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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、極端嚴寒的天氣、極其復雜的地理環境、中俄兩國不同建設標準……

作為世界規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日全面建設以來，該項目取得了多項創新性成果，制定了多項技術標準和管理規范，在帶動我國鋼鐵冶煉、制管、裝備制造等基礎工業的發展方面起到了積極推動作用，有力促進了國內氣田、管道、儲氣庫、天然氣利用項目等上中下游產業鏈的協同發展。

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

在業主單位提出要實現國產天然氣管道站控系統整體解決方案，形成國產站控系統、壓縮機控制系統、壓縮機保護系統、站控保護系統需求規格，并打造國內天然氣管道壓氣站核心裝置國產化示范應用的需求下，中控技術提供了多項核心控制系統產品。其中，CS-G5作為站控系統的主裝置，實現蓋州壓氣站遠程一鍵啟停及自動化運行；TCS-900實現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，以及壓氣站站控安全保護。同時中控技術也承擔了多項任務，包括負責完成蓋州壓氣站國產化硬件系統（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、集成及出廠測試；協助工廠聯合測試；機組負荷分配系統調試并協助沈鼓完成機組控制系統調試；完成現場調試階段的技術保障。

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備，需要在站場無人干預的前提下，實現北京油氣調控中心對壓縮機組及配套空壓機系統、壓縮機廠房通風系統、變頻電機外冷卻系統、壓縮機廠房火氣系統、供配電系統和站內管路的集中監控功能，而油氣集輸和管網自動化控制具有流程復雜、易燃易爆等特點，對自動化控制系統也提出了很高的可靠性和安全性要求。中控技術的天然氣管道壓氣站壓縮機組控制方案，可以滿足遠程監控功能，在不需要站場人員介入的情況下，實現場站全系統遠程一鍵開機。同時，配套提供的單機和多機負荷分配控制的技術方案，能夠優化控制系統功效。

2 項目亮點

2.1 站場遠程一鍵啟停

蓋州壓氣站于2018年底分別成功對兩臺壓縮機組進行站控一鍵啟機。11月27日20點38分北京油氣調控中心一鍵啟站，中心調度通過PCS系統對蓋州站下發一鍵啟站命令。21點38分、21點53分，1#、2#機組分別達到最低轉速6484，命令執行完成。站場繼而提高機組負荷，22點18分兩臺機組轉速均提至8000，進入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天然氣長輸管道壓氣站無人值守功能的重要基礎，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致的風險，提高站啟停過程的本質安全。除此之外，該功能將調度員由遠程設備操作的模式中解放出來，把更多的精力投入監視到管網的整體運行參數中，減少操作工作量，提高工作效率。一鍵啟停站功能的實現彌補了國內技術空白，追上了國際一流管道工程建設發展的腳步。它標志著由單體操作到模糊對象操作的智能化控制的飛躍，是實現無人站場的重要基礎，也成為了智慧管道的必備條件之一。

2.2 壓縮機負荷分配控制

在管道壓縮機系統中，存在多機組串并聯控制需求，需要有效、穩定的負荷分配控制算法，以滿足多臺壓縮機在并聯運行中實現負荷自動分配調整，通過壓縮機性能特點和負荷特性，使效率高的機組多做功，使得多臺并聯機組自動調整負荷，從而達到整體高效運轉。針對站場壓縮機系統，中控技術提供了單機和多機組性能和負荷控制的調節方案，單機主要完成壓縮機進出口壓力調節，多機完成進出站壓力和進出站流量調節。

（1）單臺壓縮機調節

壓縮機單機性能控制根據壓縮機進出口壓力進行轉速調節。由性能控制PIC到變頻器轉速調節輸出，保證壓縮機進出口壓力始終穩定在一個工藝要求的數值上。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）和輸入的設定值（SP）自動進行PID計算，并將結果發送給變頻調速器。

圖2 性能控制示意圖

（2）多機負荷平衡控制

并聯壓縮機組的負荷分配控制過程分為兩部分：負荷控制，即調節各臺壓縮機組的總負荷，滿足站場進出口壓力、流量滿足設置要求；平衡控制，即在滿足出口壓力、流量的基礎上，根據各臺機組的能力進行平衡分配。這兩部分控制進行疊加，將并聯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 控制系統優化

壓縮機組是壓氣站的核心裝置，一旦壓縮機有故障，整個生產裝置將不得不停產。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確的系統響應，業內普遍面臨能達到控制要求的系統不可靠，可靠的系統無法達到控制要求的問題。TCS-900作為SIL3等級的安全控制系統，具備壓縮機組控制系統硬件平臺的技術能力，配合沈鼓自控先進壓縮機組控制算法，完美地解決壓縮機控制行業這一關鍵問題。

本項目應用中，為獲得更好的壓縮機控制性能，中控技術采用50ms控制周期，硬點規模超500點，軟點規模超2500點，控制器負荷小于50%，選用TCS-900系統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，并對關鍵信號的有效性進行判斷，設計模擬量、開關量故障退守算法，實現關鍵信號安全采樣的同時，保證壓縮機運行的平穩和無擾。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。

其系統優化主要體現在：

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

（2）原有單獨工藝后空冷系統優化整合到UCP控制系統中，既節省了成本，又達到節能的目的。機組運行投入空冷風機控制，機組停止工藝后空冷風機隨即停止，這樣節省風機運行時間，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行優化，自動控制潤滑油系統油溫在啟機之前一直處于熱備狀態。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省了30分鐘時間，使壓縮機啟動時間整體大幅度縮短；

（4）優化防喘振及負荷分配調節：自動負荷分配投入調節穩定，防喘振控制穩定。

長輸天然氣管線上的閥室均配有壓氣站，對途經的天然氣進行加壓處理。壓氣站壓縮機組有電機驅動和燃機驅動，一般組合方式是并聯。長期以來，盡管有部分站場實現了調控中心遠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的控制及現場就地操作、確認。中控技術的天然氣管道壓氣站壓縮機組控制方案可對并聯的壓縮機組實現高效率的防喘振控制、性能控制、負荷平衡控制，使壓縮機組實現上下游工況穩定可靠、節能增效、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略通道之一，是中國石油管道建設的一張“創新名片”。極端嚴寒下的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史上尚數首次。

該項目首次實現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，為調控運行提供了友好界面，實現了國產控制系統軟硬件的全面應用，充分驗證了國產控制系統的性能指標，為中俄東線及新建管道應用國產化控制系統提供了參考模式，積累了大量應用經驗。此次壓氣站控制功能和國產控制系統應用的全面突破，極大提高了天然氣管網的自控水平，為油氣管道無人站建設奠定了基礎，為智能管道的建設提供了技術保障，成為管道建設領域的一張嶄新名片。

摘自《自動化博覽》2020年5月刊