板中北高点储气库自控系统及现场总线的应用

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1、板中北高点储气库自控系统及现场总线的应用板中北高点储气库自控系统及现场总线的应用张正友 周 亮 戴 滨中国石油天然气管道工程有限公司天津分公司 天津 300280摘要：摘要：本文简要叙述了板中北高点储气库现场总线的组成，着重介绍了各部分的功能、主要仪表选型及几点认识。关键词：关键词：板中北高点 自控系统 现场总线 仪表选型一、概述一、概述 板中北高点地下储气库是继大张坨地下储气库和板 876 储气库后，分别于 2003 年及 200 4 年分两期建成了第三个调峰储气库，该储气库由集注站、A、B 两个井场共 15 口采注井组 成。随着这几个地下储气库的建成投产，形成了 18.86 亿方的总有效工

2、作气量，标志着储气 库的调峰能力达到一个新的高度，为北京乃至整个华北地区的供气安全提供了可靠保障，具 有显著的社会及经济效益。 二、自控系统组成二、自控系统组成 我国气田地面建设经过几十年的发展已形成了一整套配套完善、工艺成熟、先进可靠的 技术，随着大张坨地下储气库和板 876 地下储气库的建成投产，在地下储气库建设上已取得 了许多成功的经验，对储气库注采分期进行、运行参数变化频繁、波动范围宽等特点有了更 进一步的认识；自控系统的设计，本着安全可靠、满足工艺操作、方便管理的原则进行，从 生产调度及管理上与目前已建陕-京输气管线的自控系统连成一体。由于近年现场总线技术 在仪表及控制系统上的应用日

3、趋成熟，为此在本工程中进行了一次有益的尝试。 板中北高点地下储气库(一期)自控系统由集注站站控系统、机组控制系统、A 井组 RTU 等部分组成，详见控制系统配置图，系统规模见下表。 板中北高点地下储气库 I/O 统计表 名 称AIAOFFHARTDIDORTDTE 集注站一期(FCS,ESD)78197522194 注气机组(两台)304783420166 A 井组 RTU31493119130 小 计684819202871920490 其中 FF 总线设备 81 台分别挂在了 8 条 FF H1 总线上。 1、集注站站控系统 板中北高点集注站站控系统包括 FCS（现场总线控制系统）、ESD

4、 及火气报警装置三部 分，其中 FCS 采用 EMERSON 的 DeltaV ，设两台操作站，两台操作站用以太网连接，其中一 台兼做工程师站；配置一台激光打印机 A3、一台针式报警打印机。 采用 A-B 公司的 CONTROLOGIX 作为独立的 ESD 系统，安全等级为 SIL2，当有联锁关断信 号时，ESD 系统按照关断逻辑发出关断命令，关闭相关的紧急切断阀、打开放空阀，按要求 启动消防设备，使生产装置处于保护状态。ESD 系统与 FCS 通讯，由 FCS 实现数据存储、报 警打印，未设独立操作站，设独立的声、光报警装置。 独立设置火气报警系统 F&G，当有可燃气体高浓度（20%）、超高

5、浓度报警信号（40%） 、火焰等报警信号时，进行声光报警，同时将报警信号传至 ESD 系统，由 ESD 进行相应地控 制。FCS 对储气库采气、分离、脱水、外输、注气机组状态、注气动态等整个生产过程实时 监控，进行动态流程画面显示、参数报警、历史数据存储、趋势显示、报表打印、人机交互 操作和设备管理。在操作站上显示工艺过程参数值以及工艺设备的运行情况，多画面动态模 拟显示生产流程及主要设备运行状态、工艺变量的历史趋势，操作员能够修改工艺参数的设 定点，并进行机泵设备的启停操作。除监控集注站的生产数据外，还要采集 A 井口阀组的工 艺参数，对井口阀组实施遥测、遥控。陕京线 SCADA 系统北京总

6、调度中心通过卫星与站控系 统通讯，调取储气库所有数据，亦可下达一些远程控制指令，由站控系统完成相应操作。此 外，另设一拨号 MODEM 为备用路由。为确保与陕京输气管道北京调度中心的通讯，专门配备 了一台 MODICON 公司的 E984-275，由此 PLC 完成与北京调度中心所有数据通讯。 管理站设一套独立的远程终端，集注站 FCS 通过光纤与之通讯，管理人员可在远程终端 上获取与 FCS 操作站相同的信息，具有与操作站上相同的操作画面，但不具备修改参数的权 限。 通过 FCS 上的设备管理系统 AMS，可以对所有 FF 总线仪表和 HART 仪表进行有效的管理 ，包括定期维护、故障诊断、

7、量程调整、参数设定、仪表型号、生产日期等信息，使设备管 理达到了一个新的高度，大大减轻了维护人员的工作量。由于做到了仪表故障的及时报警与 处理，大大降低了由此引发的故障停车和操作不稳定性对安全生产的影响。 2、压缩机组控制系统 注气压缩机组就地控制盘 LCP 由机组成套提供，LCP 设有彩色触摸操作屏，采用 A-B 公 司 PLC SLC-504，负责监控机组所有的运行参数，完成转速监测换算控制、启动停车控制、 加载卸载控制、机组保护报警并实施紧急停车，保证机组安全平稳运行。另外，LCP 接受站 控 PLC 的远方紧急停车命令，实施紧急停车。为保证命令可靠执行，停车命令未采用通讯方 式，而是通

8、过外部连线完成。设远程操作终端及主 PLC，远程操作终端显示动态画面、实时 及历史趋势图并打印，故障报警/事件记录打印、中文报表打印，通过该终端对整个机组进 行远程启停、参数修改、回路整定等。主 PLC 完成与站控系统的通讯，将所有注气压缩机组 配套的工艺参数传至站控系统 FCS，机组主要监测参数包括发动机、压缩机的润滑油压力、 温度、油位；润滑油过滤器压差；润滑油热交换器进出油温度、进出水温度；机身振动。发 动机水套水压力、温度，各缸温度及空燃比；中冷水压力、温度。压缩机工艺气进气压力、 温度、排气压力，各级气缸排气温度、压力，各洗涤罐液位。空冷器水套水进出水温度、中 冷水进出水温度、工艺气

9、进出口温度等。 3、A 井组 RTU 采用 A-B 公司 PLC SLC-504，用光纤与 FCS 进行连接，采用 ProfiBus DP 通讯方式。井 口 RTU 负责采集井口温度、压力、流量及太阳能供电电压等参数，完成注气流量的温压补偿 及累积运算，进行井口紧急切断阀的联锁关断控制。 4、紧急关断系统 紧急关断系统是维持整个工艺生产安全正常进行的重要保证，由一套具有 SIL2 等级的 PLC 完成该站的联锁保护。在每个注采井口、管线进出站等处设置紧急切断阀，站内设置了 放空阀。关断分为两级。一级为全系统关断，在重大事故发生时启动该级关断，如管线爆裂 、装置失火等，关断井口紧急切断阀、各站进

10、出管线阀门及站内工艺设施，以确保人员及设 施安全。二级关断为单个设备关断，当某设备出现故障且不影响系统安全运行时，关断相应 设备，否则实施全厂关断。井口设紧急切断阀，当井口管线回压升高或由于管线破裂压力降低时，井口切断阀动作，阀门关闭。井口紧急切断阀采用自力液压式反作用闸板阀，特殊设计的阀门结构，在执行机构出现故障时，阀板依靠管线内自身压力将阀门关闭，为失效安全性产品，符合 API 规范。切断阀除能根据其压力检测开关进行高、低压力自行关断外，还可由接受站控系统的关断命令实施远程关断。 5、雷击保护为避免雷击对自控系统的破坏，对进出系统的所有信号，均安装有防雷击保护端子，所 有信号电缆均使用屏蔽

11、电缆，并做了可靠接地。对通讯电缆进行全程穿管保护。其次，对电 源供电回路设置了浪涌保护端子，可以有效的防止从电源引入的干扰。通过以上措施进一步 保证了储气库自控系统在任何恶劣的天气下安全、稳定地工作，未出现任何雷击损坏现象， 运行可靠。 三、主要仪表选型三、主要仪表选型 1、进出站天然气流量计量由于进出站计量为双向计量，采用了气体超声波流量计，该型流量计已在天然气计量中普遍采用。此种流量计是 90 年代以来被气体工业界接受的最重要的流量计量器具之一，由于它具有准确度高和维护费用低的特点，国外天然气工业在贸易交接，气体分配、调和、控制和检漏等方面得到了广泛采用，且国内外已有相应地使用及检定标准规

12、范，已有多个国家的政府机构批准气体超声波流量计为法定计量器具，在我国也取得了计量器具型式批准证书，已得到普遍应用。超声波流量计与孔板流量计相比有以下优点：（1）量程比大(40:1160:1)，计量精度高(0.5%)。在大管道的天然气输配计量中，需要多套孔板流量计才能覆盖的流量范围，用较少数量的超声波流量计就可以覆盖，不但节省计量仪表的投资，还减少配套的大口径工艺阀门的数量，减少占地空间降低投资。（2）超声波流量计的压力损失小。孔板流量计以压损大而著称；而气体超声波流量计由于没有阻挡件，压力损失仅相当于一段管道的压损，可以节约气体的输送能耗。（3）仪表造价受管径变化的影响小。对于孔板流量计，随着

13、口径的增大，检测件造价及安装成本大幅度提高；而气体超声波流量计的检测件制造成本于口径大小的关系仅相当于管道价值的增加，因此它是一种特别适用于大口径的仪表。（4）维护量小。在现场恶劣的工作条件下，孔板的节流装置、差压变送器、引压管路及可换孔板节流装置有很大的维护量；而气体超声波流量计无可动部件，检测件比较牢固，维护工作量很小，可做成插入式探头，在不断流情况下取出维修。（5）上下游的直管段要求短(前 10D，后 3D)，减少了占地面积及安装要求，进一步降低了安装费用。（6）双向流量检测。在需要进行双向流量检测的场合，气体超声波流量计无须做任何调整就可以进行测量，而孔板流量计需要调换孔板的方向或开关

14、为实现双向计量而设置的工艺管路阀门，调换方向则必须停产进行，影响生产；而超声波流量计可在线完成。特别是由于受管容的影响，流动方向变换非常快，因此气体超声波流量计更适用于储气库工程的流量计量。（7）随着智能技术和诊断技术的进一步提高，可实现流量计的在线故障诊断及工作状态的检测，延长标定周期，进一步降低维护费用。 2、站内天然气及凝液流量集注站天然气及凝液流量检测采用了智能靶式流量计，该流量计具有测量范围大、量程 比宽、耐冲击、无可动部件、使用寿命长等特点，由于特殊设计的靶片结构，使其具有很高 的耐冲刷能力。经现场运行后，实际应用效果良好，工作稳定、可靠。由于该仪表暂不支持 FF，与系统的连接采用

15、了点对点的 HART 总线。除连接电缆较 FF 多一些外，其它功能与 FF 基本相同，在 FCS 操作站上同样可以进行仪表的量程调整及参数修改等，操作非常方便。 3、调节阀调节阀采用气动薄膜调节阀，由 FF 总线电气阀门定位器完成电气转换，控制功能由定位器完成。定位器除完成常规控制功能外，还可对调节阀在线进行故障诊断、性能测试等，并将诊断测试信息送往控制系统，操作人员通过操作站可以随时了解调节阀的工作情况，从而避免了由其引起的故障停车，进一步提高了系统的可靠性。净化后的压缩空气做调节阀气源。对压降较大的 J-T 阀及外输阀均采用了平衡式降噪阀芯的调节阀，工作稳定，基本无噪音产生，大大改善了工作

16、环境。4、注气流量计量井口天然气注气流量检测采用了同已建成的大张坨及板 876 储气库相同类型的威力巴管 配智能差压变送器的型式，由井口 RTU 完成注气流量的温度、压力补偿计算及累积计算。 5、电动执行器 电动执行器均选用了 FF 总线型执行器，与 FCS 进行数字通讯相互传递信息，与传统执 行器相比，大大减少了与系统的连接电缆，传送信息大大增加，增强了对阀门的控制能力。 6、ESD 部分信号连接 ESD 部分的仪表与其间的信号连接仍采用了传统的点对点连接方式，即：硬线 DI/DO 方 式，而没有采用总线型式，这也是规范不允许的，并按照失效安全性原则进行设计。 四、几点认识四、几点认识 1、现场总线对施工方来说，明显减少了工作量和工期。原本从现场接线箱到控制室需要敷 设四十余根 20 芯电缆，采用现场总线后只需敷设 10 根 2 芯电缆(8 根总线、2 根电源线)， 不仅降低劳动强度，而且大量地节省了端子接线、校对、调试的工作量和时间。 2、对于设计方，现场总线已不是传统上的点对点的信号传输，而是网络布线设计，现场仪 表、集线器、控制器(D