长输原油管道压力调节与保护探讨
2014-12-23孙佳琳王子复储继伟
孙佳琳 王子复 储继伟
摘要：长输原油管道是靠压力把不同的油品输送到各炼化企业。高凝固点的油品还需加热，降低粘度，加压运行，压力调节与保护是长输管道平稳、安全运行的关键。文章通过对站场压力调节与保护、系统压力保护设备功能的阐述，进一步明确了各调节设备的功能和控制作用，以期保证原油在长距离管道平稳顺利地运行。
关键词：长输原油管道；压力调节；压力保护；调节阀；调速电机；双机在线
中图分类号：TE88 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）36-0088-03
伴随着国家经济的转型、环境管理的需求，长输管道的平稳运行至关重要。关键因素之一是系统的压力自动调节和保护。长输管道长至几百、几千公里，平均几十公里到几百公里设置一个输油泵站，运行多采用跨地区多点的集中控制，即在中心控制室对不同地区的泵站进行远距离设备操作。根据工艺和输送任务要求对系统运行参数进行设定，通过控制系统、输油泵机组、调节阀、调速电机对压力进行调节，使系统从一个输量上升或下降到另一个所需输量，完成输送油品的任务。这期间，会有管道阀门误关、地震等意外因素，SCADA系统设置了泵站和系统压力超限保护功能。
1 压力调节保护系统
自动控制系统采用以计算机为核心的监控和数据采集（SCADA）系统，各站场采用PLC控制，完成对全线各工艺站场和远控线路阀室的监控任务。它们之间通过广域网连接，完成主要工艺参数、设备的监控和保护、进出站压力调节、全线水击超前保护、ESD等功能。
2 压力调节控制机理
长输管道的压力控制，如泵站泵入口汇管压力、出站压力、管道干线背压为双信号选择性闭环控制系统，采用低选原则。分输压力等为单信号闭环控制系统。设定值确定后，系统输出量以一定的调节特性接近设定值，站控调节系统通过输出量同设定值的偏差对系统进行控制。
3 压力控制调节设备
3.1 调节阀
长输原油管道各站出站均设置出站调节阀，等百分比流量特性，执行机构为电液联动调节型执行机构。调节设定值由调控中心给定，经调控中心授权后可由站控系统给定，控制权限的变更、手动/自动和就地/远程的切换不应影响调节阀的正常调节，实现无扰动切换。
3.2 调节阀保护控制
3.2.1 出站调节阀设置为输油泵入口汇管压力和出站压力的选择性调节既能控制出站压力，又能控制输油泵入口汇管压力。
3.2.2 背压调节阀控制干线进站压力，同时对背压调节阀后压力进行监控，以进站压力和阀后压力为调节参数，也为选择性控制回路。当进站压力低于设定值时进行自动调节，控制进站压力在设定值以上。当阀后压力达到设定值时，调节阀控制系统调节回路自动切换为下游压力保护调节，保证阀后压力不超高，控制阀后压力。
3.2.3 分输、注入调节阀设置为调节阀出口压力的调节（分输调节阀设置为分输流量调节，分输压力保护），均根据调节阀后压力设定值进行自动调节。
调节阀均具有自动逻辑调节和手动阀位调节两种模式。出站调节阀设有10%阀位限制功能，分输流量调节，分输压力保护，均根据调节阀后压力设定值进行自动调节。调节阀均具有自动逻辑调节和手动阀位调节两种模式。出站调节阀设有10%阀位限制功能。
3.3 调速电机
调速电机是通过变频系统实施压力的调节控制。通过变频器进行电机转速的改变，变频器的检测和控制参数包括变频器遥控状态、变频器运行状态、变频器允许启泵状态、预启动命令、启动命令、电机转速控制及变频器故障状态和变频电机电流等。
调速电机与出站调节阀的调节功能相同，均对输油泵入口汇管压力和出站压力进行自动调节。
4 控制调节方式
4.1 单机运行
管道启输前主调节阀前后截断阀开启，给拟投用调节阀赋初始设定值，设定为自动调节模式。调节阀切换时给拟投用备用调节阀根据进出站压力赋初始设定值，无扰切换，开启备用调节阀前后截断阀，关闭在用调节阀，在用调节阀关闭后关闭其前后截断阀。
调节阀与调速电机不同时在线调节，选用调速电机进行压力调节，调节阀设为远方手动。反之亦然。正常情况下调速电机自动调节，调节阀处于手动全开状态。当调速电机工频运行时，调节阀投自动，调速电机变频器处于远方手动状态。
在输油泵的入口汇管和出站端分别设置压力变送器（冗余），进行压力检测。假定出站调节阀（变频调速泵）的出站压力调节设定值为SP2，输油泵入口汇管压力调节设定值为SP1，出站压力为P2，输油泵入口汇管压力为P1。压力调节如下：当P2 该调节方式为选择性调节控制，任何情况下，出站调节阀优先选择关（变频调速泵优先选择降低转速）。 4.2 双机在线 双机在线解决了由于控制室操作人员人为切换不及时，造成系统不稳定运行的问题，同时解决了管道的低输量运行，进、出站压力由于调节器PID的参数选择局限造成的系统压力的过调或跟不上调节的问题。 管道启输前出站压力为P2，输油泵入口压力为P1。主调节阀出站压力设定值为SP2，输油泵入口压力为SP1，备用调节阀出站压力设定值为SP2+△Y，△Y为出站压力设定值的变化量。输油泵入口压力设定值为SP1-△X，△X为进站压力设定值的变化量。两调节阀或调节阀和调速电机同时在线运行。 进出站压力设定值的选择：即当△X、△Y>0时，出站压力△Y应为运行压力的3%～5%，进站压力△X应为运行压力的2%～3%。根据输量需求进行设定。该种方式为区间调节。即当主调节阀对进、出站端的压力调节出现问题时，备用调节阀根据设定值需求自动投入运行，即主调节阀遵循单机运行的原则。备用调节阀（或调速电机）为：当P2
4.3 辅助系统的调节
4.3.1 注入系统压力调节。出站调节阀设在注入泵出口汇管上或注入泵配置了变频调速，可以给定开度（转速）或根据输油泵入口汇管压力和出站压力进行自动调节。
4.3.2 进站背压保护调节。进站背压调节阀设在进站阀和罐区之间，可根据进站压力进行自动调节，同时对背压调节阀后压力进行监控。
5 压力保护
5.1 站场保护功能
5.1.1 输油泵进、出口汇管压力，出站压力保护。输油站输油泵入口汇管、输油泵出口汇管、出站端设有压力变送器（冗余设置），当压力超过停泵定值时实施保护停泵，顺序停泵。
5.1.2 进、出站阀组联锁保护。当进行清管器接收、发送作业时不能同时关闭进、出站阀组，需实现互锁。即进、出各三台电动阀，其中两台关闭，另一台电动阀离开开阀位，进行软件锁定。
站控机将站综合关闭信号报警上传至调控中心，报警延迟20秒仍不在全开位置或阀门开度小于85%，自动触发全线紧急停输。
5.1.3 高、低压泄压阀泄流保护。调节阀和出站阀门之间安装高压泄压阀，用于保护本站出站端的设备、管线和出站下游侧的干线。出站压力高于高压泄压阀定值，高压泄压阀动作泄流，出站压力低于高压泄压阀定值自动停止。泄压阀出口管线直接接入泄压罐，正常生产时泄压罐入口阀门常开，保证泄压管线的畅通。
5.1.4 进站压力保护。进站ESD阀前冗余压力变送器设进站压力高报警、高高停输设定值。当进站压力达到报警设定值时，进行压力高报警，进站压力超高高全线立即停输。
5.2 系统保护
5.2.1 ESD系统保护。紧急停车（ESD）系统主要用于使工艺过程从危险的状态迅速脱离。保障管道能够在紧急的状态下安全的停输，同时使系统安全地与外界截断不至于导致故障和危险的扩散。
站场一旦发生火灾、泄漏以及管道沿线发生洪水、地震、第三方破坏等事故均会危及整个管道的安全运行，需要实现紧急切断。
ESD控制命令为最高优先级，均可直接到达被控设备，并使它们按预定的程序动作，实现全线紧急停输功能。ESD系统具备ESD锁定及复位功能。
5.2.2 水击超前保护。系统采用了停泵和保护调节的方法进行水击超前保护，即在泵站突然全停泵或部分停泵时，远控干线截断阀和站场引起工艺流程堵塞的阀门误关（离开全开位）时，水击保护系统自动下达水击保护指令，采取调节阀和调速电机的保护性调节或顺序停掉各站部分或全部输油泵等措施，以防止管线系统超压或高点汽化。
以调控中心水击超前保护为主控，各站控系统PLC作为从控，组成站间联动的水击超前保护系统，通过获得水击信息并发出控制指令。
压力调节和保护系统是长输管道平稳运行的关键设备。功能的正常操作和在线，不仅能保证管道的平稳，又能确保系统安全可靠运行。
参考文献
[1] 中国石油天然气总公司.石油地面工程设计手册（第四册）——原油长输管道工程设计[M].北京：石油大学出版社，1995.
[2] 输油管道工程设计规范（GB50253-2003）[S].
作者简介：孙佳琳（1987-），女（满族），沈阳惠东控制有限公司技术员，研究方向：自动化控制系统技术管理及技术研发；王子复（1975-），男，沈阳惠东控制有限公司工程师，研究方向：自动化控制系统技术管理及研发；褚继伟（1966-），男，中国石油管道公司沈阳调度中心工程师，研究方向：长输原油管道的运行技术管理及研发。
