CNG加气统一标准站仪表自控专业系统设计总结.doc

CNG加气标准站仪表自控系统设计总结
为保护环境，合理利用能源，中国主动推进城镇使用天然气。国家建成了西气东输管道、陕京管道、涩-宁-兰管道、忠-武管道等天然气管道，正在建设西气东输二线，这些将推进中国进入规模化应用天然气新时期。天然气作为清洁能源，在民用、工业领域及能源消费结构调整等方面凸现出关键作用。车用CNG作为城市燃气关键组成部分，发展天然气汽车，对治理汽车尾气污染、缓解成品油供给担心局面及降低燃料成本起到主动作用。现在CNG加气站在全国迅猛发展，车用CNG以技术成熟、经济优势步入了社会生活，以其显著经济效益和环境效益得到广泛认可。
1 CNG加气站概述
    CNG加气站包含CNG加气母站、标准站和子站。母站给气瓶车加气，站址多选在郊区；标准站和子站给汽车加气，站址多选在市区。CNG加气标准站(以下简称标准站)设备多，步骤复杂，本文以此进行分析，工艺步骤见图1。天然气来自输气管道，经过滤、调压、计量后进入干燥装置，干燥后气体经缓冲罐进压缩机压缩至22～25MPa，经次序控制盘输送至储气井组储存，再输送至加气机，或从次序控制盘直接送至加气机为CNG汽车加气。压缩机停机时气缸内残留气体进入回收罐，经调压、计量后回收到进站管道或送入城市中压管网。

2 标准站自控系统组成
    自控系统包含压缩机控制系统、加气机收费管理系统、工艺管道控制系统、可燃气体报警控制系统，4套系统相互结合以实现标准站安全运行、平稳加气。前两套系统由设备厂家配套提供，现只对后两套系统设计做分析和总结。
2.1 工艺管道控制系统
   ① 系统配置及功效
标准站控制点少、控制精度低，以实用、经济考虑，宜选智能数显仪表控制系统(以下简称智能仪表系统)，建设方有特殊要求除外。智能仪表系统安装在控制室控制柜中，关键由UPS电源、开关电源、智能数显仪表、多路声光报警器、继电器及对应控制元件组成。控制柜盘面镶嵌压力、温度及流量多种参数对应智能数显仪表、可燃气体报警控制器、多路声光报警器及控制按钮、指示灯等。系统实现工艺生产所需参数实时检测、采集、显示、报警和控制功效，并对压缩机、轴流风机关键设备进行连锁控制。智能数显仪表控制系统功效配置原理见图2。

② 系统控制逻辑
a. 控制逻辑
    每个功效全部由控制逻辑实现，以标准站最常见3条逻辑说明实现过程。第一，事故或紧急情况下，控制室可紧急停止全部压缩机。第二，高、中、低压储气井组压力达成高报高控值时，控制室声光报警，停止全部压缩机。第三，生产区燃气泄漏浓度达成一级报警值时，控制室声光报警，开启轴流风机；达成二级报警值时，声光报警，停止全部压缩机。
    b. 条件设定
    设现场高、中、低压储气井组压力智能数显仪表位号为PIAC005、PIAC004、PIAC003；控制柜紧急切断按钮EST；可燃气体报警控制器联动模块HJ1825，继电器位号J1～J7；压缩机和轴流风机控制点为无源常开触点。
    c. 逻辑分析
    连锁设备控制点为无源常开触点，即触点闭合时轴流风机开启，压缩机停止工作。设计需实现当压力达成高报高控值或燃气泄漏达成设定值时，连锁设备控制点闭合。
    d. 控制原理图
    压缩机、轴流风机连锁控制原理见图3。以PIAC005为例，该智能数显仪表到高报高控值，其输出触点闭合，继电器J2上电。J21、5常开触点闭合则J5上电，J51、5和2、6常开触点闭合，信号分别输入到1号和2号压缩机控制系统，停止1号、2号压缩机，实现PIAC005高控功效。J22、6常开触点接多路声光报警器1报警回路，该触点闭合，1BJ-1回路报警，实现PIAC005高报功效。PIAC004和PIAC003连锁及报警功效同PIAC005所述。当燃气泄漏浓度达成一级报警值时，可燃气体报警控制器声光报警，J7上电，J71、5和2、6常开触点闭合，开启1号、2号轴流风机。当达成二级报警值时，可燃气体报警控制器声光报警，J6上电，J61、5和2、6常开触点闭合，连锁停止1号、2号压缩机。紧急情况按下EST按钮时，J1上电，J11、5和2、6常开触点闭合，停止1号、2号压缩机。

   ③ 系统接地
   包含保护接地和工作接地。保护接地关键为保护设备和人身安全将用电设备、仪表外壳及金属部分和大地进行可靠连接一个接地方法；工作接地为确保仪表正确、可靠工作所做接地。标准站中关键采取以下两种接地方法。
   a. 信号回路接地[1]
   设计中对非隔离信号需建立一个统一信号参考地，通常指直流电源负端接地。当某一信号回路和其它信号回路绝缘时，该隔离信号能够不接地。
    b. 屏蔽接地[1、2]
    设计中为降低电磁干扰、电容性耦合干扰所采取有效方法。包含电缆屏蔽层、未作保护接地而起屏蔽作用金属保护管、汇线槽和仪表金属外壳屏蔽接地。另外，仪表控制系统接地和电气防雷防静电接地采取共用接地装置，最终和接地网连接，接地电阻小于4Ω[3]。

   ④ 系统防雷
仪表控制系统防雷关键为感应雷防护，直击雷防护由电气专业在加气站防雷设计中考虑，本文从以下3部分对感应雷防护进行叙述。控制室接地系统见图4。

    a. 共用接地
    将仪表控制系统各类接地，如仪表设备外壳、防爆接线箱、屏蔽层、铠装层、SPD(电涌保护器)、保护钢管及控制柜等，按其所属类别采取分类汇总方法分别接至保护接地汇总板和工作接地汇总板.汇总后和总接地板连接以实现等电位连接。总接地板和防雷防静电接地共用一个接地装置，最终和电气接地网连接实现共用接地。共用接地可预防站区遭到雷击时，感应雷抬高地电位后和控制系统接地形成电位差而造成反击或放电。
    b. 屏蔽及合理布线
    站区遭到雷击时为避免线路间电场、电感相互作用引发电容、电感性耦合而采取屏蔽，设计中常选择屏蔽电缆。全部电缆屏蔽层、多芯电缆备用芯在控制室单端接地[2、3]，见图5，虚线表示接地。铠装层、保护钢管及双层屏蔽电缆外屏蔽层在现场和控制室两端接地[3]，见图6。要确保全部控制电缆敷设时远离强电电缆，间距不少于250mm；和电压220V以上、电流10A以上动力线间距不少于600mm。控制电缆不得和油类、天然气、热力管道同沟敷设[3]。

   c. SPD保护[3]
   全部信号回路和控制柜电源应安装SPD。信号SPD串联在回路中起泄流作用，安装时应将SPD接地端用截面积大于1.5mm2,铜芯导线直接和接地板连接，接地线应短直。电源SPD和保护设备并联，起泄流、钳位、稳压作用。
2.2 可燃气体报警控制系统
    标准站可燃气体报警控制系统为独立系统，系统对站内燃气泄漏实时检测，并实现必需连锁控制。
   ① 系统配置及要求
   系统关键由可燃气体报警控制器和探测器组成。依据《石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》SH 3063—1999[4]，探测器室内有效检测半径宜为7.5m，室外为15m。设计中压缩机间探测器间距设置为6m，室外为12m。探测器安装位置宜设在用气设备周围、法兰连接处、阀门组和泄漏源处。压缩机间探测器环墙壁四面和距顶棚0.3m处设置，每台加气机、储气井组处设置探测器，其高度为2.5m，且确保探测器周围大于0.3m净空。
   ② 系统功效及连锁
   可燃气体报警控制器显示探测器报警位置、时间和浓度。标准站中宜以二级报警系统设计，即燃气泄漏浓度达成一级设定值时，可燃气体报警控制器声光报警，连锁开启轴流风机；燃气泄漏浓度达成二级设定值时，可燃气体报警控制器声光报警，经过HJ1825模块停止全部压缩机。
3 CNG加气站自控系统安全方法
    为确保CNG加气站安全生产和正常运行，除加气站4套控制系统相互补充、对生产运行状态进行实时监控外，在仪表选型、布线、消防、安全设计方面采取以下方法，见表1。
表1 CNG加气站自控系统安全方法
序号
安全方法
说明
备注
1
依据站内爆炸危险区域划分，正确地对站内各检测仪表进行选型及其防爆、防护等级配置。
满足《自动化仪表选型设计要求》HG/T 20507—。
—
2
仪表系统供电需要提供可靠电源，并配置在线式、长久有效型UPS电源，对其电压、频率、纹波电压、瞬断时间提出要求，延时供电时间2h。
满足《仪表供电设计要求》HG/T 20509—。
电源侧加装三级SPD保护。
3
采取铜芯铠装屏蔽电缆，直埋敷设，在信号回路加设SPD保护。出入地面穿套管保护，和仪表及套管等接口采取防爆挠性管连接，穿越不一样区域采取密封和防爆方法。
满足《仪表配管配线设计要求》HG/T 20512—和《石油化工自动控制设计手册》。
—
4
控制室设置紧急切断按钮，紧急或事故情况下关闭压缩机。实现各个检测点超限报警(声光报警)、超限停车及压缩机现场停机功效。
满足《信号报警、安全连锁系统设计要求》HG/T 20511—和工艺专业所提委托要求。
压缩机控制系统含有远程就地启停功效。
5
站内各远传仪表配置防雷模块，全部变送器外壳采取单独防雷接地线，并和接地网可靠连接。控制系统及电缆屏蔽层、铠装层、现场防爆接线箱、保护套管等和电气接地网可靠连接。
满足《自动化仪表选型设计要求》HG/T 20507—、《仪表系统接地设计要求》HG/T 20513—、《汽车加油加气站设计和施工规范》()GB 50156—。
控制室、收费室设置等电位连接母板。

    现在，中国家标准准站建设数量很多，规模各异，形式多样，我们参与了几十座标准站自控系统设计。鉴于近5年智能仪表系统在标准站控制系统中良好运行效果，结合其控制点少、逻辑简单特点，我们认为采取智能仪表系统优于计算机控制系统。控制系统设计应以站控实际为基点，在确保安全、可靠前提下，充足考虑系统性价比和实效性，不宜盲目地追求优异控制模式。