天然气输送自动化与自动化控制技术研究

天然气输送自动化与自动化控制技术研究

陈智迪

湖北省天然气发展有限公司   湖北省  430000

摘要：我国是一个人口大国，对能源需求量逐渐增加。由于天然气管道输送的工作效率高、安全、容易制造的性能特点，在天然气生产现场、运输工作中得到广泛运用。而在天然气长输过程中运用自动化技术，可有效全面提升管道运输的效率与质量。通过对当前天然气管道输送中自动化技术运用的现状分析，阐述天然气运输过程中运用自动化技术的应用基础，对促进自动化技术的发展提出相关策略。

关键词：天然气管道运输；自动化输送；自动化控制

引言

目前，我国天然气的主要运输方式是依靠管道运输，自动化技术能够最大化的发挥管道运输的工作效率，并且最大化的节约成本。虽然说天然气是十分清洁的能源，但是其本身依旧具有易燃易爆等危险的特点，因此，其在运输中就必须保证天然气管道运输的安全性。随着科技的发展，我国各方面都步入了自动化，自动化应用在了各个方面，天然气管道的运输也加入了自动化的控制以及管理技术，从而更好的满足新时代生产的需求。

1.系统功能需求

1.1场站供气现状

公司目前场站供气计量支路的设计有两种：一是只进行调流不进行调压的计量分输撬块，此时要求下游的运行压力范围须与公司分输运行压力范围匹配，计量精度满足要求（流程见下图）。

   另一种为调压调流计量分输撬块，下游用户的运行压力较低，场站负责将压力调至其运行压力区间，供气期间仍需满足计量精度要求。

根据调度对于场站供气的要求，下游用户计划完成、暂停供气或瞬时流量低于流量计最佳工况的下限值时，须依次关闭流调阀及计量支路进出口球阀，防止流调阀内漏而产生计量偏差。

由于公司下游管道储气调峰能力差异性大， 大部分下游用户需要依赖公司管道对其进行日调峰甚至小时调峰，为保证输气时流量在调控中心规定的范围内，场站值班人员就必须每日开关阀门数次。

另一方面由于场站分输供气参数设计值过大，导致流调阀选型偏大，流调阀控制精度低，每1%阀位对应的瞬时流量波动大，场站为确保设备安全及满足计量精度要求供气期间采用人工手动多次调流的方式进行操作，不仅工作量大，操作要求也高，特别是对于分输采用涡轮流量计计量的场站，操作不当就可能导致涡轮流量计的损坏。

每日输气开关阀操作次数分输站普遍偏多，70%的分输站在每次开关阀供气期间还需要到现场进行调流的操作；多路分输的接收站比单路分输的接收站操作难度大、次数多，个别场站每次至工艺区操作的次数超过20次。导致场站大部分时间在忙于供气的开关阀及调流操作，工作量大，操作期间还需要有人监护，人力资源浪费严重，弱化了对输气生产数据的监控，有必要对站控系统进行进一步优化改造，实现远程控制自动分输功能，使场站一方面能够实现少人值守，另一方面能够将大部分精力放在对于运行状态参数监控和场站设备维护及消缺上，提高工作效率的同时保障了生产安全。

1.2场站分输功能需求

公司输气场站在日常生产中最重要的工作任务是平稳经济高效的完成每日输气计划。为实现少人值守的管理目标，就必须对现有自控系统进行升级改造，满足场站日常生产操作实际需求，重点是实现自动分输功能，并在系统中加入新的分输功能相关的报警逻辑和报警点，一旦有报警可以提示值班人员迅速做出反应、及时处理。

自动分输功能实现的最佳工况是供气点上游气源能够提供稳定的压力及管存，供气过程中压力波动小，同时要求下游具备较好的储气调峰能力或供气期间能够保证其用气瞬时流量满足流量计计量精度要求，无论哪种类型场站在自动分输功能实现时都需要将上下游的工况进行优化，尽量能够满足最佳工况。

根据分输功能的要求，场站需要将分输撬块分输支路的出口手动球阀更换为电动球阀（条件允许将过滤分离撬块、调压撬块的主备支路的出口阀也更换为电动球阀可实现全站输气流程的远程切换），在站控系统逻辑中加入流量计算机的报警联锁功能，防止出现故障时，系统仍在分输，造成分输计量错误；增加流量提醒功能，当分输流量超出正常运行区间时，系统能够及时提醒；优化流调系统PID功能，使系统能够根据现场的实际情况和设定值实现对下游用户的自动分输功能；增加计划量即将完成时的报警功能，提醒值班人员计划量即将完成，需要执行阀门的远程关闭和记录工作。

2.系统功能逻辑及优化

2.1场站功能逻辑

（1）压力调节自动分输逻辑

压力调节自动分输功能是通过比较分输支路流调阀下游的压力值与PID设定值之间的差值，自动进行流调阀开度调节的动作，使下游管道压力值与设定压力值的偏差在一定范围内，从而实现分输支路在设定压力值附近稳定供气。

压力调节逻辑：在压力调节阀设置为自动控制且进行压力调节的情况下，将分输路流调阀下游压力变送器采集到的压力值与PID控制器中的压力设定值，通过P（比例）、I（积分）、D（微分）三个与调节灵敏度相关的参数进行微分和积分的运算，得到系统的偏差值。

在PID控制系统中，PID控制器一般是有比例单位P、积分单元I和微分单位D组成，其输入e(t)与输出u(t)的关系为u(t)=kp(e(t)+1/Ti∫e(t)dt + Td•d e(t)/dt)，式中积分的上下限分别为0和t，因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)= kp(1+1/(Ti•s) + Td•s)，其中kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。

若计算出系统的偏差值小于正常偏差（调试时根据现场实际情况设置），则认为阀门已经调节到位，流量基本满足进出平衡，下游压力保持在设定压力值范围内。

为确保公司输气时瞬时流量满足流量计计量精度要求，日常输气时，应根据经验设置流调阀阀门开度最小值与最大值。阀门开度最小值是为了使输气时瞬时流量在分界流量以上，保证输气精度；控制流调阀阀门开度最大值可以防止阀门开度过大造成气流瞬时流速过大而顺坏涡轮流量计，或瞬时流速超过超声波流量计流速上限（30m/s）而导致超过流量计计量上限（逻辑图如下）。

图1  压力PID调节逻辑图

（2）流量调节自动分输逻辑

流量调节自动分输功能的基本原理与压力调节分输功能类似，通过比较输气路流量计算机采集的瞬时流量值与PID中设定的流量值，自动进行流调阀的阀门开度调节，使流量计算机采集到的分输瞬时流量与流量设定值的偏差保持在正常范围内，从而使输气在设定的流量值附近自动进行。

流量调节逻辑：在流调阀设置为自动控制且进行流量调节的情况下，将采集到的流量计算机瞬时流量值与PID控制器中的流量设定值，通过P（比例）、I（积分）、D（微分）三个与调节灵敏度相关的参数进行微分和积分的运算，得到系统的偏差值。

若计算出系统的偏差值小于正常偏差（调试时根据现场实际情况设置），则认为阀门已经调节到位，流量保持在设定流量值附近；若偏差值超出范围，则自动进行阀门的调节动作。恒流调节与恒压调节类似，也需要设置阀门的最大最小开度，确保输气精度及防止瞬时流速过大。

图2 流量PID调节逻辑图

（3）阀位调节分输功能

  阀位调节分输是流调阀最基本的功能，不涉及到PID控制逻辑。该项功能的实现主要是根据场站日常操作的经验，了解了流调阀在相似工况下不同开度下对应的经验瞬时流量值。

当需要分输供气时，值班员（调度员）通过站控（调控）系统控制阀门直接调节至相应的阀位。

3.结语

我国天然气管道运输自动化程度已经达到国际先进水平，但仍有不足，在自动化控制技术方面仍有提升空间。在西气东输、川气东送的建设下，在我国东部地区经济高度发达，西部地区天然气资源储备丰富的国情下，保障我国天然气运输的稳定、高效，保证运输线路全线的安全成为重中之重。所以，进一步提高天然气管道运输自动化工作效率，钻研自动化工作技术，更新自动化工作系统，都是奋斗在一线的工作人员急需解决的重大任务。目前天然气已经成为我国拉动经济增长的宝贵资源，天然气的输运技术需要不断更新迭代，才能更好地适应我国国情，为我国经济的发展持续输出动力。

参考文献

[1]朱荣.关于天然气管道自动化控制技术探讨[J].石化技术,2019,26(07):292+294.

[2]亓洪兴，李正文，杨一德，等.机载红外天然气管道泄漏监测技术研究[J].红外，2009（3）.

[3]魏广锋.试论如何提高天然气管道输送自动化技术水平[J].中国化工贸易，2012（9）.