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1 項(xiàng)目背景

3371公里長(zhǎng)、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(jí)、380億立方米年輸量、極端嚴(yán)寒的天氣、極其復(fù)雜的地理環(huán)境、中俄兩國(guó)不同建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)……

作為世界規(guī)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(shè)以來，該項(xiàng)目取得了多項(xiàng)創(chuàng)新性成果，制定了多項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)范，在帶動(dòng)我國(guó)鋼鐵冶煉、制管、裝備制造等基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展方面起到了積極推動(dòng)作用，有力促進(jìn)了國(guó)內(nèi)氣田、管道、儲(chǔ)氣庫(kù)、天然氣利用項(xiàng)目等上中下游產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展。

浙江中控技術(shù)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中控技術(shù)”）作為致力于面向以流程工業(yè)為主的工業(yè)企業(yè)提供以自動(dòng)化控制系統(tǒng)為核心，涵蓋工業(yè)軟件、自動(dòng)化儀表及運(yùn)維服務(wù)的智能制造產(chǎn)品及解決方案供應(yīng)商，有幸參與了此次重大項(xiàng)目。

在業(yè)主單位提出要實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)天然氣管道站控系統(tǒng)整體解決方案，形成國(guó)產(chǎn)站控系統(tǒng)、壓縮機(jī)控制系統(tǒng)、壓縮機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、站控保護(hù)系統(tǒng)需求規(guī)格，并打造國(guó)內(nèi)天然氣管道壓氣站核心裝置國(guó)產(chǎn)化示范應(yīng)用的需求下，中控技術(shù)提供了多項(xiàng)核心控制系統(tǒng)產(chǎn)品。其中，CS-G5作為站控系統(tǒng)的主裝置，實(shí)現(xiàn)蓋州壓氣站遠(yuǎn)程一鍵啟停及自動(dòng)化運(yùn)行；TCS-900實(shí)現(xiàn)核心壓氣站核心裝置壓縮機(jī)的一鍵啟停機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行與機(jī)組保護(hù)，以及壓氣站站控安全保護(hù)。同時(shí)中控技術(shù)也承擔(dān)了多項(xiàng)任務(wù)，包括負(fù)責(zé)完成蓋州壓氣站國(guó)產(chǎn)化硬件系統(tǒng)（PLC、SIS、CCS）的搭建；站場(chǎng)壓縮機(jī)離線仿真模型和一鍵啟停機(jī)仿真平臺(tái)搭建；機(jī)柜生產(chǎn)、集成及出廠測(cè)試；協(xié)助工廠聯(lián)合測(cè)試；機(jī)組負(fù)荷分配系統(tǒng)調(diào)試并協(xié)助沈鼓完成機(jī)組控制系統(tǒng)調(diào)試；完成現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段的技術(shù)保障。

圖1 天然氣壓氣站布置圖

其中，壓縮機(jī)組作為長(zhǎng)輸天然氣管道的核心設(shè)備，需要在站場(chǎng)無人干預(yù)的前提下，實(shí)現(xiàn)北京油氣調(diào)控中心對(duì)壓縮機(jī)組及配套空壓機(jī)系統(tǒng)、壓縮機(jī)廠房通風(fēng)系統(tǒng)、變頻電機(jī)外冷卻系統(tǒng)、壓縮機(jī)廠房火氣系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)和站內(nèi)管路的集中監(jiān)控功能，而油氣集輸和管網(wǎng)自動(dòng)化控制具有流程復(fù)雜、易燃易爆等特點(diǎn)，對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)也提出了很高的可靠性和安全性要求。中控技術(shù)的天然氣管道壓氣站壓縮機(jī)組控制方案，可以滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，在不需要站場(chǎng)人員介入的情況下，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站全系統(tǒng)遠(yuǎn)程一鍵開機(jī)。同時(shí)，配套提供的單機(jī)和多機(jī)負(fù)荷分配控制的技術(shù)方案，能夠優(yōu)化控制系統(tǒng)功效。

2 項(xiàng)目亮點(diǎn)

2.1 站場(chǎng)遠(yuǎn)程一鍵啟停

蓋州壓氣站于2018年底分別成功對(duì)兩臺(tái)壓縮機(jī)組進(jìn)行站控一鍵啟機(jī)。11月27日20點(diǎn)38分北京油氣調(diào)控中心一鍵啟站，中心調(diào)度通過PCS系統(tǒng)對(duì)蓋州站下發(fā)一鍵啟站命令。21點(diǎn)38分、21點(diǎn)53分，1#、2#機(jī)組分別達(dá)到最低轉(zhuǎn)速6484，命令執(zhí)行完成。站場(chǎng)繼而提高機(jī)組負(fù)荷，22點(diǎn)18分兩臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)速均提至8000，進(jìn)入72小時(shí)試運(yùn)行。整個(gè)過程，蓋州站出站壓力從5.6MPa升至8.3MPa。第一臺(tái)機(jī)組啟機(jī)時(shí)長(zhǎng)1小時(shí)（冷機(jī)），兩臺(tái)機(jī)組啟機(jī)時(shí)長(zhǎng)共1小時(shí)15分鐘。

一鍵啟停站的控制邏輯是實(shí)現(xiàn)天然氣長(zhǎng)輸管道壓氣站無人值守功能的重要基礎(chǔ)，減少啟停過程的人為因素，降低因人為主觀錯(cuò)誤判斷和誤操作等導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，提高站啟停過程的本質(zhì)安全。除此之外，該功能將調(diào)度員由遠(yuǎn)程設(shè)備操作的模式中解放出來，把更多的精力投入監(jiān)視到管網(wǎng)的整體運(yùn)行參數(shù)中，減少操作工作量，提高工作效率。一鍵啟停站功能的實(shí)現(xiàn)彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)空白，追上了國(guó)際一流管道工程建設(shè)發(fā)展的腳步。它標(biāo)志著由單體操作到模糊對(duì)象操作的智能化控制的飛躍，是實(shí)現(xiàn)無人站場(chǎng)的重要基礎(chǔ)，也成為了智慧管道的必備條件之一。

2.2 壓縮機(jī)負(fù)荷分配控制

在管道壓縮機(jī)系統(tǒng)中，存在多機(jī)組串并聯(lián)控制需求，需要有效、穩(wěn)定的負(fù)荷分配控制算法，以滿足多臺(tái)壓縮機(jī)在并聯(lián)運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)負(fù)荷自動(dòng)分配調(diào)整，通過壓縮機(jī)性能特點(diǎn)和負(fù)荷特性，使效率高的機(jī)組多做功，使得多臺(tái)并聯(lián)機(jī)組自動(dòng)調(diào)整負(fù)荷，從而達(dá)到整體高效運(yùn)轉(zhuǎn)。針對(duì)站場(chǎng)壓縮機(jī)系統(tǒng)，中控技術(shù)提供了單機(jī)和多機(jī)組性能和負(fù)荷控制的調(diào)節(jié)方案，單機(jī)主要完成壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力調(diào)節(jié)，多機(jī)完成進(jìn)出站壓力和進(jìn)出站流量調(diào)節(jié)。

（1）單臺(tái)壓縮機(jī)調(diào)節(jié)

壓縮機(jī)單機(jī)性能控制根據(jù)壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。由性能控制PIC到變頻器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)輸出，保證壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力始終穩(wěn)定在一個(gè)工藝要求的數(shù)值上。在性能自動(dòng)控制模式中，性能控制器檢測(cè)到的壓力實(shí)際值（PV）和輸入的設(shè)定值（SP）自動(dòng)進(jìn)行PID計(jì)算，并將結(jié)果發(fā)送給變頻調(diào)速器。

圖2 性能控制示意圖

（2）多機(jī)負(fù)荷平衡控制

并聯(lián)壓縮機(jī)組的負(fù)荷分配控制過程分為兩部分：負(fù)荷控制，即調(diào)節(jié)各臺(tái)壓縮機(jī)組的總負(fù)荷，滿足站場(chǎng)進(jìn)出口壓力、流量滿足設(shè)置要求；平衡控制，即在滿足出口壓力、流量的基礎(chǔ)上，根據(jù)各臺(tái)機(jī)組的能力進(jìn)行平衡分配。這兩部分控制進(jìn)行疊加，將并聯(lián)運(yùn)行的壓縮機(jī)組的運(yùn)行點(diǎn)自動(dòng)控制在與喘振控制線等距的位置上，使各機(jī)組的喘振控制器的偏差DEV相等。同時(shí)負(fù)荷分配控制由位于SCS中主性能控制器、每臺(tái)機(jī)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(tǒng)優(yōu)化

壓縮機(jī)組是壓氣站的核心裝置，一旦壓縮機(jī)有故障，整個(gè)生產(chǎn)裝置將不得不停產(chǎn)。因此壓縮機(jī)組控制對(duì)控制算法的有效性和硬件平臺(tái)的可靠性、安全性提出了非常高的要求。由于壓縮機(jī)控制轉(zhuǎn)速高，工況變化快，具有大量的輸入輸出測(cè)點(diǎn)，大量中間變量的浮點(diǎn)運(yùn)算和快速準(zhǔn)確的系統(tǒng)響應(yīng)，業(yè)內(nèi)普遍面臨能達(dá)到控制要求的系統(tǒng)不可靠，可靠的系統(tǒng)無法達(dá)到控制要求的問題。TCS-900作為SIL3等級(jí)的安全控制系統(tǒng)，具備壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)的技術(shù)能力，配合沈鼓自控先進(jìn)壓縮機(jī)組控制算法，完美地解決壓縮機(jī)控制行業(yè)這一關(guān)鍵問題。

本項(xiàng)目應(yīng)用中，為獲得更好的壓縮機(jī)控制性能，中控技術(shù)采用50ms控制周期，硬點(diǎn)規(guī)模超500點(diǎn)，軟點(diǎn)規(guī)模超2500點(diǎn)，控制器負(fù)荷小于50%，選用TCS-900系統(tǒng)SIL3等級(jí)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(duì)關(guān)鍵信號(hào)的有效性進(jìn)行判斷，設(shè)計(jì)模擬量、開關(guān)量故障退守算法，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵信號(hào)安全采樣的同時(shí)，保證壓縮機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)和無擾。同時(shí)，采用變量有效范圍檢測(cè)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(tǒng)優(yōu)化主要體現(xiàn)在：

（1）原有壓縮機(jī)兩套控制系統(tǒng)ESD與UCP優(yōu)化整合為一套壓縮控制系統(tǒng)UCS，減少系統(tǒng)之間的往來信號(hào)點(diǎn)，既節(jié)約生產(chǎn)成本，同時(shí)也規(guī)避兩個(gè)系統(tǒng)之間往來信號(hào)產(chǎn)生的故障點(diǎn)，提高了系統(tǒng)可靠性；

（2）原有單獨(dú)工藝后空冷系統(tǒng)優(yōu)化整合到UCP控制系統(tǒng)中，既節(jié)省了成本，又達(dá)到節(jié)能的目的。機(jī)組運(yùn)行投入空冷風(fēng)機(jī)控制，機(jī)組停止工藝后空冷風(fēng)機(jī)隨即停止，這樣節(jié)省風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間，減少能源浪費(fèi)；

（3）原有壓縮機(jī)時(shí)序啟動(dòng)控制邏輯等待時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，自動(dòng)控制潤(rùn)滑油系統(tǒng)油溫在啟機(jī)之前一直處于熱備狀態(tài)。平時(shí)潤(rùn)滑油溫加熱到啟機(jī)溫度需要30分鐘左右，通過自動(dòng)控制溫度便可為機(jī)組迅速啟動(dòng)節(jié)省了30分鐘時(shí)間，使壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)間整體大幅度縮短；

（4）優(yōu)化防喘振及負(fù)荷分配調(diào)節(jié)：自動(dòng)負(fù)荷分配投入調(diào)節(jié)穩(wěn)定，防喘振控制穩(wěn)定。

長(zhǎng)輸天然氣管線上的閥室均配有壓氣站，對(duì)途經(jīng)的天然氣進(jìn)行加壓處理。壓氣站壓縮機(jī)組有電機(jī)驅(qū)動(dòng)和燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，一般組合方式是并聯(lián)。長(zhǎng)期以來，盡管有部分站場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了調(diào)控中心遠(yuǎn)程啟停單臺(tái)壓縮機(jī)的功能，但壓氣站壓縮機(jī)組的控制很大程度仍然依賴站場(chǎng)運(yùn)行人員對(duì)壓縮機(jī)組及輔助系統(tǒng)的控制及現(xiàn)場(chǎng)就地操作、確認(rèn)。中控技術(shù)的天然氣管道壓氣站壓縮機(jī)組控制方案可對(duì)并聯(lián)的壓縮機(jī)組實(shí)現(xiàn)高效率的防喘振控制、性能控制、負(fù)荷平衡控制，使壓縮機(jī)組實(shí)現(xiàn)上下游工況穩(wěn)定可靠、節(jié)能增效、降低人為操作失誤率的效果。

3 項(xiàng)目意義

中俄東線作為我國(guó)四大能源戰(zhàn)略通道之一，是中國(guó)石油管道建設(shè)的一張“創(chuàng)新名片”。極端嚴(yán)寒下的1422毫米超大口徑、X80高鋼級(jí)管材、12兆帕高壓力等級(jí)、380億立方米年輸量的組合在世界管道天然氣建設(shè)史上尚數(shù)首次。

該項(xiàng)目首次實(shí)現(xiàn)了壓氣站一鍵啟停站和壓縮機(jī)組一鍵啟停機(jī)控制和可視化展示，為調(diào)控運(yùn)行提供了友好界面，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)控制系統(tǒng)軟硬件的全面應(yīng)用，充分驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，為中俄東線及新建管道應(yīng)用國(guó)產(chǎn)化控制系統(tǒng)提供了參考模式，積累了大量應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。此次壓氣站控制功能和國(guó)產(chǎn)控制系統(tǒng)應(yīng)用的全面突破，極大提高了天然氣管網(wǎng)的自控水平，為油氣管道無人站建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，為智能管道的建設(shè)提供了技術(shù)保障，成為管道建設(shè)領(lǐng)域的一張嶄新名片。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年5月刊