淺談長輸管道自控設計

聶小敏

（陜西省燃氣設計院有限公司，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。自控系統在調控中心設置以計算機為核心的監(jiān)控及數據采集系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA），在沿途場站和閥室分別設置可編程式邏輯控制系統（Programmable Logic Controller，PLC）和遠程終端（Remote Terminal Unit，RTU）控制系統。調控中心對各場站和閥室進行數據采集、監(jiān)視控制和生產調度管理，實現遙控、遙測、遙調和遙信，保證天然氣安全、穩(wěn)定、連續(xù)地輸送。SCADA系統經過十多年的發(fā)展，在控制要求復雜、環(huán)境要求高的領域中以實現很大的發(fā)展，在油氣項目中得到很多的應用，系統的規(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同臺競爭的能力[1]。

1 自控系統

1.1 自控系統總體方案

輸氣管道在調控中心的統一調度下，協調優(yōu)化運行，控制和管理分為三級：①調控中心監(jiān)視、控制及調度管理；②場站控制室遠程控制；③就地手動控制。

SCADA系統主要由調控中心的計算機系統、站控系統、閥室RTU控制系統及通信系統構成。PLC、RTU通過Modbus協議將數據遠傳至調控中心。沿途場站、閥室和調控中心之間建立數據傳輸通道，相對調控中心業(yè)務流向為星狀結構。各個場站的站控系統RTU與調度控制中心之間的通信采用光纖為主，租用電信公網為備用的通信方式。當主信道故障時，自動切換到備用信道上，用以路由器互聯兩個遠程局域網（LAN）。在正常情況下，由調控中心對全線進行監(jiān)視和控制，沿線各場站、閥室控制無需人工干預，各場站站控系統、閥室RTU在調控中心的統一調度下，完成各自的監(jiān)控工作。

1.2 調控中心

1）功能

輸氣管道工程設置調控中心，調控中心設有以計算機為核心的SCADA系統對沿線管道進行數據采集和控制，同時實現統一調度、管道模擬、泄漏檢測及定位、計量管理、網絡和通信通道的監(jiān)視和管理，大屏幕顯示等任務。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、設備運行狀態(tài)和可燃氣體泄漏等信息進行實時監(jiān)控和管理。

2）主要配置

SCADA系統配置SCADA服務器、網絡交換機、操作站、工程師站、大屏幕顯示器和打印機等，對管道進行連續(xù)地監(jiān)控和管理。服務器設置實時數據服務器、歷史數據服務器，宜采用客戶機/服務器結構，可根據需要配置Web服務器，實現對實時、歷史數據的采集、歸檔、管理以及查詢。服務器和LAN采用熱備冗余配置[2]，操作站、工程師站等均作為LAN上的一個節(jié)點，共享服務器的資源。計算機軟件由操作系統軟件、SCADA系統軟件、數據庫管理軟件和應用軟件組成。其中，操作系統應符合SCADA系統軟件安裝要求，應用軟件主要包括模擬仿真軟件、泄漏檢測定位軟件等。SCADA系統結構如圖1。

圖1 SCADA系統結構Fig.1 SCADA System structure

1.3 地下管道泄漏檢測系統

長輸管道管網復雜，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，當泄漏的天然氣濃度達到爆炸下限的25%時，容易引起爆炸并引發(fā)火災。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，對現有管網進行空間位置信息的普查，對普查成果進行質檢入庫，形成地下管網地理信息數據庫。探測器可選用手持式、可伸縮探桿、多角度旋轉探頭，可方便地對地下泄漏的可燃氣體進行探測。

2）在地下已有管線的每個檢修口處設置防爆型可燃氣體探測器，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《天然氣取樣導則》）。根據焦耳-湯姆遜效應就能得出溫度隨壓力變化的變化率，然后再根據光時域反射原理（OTDR）通過光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時間對這些熱點進行定位。

②實踐應用

此系統主要由分布式溫度傳感主機（Distributed Temperature Sensing，DTS）和單模光纖等組成。遠程控制室設置控制主機，一臺主機可接數根光纖，每根光纖距離可達4km。主機采用模塊化設計，可通過標準電信插頭與測量光纖連接。在長輸管道表面敷設光纖，光纖從管道的一端沿管道敷設到另一端，然后再沿管道敷設回來，組成一個環(huán)，采用光纖環(huán)網進行測量。

3種方法均可應用至長輸管線地下項目中，業(yè)主可根據項目投資額的多少選擇一種或者兩種、3種的結合。第一種方法簡單，精確度低，耗費人力；第二種方法精確度稍高，但是檢測范圍小，造價稍高；第三種方法結合地理位置信息系統GIS，精確度高，也是近年來流行的一種方法，具有同時獲取在傳感光線區(qū)域內隨時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目。

1.4 站控系統

1）功能

站控系統設置在各個場站，是SCADA系統的基礎和遠程終端，由操作站、工程師站、PLC控制器、壓力流量控制器、通信網絡接口、可燃氣體探測器及二次儀表組成，對場站進出站壓力與溫度、流量（壓力和溫度補償），進出站電動切斷閥閥位狀態(tài)、天然氣泄漏等數據采集及控制，上傳重要信息至SCADA系統并接受其下達的控制命令，完成場站的管理、調度、集中操作、監(jiān)視等。

2）主要配置

站控系統配置操作員站、工程師站、PLC控制器、路由器和打印機等。PLC控制器的CPU、通訊接口、電源模塊采用熱備冗余配置，計算機軟件由操作系統軟件、PLC編程軟件、應用軟件、組態(tài)軟件等組成[2]。PLC控制器選用國內外成熟廠家，機架、IO模塊等要易于擴展，PLC控制器應具有安全儀表認證。站控系統結構如圖2。

圖2 站控系統結構圖Fig.2 Structure diagram of station control system

3）流量控制系統

采用安全切斷閥（SSV）＋監(jiān)控調壓閥（PCV）＋工作調壓閥（PV）構成壓力/流量自動選擇性調節(jié)系統對用戶的壓力或流量進行控制。SSV采用自力式安全切斷閥，PCV采用自力式調節(jié)閥，PV采用電動調節(jié)閥。

流量控制器接收調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閥處于壓力調節(jié)狀態(tài)，控制下游供氣壓力在設定范圍內。當供氣流量超過設定值時，控制系統將自動切換為流量調節(jié)系統，對用戶供氣量進行限量控制，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是壓力控制系統中第一級安全設備，安裝在PV的上游，其壓力取自PV的下游，設定值高于PV壓力設定值且低于安全值。正常情況下，PCV處于全開位置，當PV出現故障或下游超壓時，PCV將自動取代PV進行調壓。

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

1.5 遠程終端裝置

RTU作為調控中心SCADA系統的一種遠端測控單元裝置，對閥室上下游壓力、氣液聯動閥的閥位狀態(tài)、就地/遠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范圍應不大于（24±5%）V。太陽能供電系統工作狀態(tài)應通過RTU控制系統提供給SCADA系統，包括：蓄電池剩余電壓、供電系統故障等，RTU自帶的后備電池需在保證執(zhí)行機構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 站場可燃氣體泄漏檢測報警系統

根據GB/T 50493-2019新規(guī)范要求，無論大小項目須設置獨立的可燃氣體系統泄漏檢測報警系統，系統由可燃氣體探測器、可燃氣體報警控制主機、區(qū)域聲光報警等部分組成，完成對站場及閥室的可燃氣體泄漏的動態(tài)監(jiān)測、區(qū)域識別、聲光報警和聯鎖控制信號輸出等功能。可燃氣體報警控制器通過RS-485通訊接口與站控系統控制器通訊并通過光纖上傳至調控中心。可燃氣體探測器分類及應用如下：

1）催化燃燒式

可燃氣體探測器包含一對元件。其中一個是檢測元件，由一個電加熱的鉑金線圈制成，外面覆蓋了兩層物質，里層是陶瓷基料，外層則是催化劑。另一個為補償元件，它跟檢測元件類似，只是沒有催化劑層。兩個元件分別位于惠斯通電橋電路對立的兩個支路上，檢測元件與可燃氣體發(fā)生反應，補償元件則不會反應，只對外部溫度或濕度變化起補償作用。正常時，對鉑金線圈通以電流，使檢測元件保持450℃～500℃高溫，當接觸可燃氣體后，檢測元件發(fā)生催化燃燒反應，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，檢測介質范圍廣，價格低，是目前天然氣項目應用最廣泛的一種可燃氣體探測器。

2）電化學式

電化學式可燃氣體探測器常用于有毒氣體的泄漏檢測，一般由三極（傳感器、計數電極、參比電極）及電解液構成。被測氣體在傳感電極發(fā)生氧化還原反應，計數電極相對于參比電極產生正、負電位差，電流的變化與被測氣體濃度呈正比。傳感器輸出的電流經過放大、溫度補償和參數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，制氮機閥門及法蘭連接處容易泄漏氮氣，為防止氮氣泄漏后缺氧引起窒息，設置電化學式氧氣探測器。

3）紅外吸收式

紅外吸收原理是基于某些可燃氣體對某一頻段有明顯的吸收能力，當被測可燃氣體通過紅外線光路，可燃氣體將吸收部分紅外線，通過測量紅外線能量的多少，達到檢測可燃氣體濃度的目的［3］。碳氫化合物和其他一些氣體對某些特定波長的紅外輻射能有較強的吸收能力。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氫化合物的濃度，當待測氣體含水蒸氣和CO2時，對測量結果有一定的影響［4］。此種探測器反應靈敏，氣體針對性強，超長使用壽命，具有環(huán)境適應性強的特點，但結構復雜、價格昂貴，對介質有一定要求。

根據以上可燃氣體探測器的功能特點，結合長輸管線上各站的特點，選用催化燃燒式可燃氣體探測器尤為普遍。

2 通信方式

通信方式的選擇要結合工程項目特點，再根據傳輸的信息量帶寬的大小來選擇，目前主要的通信方式為：光纜通信、租用電信公網。

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

租用電信公網優(yōu)點：電信公網建設較完善，通信質量較高，能在已建的網絡中建立一條虛擬的電路進行數據業(yè)務的傳輸；通信業(yè)務種類多，內容應用豐富；借助已建網絡通信，工程初期投資省。缺點：沿途有些地方電信公網欠發(fā)達，電信公網級別較低，通信質量難以保障；管道沿線各站分布在不同地區(qū)，受當地電信部門的制約因素較多，也不能完全滿足管道運行管理的要求；長期使用的租金較高[5]。

3 結束語

長輸管道SCADA系統、PLC、RTU實現了對場站運行參數的集中檢測、控制、長傳和下載，減少了維護人員的工作量，部分實現了管道場站的“無人操作，少人值守”[6]。控制系統產品充分發(fā)揮了配置靈活、安全可靠、擴展方便、易于調試等優(yōu)點，在銀川-吳忠天然氣儲氣輸配管道項目的實際應用中發(fā)揮出很好的效果。