自动控制系统在地下储气库中的设计

李晶晶

中油辽河工程有限公司

我国的地下储气库安全问题日显突出。地下储气库如果出现气体泄漏，将对地下储气库生产和工作人员安全构成巨大威胁，严重的事故对周边的建筑物、人身安全等也会造成伤害。自控系统是储气库生产中的主要工作系统之一，在储气库安全生产、平稳生产中占有重要地位。自动控制系统，对地下储气库安全可靠运行、降低事故风险，具有重要的现实意义，将会带来巨大的间接经济效益。

概述

由于我国的天然气资源分布不均衡，近年来在部分地区出现了“气荒”现象。为了平衡我国季节性用气不均衡性，国家能源局于2010年大力推进国内天然气储气库建设工作，增强用气高峰时段的调峰能力。

以辽宁为例，据统计，辽宁省的天然气市场需求在东北地区最大，基本上相当于黑龙江和吉林省的需求之和，其中最主要用气负荷集中在沈阳、大连、盘锦、辽阳、抚顺等城市。据辽河油田预测，对天然气的年需求量最高可达28 亿m3/年，可替换重油约220 万t/年。

为满足天然气管道沿线市场冬、夏季调峰气量的需求，需建设地下储气库。

1.综合控制系统结构要求

包括以下主要控制系统：

（1）集注站DCS 控制系统；

（2）集注站紧急切断系统（即ESD 系统）；

（3）井场RTU 系统；

（4）线路截断阀室RTU 系统；

（5）联合站PLC 控制系统。

集注站DCS 系统和ESD 系统的用房主要有中控室、机柜室、UPS 室等。中控室、机柜室、UPS 室设置防静电活动地板。为保证计算机系统的正常运行这些房间配备了空调设备。其房间的温度及湿度如下。

温度：冬季在20±2℃，夏季在26±2℃，温度变化率小于5℃/h；

相对湿度：15%～85%。

井场和线路截断阀室设置RTU 控制系统的用房为机柜室，机柜室内不设置采暖设施和空调。

RTU 系统放置在室外露天，安装位置在1 类2 区区域。

联合站设置PLC 控制系统的值班间，值班间内设有采暖设施。

2.各个控制系统间的通讯与控制

井场设置RTU 控制系统，实现井场无人值守。RTU完成对所在井场工艺参数的检测、控制、联锁保护等功能。RTU 采用以太网接口通过光缆与集注站的控制系统进行通信，通信协议采用TCP/IP 协议。RTU 完成对所在井场的温度、压力、流量等工艺变量进行数据采集和处理；对油、气、水的计量；对电力相关变量的监控；通过安全栅对危险区域的防爆安全控制；逻辑控制；联锁保护；对可燃气体泄漏和火灾的监视与报警等功能；同时将数据上传集注站的DCS 系统，并能接收ESD 系统的紧急关断命令。

集注站站控系统由分散型控制系统（即DCS 系统），紧急切断（即ESD）系统和火&气系统组成，接收井场RTU 和线路截断阀室RTU 的数据。集注站站控系统通过以太网接口采用光纤向、联合站发布井场生产数据。集注站站控系统通过专用数字电路将生产数据上传至倒班公寓及综合办公基一级控制：倒班公寓及综合办公基地的调控中心以通讯方式对井场、集注站和线路截断阀室进行监控；

综合计算机控制系统控制分为三级：

一级控制：倒班公寓及综合办公基地的调控中心以通讯方式对井场、集注站和线路截断阀室设备进行监控；

二级控制：井场、集注站和线路截断阀室控制系统对现场设备进行监控；

三级控制：在现场进行操作。

集注站作为整个工程的控制中心完成对生产过程的数据采集、监控、顺序控制、联锁保护、计量、运行管理，确保生产安全、可靠、平稳、高效和经济地运行。

集注站设置一个中控室，实现对整个储气库的操作和管理。主要实现：系统服务器持续扫描所有井场RTU 的数据、状态、报警信息、检查数据的有效性并更新数据库、完成对集注站有关信息的传送、接收和下达执行命令；提供最新的报警状态及可选择的实时及历史报警记录。系统服务器数据库为各操作站提供持续的数据获取服务；完成所属井场开、关控制；紧急关断指令下达；及时关断所属井场、安全阀、井场进出口切断阀等。

集注站通过光纤网接口与井场和线路截断阀室进行通信；井场、集注站和线路截断阀室的数据通过通信服务器和WEB操作站采用冗余通信信道与主调度中心进行通信，主信道为专用光纤，备用信道为公网数字电路，采用专用光纤与廊坊备用调度中心进行通信。

集注站的ESD 系统完成本站的紧急停车，同时接受调控中心下达的ESD 命令。紧急停车（ESD）系统是保证集注站安全的逻辑控制系统。ESD 系统命令优先于任何操作方式。ESD 子系统是当过程参数越限、机械设备故障、系统自身故障或能源中断时，ESD 系统能自动——必要时也可手动地产生一系列预先定义的动作，使得工艺装置与操作人员处于安全状态。

对集注站而言，除站控制系统ESD 外，还包括随压缩机组成套提供的压缩机组控制系统（UCP）的ESD。该系统用以完成压缩机组安全的逻辑控制，它将由独立的控制单元构成，通过网络和硬线与ESD 系统连接。

根据危险程度的不同，ESD 系统分为四级。

L-0 0 级关断：为装置放空关断（着火事故，全厂关断）；

L-1 一级关断：为装置不放空关断（非着火事故，全厂关断）；

L-2 二级关断：为单元系统关断；

L-3 三级关断：为设备关断。

ESD 系统动作可手动（调控中心、中控室中的ESD手动按钮、UCP 上的ESD 手动按钮）或自动（中控室ESD 系统或UCP 的ESD 系统信号）触发。无论ESD 命令从何处下达及UCP 处于何种操作模式，ESD 控制命令均可直接到达被控设备，并使它们按预定的顺序动作。

所有ESD 系统的动作将发出闭锁信号，使集注站压缩机组、站场ESD 阀门在未接到人工复位的命令前不能再次启动。

控制系统建成后达到的控制水平如下。

在井场和线路截断阀室可实现自动控制，无人值守，过程参数上传至集注站控制系统，可接受集注站控制系统下达的远程命令。系统运行平稳后可由倒班公寓及综合办公基地的调控中心进行适度调整，但不能控制开井数量。

集注站站控系统可实现对集注站各装置的过程控制和安全联锁保护，并接受来自井场和线路截断阀室部分上传的数据，同时可向各井场和线路截断阀室下达远程命令。

储气库综合计算机控制系统自动、连续地监视和控制储气库各站场的运行，实现储气库各井场、集注站和线路截断阀室部分的生产、管理网络化和数字化。

3.系统在储气库各部分功能与作用

集注站采用DCS 系统，并配有独立的ESD 子系统。

DCS 完成对储气库生产过程参数的采集、显示、报警、控制、联锁和工艺流程自动切换等功能。除完成对集注站的监视控制及生产管理任务外，还作为SCADA 系统的现场控制单元，负责将有关信息传送给监控中心并接受和执行其下达的命令。其主要功能有：对现场的温度、压力、流量、液位等工艺变量进行数据采集和处理；对油、气、水等进行计量；对电力设备相关变量的监控；逻辑控制；联锁保护；对可燃气体泄漏和火灾的监视与报警；紧急关断控制；显示动态工艺流程；显示各种工艺参数和其他有关参数；显示报警一览表；显示实时趋势曲线和历史曲线；打印报警和事件报告；打印生产报表；数据通信管理等。

ESD 子系统是当过程参数越限、机械设备故障、系统自身故障或能源中断时，ESD 系统能自动--必要时也可手动地产生一系列预先定义的动作，使得工艺装置与操作人员处于安全状态。

集注站通过光纤网接口与井场和线路截断阀室进行通信；井场、集注站和线路截断阀室的数据通过通信服务器和WEB 操作站采用冗余通信信道与北京主调度中心进行通信，主信道为专用光纤，备用信道为公网数字电路，采用专用光纤与廊坊备用调度中心进行通信。生活基地管理部门经WEB 操作站开发授权后，通过网络访问，实现生产数据的监视。

RTU 采用以太网接口通过光缆与集注站的控制系统进行通信，通信协议采用TCP/IP 协议。RTU 完成对所在井场的温度、压力、流量等工艺变量进行数据采集和处理；对油、气、水的计量；对电力相关变量的监控；通过安全栅对危险区域的防爆安全控制；逻辑控制；联锁保护；对可燃气体泄漏和火灾的监视与报警等功能；同时将数据上传集注站的DCS 系统，并能接收ESD 系统的紧急关断命令。

RTU 结构紧凑，适合在恶劣环境下长期稳定地工作。RTU 集成功能强大的处理器、大容量的内存、丰富的通信接口，并内置智能I/O。

结语

天然气地下储气库是种新型的气体储存方法，在国际上已有几十年的历史，而在国内天然气地下储气库的发展很缓慢。但10年来经过不断努力已经积累一定经验，有了相应的设备和技术，随着自动控制系统的发展必然更上一层楼。