天然氣管道壓縮機自動控制技術(shù)解析
摘要
天然氣長輸管道壓縮機的功能是給天然氣增壓以維持所要求的輸氣流量，操作控制方式分為遠程控制和就地控制。因為設(shè)備、控制邏輯等因素，目前大部分站場仍采用中心調(diào)度下令，現(xiàn)場人員就地操作的落后調(diào)控模式，造成管道現(xiàn)場需配置大量的人力用于管道的監(jiān)視與操作。為了確保輸氣管網(wǎng)運行控制的靈活和可靠，需要設(shè)計一種控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對壓縮機的復(fù)雜控制和操作。
關(guān)鍵詞：天然氣；壓縮機；自動控制技術(shù)
1 天然氣壓縮機自動操控體系作業(yè)原理
壓縮機（Compressor），是將低壓氣體提升為高壓氣體的一種從動的流體機械，是工業(yè)生產(chǎn)的核心設(shè)備。壓縮機組控制系統(tǒng)實際上是一套以PLC控制技術(shù)為核心，用于機組邏輯順序控制，PID控制，實時數(shù)據(jù)處理，報警停機保護，聯(lián)網(wǎng)通訊的自動控制系統(tǒng)，可完成機組及其輔助系統(tǒng)（空冷器系統(tǒng)、干氣密封系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)等）的控制。
天然氣長輸管道由于管線的阻力原因，需要間隔一段距離設(shè)置一個增壓站以保證長輸管線具備足夠的輸氣能力。為保證管線在各種運行工況（輸氣能力）下輸氣的連續(xù)性和管線運行的可靠性，在增壓站中的壓縮機組的設(shè)計和安裝上，通常采用N+1的機組配置方案。
在增壓站壓縮機組的選擇方面，主要有兩種形式的壓縮機組用于長輸管線：往復(fù)式壓縮機組和離心式壓縮機。離心式壓縮機的單機輸氣量大、運行易損件少、長期使用維護工作量小，在天然氣長輸管線增壓站中得到廣泛的應(yīng)用。
由于天然氣壓縮機是一個連續(xù)的作業(yè)進程，壓縮機機組控制中，通常采用高性能PLC控制技術(shù)作為控制系統(tǒng)，用以保障壓縮機組的基本控制功能，和安全控制性能。
2自動控制系統(tǒng)
2.1 管道壓縮機控制系統(tǒng)
長輸天然氣管道壓縮機的功能是給天然氣增壓以維持所要求的輸氣流量，操作控制方式分為遠程控制和就地控制。因為設(shè)備、控制邏輯等因素，目前大部分站場仍采用中心調(diào)度下令，現(xiàn)場人員就地操作的落后調(diào)控模式，造成管道現(xiàn)場需配置大量的人力用于管道的監(jiān)視與操作。為了確保輸氣管網(wǎng)運行控制的靈活和可靠，需要設(shè)計一種控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對壓縮機的復(fù)雜控制和操作。
2.2 PLC控制技術(shù)
在科技的不斷發(fā)展下，可編程控制技術(shù)，即PLC控制技術(shù)以及愈發(fā)成熟，其主要是在原有的順序控制器的基礎(chǔ)上，與計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)相結(jié)合，從而成為了新一代的工業(yè)控制裝備，其具有使用方便、編程簡單、適應(yīng)面廣、抗干擾能力強等優(yōu)點。其內(nèi)部主要是采用循環(huán)掃面的工作方式，可以在大型或者中型的PLC控制系統(tǒng)中增加中斷工作的能力。相較于繼電器而言，在性能上有了很大的提高，并且不會輕易受到環(huán)境的影響，在自動化控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。所以，本次天然氣壓縮機的自動化控制技術(shù)主要是將繼電器與PLC控制技術(shù)相結(jié)合，通過這樣的方法，不僅讓壓縮機具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、電氣少、易檢修的優(yōu)點，還能在此基礎(chǔ)上讓設(shè)備使用更加惡劣的工作環(huán)境，降低生產(chǎn)成本。
2.3 工藝需求
在天然氣壓縮機中，安裝PLC控制系統(tǒng)能實施自動化控制。但是在進行系統(tǒng)的設(shè)計過程中，要注意其需要滿足天然氣壓縮機的工藝需求，讓自動化控制系統(tǒng)能夠正常運行。若是想讓自動化系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，就需要單臺或若干臺壓縮機組在工作中不會出現(xiàn)故障問題，并且壓縮機的自動閥門在控制中能夠保證正常關(guān)閉，其設(shè)備也能遵循工作人員的控制進行開啟與停止。
由于工作人員實行的是遠程自動化控制，不能隨時隨地觀察設(shè)備的運行狀態(tài)，就需要工作人員能夠充分掌握設(shè)備運行時正常的參數(shù)變化，若是其數(shù)據(jù)變動存在異常，需要有專業(yè)人員能夠及時檢修，從而實現(xiàn)天然氣壓縮機自動化控制的正常使用。
3 控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1主性能控制
對于1個壓縮機站來說，性能控制在站主控制器內(nèi)實現(xiàn)，站主控制器計算出口壓力、壓縮比，或流量與其設(shè)定點的偏差的比例、積分、微分（PID）響應(yīng)，并將此響應(yīng)傳遞給負荷分配和防喘振控制器。每臺負荷分配控制器將接收到的站主控制器的響應(yīng)變化，從而提高或降低壓縮機的流量及壓縮比。然后負荷分配響應(yīng)按照需要微調(diào)速度設(shè)定點，使壓縮機的運行點和喘振控制線的距離與同一子站其他的壓縮機相同。
3.2壓縮機防喘振控制
為了減少回流量而不冒壓縮機喘振的危險，防喘振控制器使用開環(huán)和閉環(huán)響應(yīng)對喘振接近變量的變化率做出反應(yīng)。當壓縮機安全地運行在遠離其喘振極限的位置時，使用一種簡單的比例-積分（PI）響應(yīng)來減少回流量；當壓縮機操作在喘振控制線上，并且有小的、緩慢的擾動出現(xiàn)時，防喘振控制器就會增加回流量。大的、快速的擾動首先通過增加安全裕度來抵消，增加安全裕度后，PI響應(yīng)隨后快速打開回流閥。如果這樣一個擾動使運行點越過喘振控制線，那么回流閥將快速地、階梯性地打開，這樣通常就可以防止壓縮機達到其喘振極限值。如果這些響應(yīng)還不足以防止喘振的發(fā)生，那么需增加一個穩(wěn)態(tài)的安全裕度。為了減小防喘振控制動作對站出口壓力的影響，性能控制器使用前饋算法自動調(diào)整速度設(shè)定點以適應(yīng)回流量的變化。另外，當壓縮機正在啟動、停車、加載及卸載時，防喘振控制器按照需要自動設(shè)定回流閥的開度以防止喘振及阻塞的發(fā)生。但以前的系統(tǒng)在這些狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程中，唯一的選擇是將回流閥全開或全關(guān)。前者將導(dǎo)致阻塞流量或回流管線壓力過高，而后者常常會導(dǎo)致喘振。
3.3自動加載和卸載
壓縮機控制系統(tǒng)的另一個重要作用是對壓縮機進行自動加載和卸載。當1個壓縮機站只使用部分性能時，系統(tǒng)將總流量與站上單臺壓縮機的性能及所有壓縮機的總性能進行對比，并提供提示信號，告知什么時候需要啟動或停掉1臺壓縮機。系統(tǒng)還能夠在這些壓縮機的啟動、停車、加載或卸載過程中提供時序控制，并在這些過程中根據(jù)需要自動對回流閥進行定位，以防止在上述過程中出現(xiàn)喘振和阻塞。
3.4負荷分配
壓縮機的控制系統(tǒng)使用兩種互補的控制響應(yīng)，在1個站上調(diào)節(jié)和分配所有的負荷。性能控制響應(yīng)按照需要同時提高或降低壓縮機的轉(zhuǎn)速，以維持設(shè)定點的壓力或流量。在低流量工況下，為了應(yīng)對負荷的進一步減小，它還能夠增加回流量。負荷平衡響應(yīng)通常按照需要改變每臺壓縮機的轉(zhuǎn)速，以將每臺壓縮機保持在與相應(yīng)喘振極限距離相等的點上運行。在所有的壓縮機同時達到喘振控制線之前，這種作用可以防止不必要的回流。
4結(jié)論
在科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展下，天然氣壓縮機的自動化控制技術(shù)也有了新的發(fā)展，在其中應(yīng)用PLC控制技術(shù)，能夠有效地實現(xiàn)壓縮機的自動化控制，從而有效提高工作效率，避免出現(xiàn)人為原因的操作失誤，降低人工成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，促進天然氣領(lǐng)域的進一步發(fā)展。
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