中缅原油管道天然气发动机泵机组监控的实现

袁野(廊坊开发区中油龙慧自动化工程有限公司，河北 廊坊 065001)

1 概述

1.1 背景

中缅原油管道工程是国家重点建设的重要能源通道之一，“一带一路”在缅甸的先导示范项目和样板工程。管道线路全长770.5km，沿线共设置4座输油泵站和1座计量站。由于缅甸基础实施条件差，电力资源匮乏，且输油站场多位于海岛、海沟、高山地区，没有可依托的电力设施资源，受到以上条件的限制，设计采用将天然气发动机作为输油主泵驱动方式，气源来自并行的天然气管道阀室或邻近天然气站场。

1.2 站控系统概况

本工程的站场控制系统以计算机为核心、以Rockwell Controllogix 系列PLC为控制单元组成。站控系统通过硬线连接、Modbus协议通讯等方式对站场工艺仪表设备进行监控。

输油站场泵机组的控制通常由调度控制中心或站控系统完成，由调度员下达泵机组的启/停命令，设定发动机转速、进出站压力、流量等设定值的操作。

站控系统对天然气发动机泵机组的主要监视和控制功能包括：数据采集和处理、工艺流程的动态显示、压力流量设定值调节、泵机组连锁/单体启停控制、事故/紧急停车执行、报警及事件管理、实时/历史数据趋势管理、机组运行报表管理等等。

1.3 天然气发动机泵机组系统概况

中缅原油管道全线配备10台天然气发动机泵机组，泵机组主泵采用德国生产的鲁尔泵，美国卡特彼勒公司G3600系列天然气发动机作为驱动设备，由并行的天然气管道分输站或邻近阀室引出气源，经自用气撬调压后供给天然气发动机使用。G3600系列发动机有16个燃烧气缸，呈V字型排列，标称功率4735-5045马力， 转速700～1000rpm。泵机组自带UCP(Unit Control Panel)控制系统和Metrix振动监测系统，用于监测和控制发动机和泵的各项参数以及发动机启、停、转速控制、紧急停车等。

天然气发动机组多用于天然气长输管道压缩机组的驱动，原油长输管道输油泵多采用电机驱动，站控系统对燃气驱动泵机组的监控，在长距离输油管道领域应用尚无可借鉴经验。

2 站控系统对天然气发动机泵机组监控的实现方式

2.1 通讯方式

天然气发动机泵机组与站控系统通讯方式包括硬线信号、Modbus TCP/IP协议和Modbus RTU协议等方式。

2.1.1 硬线连接实现泵机组的监控

泵机组关键控制与状态信号通过硬线信号方式与站控系统进行连接，包括发动机泵机组的预启动、启动、允许加载、加载、停泵、紧急停车、发动机故障、发动机报警以及发动机转速控制与转速反馈。

以上信号由泵机组UCP控制柜通过信号电缆与站控系统PLC采集模块的通道进行连接。确保了泵机组关键数据采集和重要命令控制的可靠性和稳定性。

2.1.2 Modbus通讯协议实现泵机组的监控

泵机组的发动机和泵的相关保护、报警、状态信号通过Modbus TCP/IP 和Modbus RS485 通讯方式与站控系统进行连接，站控系统通过第三方数据采集设备“MOXA”数据协议转换器采集泵机组数据，并转发至PLC和HMI(人机界面)进行显示。数据包括发动机和泵的温度、压力、震动、泄漏、报警、状态等，每台天然气发动机泵机组采集的数据含112个数字量信号和120个模拟量信号。

2.2 控制原理

站控系统对天然气发动机泵机组的操作是通过一系列的序列完成的，这些序列是由站控系统自动操作以及一些操作员的手动操作来实现。发动机组操作程序有“正常启动序列”、“正常停机序列”、“故障停机序列”、“紧急停机序列”。

站控系统通过HMI人机界面检视机组的状态参数，下发控制序列命令至泵机组的UCP(泵机组控制盘)控制单元。泵机组自身的保护程序和内部执行序列如温度、压力、震动保护以及润滑油系统启停、冷却系统启停等程序，则由泵机组UCP中的PLC控制器程序自行控制。

2.2.1 正常启动序列

正常启动序列执行之前，泵机组需在“Ready to Start状态，即满足以下启动条件：

(1)所有“A”类传感器无故障。

(2)电气系统的所有手自动状态置于自动位置状态。

(3)橇座的所有手自动置于自动位置状态。

(4)发动机控制盘的模式控制开关置于自动位置。

(5)站控系统许可通电(预启动命令)。

(6)燃料供气压力在45～150PSIG之间。

(7)启动气的供应压力在120～150PSIG之间。

(8)泵的排气阀关闭(阀门的限位开关处于关闭状态)。

以上条件满足后，由站控系统下发正常启动序列命令，程序将自动打开回流电动阀和回流调节阀；当程序判断回流电动阀全开，回流调节阀全开时，程序自动下发启动命令，发动机点火启动，转速提升，发动机运行状态指示灯变为绿色；UCP系统自行检测确认满足加载条件后，将会向站控系统发送泵机组允许加载状态，站控系统下发加载命令确认加载；加载命令下发后，程序自动下发泵出口阀门自动开阀命令；当泵出口阀全开后，自动下发关闭回流电动阀和回流调节阀命令；当程序检测到回流电动阀全关、回流调节阀全关后，站控系统PLC程序将自动设定发动机转速为720rpm；当程序收到泵机组运行信号、泵出口阀全开、泵回流电动阀全关、回流调节阀全关、发动机转速大于等于710rpm后，发动机泵机组正常启动序列程完成；正常启动序列过程中若出现发动机报警、发动机故障、回流调节阀故障、回流电动阀故障、回流电动阀偏差、出口阀故障、出口阀偏差等任一报警，都会导致起泵失败；再次起泵前，需要在站控系统上点击综合报警复位命令，将起泵失败报警状态复位，再重新顺序执行以上启动步骤。

2.2.2 正常停机序列

正常停机序列执行之前，泵机组需在“Ready to Start”状态，条件满足后，由站控系统下发正常停机序列命令，程序自动打开回流电动阀和回流调节阀；程序检测到回流电动阀全开、回流调节阀开度大于20%，程序自动下发泵出口阀关阀命令；程序将从出口阀离开全开位开始计时，25秒后自动执行发动机停机命令；当程序检测到发动机运行信号消失后，且发动机转速反馈小于600rpm，程序将自动下发回流调节阀和回流电动阀关阀命令；当程序检测到发动机泵机组没有运行信号、回流调节阀全关、回流电动阀全关，泵出口阀全关后，正常停机序列完成；正常停机序列过程中若出现发动机报警，发动机故障，回流调节阀故障，回流电动阀故障、偏差，泵出口阀故障、偏差等任一报警，都会导致正常停机序列失败，再次停泵前需要在站控系统上点击综合警复位命令，将正常停机序列失败报警复位，重新执行以上步骤。

2.2.3 故障停机序列

在UCP控制系统检测到泵或发动机保护参数达到停车设定值或系统发生故障时，故障停机序列将被激活，并由UCP将故障停机信号发送至站控系统PLC。故障停机顺序与正常停机顺序类似，只是没有冷却循环的步骤。

故障停机后，泵机组会自动启动润滑油系统和冷却系统，站控系统不参与故障停机后的控制，但可以通过站控系统画面监视相应的状态和参数。

2.2.4 紧急停机序列

发动机泵机组的紧急停机序列可由站控系统发出的紧急停输命令触发。

站控系统紧急停输被触发后，将由站控系统直接向UCP下发紧急停机命令。紧急停机序列触发后，泵机组将不会自动启动发动机的后润滑系统，并将立即停止发动机、润滑油泵、LOC风扇、散热风扇、热启动冷却液和润滑油泵及电池充电系统。

当泵机组完全停机后，UCP向站控系统发送紧急停车反馈状态，紧急停机序列完成。

3 结语

天然气驱动发动机解决了中缅原油管道输油泵的动力问题，同以往的电驱输油泵、燃气压缩机组不同，国内外几乎没有天然气发动机在输油管道中的应用案例可以借鉴。中缅原油管道站控系统实现了站控系统和天然气发动机泵机组间的通讯和数据采集与监控。管道自2016年投产以来，已安全运行三年时间。随着天然气发动机在节能减排以及大气污染防治方面的优势日益突出，相信天然气驱动发动机技术会在未来的长输油气管道建设中起到更大的作用。