SCADA系统在中缅天然气管道调控运行中的应用

张震，张勇

(中国石油集团 东南亚管道有限公司,北京 100028)



SCADA系统在中缅天然气管道调控运行中的应用

张震，张勇

(中国石油集团 东南亚管道有限公司,北京 100028)

随着中国经济的高速发展，管输天然气呈现跨越式发展。由于长输管道输送天然气的特殊性，要求调度人员统一指挥、全面协调，因而采用了先进的自动化系统保障生产运行。监视控制与数据采集SCADA(supervisory control and data acquisition)系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、参数调节以及各类信号报警等功能。SCADA系统方便调度人员对天然气长输管道的运行状况进行实时监控，完成对全线各个站场的监控、调度、管理等任务，可实现沿线各个监控阀室无人值守的运行模式[1-2]。

1管道概述及SCADA系统架构

1.1中缅天然气管道缅甸段概述

中缅天然气管道缅甸境内线路全长792.5km，管径1016mm，设计压力10MPa。管道沿线地质条件复杂，落差大，共设有28座线路截断阀室，其中有7座监控阀室、21座普通阀室。

中缅管道作为国家四大能源通道的西南通道，目标是建成具有国际先进水平的跨国输气管线，这对管道的自动化水平提出了很高的要求。中缅天然气管道SCADA系统采用招标方式，选定了Telvent公司的OASyS系统，管线自2013年7月投产以来，运行安全平稳。

1.2SCADA系统结构及组成

管道SCADA系统是以计算机为核心的分布式控制系统，由曼德勒调控中心、分布在沿线站场的站控系统及监控阀室的远程终端(RTU)、通信系统组成。

1) 调控中心。曼德勒调控中心是该管道SCADA系统的核心，主要建立整个系统的数据存储及交换中心，配置有2台实时服务器(CMX)、2台历史服务器(XIS)、冗余磁盘阵列(RAID)、Web服务器、路由器、交换机、时钟服务器、工程师工作站、操作员工作站、打印机等。服务器选用的是Sun SPARC Enterprise M4000，操作系统采用UNIX实时多任务操作系统，采用双机热备、冗余配置。操作员工作站、工程师工作站等均作为局域网上的一个节点，共享各服务器的资源，选用标准可靠、高稳定性版本的Windows操作系统。调控中心和站控系统以全球定位系统(GPS)提供的时间为基准，调控中心负责周期性地向各个RTU发送时间基准点来保持整个系统的时间同步。

2) 输气站场和阀室。站控系统是SCADA系统的基本单元，是保证SCADA系统正常运行的基础，基本配置包括站控计算机、RTU或可编程逻辑控制器(PLC)、通信设施以及必需的外部单元。PLC用于控制天然气工艺设备、CPU、电源及通信冗余，具备防雷击和浪涌保护功能。站控系统自动采集温度、压力、流量等数据,在设有压力控制系统的站场,采用电动调节阀控制出站压力,均装备有流量计算机，部分站场装有气质组分分析仪、H2S分析仪、水露点和烃露点分析仪。

无人值守的监控阀室只配置RTU、通信设施以及必需的外部单元，它本身可与调控中心进行通信，在出现异常情况时，线路截断阀可由调控中心将其关闭。

3) 通信网络。目前,国内外SCADA系统中控室与站控之间的通信方式主要有卫星通信、微波通信、光缆通信以及公用通信网等几种，一般采用主备双通道。两个通道采用不同的通信方式,可以大幅提高系统的可靠性。考虑到管线地域跨度大，沿线地理地貌条件较差,整个系统以光纤通信为主，卫星通信为辅，当主通信通道故障时,自动切换到备用通信通道上，保证了系统的可靠性和传输速度。站控系统设有2个通信接口，通过路由器及光端机接入光通信系统，同时通过路由器接入卫星通信系统，再共同接入曼德勒调控中心。在监控阀室的RTU提供2路以太网接口与光端机相连，通过光信道的配置，分别将数据传送到相邻的上、下游工艺站场的站控系统的局域网中，再通过这两座站场的站控系统将数据上传到调控中心，使得阀室的数据能够利用站场的主备信道传输，可靠性得以提高[3-5]。

2SCADA系统的常规应用

1) 管道运行监控。SCADA系统能够进行现场数据的采集和处理，可以方便读取站场的压力、温度、流量等生产参数，并且可以通过点击各站场的图标，调出各站场的操作界面进行监控，进行工艺流程的动态显示。通过HMI人机界面，调度员可以在第一时间直观地了解到SCADA系统内任意站点的生产情况，访问各站场以及整体管网运行的实时数据、历史数据，进行实时数据的归档管理以及趋势图的显示。站控系统釆集的实时数据可以动态地显示在参数列表、趋势图和工艺流程图上，方便调度员对管道的运行监控。

2) 管道调度控制。SCADA系统采集现场实时数据在调度中心显示，调度员可根据实际情况进行现场设备的远程控制操作，或下达调度和操作命令；进行压力、温度和流量的调节；进行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；直接监视、控制管道沿线的紧急截断阀和异常状况，根据需要关闭截断阀或者启动紧急停车系统(ESD)；设置报警上、下限，若参数变化超过报警限值,系统就会发出报警,调度员可立即查看出具体设备，通过语音交换系统下发调度令，与上、中、下游进行沟通与协调，与信息中心、维护抢修等各部门进行联系，进行管道的调度控制。

3) 服务其他系统。随着信息化建设以及无纸化办公的发展，SCADA系统可为更多的信息系统提供基础数据。目前中缅天然气管道架设了管道生产数据管理系统(PPS)，利用数据采集中间实时历史库采集SCADA系统的生产实时数据。用户可以通过专网访问，便于管道沿线站场的数据填报和调控中心的审核，在没有专网的地区可以通过Internet外网访问，https加密传输，身份认证采用软证书，方便各相关部门以及相关单位查看数据。

SCADA系统生产数据进入PPS后极大地扩展了应用范围。可以实现管输计划制订、审批和下发，实现运销日报、运销台帐、计量交接凭证、气质报告管理，实现调度日报、运行参数管理、场站作业、运行方案、调度令、储运专业计算管理和值班日志记录，生产、生活能源消耗管理等。极大地方便了日常生产运行，简化了流程操作，并且可以生成报表，方便进行存档及打印。

4) HMI界面的适时调整。中缅天然气管道调控中心建在缅甸曼德勒，员工来自不同国家，因而SCADA系统的可操作性和可维护性显得非常重要。管道SCADA系统采用全英文界面，站场工艺图与现场实际方位一致，调度员全程参与系统设计，共同制作出了具有可视化且易于操作、便于维护的界面。系统具有强大的人机对话能力，系统工程师可以根据实际需要随时进入系统内部修改数据库和程序，对HMI界面进行调整，以更好地满足运行需要。

5) 其他应用。SCADA系统除可进行上述应用外，还具有报警显示和报警优先级设置的功能，所有报警信息都存储在数据库中，可查询打印及显示，进行声、光、像等多种信息显示，提高系统操作的可视性和安全性；查询历史曲线与实时曲线，进行实时和历史数据的采集、归档、管理以及趋势图显示；提供多级权限设置功能，满足工程师维护和调度员日常调度的需要；提供了运行参数的在线采集、数据趋势和设备状态的显示；从软件设计上考虑逻辑条件的关联及互锁，在系统中嵌入安全联锁保护程序，启动管道运行的各类保护系统,如管道压降速率保护、高低压保护、ESD紧急停站保护等。

3异常工况下SCADA系统的应用

3.1管存气管理

管存是指管道中储存的天然气量。SCADA系统可使用实时模型来计算总的管存和相关的能量值，进行管存气管理和预测时间的分析。按照需要，可以计算不同管段的充气情况。当上游气量减少或停止供气时，计算剩余气体可用时间。合理的管存范围应当符合以下要求： 减少管道控制所需时间、改善管道的运行安全、减少现场作业时间、改善分输的可靠性、改善进气的可靠性。根据调度主管下达的管段管存范围，利用SCADA系统进行管存计算、分析，各管段的天然气量维持在要求管存范围之内。

(1)

式中：qpack——管道的储气量，m3；V——管道的容积，m3；T0=293.15K；p0=0.101325MPa；T——气体的平均温度；p1m——管道计算段内气体的最高平均压力(绝)，MPa；P2m——管道计算段内气体的最低平均压力(绝)，MPa；Z1、Z2——对应p1m和p2m时的气体压缩因子。

其中，气体压缩因子可根据美国加利福尼亚天然气协会公式进行计算：

Z=1/(1+5.0725×106×p×101.758ρ1/T3.825)

(2)

式中：p——气体压力(绝)，MPa；ρ1——气体的相对密度。

将式(1)、式(2)编入SCADA系统的程序中，即可建立管存模型，利用各站场和RTU阀室的进出站压力、温度，计算出管道各管段以及整个管道的实时管存，显示在HMI主参数表中。

3.2堵塞泄漏的分析判断

堵塞是天然气管道运行中的异常事件，曲线分析是SCADA系统提供的重要功能,通过观察压力和流量的变化曲线，调用某段时间的历史数据进行趋势分析,基本能确定堵塞的大致时间和地点。若SCADA系统显示的上游站场或相邻RTU阀室的出站压力迅速上升，同时下游站场或相邻RTU阀室的进站压力迅速下降，就可判断为疑似堵塞。在没有发送清管器和进行内检测的情况下，就可判断为疑似阀室自动关断现象。这时可再根据流量和相关管段管存的变化，进行综合分析判断，克服天然气具有压缩性造成的影响，有利于调度员更加快速准确地判断堵塞的位置。

3.3气质气量异常的分析判断

输气干线要输送符合管输标准和合同约定的天然气给下游用户，因而接收站和各分输站除进行常规的压力、温度、液位和流量的监控外,还需进行气质的检测。天然气组分的测定，也是进行计量交接的重要内容之一，SCADA系统将在站场检测的天然气组分传输至调控中心，调度员可实时查看，以便进行监测，确保气质的合格，提高天然气的计量输送精度。

除气质外，输气量也是气体输送中应考虑的重要内容。随季节时间的差异，调控中心会根据用户需求制订相应的年输气计划、月计划、周计划，具体到每日就是日指定，调度员需按照日指定输气量进行调度控制，所以SCADA系统中首末站和各分输站的流量计参数是需要关注的，如果流量计的瞬时流量发生较大变化，就需要及时查找原因，排除异常工况的可能，确保管道安全平稳运行，并根据日累量及时地进行输量调整，以便完成当天的日指定。

3.4通信中断及火灾发现

SCADA系统可以显示光通信和卫星通信系统的实时状态，若光缆中断或者某条卫星链路中断，系统会立即报警提示，并在页面上显示中断的大致位置，可以及时有效地提示调度员出现了通信问题，便于调度员及时联系通信运维部门进行处理。

在中控室和各站场、RTU阀室有可燃气体探测仪，如果发生泄漏或者火灾情况，检测到可燃气体浓度超过限值，就会在中控室HMI界面上显示报警，调度员可以据此采取相应措施；在中控室和沿线站场设置了闭路电视系统(CCTV)，信号通过光通信系统传输，调度员可实时监控各站场各区域的情况，及时发现和处理火灾等情况，并可以保存为历史视频，便于之后的调取。

4结束语

中缅天然气管道SCADA系统功能设计能满足生产运行的需要,并且在使用过程中对系统进行了进一步优化和完善,使管道自动化水平和安全性得到了很大提高，在管线正常运行监控、维抢修作业的监控指挥过程中发挥了重要作用，方便了调度及生产的协调，具有一键ESD、自动切换流量计和过滤器等功能，提高了管道输送效率，节约了运行成本，提高了生产效益。

参考文献：

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[4]田洪波,姜波,武建宏.SCADA系统在长输管道的应用和发展[J].石油化工自动化,2008,44(04)： 10-12.

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[7]董列武，陈秀丽.长输管道SCADA系统时钟同步分析及优化[J].石油化工自动化,2013,49(05)： 68-69.

[8]温建,马昕,郑鑫博.管道SCADA系统远程监视维护系统的开发[J].化工自动化及仪表,2012,39(07)： 936-939.

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稿件收到日期： 2015-02-02，修改稿收到日期： 2015-03-26。

摘要：介绍了中缅天然气管道的概况，阐述了管道SCADA系统的结构组成、配置及控制模式。详细描述了SCADA系统在中缅天然气管道调控运行中的应用： 除了常规应用，还包括泄漏、堵塞、通信中断、气质异常等异常工况下的分析判断处理。应用结果表明，该SCADA系统能够很好地实现中缅天然气管道的监视与控制，有效提高了生产管理水平，具有很高的实用价值。

关键词：天然气管道SCADA系统调度控制

Application of SCADA System in China-Myanmar Natural Gas Pipeline Regulation and ControlZhang Zhen, Zhang Yong

(CNPC South-East Asia Pipeline Co. Ltd., Beijing, 100028, China)

Abstract：The overview of China-Myanmar natural gas pipeline is introduced. The structure components, configuration and control mode of SCADA system are expounded. The application of SCADA system in China-Myanmar natural gas pipeline regulation and control is introduced. The analysis, judgment and treatment under abnormal working conditions of leakage, pipeline obstruction, communication outage, and abnormal gas supply are discussed except routine use. Application results show SCADA system can realize monitoring and controlling of natural gas pipeline very well with improving production management effectively and with high practical value.

Key words：natural gas; pipeline; SCADA system; dispatcher control

作者简介：张震(1986—)，男，安徽宿州人，毕业于中国石油大学(华东)控制科学与工程专业，获工学硕士学位，现就职于中国石油东南亚管道公司调控中心，主要从事自动化系统检测与控制、管道调度控制与运行仿真方面的工作与研究，任工程师。

中图分类号：TP274.4+

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)03-0025-04