1 項目背景

3371公里長(cháng)、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(huán)境、中俄兩國不同建設標準……

作為世界規模第一的中俄東線(xiàn)天然氣管道工程，自2015年6月開(kāi)工，2017年12月13日全面建設以來(lái)，該項目取得了多項創(chuàng )新性成果，制定了多項技術(shù)標準和管理規范，在帶動(dòng)我國鋼鐵冶煉、制管、裝備制造等基礎工業(yè)的發(fā)展方面起到了積極推動(dòng)作用，有力促進(jìn)了國內氣田、管道、儲氣庫、天然氣利用項目等上中下游產(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(chēng)“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)化控制系統為核心，涵蓋工業(yè)軟件、自動(dòng)化儀表及運維服務(wù)的智能制造產(chǎn)品及解決方案供應商，有幸參與了此次重大項目。

在業(yè)主單位提出要實(shí)現國產(chǎn)天然氣管道站控系統整體解決方案，形成國產(chǎn)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(chǎn)化示范應用的需求下，中控技術(shù)提供了多項核心控制系統產(chǎn)品。其中，CS-G5作為站控系統的主裝置，實(shí)現蓋州壓氣站遠程一鍵啟停及自動(dòng)化運行；TCS-900實(shí)現核心壓氣站核心裝置壓縮機的一鍵啟停機自動(dòng)化運行與機組保護，以及壓氣站站控安全保護。同時(shí)中控技術(shù)也承擔了多項任務(wù)，包括負責完成蓋州壓氣站國產(chǎn)化硬件系統（PLC、SIS、CCS）的搭建；站場(chǎng)壓縮機離線(xiàn)仿真模型和一鍵啟停機仿真平臺搭建；機柜生產(chǎn)、集成及出廠(chǎng)測試；協(xié)助工廠(chǎng)聯(lián)合測試；機組負荷分配系統調試并協(xié)助沈鼓完成機組控制系統調試；完成現場(chǎng)調試階段的技術(shù)保障。

圖1 天然氣壓氣站布置圖

其中，壓縮機組作為長(cháng)輸天然氣管道的核心設備，需要在站場(chǎng)無(wú)人干預的前提下，實(shí)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(chǎng)房通風(fēng)系統、變頻電機外冷卻系統、壓縮機廠(chǎng)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(wǎng)自動(dòng)化控制具有流程復雜、易燃易爆等特點(diǎn)，對自動(dòng)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(shù)的天然氣管道壓氣站壓縮機組控制方案，可以滿(mǎn)足遠程監控功能，在不需要站場(chǎng)人員介入的情況下，實(shí)現場(chǎng)站全系統遠程一鍵開(kāi)機。同時(shí)，配套提供的單機和多機負荷分配控制的技術(shù)方案，能夠優(yōu)化控制系統功效。

2 項目亮點(diǎn)

2.1 站場(chǎng)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(jìn)行站控一鍵啟機。11月27日20點(diǎn)38分北京油氣調控中心一鍵啟站，中心調度通過(guò)PCS系統對蓋州站下發(fā)一鍵啟站命令。21點(diǎn)38分、21點(diǎn)53分，1#、2#機組分別達到最低轉速6484，命令執行完成。站場(chǎng)繼而提高機組負荷，22點(diǎn)18分兩臺機組轉速均提至8000，進(jìn)入72小時(shí)試運行。整個(gè)過(guò)程，蓋州站出站壓力從5.6MPa升至8.3MPa。第一臺機組啟機時(shí)長(cháng)1小時(shí)（冷機），兩臺機組啟機時(shí)長(cháng)共1小時(shí)15分鐘。

一鍵啟停站的控制邏輯是實(shí)現天然氣長(cháng)輸管道壓氣站無(wú)人值守功能的重要基礎，減少啟停過(guò)程的人為因素，降低因人為主觀(guān)錯誤判斷和誤操作等導致的風(fēng)險，提高站啟停過(guò)程的本質(zhì)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(lái)，把更多的精力投入監視到管網(wǎng)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(shí)現彌補了國內技術(shù)空白，追上了國際一流管道工程建設發(fā)展的腳步。它標志著(zhù)由單體操作到模糊對象操作的智能化控制的飛躍，是實(shí)現無(wú)人站場(chǎng)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(lián)控制需求，需要有效、穩定的負荷分配控制算法，以滿(mǎn)足多臺壓縮機在并聯(lián)運行中實(shí)現負荷自動(dòng)分配調整，通過(guò)壓縮機性能特點(diǎn)和負荷特性，使效率高的機組多做功，使得多臺并聯(lián)機組自動(dòng)調整負荷，從而達到整體高效運轉。針對站場(chǎng)壓縮機系統，中控技術(shù)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(jìn)出口壓力調節，多機完成進(jìn)出站壓力和進(jìn)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(jìn)出口壓力進(jìn)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(jìn)出口壓力始終穩定在一個(gè)工藝要求的數值上。在性能自動(dòng)控制模式中，性能控制器檢測到的壓力實(shí)際值（PV）和輸入的設定值（SP）自動(dòng)進(jìn)行PID計算，并將結果發(fā)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(lián)壓縮機組的負荷分配控制過(guò)程分為兩部分：負荷控制，即調節各臺壓縮機組的總負荷，滿(mǎn)足站場(chǎng)進(jìn)出口壓力、流量滿(mǎn)足設置要求；平衡控制，即在滿(mǎn)足出口壓力、流量的基礎上，根據各臺機組的能力進(jìn)行平衡分配。這兩部分控制進(jìn)行疊加，將并聯(lián)運行的壓縮機組的運行點(diǎn)自動(dòng)控制在與喘振控制線(xiàn)等距的位置上，使各機組的喘振控制器的偏差DEV相等。同時(shí)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(huà)面

2.3 控制系統優(yōu)化

壓縮機組是壓氣站的核心裝置，一旦壓縮機有故障，整個(gè)生產(chǎn)裝置將不得不停產(chǎn)。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(diǎn)，大量中間變量的浮點(diǎn)運算和快速準確的系統響應，業(yè)內普遍面臨能達到控制要求的系統不可靠，可靠的系統無(wú)法達到控制要求的問(wèn)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(shù)能力，配合沈鼓自控先進(jìn)壓縮機組控制算法，完美地解決壓縮機控制行業(yè)這一關(guān)鍵問(wèn)題。

本項目應用中，為獲得更好的壓縮機控制性能，中控技術(shù)采用50ms控制周期，硬點(diǎn)規模超500點(diǎn)，軟點(diǎn)規模超2500點(diǎn)，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(xiàn)路故障診斷功能，并對關(guān)鍵信號的有效性進(jìn)行判斷，設計模擬量、開(kāi)關(guān)量故障退守算法，實(shí)現關(guān)鍵信號安全采樣的同時(shí)，保證壓縮機運行的平穩和無(wú)擾。同時(shí)，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(yōu)化主要體現在：

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

（2）原有單獨工藝后空冷系統優(yōu)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(fēng)機控制，機組停止工藝后空冷風(fēng)機隨即停止，這樣節省風(fēng)機運行時(shí)間，減少能源浪費；

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

（4）優(yōu)化防喘振及負荷分配調節：自動(dòng)負荷分配投入調節穩定，防喘振控制穩定。

長(cháng)輸天然氣管線(xiàn)上的閥室均配有壓氣站，對途經(jīng)的天然氣進(jìn)行加壓處理。壓氣站壓縮機組有電機驅動(dòng)和燃機驅動(dòng)，一般組合方式是并聯(lián)。長(cháng)期以來(lái)，盡管有部分站場(chǎng)實(shí)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(lài)站場(chǎng)運行人員對壓縮機組及輔助系統的控制及現場(chǎng)就地操作、確認。中控技術(shù)的天然氣管道壓氣站壓縮機組控制方案可對并聯(lián)的壓縮機組實(shí)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(shí)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(xiàn)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(chuàng )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(shí)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(shí)現了國產(chǎn)控制系統軟硬件的全面應用，充分驗證了國產(chǎn)控制系統的性能指標，為中俄東線(xiàn)及新建管道應用國產(chǎn)化控制系統提供了參考模式，積累了大量應用經(jīng)驗。此次壓氣站控制功能和國產(chǎn)控制系統應用的全面突破，極大提高了天然氣管網(wǎng)的自控水平，為油氣管道無(wú)人站建設奠定了基礎，為智能管道的建設提供了技術(shù)保障，成為管道建設領(lǐng)域的一張嶄新名片。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年5月刊