基本介紹
- 中文名：壓力流量控制
- 外文名：Pressure and flow control
- 涉及學科：信息科學
- 套用：自動化
- 利用：天然氣壓力降與流量成正比關係
- 通過：調節閥門的開度
概述,壓力流量控制的意義,控制邏輯功能說明,壓力流量控制系統,安全切斷閥,監控調壓器,電動調節閥,控制器,
概述
在天然氣輸配系統中，上游供應的介質應為壓力、流量穩定的潔淨天然氣。天然氣站場通常的流程為：過濾升計量升壓力(流量)控制。壓力調節的範圍應根據下游管道及設備設計壓力確定，而流量調節不僅要考慮滿足下游的最大需求量，同時還應該考慮上游自身供氣能力或調度氣量的需要進行流量控制。
壓力流量控制的意義
通常描述天然氣流量是指標況下的體積流量，壓力和流量之間沒有一一對應的關係，但是管道中的天然氣壓力降與流量可以簡化成正比關係，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定參數分別控制，但是控制原理都是相同的，即通過調節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、流速等參數符合控制要求，可以用同一個設備實現控制目標。
壓力控制主要是為了下游的壓力穩定，以及符合管道和設備的設計壓力。而流量控制是為了上游氣量的調度配置以及防止流量過大損壞計量設備，尤其是渦輪流量計。
控制邏輯功能說明
壓力流量控制的主要控制邏輯功能如下。
①閥狀態:開到位、關到位、就地/遠控、正常/故障、PID手動、PID自動、壓力調節、保護流量調節、流量調節、高壓保護調節、低壓保護調節。
②控制模式:PID手動控制、PID自動控制。這兩種模式發揮作用的前提是調節閥處於遠控、無故障狀態。另外，當調節閥處於PID自動控制時，可以選擇壓力調節或流量調節，但閥位開度會被限制在低閥位設定值和高閥位設定值之間。
③ PID手動控制:在人機界面(human machineinterface, HMI)輸入閥位設定值，強制閥位開度。
④壓力調節:在HMI輸入壓力設定值，PLC控制器將根據天然氣出口壓力反饋值對閥位開度進行PID自動控制。此時，保護流量調節起限流保護作用。
⑤流量調節:在HMI輸入流量設定值，PLC控制器將根據天然氣流量反饋值對閥位開度進行PID自動控制。此時，高壓保護調節、低壓保護調節起限壓保護作用。
⑥保護流量調節:在壓力調節過程中，當流量反饋值>流量保護設定值時，調節閥在lOS後將壓力調節自動切換到保護流量調節，PLC控制器將根據流量反饋值對閥位開度進行PID自動控制;當壓力反饋值>壓力設定值，且98%保護流量設定值<流量反饋值<102%保護流量設定值時，調節閥在lOs後自動將保護流量調節切換到壓力調節。
⑦高壓保護調節:在流量調節時，當壓力反饋值>高壓保護設定值時，調節閥在lOs後將流量調節自動切換到高壓保護調節，PLC控制器將根據壓力反饋值對閥位開度進行PID自動控制;當流量反饋值>流量設定值，且98%高壓保護設定值<壓力反饋值<102%高壓保護設定值時，調節閥在lOs後將高壓保護調節自動切回到流量調節。
⑧低壓保護調節:在流量調節時，當壓力反饋值<低壓保護設定值時，調節閥在lOs後將流量調節自動切到低壓保護調節，PLC控制器將根據壓力反饋值對閥位開度進行PID自動控制;當流量反饋值<流量設定值，且98%低壓保護設定值<壓力反饋值<102%低壓保護設定值時，調節閥在lOs後將低壓保護調節自動切回到流量調節。
⑨為確保調節閥在PID自動與手動控制間相互切換時，閥門不會馬上動作，實現無擾切換，對控制邏輯進行了如下設計:當調節閥處於PID自動控制時，閥位反饋值將自動賦給閥位設定值;當調節閥處於PID手動控制時，壓力反饋值將自動賦給壓力設定值，流量反饋值將自動賦給流量設定值等。
⑩為確保調節閥在PID自動控制過程中，突然出現就地或故障的意外情況時，調節閥不會誤動作，在控制邏輯上進行了如下設計:在就地或故障時，調節閥由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、閥位設定值等，壓力反饋值自動賦給壓力設定值，流量反饋值自動賦給流量設定值。
壓力流量控制系統
天然氣站場中常用的壓力控制系統為串聯監控，增加流量控制功能只是在調節閥程式控制上增加控制環節，因此一般壓力流量控制系統包括:安全切斷閥、監控調壓器、調節閥、專用壓力流量控制器、壓力變送器、壓力表及相關設備、大小頭、管路附屬檔案等。
安全切斷閥、監控調壓器、調節閥為相互獨立的設備，按照從上游至下游的順序，串聯在一起組成的安全、監控式控制系統。在安裝壓力流量控制系統的站場入口處，一般都設計安裝過濾設備，過濾分離後的氣體雜質顆粒直徑不大於5 μm。各種閥的出口的耐壓等級等同於其入口的耐壓等級，壓力控制閥組的下游的取壓、引壓等部件的耐壓等級等同於其上游的耐壓等級。
安全切斷閥
安全切斷閥是高可靠性的自力式閥門，是獨立於監控調壓器和調節閥的專用安全設備。安全切斷閥正常工作時長期處於全開狀態，設定有超高壓、超低壓切斷保護，一旦系統的壓力達到設定值的上限或下限，它將快速、自動地切斷供氣管路。自動切斷後，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的控制命令，自動關斷閥門。當安全切斷閥打開或關斷時，其配帶的位置開關可輸出無源接點信號至站控系統進行閥位指示。
監控調壓器
監控調壓器為帶指揮器自力式調壓器，是獨立於安全切斷閥和調節閥的專用安全設備。指揮器動力源取自閥門的上游。監控調壓器正常工作時長期處於全開狀態，一旦系統的壓力達到設定值的上限，它將啟動，通過調節調壓器閥門開度將壓力控制在設定範圍內。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進行顯示。帶有就地機械指示裝置，可就地指示閥門的開度。
電動調節閥
電動調節閥，是電動執行機構和調節閥組成的一個整體設備，調節閥一般為軸流式或迷宮式，根據工藝要求選擇調節閥的流量特性，通常選用等百分比特性的調節閥。調節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。
調節閥可根據不同時段的要求遠程改變流量上限設定值，對最大供氣量進行控制，以保證流量相對穩定。當閥門出現故障時，應處於全開位置。
調節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。電動執行機構具有就地手動、自動和遠程控制選擇開關。
控制器
壓力流量控制系統為無人操作設計，採用以PLC(帶PID調節模組)為基礎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)當供氣流量低於流量上限設定值(以下簡稱“流量上限值”)時，安全切斷閥和監控調壓器處於全開位置，控制器和調節閥處於壓力調節狀態。此時，控制器和調節閥的作用是控制對下游的供氣壓力在規定的範圍內，即在允許的波動範圍內、按照壓力上限設定值(以下簡稱“壓力上限值”)對下游用戶供氣。
2)當供氣流量增加到接近或超過流量上限值時，安全截斷閥和監控調壓閥處於全開位置，控制器和調節閥處於流量控制狀態。控制器輸出控制信號，減小調節閥開度，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於設定的壓力值。
3)在對下游供氣壓力低於壓力上限值的情況下，如果供氣流量出現波動，則控制器根據站控系統反饋的供氣流量和壓力參數輸出控制信號，控制供氣流量已設定的流量上限值、在允許的波動範圍內穩定供氣。
4)當供氣流量從設定的流量上限值減少時，壓力流量控制系統增加調節閥開度以穩定供氣流量;當供氣流量繼續減小，調節閥開度繼續增加導致對下游供氣壓力達到設定的出口壓力值後，壓力流量控制系統進入上述1)所述的壓力調節狀態;當供氣流量增加到接近或超過流量上限值時，壓力流量控制系統進入上述2) ,3)所述的流量控制狀態。
5)當調節器出現故障導致供氣壓力超過壓力上限值達到一定範圍時，監控調壓器自動(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、合理範圍。此時，系統處於自力式壓力調節狀態，不能控制供氣流量。
6)若調節閥出現故障後，監控調壓器也出現故障，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)切斷該迴路氣源，並由站控系統開啟備用迴路，關閉故障迴路，以確保連續供氣及下游管道、設備和系統的安全。
7)壓力流量控制系統專用控制器應向站控系統傳遞本系統的各種運行狀態參數，如:壓力、閥門開度等狀態信息。控制器應具有就地顯示功能，能夠顯示壓力流量控制系統實時的工作狀態、故障信息(如:調節閥開度，壓力信號錯誤、設備故障等)，並能顯示設定值。控制器能夠預先設定壓力上限值、24 h或168 h流量上限值(即限制流量曲線)，並根據預設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。
控制器有良好的調節特性輸出，能夠控制出口壓力，限制最大流量。即：當實際流量小於最大設定流量(流量上限值)時，保持出口的最高設定壓力(壓力上限值)。當實際流量等於最大設定流量時，保持流量不超過最大設定流量，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，不能使被調節對象出現大的擾動。在調節閥工作時，向上的超調量應儘可能小。當改變控制器設定值後，系統調節平滑，超調量很小，或無超調，不能由於超調量過大導致監控調壓器動作，甚至使安全切斷閥關閉。要求每次改變設定值的調節周期小於15 minx
正常供氣情況下，安全切斷閥和監控調壓器處於全開位置，壓力流量控制器站場控制系統的壓力、流量上限設定值、實時供氣壓力和流量信號，通過調節閥對供氣壓力和流量進行調節控制。當調節閥出現故障，無法控制下游壓力時，監控調壓器開始工作，以維持下游壓力的安全範圍。若監控調壓器也出現故障，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迴路，以保證下游管道和設備的安全。
當調節閥發生故障時，它應處於全開位置。監控調壓器出現故障時，應處於全關位置。
