；采用員工駐站的形式管理集氣站的營運活動，主要通過人力管理場站生產區的設備，但人工手動操作模式很難及時發現場站內設備的故障問題，無法實現自動化管理控制［1］。以上這種傳統管理模式實施階段不僅耗用掉大量的人力、物力資源，還不具備時效性，從安全環保、緊急搶險的視角出發，其存在一定的隱患因素。

2 大型天然氣場站智能化控制的要求與構成

2.1 要求

在信息化科技持續發展的背景下，天然氣資源在相關行業內的應用量不斷增加，與其相關的技術也在持續進步，為更好地滿足廣大用戶日益增長的現實需求，應加大智能化控制系統的開發、完善及提升力度。我們可以將智能化控制系統看作一種全新的場站智能控制系統，其是以SCADA 系統為基礎設計研發的，內置硬件十分完善，具備強大的功能開發及系統集成能力。場站內傳統SCADA 系統在投用階段的功能以采集溫度、壓力、流量等數據信息為主，當其超出限值時會發揮報警信號，具備的控制功能相對較少。而新的智能控制囊括了SCADA系統的功能，利用開發鏈控制、遠程壓力調控、區域優先管理、數據集成以及智能化計量等諸多功能，實現了場站管理的智能化。智能控制系統具有如下特征：①擺脫了職員、時間、氣候、區域、距離等客觀因素的束縛；②在網絡通信狀態正常時，能夠結合天然氣實際的傳輸調度需求，在短短的數秒內調整計劃方案；③調度中心能將電壓或流量命令快速傳送給遠程調控系統，系統接收到指令以后，可快速作出判斷，參照場站現實工作條件，迅速調整壓力或流量指標；④壓力調節系統利用傳感器能快速、全面采集場站內系統的運行參數，并基于遠程通信過程快速傳送給調度中心，為中心作出重大決策提供可靠的數據支持［2］。

2.2 基本構成

順序控制系統是智能控制系統的主要構成內容，該系統的功能主要是落實場站中的控制協調工作任務。調壓過程配合設計了監控調壓器與電控閥，安裝運行狀態穩定的壓力、溫度、流量等方面的分析儀器，和SCADA 系統相關聯，實現遠程智能化控制。在這種全新系統的協助下，可以將天然氣場站的控制分成如下三個級別。①地控制級：將單體設備或子系統模塊安裝在天然氣場站中，實現就地、獨立控制。②站場控制級：其功能主要是動態采集站內設備運行參數、作業狀態等數據，并且能實現運轉監測控制、聯鎖式保護，在遠程傳輸系統及調度中心的協助下完成局部數據的交互。③調控中心級：利用中心實現對全場及所有線路的實時監控、調度和優化運行等［3］。

3 智能化控制的實踐應用

3.1 無人值守

智能控制系統最大的功能是實現對天然氣場站的自動化、智能化管理。從場站設備開啟運行開始，采用遠程通信的形式下傳啟動指令，實現對場站生產模式的自動化啟動，隨后快速投入運行狀態。在場站內業務運行階段，站控遠程終端設備（Remote Terminal Unit，RTU）系統能實現24 h 全天智能監測、管理控制場站內生產設備的運轉情況，執行的任務主要有收集工況信息、檢測電網狀態、故障異常報警、智能化放散、電壓及電流調節過程的控制等［4］。在常規工作情景中，為了更好地維護天然氣場站運行安全，操作人員可以酌情通過站控RTU系統傳達“站正常關閉”指令，場站隨之會正常閉合，自動撤退站點運轉模式。智能連鎖控制的功能主要有超壓斷離及停站、泄露切斷與暫停、低溫換熱連鎖等，在天然氣場站安全、穩定運行方面也作出了很大貢獻。整體分析智能控制系統無論是在硬件配置還是在管控功能和安全保障方面，均符合無人值守對智能化提出的要求。利用三級控制管理氣井、集氣站、處理廠中心，在氣井實時或定時圖像采集、集氣站視頻動態追蹤、生產區無死角錄像及處理廠集中化控制等諸多技術的協助下，真正實現了“經→站→廠”三級監控，且科學規劃了各部分操控權限，真正實現了逐級監控、分級管理、立體化運轉［5］。

3.2 高精度調壓調流

過往在調節燃氣調壓站的壓力時，通常采用調整設定自立式調壓器部分運行參數的形式來實現。企業需要派遣高壓運行人員前往調壓站，在專業工具的協助下調度調壓指揮器，進而落實調節壓力設定值的任務。以上這種傳統調控方法操作過程繁瑣復雜，需要投入大量的人力、物力資源，時間成本會很高，且對工作人員的調壓操作技術能力、實踐經驗提出較高要求，在每日需要數次調整站點壓力設定值的工況下，操作人員的工作壓力明顯增加，產生了疲憊感，在行為上可能出現錯差。另外，在管道壓力的調節時間問題上，這種傳統調壓方法表現出明顯的滯后性，響應不靈敏，對管道壓力很難實現動態追蹤及調控。

而在智能化調壓系統投用階段，利用監控調壓器、電動調節閥協同設計調壓工藝區，在天然氣場站正常運行時，可以通過調整調節閥的張開度控制站點壓力、流量［6］。遠程調壓調流控制系統是調壓調流過程實現的重要基礎，操作過程十分簡單，調度人員僅需將壓力或流量值輸入上位監控系統內，具備響應快速、操控精準的特征是智能化調峰、科學供氣等功能實現的重要基礎，彌補了傳統調壓時間滯后的不足，能夠保證天然氣公司業務運行過程的安全性，全面提升供氣質量。

3.3 智能互差二選一算法

調壓調流控制可以被看作在調節閥后端組裝壓力變送器，如果實踐中面對的管理對象是大型天然氣場站調壓系統，為使調壓系統運行過程的安全性、穩定性得到更大的保障，就要將三臺壓力變送器安裝在調壓線調節閥的后方，采用3 選2 的方法選出適宜的調壓控制參數，通常會選定中間測量壓力作為控制參數，具體算法如下：三臺壓力變送器壓力值進行互差以后，自行棄用壓力值偏差最大的變送器壓力值，對于剩余的兩臺壓力變送器，取其中間測量壓力作為控制參數。執行以上工藝設計過程與算法，能使場站內生產設備調控參數更具精確性、可靠性，進而明顯提升遠程調壓、調流工作效率。

3.4 設備管理

在設計研發智能系統時，把場站中所有儀表、電力設備、陰極保護設備等整合至監控系統內，實現對其運行狀態的綜合管理、整體監控。比如，場外電設備、自發電系統、陰極保護設備狀態及有關參數等，通過實現對以上設備運行狀態的智能化監控，能夠幫助調度人員制訂更科學的調度、維護計劃，進一步提升場站運行的安全性。智能控制系統還具備信息共享功能，即應用智能化信息共享平臺提升辦公效率［7］。信息共享實現了天然氣場站生產與管理之間“零距離”，明顯改善了職工的辦公條件，作業效率也相應提升。

4 結語

近年來，智能控制系統陸續被用于國內很多地區的天然氣場站管理實踐中，取得的成績是十分理想的，也實現了設計目標。場站智能化水平有了“質”的突破，大部分調度人員無需走出調度室，便能遠程完成場站工藝區的生產管理工作任務，確保調壓操作的精準性，管網供氣過程實現均衡化，明顯減輕操作人員的工作壓力，智能控制效果得到廣大用戶的一致肯定，相信在未來其將開辟出更大的發展空間。