壓力流量控制

通常描述天然氣流量是指標(biāo)況下的體積流量，壓力和流量之間沒有一一對應(yīng)的關(guān)系，但是管道中的天然氣壓力降與流量可以簡化成正比關(guān)系，即供氣條件相同時(供氣量、管徑等)，管道中天然氣用氣流量越大，壓力降越大。因此壓力流量控制不可能同時控制壓力和流量，而是在不同的情況下設(shè)定參數(shù)分別控制，但是控制原理都是相同的，即通過調(diào)節(jié)閥門的開度來控制流量的變化進而使被控制管道的流體壓力、流速等參數(shù)符合控制要求，可以用同一個設(shè)備實現(xiàn)控制目標(biāo)。

壓力控制主要是為了下游的壓力穩(wěn)定，以及符合管道和設(shè)備的設(shè)計壓力。而流量控制是為了上游氣量的調(diào)度配置以及防止流量過大損壞計量設(shè)備，尤其是渦輪流量計。

天然氣站場中常用的壓力控制系統(tǒng)為串聯(lián)監(jiān)控，增加流量控制功能只是在調(diào)節(jié)閥程序控制上增加控制環(huán)節(jié)，因此一般壓力流量控制系統(tǒng)包括:安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器、調(diào)節(jié)閥、專用壓力流量控制器、壓力變送器、壓力表及相關(guān)設(shè)備、大小頭、管路附件等。

安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器、調(diào)節(jié)閥為相互獨立的設(shè)備，按照從上游至下游的順序，串聯(lián)在一起組成的安全、監(jiān)控式控制系統(tǒng)。在安裝壓力流量控制系統(tǒng)的站場入口處，一般都設(shè)計安裝過濾設(shè)備，過濾分離后的氣體雜質(zhì)顆粒直徑不大于5 μm。各種閥的出口的耐壓等級等同于其入口的耐壓等級，壓力控制閥組的下游的取壓、引壓等部件的耐壓等級等同于其上游的耐壓等級。

安全切斷閥和監(jiān)控調(diào)壓器作為安全設(shè)備，一般選用不需任何外部動力源的自力式閥門，氣體測量信號取自調(diào)節(jié)閥的下游。用于正常情況下壓力流量控制的調(diào)節(jié)閥，一般選用電動(或者氣動)調(diào)節(jié)閥。以電動調(diào)節(jié)閥為例。

壓力流量控制安全切斷閥

安全切斷閥是高可靠性的自力式閥門，是獨立于監(jiān)控調(diào)壓器和調(diào)節(jié)閥的專用安全設(shè)備。安全切斷閥正常工作時長期處于全開狀態(tài)，設(shè)置有超高壓、超低壓切斷保護，一旦系統(tǒng)的壓力達到設(shè)定值的上限或下限，它將快速、自動地切斷供氣管路。自動切斷后，它不能自動打開，只能就地手動打開。

安全切斷閥可具有遠方控制及遠方閥位指示功能，能夠接收來自控制系統(tǒng)的控制命令，自動關(guān)斷閥門。當(dāng)安全切斷閥打開或關(guān)斷時，其配帶的位置開關(guān)可輸出無源接點信號至站控系統(tǒng)進行閥位指示。

壓力流量控制監(jiān)控調(diào)壓器

監(jiān)控調(diào)壓器為帶指揮器自力式調(diào)壓器，是獨立于安全切斷閥和調(diào)節(jié)閥的專用安全設(shè)備。指揮器動力源取自閥門的上游。監(jiān)控調(diào)壓器正常工作時長期處于全開狀態(tài)，一旦系統(tǒng)的壓力達到設(shè)定值的上限，它將啟動，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器閥門開度將壓力控制在設(shè)定范圍內(nèi)。一般出口法蘭流速不超過50 m/s。閥門的開度可以輸出至控制系統(tǒng)進行顯示。帶有就地機械指示裝置，可就地指示閥門的開度。

壓力流量控制電動調(diào)節(jié)閥

電動調(diào)節(jié)閥，是電動執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)閥組成的一個整體設(shè)備，調(diào)節(jié)閥一般為軸流式或迷宮式，根據(jù)工藝要求選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性，通常選用等百分比特性的調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥的尺寸按照在最小最大流量條件下，閥的開度在5%~90%之間進行計算。

調(diào)節(jié)閥可根據(jù)不同時段的要求遠程改變流量上限設(shè)定值，對最大供氣量進行控制，以保證流量相對穩(wěn)定。當(dāng)閥門出現(xiàn)故障時，應(yīng)處于全開位置。

調(diào)節(jié)閥上有就地機械或電子式指示裝置，可就地指示閥門的開度。電動執(zhí)行機構(gòu)具有就地手動、自動和遠程控制選擇開關(guān)。

壓力流量控制控制器

壓力流量控制系統(tǒng)為無人操作設(shè)計，采用以PLC(帶PID調(diào)節(jié)模塊)為基礎(chǔ)組成獨立的壓力流量控制器，對站場出站壓力、流量進行控制：

1)當(dāng)供氣流量低于流量上限設(shè)定值(以下簡稱“流量上限值”)時，安全切斷閥和監(jiān)控調(diào)壓器處于全開位置，控制器和調(diào)節(jié)閥處于壓力調(diào)節(jié)狀態(tài)。此時，控制器和調(diào)節(jié)閥的作用是控制對下游的供氣壓力在規(guī)定的范圍內(nèi)，即在允許的波動范圍內(nèi)、按照壓力上限設(shè)定值(以下簡稱“壓力上限值”)對下游用戶供氣。

2)當(dāng)供氣流量增加到接近或超過流量上限值時，安全截斷閥和監(jiān)控調(diào)壓閥處于全開位置，控制器和調(diào)節(jié)閥處于流量控制狀態(tài)?？刂破鬏敵隹刂菩盘?，減小調(diào)節(jié)閥開度，控制供氣流量不超過流量上限值;此時，對下游供氣壓力將低于設(shè)定的壓力值。

3)在對下游供氣壓力低于壓力上限值的情況下，如果供氣流量出現(xiàn)波動，則控制器根據(jù)站控系統(tǒng)反饋的供氣流量和壓力參數(shù)輸出控制信號，控制供氣流量已設(shè)定的流量上限值、在允許的波動范圍內(nèi)穩(wěn)定供氣。

4)當(dāng)供氣流量從設(shè)定的流量上限值減少時，壓力流量控制系統(tǒng)增加調(diào)節(jié)閥開度以穩(wěn)定供氣流量;當(dāng)供氣流量繼續(xù)減小，調(diào)節(jié)閥開度繼續(xù)增加導(dǎo)致對下游供氣壓力達到設(shè)定的出口壓力值后，壓力流量控制系統(tǒng)進入上述1)所述的壓力調(diào)節(jié)狀態(tài);當(dāng)供氣流量增加到接近或超過流量上限值時，壓力流量控制系統(tǒng)進入上述2) ,3)所述的流量控制狀態(tài)。

5)當(dāng)調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障導(dǎo)致供氣壓力超過壓力上限值達到一定范圍時，監(jiān)控調(diào)壓器自動(或由專用控制器啟動)投入工作，以維持下游供氣壓力在一個安全、合理范圍。此時，系統(tǒng)處于自力式壓力調(diào)節(jié)狀態(tài)，不能控制供氣流量。

6)若調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障后，監(jiān)控調(diào)壓器也出現(xiàn)故障，不能控制下游壓力時，安全切斷閥則自動(或由專用控制器/站控系統(tǒng))切斷該回路氣源，并由站控系統(tǒng)開啟備用回路，關(guān)閉故障回路，以確保連續(xù)供氣及下游管道、設(shè)備和系統(tǒng)的安全。

7)壓力流量控制系統(tǒng)專用控制器應(yīng)向站控系統(tǒng)傳遞本系統(tǒng)的各種運行狀態(tài)參數(shù)，如:壓力、閥門開度等狀態(tài)信息?？刂破鲬?yīng)具有就地顯示功能，能夠顯示壓力流量控制系統(tǒng)實時的工作狀態(tài)、故障信息(如:調(diào)節(jié)閥開度，壓力信號錯誤、設(shè)備故障等)，并能顯示設(shè)定值?？刂破髂軌蝾A(yù)先設(shè)定壓力上限值、24 h或168 h流量上限值(即限制流量曲線)，并根據(jù)預(yù)設(shè)流量上限值對流量進行控制，保持實際供氣流量不超過流量上限值。

控制器有良好的調(diào)節(jié)特性輸出，能夠控制出口壓力，限制最大流量。即：當(dāng)實際流量小于最大設(shè)定流量(流量上限值)時，保持出口的最高設(shè)定壓力(壓力上限值)。當(dāng)實際流量等于最大設(shè)定流量時，保持流量不超過最大設(shè)定流量，不保持出口壓力。壓力和流量控制的切換過程要求十分平穩(wěn)，不能使被調(diào)節(jié)對象出現(xiàn)大的擾動。在調(diào)節(jié)閥工作時，向上的超調(diào)量應(yīng)盡可能小。當(dāng)改變控制器設(shè)定值后，系統(tǒng)調(diào)節(jié)平滑，超調(diào)量很小，或無超調(diào)，不能由于超調(diào)量過大導(dǎo)致監(jiān)控調(diào)壓器動作，甚至使安全切斷閥關(guān)閉。要求每次改變設(shè)定值的調(diào)節(jié)周期小于15 minx

正常供氣情況下，安全切斷閥和監(jiān)控調(diào)壓器處于全開位置，壓力流量控制器站場控制系統(tǒng)的壓力、流量上限設(shè)定值、實時供氣壓力和流量信號，通過調(diào)節(jié)閥對供氣壓力和流量進行調(diào)節(jié)控制。當(dāng)調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障，無法控制下游壓力時，監(jiān)控調(diào)壓器開始工作，以維持下游壓力的安全范圍。若監(jiān)控調(diào)壓器也出現(xiàn)故障，不能控制下游壓力時，安全切斷閥則自動切斷氣源，同時控制器開啟備用回路，以保證下游管道和設(shè)備的安全。

當(dāng)調(diào)節(jié)閥發(fā)生故障時，它應(yīng)處于全開位置。監(jiān)控調(diào)壓器出現(xiàn)故障時，應(yīng)處于全關(guān)位置。

在天然氣輸配系統(tǒng)中，上游供應(yīng)的介質(zhì)應(yīng)為壓力、流量穩(wěn)定的潔凈天然氣。天然氣站場通常的流程為：過濾升計量升壓力(流量)控制。壓力調(diào)節(jié)的范圍應(yīng)根據(jù)下游管道及設(shè)備設(shè)計壓力確定，而流量調(diào)節(jié)不僅要考慮滿足下游的最大需求量，同時還應(yīng)該考慮上游自身供氣能力或調(diào)度氣量的需要進行流量控制。

壓力流量控制的主要控制邏輯功能如下。

①閥狀態(tài):開到位、關(guān)到位、就地/遠控、正常/故障、PID手動、PID自動、壓力調(diào)節(jié)、保護流量調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)、高壓保護調(diào)節(jié)、低壓保護調(diào)節(jié)。

②控制模式:PID手動控制、PID自動控制。這兩種模式發(fā)揮作用的前提是調(diào)節(jié)閥處于遠控、無故障狀態(tài)。另外，當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于PID自動控制時，可以選擇壓力調(diào)節(jié)或流量調(diào)節(jié)，但閥位開度會被限制在低閥位設(shè)定值和高閥位設(shè)定值之間。

③ PID手動控制:在人機界面(human machineinterface, HMI)輸入閥位設(shè)定值，強制閥位開度。

④壓力調(diào)節(jié):在HMI輸入壓力設(shè)定值，PLC控制器將根據(jù)天然氣出口壓力反饋值對閥位開度進行PID自動控制。此時，保護流量調(diào)節(jié)起限流保護作用。

⑤流量調(diào)節(jié):在HMI輸入流量設(shè)定值，PLC控制器將根據(jù)天然氣流量反饋值對閥位開度進行PID自動控制。此時，高壓保護調(diào)節(jié)、低壓保護調(diào)節(jié)起限壓保護作用。

⑥保護流量調(diào)節(jié):在壓力調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)流量反饋值>流量保護設(shè)定值時，調(diào)節(jié)閥在lOS后將壓力調(diào)節(jié)自動切換到保護流量調(diào)節(jié)，PLC控制器將根據(jù)流量反饋值對閥位開度進行PID自動控制;當(dāng)壓力反饋值>壓力設(shè)定值，且98%保護流量設(shè)定值<流量反饋值<102%保護流量設(shè)定值時，調(diào)節(jié)閥在lOs后自動將保護流量調(diào)節(jié)切換到壓力調(diào)節(jié)。

⑦高壓保護調(diào)節(jié):在流量調(diào)節(jié)時，當(dāng)壓力反饋值>高壓保護設(shè)定值時，調(diào)節(jié)閥在lOs后將流量調(diào)節(jié)自動切換到高壓保護調(diào)節(jié)，PLC控制器將根據(jù)壓力反饋值對閥位開度進行PID自動控制;當(dāng)流量反饋值>流量設(shè)定值，且98%高壓保護設(shè)定值<壓力反饋值<102%高壓保護設(shè)定值時，調(diào)節(jié)閥在lOs后將高壓保護調(diào)節(jié)自動切回到流量調(diào)節(jié)。

⑧低壓保護調(diào)節(jié):在流量調(diào)節(jié)時，當(dāng)壓力反饋值<低壓保護設(shè)定值時，調(diào)節(jié)閥在lOs后將流量調(diào)節(jié)自動切到低壓保護調(diào)節(jié)，PLC控制器將根據(jù)壓力反饋值對閥位開度進行PID自動控制;當(dāng)流量反饋值<流量設(shè)定值，且98%低壓保護設(shè)定值<壓力反饋值<102%低壓保護設(shè)定值時，調(diào)節(jié)閥在lOs后將低壓保護調(diào)節(jié)自動切回到流量調(diào)節(jié)。

⑨為確保調(diào)節(jié)閥在PID自動與手動控制間相互切換時，閥門不會馬上動作，實現(xiàn)無擾切換，對控制邏輯進行了如下設(shè)計:當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于PID自動控制時，閥位反饋值將自動賦給閥位設(shè)定值;當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于PID手動控制時，壓力反饋值將自動賦給壓力設(shè)定值，流量反饋值將自動賦給流量設(shè)定值等。

⑩為確保調(diào)節(jié)閥在PID自動控制過程中，突然出現(xiàn)就地或故障的意外情況時，調(diào)節(jié)閥不會誤動作，在控制邏輯上進行了如下設(shè)計:在就地或故障時，調(diào)節(jié)閥由PID自動控制自動切換到PID手動控制;同時，閥位反饋值將自動賦給閥位開度控制信號、閥位設(shè)定值等，壓力反饋值自動賦給壓力設(shè)定值，流量反饋值自動賦給流量設(shè)定值。