天然气管道压缩机自动控制技术解析
摘要
天然气长输管道压缩机的功能是给天然气增压以维持所要求的输气流量，操作控制方式分为远程控制和就地控制。因为设备、控制逻辑等因素，目前大部分站场仍采用中心调度下令，现场人员就地操作的落后调控模式，造成管道现场需配置大量的人力用于管道的监视与操作。为了确保输气管网运行控制的灵活和可靠，需要设计一种控制系统来实现对压缩机的复杂控制和操作。
关键词：天然气；压缩机；自动控制技术
1 天然气压缩机自动操控体系作业原理
压缩机（Compressor），是将低压气体提升为高压气体的一种从动的流体机械，是工业生产的核心设备。压缩机组控制系统实际上是一套以PLC控制技术为核心，用于机组逻辑顺序控制，PID控制，实时数据处理，报警停机保护，联网通讯的自动控制系统，可完成机组及其辅助系统（空冷器系统、干气密封系统、润滑油系统等）的控制。
天然气长输管道由于管线的阻力原因，需要间隔一段距离设置一个增压站以保证长输管线具备足够的输气能力。为保证管线在各种运行工况（输气能力）下输气的连续性和管线运行的可靠性，在增压站中的压缩机组的设计和安装上，通常采用N+1的机组配置方案。
在增压站压缩机组的选择方面，主要有两种形式的压缩机组用于长输管线：往复式压缩机组和离心式压缩机。离心式压缩机的单机输气量大、运行易损件少、长期使用维护工作量小，在天然气长输管线增压站中得到广泛的应用。
由于天然气压缩机是一个连续的作业进程，压缩机机组控制中，通常采用高性能PLC控制技术作为控制系统，用以保障压缩机组的基本控制功能，和安全控制性能。
2自动控制系统
2.1 管道压缩机控制系统
长输天然气管道压缩机的功能是给天然气增压以维持所要求的输气流量，操作控制方式分为远程控制和就地控制。因为设备、控制逻辑等因素，目前大部分站场仍采用中心调度下令，现场人员就地操作的落后调控模式，造成管道现场需配置大量的人力用于管道的监视与操作。为了确保输气管网运行控制的灵活和可靠，需要设计一种控制系统来实现对压缩机的复杂控制和操作。
2.2 PLC控制技术
在科技的不断发展下，可编程控制技术，即PLC控制技术以及愈发成熟，其主要是在原有的顺序控制器的基础上，与计算机技术、微电子技术、自动控制技术相结合，从而成为了新一代的工业控制装备，其具有使用方便、编程简单、适应面广、抗干扰能力强等优点。其内部主要是采用循环扫面的工作方式，可以在大型或者中型的PLC控制系统中增加中断工作的能力。相较于继电器而言，在性能上有了很大的提高，并且不会轻易受到环境的影响，在自动化控制领域具有广泛的应用。所以，本次天然气压缩机的自动化控制技术主要是将继电器与PLC控制技术相结合，通过这样的方法，不仅让压缩机具有结构紧凑、体积小、电气少、易检修的优点，还能在此基础上让设备使用更加恶劣的工作环境，降低生产成本。
2.3 工艺需求
在天然气压缩机中，安装PLC控制系统能实施自动化控制。但是在进行系统的设计过程中，要注意其需要满足天然气压缩机的工艺需求，让自动化控制系统能够正常运行。若是想让自动化系统能够稳定运行，就需要单台或若干台压缩机组在工作中不会出现故障问题，并且压缩机的自动阀门在控制中能够保证正常关闭，其设备也能遵循工作人员的控制进行开启与停止。
由于工作人员实行的是远程自动化控制，不能随时随地观察设备的运行状态，就需要工作人员能够充分掌握设备运行时正常的参数变化，若是其数据变动存在异常，需要有专业人员能够及时检修，从而实现天然气压缩机自动化控制的正常使用。
3 控制系统设计
3.1主性能控制
对于1个压缩机站来说，性能控制在站主控制器内实现，站主控制器计算出口压力、压缩比，或流量与其设定点的偏差的比例、积分、微分（PID）响应，并将此响应传递给负荷分配和防喘振控制器。每台负荷分配控制器将接收到的站主控制器的响应变化，从而提高或降低压缩机的流量及压缩比。然后负荷分配响应按照需要微调速度设定点，使压缩机的运行点和喘振控制线的距离与同一子站其他的压缩机相同。
3.2压缩机防喘振控制
为了减少回流量而不冒压缩机喘振的危险，防喘振控制器使用开环和闭环响应对喘振接近变量的变化率做出反应。当压缩机安全地运行在远离其喘振极限的位置时，使用一种简单的比例-积分（PI）响应来减少回流量；当压缩机操作在喘振控制线上，并且有小的、缓慢的扰动出现时，防喘振控制器就会增加回流量。大的、快速的扰动首先通过增加安全裕度来抵消，增加安全裕度后，PI响应随后快速打开回流阀。如果这样一个扰动使运行点越过喘振控制线，那么回流阀将快速地、阶梯性地打开，这样通常就可以防止压缩机达到其喘振极限值。如果这些响应还不足以防止喘振的发生，那么需增加一个稳态的安全裕度。为了减小防喘振控制动作对站出口压力的影响，性能控制器使用前馈算法自动调整速度设定点以适应回流量的变化。另外，当压缩机正在启动、停车、加载及卸载时，防喘振控制器按照需要自动设定回流阀的开度以防止喘振及阻塞的发生。但以前的系统在这些状态转换的过程中，唯一的选择是将回流阀全开或全关。前者将导致阻塞流量或回流管线压力过高，而后者常常会导致喘振。
3.3自动加载和卸载
压缩机控制系统的另一个重要作用是对压缩机进行自动加载和卸载。当1个压缩机站只使用部分性能时，系统将总流量与站上单台压缩机的性能及所有压缩机的总性能进行对比，并提供提示信号，告知什么时候需要启动或停掉1台压缩机。系统还能够在这些压缩机的启动、停车、加载或卸载过程中提供时序控制，并在这些过程中根据需要自动对回流阀进行定位，以防止在上述过程中出现喘振和阻塞。
3.4负荷分配
压缩机的控制系统使用两种互补的控制响应，在1个站上调节和分配所有的负荷。性能控制响应按照需要同时提高或降低压缩机的转速，以维持设定点的压力或流量。在低流量工况下，为了应对负荷的进一步减小，它还能够增加回流量。负荷平衡响应通常按照需要改变每台压缩机的转速，以将每台压缩机保持在与相应喘振极限距离相等的点上运行。在所有的压缩机同时达到喘振控制线之前，这种作用可以防止不必要的回流。
4结论
在科学技术的不断发展下，天然气压缩机的自动化控制技术也有了新的发展，在其中应用PLC控制技术，能够有效地实现压缩机的自动化控制，从而有效提高工作效率，避免出现人为原因的操作失误，降低人工成本，提高企业的经济效益，促进天然气领域的进一步发展。
参考文献：
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