压力流量控制

通常描述天然气流量是指标况下的体积流量，压力和流量之间没有一一对应的关系，但是管道中的天然气压力降与流量可以简化成正比关系，即供气条件相同时(供气量、管径等)，管道中天然气用气流量越大，压力降越大。因此压力流量控制不可能同时控制压力和流量，而是在不同的情况下设定参数分别控制，但是控制原理都是相同的，即通过调节阀门的开度来控制流量的变化进而使被控制管道的流体压力、流速等参数符合控制要求，可以用同一个设备实现控制目标。

压力控制主要是为了下游的压力稳定，以及符合管道和设备的设计压力。而流量控制是为了上游气量的调度配置以及防止流量过大损坏计量设备，尤其是涡轮流量计。

天然气站场中常用的压力控制系统为串联监控，增加流量控制功能只是在调节阀程序控制上增加控制环节，因此一般压力流量控制系统包括:安全切断阀、监控调压器、调节阀、专用压力流量控制器、压力变送器、压力表及相关设备、大小头、管路附件等。

安全切断阀、监控调压器、调节阀为相互独立的设备，按照从上游至下游的顺序，串联在一起组成的安全、监控式控制系统。在安装压力流量控制系统的站场入口处，一般都设计安装过滤设备，过滤分离后的气体杂质颗粒直径不大于5 μm。各种阀的出口的耐压等级等同于其入口的耐压等级，压力控制阀组的下游的取压、引压等部件的耐压等级等同于其上游的耐压等级。

安全切断阀和监控调压器作为安全设备，一般选用不需任何外部动力源的自力式阀门，气体测量信号取自调节阀的下游。用于正常情况下压力流量控制的调节阀，一般选用电动(或者气动)调节阀。以电动调节阀为例。

压力流量控制安全切断阀

安全切断阀是高可靠性的自力式阀门，是独立于监控调压器和调节阀的专用安全设备。安全切断阀正常工作时长期处于全开状态，设置有超高压、超低压切断保护，一旦系统的压力达到设定值的上限或下限，它将快速、自动地切断供气管路。自动切断后，它不能自动打开，只能就地手动打开。

安全切断阀可具有远方控制及远方阀位指示功能，能够接收来自控制系统的控制命令，自动关断阀门。当安全切断阀打开或关断时，其配带的位置开关可输出无源接点信号至站控系统进行阀位指示。

压力流量控制监控调压器

监控调压器为带指挥器自力式调压器，是独立于安全切断阀和调节阀的专用安全设备。指挥器动力源取自阀门的上游。监控调压器正常工作时长期处于全开状态，一旦系统的压力达到设定值的上限，它将启动，通过调节调压器阀门开度将压力控制在设定范围内。一般出口法兰流速不超过50 m/s。阀门的开度可以输出至控制系统进行显示。带有就地机械指示装置，可就地指示阀门的开度。

压力流量控制电动调节阀

电动调节阀，是电动执行机构和调节阀组成的一个整体设备，调节阀一般为轴流式或迷宫式，根据工艺要求选择调节阀的流量特性，通常选用等百分比特性的调节阀。调节阀的尺寸按照在最小最大流量条件下，阀的开度在5%~90%之间进行计算。

调节阀可根据不同时段的要求远程改变流量上限设定值，对最大供气量进行控制，以保证流量相对稳定。当阀门出现故障时，应处于全开位置。

调节阀上有就地机械或电子式指示装置，可就地指示阀门的开度。电动执行机构具有就地手动、自动和远程控制选择开关。

压力流量控制控制器

压力流量控制系统为无人操作设计，采用以PLC(带PID调节模块)为基础组成独立的压力流量控制器，对站场出站压力、流量进行控制：

1)当供气流量低于流量上限设定值(以下简称“流量上限值”)时，安全切断阀和监控调压器处于全开位置，控制器和调节阀处于压力调节状态。此时，控制器和调节阀的作用是控制对下游的供气压力在规定的范围内，即在允许的波动范围内、按照压力上限设定值(以下简称“压力上限值”)对下游用户供气。

2)当供气流量增加到接近或超过流量上限值时，安全截断阀和监控调压阀处于全开位置，控制器和调节阀处于流量控制状态。控制器输出控制信号，减小调节阀开度，控制供气流量不超过流量上限值;此时，对下游供气压力将低于设定的压力值。

3)在对下游供气压力低于压力上限值的情况下，如果供气流量出现波动，则控制器根据站控系统反馈的供气流量和压力参数输出控制信号，控制供气流量已设定的流量上限值、在允许的波动范围内稳定供气。

4)当供气流量从设定的流量上限值减少时，压力流量控制系统增加调节阀开度以稳定供气流量;当供气流量继续减小，调节阀开度继续增加导致对下游供气压力达到设定的出口压力值后，压力流量控制系统进入上述1)所述的压力调节状态;当供气流量增加到接近或超过流量上限值时，压力流量控制系统进入上述2) ,3)所述的流量控制状态。

5)当调节器出现故障导致供气压力超过压力上限值达到一定范围时，监控调压器自动(或由专用控制器启动)投入工作，以维持下游供气压力在一个安全、合理范围。此时，系统处于自力式压力调节状态，不能控制供气流量。

6)若调节阀出现故障后，监控调压器也出现故障，不能控制下游压力时，安全切断阀则自动(或由专用控制器/站控系统)切断该回路气源，并由站控系统开启备用回路，关闭故障回路，以确保连续供气及下游管道、设备和系统的安全。

7)压力流量控制系统专用控制器应向站控系统传递本系统的各种运行状态参数，如:压力、阀门开度等状态信息。控制器应具有就地显示功能，能够显示压力流量控制系统实时的工作状态、故障信息(如:调节阀开度，压力信号错误、设备故障等)，并能显示设定值。控制器能够预先设定压力上限值、24 h或168 h流量上限值(即限制流量曲线)，并根据预设流量上限值对流量进行控制，保持实际供气流量不超过流量上限值。

控制器有良好的调节特性输出，能够控制出口压力，限制最大流量。即：当实际流量小于最大设定流量(流量上限值)时，保持出口的最高设定压力(压力上限值)。当实际流量等于最大设定流量时，保持流量不超过最大设定流量，不保持出口压力。压力和流量控制的切换过程要求十分平稳，不能使被调节对象出现大的扰动。在调节阀工作时，向上的超调量应尽可能小。当改变控制器设定值后，系统调节平滑，超调量很小，或无超调，不能由于超调量过大导致监控调压器动作，甚至使安全切断阀关闭。要求每次改变设定值的调节周期小于15 minx

正常供气情况下，安全切断阀和监控调压器处于全开位置，压力流量控制器站场控制系统的压力、流量上限设定值、实时供气压力和流量信号，通过调节阀对供气压力和流量进行调节控制。当调节阀出现故障，无法控制下游压力时，监控调压器开始工作，以维持下游压力的安全范围。若监控调压器也出现故障，不能控制下游压力时，安全切断阀则自动切断气源，同时控制器开启备用回路，以保证下游管道和设备的安全。

当调节阀发生故障时，它应处于全开位置。监控调压器出现故障时，应处于全关位置。

在天然气输配系统中，上游供应的介质应为压力、流量稳定的洁净天然气。天然气站场通常的流程为：过滤升计量升压力(流量)控制。压力调节的范围应根据下游管道及设备设计压力确定，而流量调节不仅要考虑满足下游的最大需求量，同时还应该考虑上游自身供气能力或调度气量的需要进行流量控制。

压力流量控制的主要控制逻辑功能如下。

①阀状态:开到位、关到位、就地/远控、正常/故障、PID手动、PID自动、压力调节、保护流量调节、流量调节、高压保护调节、低压保护调节。

②控制模式:PID手动控制、PID自动控制。这两种模式发挥作用的前提是调节阀处于远控、无故障状态。另外，当调节阀处于PID自动控制时，可以选择压力调节或流量调节，但阀位开度会被限制在低阀位设定值和高阀位设定值之间。

③ PID手动控制:在人机界面(human machineinterface, HMI)输入阀位设定值，强制阀位开度。

④压力调节:在HMI输入压力设定值，PLC控制器将根据天然气出口压力反馈值对阀位开度进行PID自动控制。此时，保护流量调节起限流保护作用。

⑤流量调节:在HMI输入流量设定值，PLC控制器将根据天然气流量反馈值对阀位开度进行PID自动控制。此时，高压保护调节、低压保护调节起限压保护作用。

⑥保护流量调节:在压力调节过程中，当流量反馈值>流量保护设定值时，调节阀在lOS后将压力调节自动切换到保护流量调节，PLC控制器将根据流量反馈值对阀位开度进行PID自动控制;当压力反馈值>压力设定值，且98%保护流量设定值<流量反馈值<102%保护流量设定值时，调节阀在lOs后自动将保护流量调节切换到压力调节。

⑦高压保护调节:在流量调节时，当压力反馈值>高压保护设定值时，调节阀在lOs后将流量调节自动切换到高压保护调节，PLC控制器将根据压力反馈值对阀位开度进行PID自动控制;当流量反馈值>流量设定值，且98%高压保护设定值<压力反馈值<102%高压保护设定值时，调节阀在lOs后将高压保护调节自动切回到流量调节。

⑧低压保护调节:在流量调节时，当压力反馈值<低压保护设定值时，调节阀在lOs后将流量调节自动切到低压保护调节，PLC控制器将根据压力反馈值对阀位开度进行PID自动控制;当流量反馈值<流量设定值，且98%低压保护设定值<压力反馈值<102%低压保护设定值时，调节阀在lOs后将低压保护调节自动切回到流量调节。

⑨为确保调节阀在PID自动与手动控制间相互切换时，阀门不会马上动作，实现无扰切换，对控制逻辑进行了如下设计:当调节阀处于PID自动控制时，阀位反馈值将自动赋给阀位设定值;当调节阀处于PID手动控制时，压力反馈值将自动赋给压力设定值，流量反馈值将自动赋给流量设定值等。

⑩为确保调节阀在PID自动控制过程中，突然出现就地或故障的意外情况时，调节阀不会误动作，在控制逻辑上进行了如下设计:在就地或故障时，调节阀由PID自动控制自动切换到PID手动控制;同时，阀位反馈值将自动赋给阀位开度控制信号、阀位设定值等，压力反馈值自动赋给压力设定值，流量反馈值自动赋给流量设定值。