刘功银，黄忠胜，肖 旺

（中国石油西部管道分公司， 乌鲁木齐 830013）

0 引言

天然气管道通过压降速率判断管道是否发生泄漏（或爆管），压降速率监控使用专用控制器，控制器内部程序不对外开放，可扩展性差、站场维护难度较大。以西气东输二线为例，阀室Shafer阀门使用专用控制器，压降速率程序固化在控制器中不对外开放；西二线站场PLC中无压降速率程序逻辑，不利于站场调度提前发现压力异常波动，及时采取处置措施。本文通过分析压降速率算法，设计压降速率逻辑并通过PLC编程实现压降速率判断，同时结合生产实际提出优化建议。

1 压降速率报警值来源

天然气泄漏后，管道内气体处于非稳态流动状态，通过SPS软件建模计算[1]：150mm小孔泄漏压降率达1057pa/s，管线调峰压降率达62pa/s，压缩机停停机达862pa/s，叠加3种工况压降率为191pa/s，考虑25%裕度，压降速率关断值=（1057+62+862）×1.25×60=148575pa/min≈0.15mpa/min。

因此，西二线干线阀室当阀门压降速率＞0.15MPa/min时，Shafer控制器产生报警并关断阀门。

2 压降速率逻辑设计

干线截断阀门在压降速率达到0.15MPa/min时关断，PLC程序按照采样周期循环存储压力值实时值，循环比较60s前后压力差：PT（60s）-PT(0s)，即可计算出每分钟的压降。为减小计算误差，提高压降率计算可靠性，循环比较5个相邻采样周期压力差，计算5次压降速率的平均值，若平均值大于0.15MPa，判定管道存在泄漏。压降速率公式如下：

图1 PLC压降速率计算逻辑Fig.1 Calculation logic of PLC pressure drop rate

压降速率=((pt(60s)-pt(0s))+(pt(61s)-pt(1s))+(pt(62s)-pt(2s))+(pt(63s)-pt(3s))+(pt(64s)-pt(4s)))/5

PLC压降速率计算，阀门关断逻辑设计如图1。

3 压降速率逻辑PLC程序实现

根据图1设计逻辑使用PLC编程实现。IEC_6-1131-3[2]中PLC支持：梯形图（Ladder）、结构化文本（ST）、功能块（FBD）、顺序功能图（SFC）、指令表（IL）5种编程语言。本文通过AB PLC的梯形图、结构化文本两种方式完成压降速率计算逻辑，实现管道出现泄漏阀门快速关断功能。

PLC实现压降速率计算的难点在于：PLC滚动存储压力实时值，循环计算60s前后的压力差。PLC通常用作顺序控制，使用传统的梯形图编程，完成压力数据滚动存储，程序复杂，实现难度大。结构化文本是一种高级文本语言，具有很强的编程能力，高级语言可以完成较为复杂的控制运算。通过结构化文本实现数据滚动存储，实时计算，编程较为简洁。

3.1 压降速率计算实现方式一：结构化文本

结构化文本编程实现实时压力值的滚动存储，并实时比较60s前后的压力偏差，逻辑实现如图2所示。

图2 结构化文本实现压降速率逻辑Fig.2 Structured text to realize pressure drop rate logic

图3 PT1201数据存储情况Fig.3 PT1201 Data storage

结构化文本编程完成后，程序下装至AB PLC运行，观察程序运行状况。程序中模拟PT1201数值变化：间隔1s，PT1201增幅为0.1MPa，由10.0MPa递增至11.0MPa，PT1201周而复始循环变化。程序下装至PLC CPU后，数据存储情况如图3所示。

程序中PT1201已经实现滚动实时存储，使用存储的数据可完成压降速率计算，当压降速率大于0.15MPa时产生报警关断阀门，如图4所示。

3.2 压降速率计算实现方式二：梯形图

若是使用一般梯形图语言，程序较为复杂且难度大。查阅AB PLC指令发现AB指令中集成了专用指令：数组移位指令LFL3可以完成数据滚动存储，当新的存储周期完成后，之前存储的数据会释放继续存储新的数据。LFL指令将源值复制到LIFO中，每次使能时循环向数组存储一个数据。

图4 PT1201压降速率计算及报警设置Fig.4 Calculation and alarm setting of PT1201 pressure drop rate

使用LFL时间数据滚动存储数据后，按照压降速率计算公式同样可算出每分钟的压降。

4 压降速率的优化探讨

无论使用结构化文本或者梯形图都只是实现压降速率计算的一种方式，AB PLC作为大型PLC指令较为丰富，可以直接使用Contollongix集成指令实现，程序简洁易懂，站场可使用梯形图编程实现。阀室使用BB RTU功能简单，没有类似指令，可使用结构化文本编程实现。

干线阀室截断设定值是叠加管道出现150mm直径小孔每秒泄漏率、管道调峰每秒压降率、站场启停压缩机每秒压降率，加之25%裕度，乘以60s得出每分钟压降速率报警值。因此，实际运行中，应考虑预设报警值，便于调度提前发现异常工况。本文通过比较61s与第1s的压力差计算压降率，为提高压降速率计算的可靠性，分别计算了5次（61s～65s与1s～5s比较）压差求平均值，若平均值大于0.15MPa，说明管道存在泄漏。

压降速率计算，考虑到仪表工作异常可能存在跳变，压降速率关断程序应设置延时，避免信号干扰对管线运行造成影响，压降速率报警程序中应该锁存，站场及时发现问题，排查是否存在问题。

干线阀室无人值守，阀门一旦截断影响整条管线的运行。因此，阀室压降速率程序应该充分考虑安全性与可靠性。目前，阀室shafer压降速率判断仅使用1个压力变送器判断是否发生爆管，一旦压力变送器失效会导致压降程序失效。单回路压力变送器无法满足阀室安全性与可靠性需求。阀室目前有两个压力变送器PT1201、PT1301，可考虑分别计算PT1201、PT1301压降速率，之后做2OO2（二选二）逻辑，这样可以提高爆管判断的可靠性；也可以考虑新增压力变送器，做2OO3（三选二）逻辑，同时提高爆管判断的安全性与可靠性。

5 小结

本文通过PLC实现压降速率爆管程序的编制，程序可以根据生产实际需求，实现压降速率计算、压降报警预设、压降程序屏蔽等功能，为shafer控制器程序固化，不可扩展提供一种解决思路。