典型城市天然气门站控制逻辑的设计

上海燃气工程设计研究有限公司 张淼馨

典型城市天然气门站控制逻辑的设计

上海燃气工程设计研究有限公司 张淼馨

文章在介绍典型门站的工艺流程的基础上，从设计的角度，阐述门站的主要控制点、控制参数、控制方式，在此基础上选择自动化程度高、运行可靠的城市门站控制逻辑。

天然气门站 工艺 自控 控制逻辑

现代城市天然气门站要求设有智能控制系统，包括：门站系统运行参数的实时监测和控制；接受总调度中心的控制指令；根据总调度中心的查询指令传送相应的数据和信号；越限报警并自动上传；采集的主要参数包括：温度、压力、流量、遥控阀门状态、组份分析数据等。

控制系统是天然气门站以及城市管网的安全运行重要保障，而自控系统功能的设计需要工艺专业提供相应的控制要求。本文在介绍典型门站的工艺流程的基础上，从工艺设计角度，阐述门站的主要控制点、控制参数、控制方式，在此基础上选择自动化程度高、运行可靠的城市门站控制逻辑。

1 城市门站工艺流程

1.1 工艺流程描述

1.1.1 门站工艺流程

以输气干线来气压力为4.0 MPa，出站设计压力为1.6 MPa，设计流量为20 000 m3/h，作为典型门站设计案例，其流程如下：4.0 MPa高压天然气由高压管网进入城市门站，经过滤、计量、调压、加臭，将压力降至1.6 MPa后，供给下游城市天然气高压输配管网。

1.1.2 门站功能

门站主要的功能包括清管、过滤、贸易计量、调压、加臭以及集中放散。

清管功能：设置清管器接收/发装置，满足输气管道清管要求和在线检测的要求；

除尘、过滤功能：对来气除尘、过滤，以保护后续设备的正常工作；

贸易计量：安装高精度、高可靠性的流量计，同下游用户进行贸易计量；

调压功能：对上游来气进行降压，稳定压力后输入下游管网；

加臭功能：对无臭的天然气进行加臭，使其在相当于爆炸下限20%的浓度时能觉察。

集中放散：站场发生事故或设备需进行维修保养时需排空管束内天然气，此时应关闭相关进出口阀门、开启放散阀组进行放散。

1.2 非正常工况

1.2.1 上游来气超压

(1)当上游来气临时超压，且超压范围在警戒范围内时，安全放散阀动作，以初步稳定压力；

(2)当上游来气超压时间较长，且超压范围超过警戒范围时，站控系统报警，控制室通过进站阀前的测压点监测到这一情况时，应立即通知有关部门，并随即关闭进站阀，切断来气。

1.2.2 出站压力降低

当出站压力突然降低，出站压力监测报警，并通知有关单位，要求巡检部门加强巡线。若管线泄漏，考虑关断出站阀。

1.2.3 下游超压

若下游发生超压，此时出站压力监测点发出报警信号，通过PLC控制监控调压器启动，若压力继续升高，则关闭主路调压，启动备用路调压，若出站压力超过备用路设定最高出站压力值时，关闭进出站阀门，并向调度中心报警，由调度中心调整管网工作状态。

1.3 事故工况

当工艺管束区多处设备意外损坏时，调压站停止运行，通过站体旁通阀组供气。这时打开球阀，根据阀后压力调节阀的开度，将压力控制在一定范围内，使供气不中断。

当整个生产区发生火灾等重大事故时，应及时关闭站上、下游控制阀门，切断气源。

2 主要控制方式、工艺控制点、控制逻辑

2.1 门站控制方式的选择

城市门站控制系统至少应实现以下操作模式：

(1)整个系统的调度控制中心集中监视和控制；

(2)站场的控制系统自动/手动控制；

(3)站场单体设备的自动/手动控制、站场子系统的自动/手动控制；

(4)就地手动操作控制；

(5)数据上传控制中心。

在正常情况下，由门站对天然气高压输配管网进行监视和控制，操作人员通过计算机系统完成对天然气高压输配管网的监视和管理。PLC在调度中心的统一指挥下完成各自的工作。控制权限由调度控制中心确定，经调度控制中心授权后，才允许操作人员通过 PLC对各下游各高中压站进行授权范围内的工作。当数据通信系统发生故障或系统检修时，要求PLC能正常、可靠的独立运行，自动完成对站场的监视控制。当进行设备检修或紧急停车时，可采用就地手动控制。

站控系统的紧急停车系统(ESD)由 PLC/RTU 系统和继电器回路同步实现，以确保该系统的安全性。

为了保证城市天然气控制中心SCADA系统各站点之间的数据交换的实时性，使其及时、准确、可靠、协调、高效率的工作，控制系统的数据更新应采用多种方式进行，如周期扫描、例外扫描、查询、例外报告、报警等。

在正常情况下，系统采用周期扫描，即按固定周期有规律集中更新数据，自控系统数据库中的每个点根据其性质不同为它们定义不同的扫描周期。系统对全线扫描一次的数据更新时间不应超过5 s。

系统中有突变事件或特殊请求发生时(如发布操作命令、ESD、状态变化、对某一局部重点监控、发生报警等)，系统将中断周期扫描，采用其他扫描方式工作，优先保证重要数据/命令的传输，确保系统的实时性。

控制系统原理详见图1。

图1 控制系统原理

2.2 门站主要控制点

为了及时监控门站的运行工况，设计中工艺要求的门站主要控制点如下：

(1)天然气门站进出站压力、温度；

(2)调压器进口、出口温度检测显示；

(3)进站天然气组份；

(4)调压器进口、出口压力检测显示；

(5)过滤器压差检测显示；

(6)天然气流量计量；

(7)汇管等压力容器的压力；

(8)主要工艺操作电动阀门阀位状态显示及报警；

(9)安全阀的阀位状态；

(10)可燃气体检测系统泄漏检测浓度。

2.3 城市门站控制逻辑的设计

(1)送气顺序：从气源点进站阀门开始顺气流方向打开球阀和切断阀；断气顺序：从出站阀门逆气流方向关闭切断阀和球阀。

(2)故障状态控制：故障状态时，放散阀和切断阀会依次启动，实现安全保护。

(3)其他压力测控点作为运行监控参考。

(4)主用和备用路切换：顺气流方向启动备用路，再逆气流方向关闭主用路。反之亦然。正常工作时：主路上的设备均为常开。旁路以及清管系统上的设备均为常闭。

(5)清管工艺

收球流程：检查收球筒阀门和压力表的完好率，在清洁器到达前1 h，ESD系统控制清管接收装置前阀门打开，进站汇管前阀门关闭，并手动开启清管接收装置上手动阀门，当ESD系统收到收球指示器的信号时，控制进站汇管前阀门打开，清管接收装置前阀门关闭，并手动关闭清管接收装置上手动阀门，收球筒排污放空，打开快开盲板取出清管器，关闭盲板。

发球流程：检查收球筒阀门和压力表，打开快开盲板推入清管器顶紧，关闭盲板。手动打开清管发送装置上手动阀门，平衡清管发送装置前阀门两端的压力。ESD系统控制清管发送装置前阀门打开，出站汇管后阀门关闭。当ESD系统收到发球指示器的信号时，控制出站汇管后阀门打开，清管发送装置前阀门关闭，并手动关闭清管发送装置上手动阀门，发球筒排污放空。

(6)调压单元：正常工作时，调压主路和备用路的设备均为常开，通过主要设备的设定点的不同，可以实现自动切换功能。在工作路检修或监控调压器开始工作时，ESD系统须控制主路或备用路上调压装置前阀门的动作：如当主路调压系统内紧急切断阀门切断信号远传至 ESD系统,或主路调压系统后监控压力大于1.85 MPa，则表明主路调压器可能发生故障，ESD系统控制主路调压装置前阀门关闭，备用路投入使用。

(7)泄漏报警：可燃气体报警设定点：低报警点20%LEL；高报警点 50%LEL(建议)站外的电动球阀(ESD阀)由ESD系统控制，同时可与站内燃气报警联锁，当燃气浓度达到低报警时，控制柜报警。

当燃气浓度达到高报警时，须先关闭进站阀门、切断门站供气，再及时切断出站阀门。

(8)进站超高压切断：当进站压力大于4.0 MPa，控制柜报警，ESD系统控制进站汇管前阀门关闭，切断门站供气系统。

(9)进站超低压报警：当进站压力显示小于系统设计最低压力值(3.46 MPa)，控制柜报警，此工况表明上游管线存在管道大量泄漏的可能，应及时通知上游管线管理单位沿线检查。

(10)出站超低压报警：当出站压力小于1.4 MPa，控制柜报警。此工况表明下游管线存在管道大量泄漏的可能，应及时至下游管线检查。

3 小结

为了确保城市天然气门站的安全可靠运行，站内必须建立一套自动化程度高的控制系统，在设计过程中充分考虑检修工况、事故工况下的操作流程，设计合理的控制点和控制参数，编制合理的控制逻辑。

在门站设计过程中，工艺专业应和自控专业紧密结合，工艺专业向自控专业提出相应的控制要求，包括工艺控制点、控制方式、数据控制参数(正常工作范围、高报警值、低报警值)、控制逻辑，自控专业根据此要求编制控制程序和设计控制系统，达到自动检测、自动控制要求，保障连续安全供气。

Typical City Natural Gas Station Control Logic Design

Shanghai Gas Engineering Research & Design CO., Ltd. Zhang Miaoxin

This paper describes a typical natural gas station technology process, from the design point of view,expatiates on the station main control point, control parameters, control methods. On this basis, select high degree of automation, reliable operation of the city gas station control logic.

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