LNG管道自动化系统设计

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近年来全球LNG（液化天然气）的生产和贸易日趋活跃，正在成为世界油气工业新的热点。为保证能源供应多元化和改善能源消费结构，一些能源消费大国越来越重视LNG的引进，LNG将成为石油之后下一个全球争夺的热门能源商品。近年来，我国对LNG产业的发展越来越重视，分别在广东、福建、浙江、上海、江苏、山东、辽宁等地区规划和实施了沿海LNG项目。这些项目将最终构成一个沿海LNG接收站与输送管网。其中广东LNG一期工程已于2006年6月建成投产；福建LNG管道工程预计2007年底投产。1   工程概况
      液化天然气在远距离运输、储存及利用等方面所具有的便利特点，成为现今远洋运输天然气的主要方式。目前，世界上最大的LNG运输船船容约为13.8×104m3，最大的LNG储罐容量为20×104m3，最大的LNG出口国是印度尼西亚，最大的LNG进口国是日本。预计到2020年，世界天然气贸易量将达到6250×108m3，其中大约1/3的天然气以LNG方式成交。LNG通常由专用运输船从生产地输出终端运到目的地接受终端，经再气化后外输至用户。目前，已形成了包括LNG生产、储存、运输、接收、再气化及冷利用等完整的产、运、销LNG工业体系。
      福建LNG管道工程范围为从LNG气化后外输至用户的天然气长输管道。一期工程包括主管道和两条支线的输气管道，两座调度控制中心一主一备，12座输气站场，20座线路截断阀室，其中远控阀室6座。管道设计压力等级为7.5MPa，处理能力为260×104 t/a，管径最大为DN800 mm，输送距离超过300 km。二期工程建成以后管道总长将超过600 km，输气站场将达到16座。预计到2020年用气量将达到77×108m3。福建LNG管道工程的建成将会改善福建省的能源结构现状，对福建省的经济发展和环境改善将会产生巨大的推动力。
2   设计方案
2.1  设计总则
      福建LNG管道工程的自动化系统采用计量橇国外成撬、调压橇和自用气橇国内成橇的原则，采用高精度的现场检测仪表检测工艺参数，并控制各种阀门。通过SCADA系统上设置的WEB服务器交互方式，使管理者浏览和查询现场实时数据，及时了解现场生产情况。实现数据共享，为生产管理系统和其他系统提供原始数据。整个SCADA系统的设计总则包括：
      （1）严格遵守国家的法律法规，执行国家及行业最新版本或国际上先进的、最新版本的标准、规范。
      （2）全线各站场达到无人操作，有人值守的管理水平。其中，远控截断阀室无人值守。
      （3）自动控制系统将自动、连续的监视和控制管道的运行，保证人身、管道和设备安全。
      （4）在保证安全的前提下，确保为下游用户连续供气，同时满足环保的要求。
      （5）使管道以最低的运行成本、最优的工况正常运行。
      （6）采用技术先进、性能价格比高的设备、控制系统及材料，能够满足所处环境和工艺条件，在工业应用中被证明是成熟的产品。
2.2  自动化系统构成及功能
      福建LNG输气管道工程全线采用以计算机为核心的SCADA（监控和数据采集）系统，完成管道输送工艺过程的数据采集、监视控制、操作预测、优化运行、调度和管理等任务。在秀屿设置管道全线主调度控制中心，在福州设置后备调度控制中心，在分输站及末站设置SCS（站控系统），远控线路截断阀室设置RTU（远程终端装置）。
      调度控制中心的主要任务是通过各站的站控系统SCS或RTU对管道进行数据采集及控制，同时实现管道模拟、输送计划、泄漏检测及定位、设备运行优化、计量管理、模拟培训等任务。调度控制中心的操作人员通过计算机系统的操作员工作站所提供的管道系统工艺过程的压力、温度、流量、密度、设备运行状态等信息，完成对管道全线的运行监控和管理。操作人员还可以通过调度管理计算机完成输送计划、贸易结算等调度管理工作。
      调度控制中心和各站场之间，主调度控制中心和后备调度控制中心之间采用公网数字数据网DDN作为主用通信信道，依托公网帧中继（PVC）作为备用通信信道。主调度控制中心和远控截断阀室之间采用公网数字数据网DDN作为主用通信信道，采用GPRS作为备用通信信道。
3   自动化系统特点
3.1  先进的自动化系统
      （1）计量橇
      考虑到LNG每只输送船的气体介质有可能不同，为保证管道的运行及维护业主与用户的利益，在12座站场都设置了色谱分析仪，进行热值交接。流量计量以超声波流量计为主，从经济效益角度考虑口径小于DN150 mm的管道采用涡轮流量计。每个站场设置一主一备两台流量计算机，每个回路的流量计信号都进这两台流量计算机。当主用流量计算机故障时，备用流量计算机自动启动。将计量橇内各回路的流量、压力、温度、阀门工作状态、气体组分等信息运行参数通过RS485上传至站控系统；当正在运行的计量回路出现故障时，流量计算机将计量回路自动切换到备用回路，以保证计量系统的正常工作，同时保证连续地向下游用户供气。
      （2）调压橇
      调压撬由安全切断阀、监控调压阀、工作调压阀和调压控制器组成。每座站场分别设置两台调压控制器，调压控制器由小型PLC（可编程序控制器）组成，完成所有控制，输出RS485信号进站控系统。安全切断阀和工作调压阀都为自力式阀门，监控调压阀为电动调节阀。正常状态下由工作调压阀完成调压控制，监控调压阀常开；在流量超限时，调压控制器控制监控调压阀实现限流调节；当工作调压阀或监控调节阀故障不能控制下游压力时，安全切断阀自动关断。福建LNG输气管道工程的调压橇与西气东输工程上的调压橇在设计上有所不同，将电动调节阀和自力式工作调压阀的位置进行了调换。
      福建LN G输气管道工程与西气东输工程调压橇的设计方案各有优缺点（见表1）。

表1 两种结构调压橇性能特点比较

性能特点	福建LNG管道工程	西气东输工程
流量范围比	由于工作调压阀为自力式阀，可调节的流量范围比宽	由于工作调压阀为电动调节阀，电动调节阀采用线性和等百分比特性，流量范围比相对较窄
压力设定值	不能从控制室修改	可以直接从控制室修改
调节精度	1%	1%
电动调节阀	不经常动作，不易发生故障	频繁动作，容易发生故障
调节速度	快	慢

      （3）站内自用气橇
      自用气橇压力控制分为两级。第一级压力控制由两台安全切断阀和两台自力式调压阀串联在一起，第二级压力控制由一台安全切断阀和一台自力式调压阀串联在一起。气体流量采用精度为0.5级的涡轮流量计进行计量。
      （4）高级应用软件
      福建LNG输气管道工程在应用软件的选用上，除了长输管道一般都采用的在线模拟仿真和泄漏检测软件外，新增加了一套完整有效的管道管理系统软件和气体管理系统软件。
      管道管理系统软件是从流量计算机上收集并处理液化天然气的流量、压力、温度和气体组分，自动验证准确性并保存在可以进行审查的数据库中，接收站和管道系统对这些数据进行结算，写出结算报告，并对数据进行转换和处理，用于贸易结算、需求确认、分配和合同管理以及完成操作，实现液化天然气管道和整个液化天然气的供应连锁预测和优化。
      气体管理系统软件包括合同管理、天然气的需求确认、分配、预测、每日监测、天气的监测、LNG接收站供气预测和计划、LNG船只的跟踪和计划等内容。
3.2  安全的自动化技术措施
      福建LNG输气管道工程的设计采用安全可靠的设备、高性能的系统配置、专用的应用软件，从硬件、软件、操作及联锁等方面保证了管道的运行安全。
      （1）站场采用独立的ESD（紧急停车）系统，符合IEC61508不低于SIL2等级的设备，提高了系统的安全等级。
      （2）管道泄漏检测报警和定位系统，实现了管道泄漏检测和快速定位，确保管道沿线和各站场的安全。
      （3）WEB服务器上采用防病毒软件，防火墙采用具有数字签名和公钥加密职能卡装置，对自动化系统的数据和网络进行保护。
      （4）分输站压力控制橇采用安全切断阀和监控调压阀相结合的双重保护方式，保证了下游用户安全、连续地供气。
3.3  管道和接收站的控制系统整合
      对于LNG接收站，国内的工艺不够成熟，主要依靠国外公司来完成。福建LNG接收站由CB&I公司EPC总承包。由于LNG接收站采用独立的DCS系统，LNG管道工程采用SCADA系统，两个系统设计的主要思想为控制层相互独立、管理层资源共享。要求两个系统的部分数据进行交换，来达到数据共享的目的。
3.4  成套设计和供货方式
      福建LNG输气管道工程借鉴了西气东输和陕-京二线的成套采购模式，为了最大限度提高系统的质量水平，减少合同纠纷和缩短工期，许多设备采用了成套供货模式。
      （1）控制系统（包括DCS系统和SCADA系统}采用了交钥匙方式。
      （2）计量系统和分析仪表采用了整撬设计和供货的方式，组成计量橇。
      （3）调压橇采用安全切断阀、监控调压阀和工作调压阀串联组装方式，配套调压控制器，成橇供货。
      （4）站场的发电机用气、生活用气的计量和调压设备组成自用气橇。
      由此可见，福建LNG管道工程的自动化系统无论从现场的检测仪表、控制阀门，还是控制系统和应用软件，都已达到了国内的先进水平。
4   存在问题及建议
      经过前阶段的设计工作，目前存在的主要问题和建议：
      一是接收站DCS系统和管道SCADA系统的设计为两家设计院，相互衔接容易出现问题。在今后的类似项目中，建议由一个设计单位完成。
      二是对于采用燃气轮机的电厂用户，当白天用电量大时，用气量大；夜间用电量小时，只维持烘炉的流量，流量范围变化非常大。根据这种情况，只能在计量橇增设一路DN50 mm涡轮流量计和在调压橇中增设一路小口径安全切断阀和两台自力调压阀的结构，以达到既能满足大流量的需要，又能满足小流量的工况。这样将造成计量回路之间和调压回路之间的频繁切换。建议今后如果遇到类似工况时，可以考虑从商务上解决。
      三是考虑到ESD系统在保证安全方面起着重要作用。建议ESD系统控制的紧急关断阀独立设定，与正常启输和停输的阀门分开，以保证系统整体的可靠性和可用性。
      福建LNG管道工程自动化系统的设计遵循了国内外的相关标准和规范，借鉴了西气东输和广东LNG管道等国内大型长输管道设计经验，并根据本项目的特点设计了适合本工程的安全、高效运营的优化方案。预计到2007年底管道投产，具有高可靠性和操作灵活的自动化系统将会发挥巨大作用，保证管道正常平稳的运行。

参 考 文 献

      [1]      兰婷．福建LNG管道自动化系统设计．石油规划设计,2007,18（1）：43-46

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这个设计在实际运用中还是有很多问题。

我自横刀向天笑

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