天然气(CNG)加气站构成情况
天然气(CNG)加气站一般由建在郊区的加气母站和建在市区的加气标准站、加气子站组成。昌晖仪表分享的CND加气站仪表控制系统着重介绍CND加气标准站的仪表控制系统，这是因为标准站设备多，流程较复杂，仪表工掌握CNG加气标准站仪表控制系统的原理及设计就能轻松搞定加气母站和加气子站的仪表控制。图1为CNG加气标准站流程图，从图中可看出进入标准站的气源来自管道天然气或槽车天然气，进气压力0.1-0.4MPa，天然气经调压计量后经干燥器脱水，干燥的天然气经缓冲罐后送入压缩机升压至22-25MPa，再经顺序控制盘送至储气井组或加气机给汽车加气。
图1 CNG加气标准站工艺流程
CNG加气标准站仪表控制系统构成
一套完整的CNG加气标准站仪表控制系统由压缩机控制、加气机收费管理、工艺管网控制和可燃气体监控报警控制四个部分共同组成，其中压缩机控制系统和加气机收费管理系统由专业设备厂家配套提供，工艺管网自控和可燃气体监控报警自控由仪表专业完成，并将相关连锁控制信号接入设备厂家提供的控制系统，四个独立的控制系统互相结合即可达到CNG加气站平稳加气和安全运行的目的。
本文以下章节着重对工艺管网自控、可燃气体监控报警自控和相关联锁控制做详细介绍。
1、工艺管网仪表控制系统
①CNG加气标准站自控设计遵循安全、实用、可靠、经济的原则
因控制点少，宜选用智能数显仪表(业主方有特殊要求除外)，CNG加气标准站仪表控制系统主要由数显仪表(功能要求：显示+2个报警+4~20mA变送输出+RS485通讯，型号：YR-GNC803-820-23-HLNN-P-T)、检测端隔离式安全栅(型号：YR9120-EX-LP)、UPS电源、DC24V开关电源、闪光报警仪(型号：SWP-X03-0N-A)、温度变送器(型号：SWP-ST61ECT)、直装式压力变送器、欧姆龙中间继电器、电源浪涌保护器和控制柜等组成。CNG加气标准站仪表控制系统配置原理如图2所示。
图2 智能数显仪表系统功能配置原理
智能数显仪表完成CNG加气标准站所涉及温度、压力、流量等参量的显示、报警、连锁及数据传输；现场仪表(温度、压力和流量)有防爆、现场显示和高可靠性的功能要求；闪光报警仪根据数显仪表提供的报警信号提供声光报警，提示操作人员安全操作。
②工艺管网仪表控制系统控制逻辑
a、控制逻辑
◆在事故、异常情况或紧急情况下，操作工可以在控制室按下急停按钮紧急切断CNG加气标准站所有压缩机。
◆CNG加气标准站的高压储气井组、中压储气井组、低压储气井组压力达到压力高限报警值时，控制系统能自动声光报警并停止所有压缩机。
◆CNG加气标准站生产区天然气泄漏浓度达到20%LEL时，控制系统自动提供声光报警和启动轴流风机通风；天然气泄漏浓度达到50%LEL时，控制系统自动提供声光报警和停止所有工作压缩机。
b、条件设定
高压储气井组(仪表位号：PIAC005)、中压储气井组(仪表位号：PIAC004)和低压储气井组(仪表位号：PIAC003)现场设置压力测点，选用单晶硅直装式压力变送器；控制柜设置紧急切断按钮EST，用于手动停止所有压缩机；天然气可燃气体检测报警控制器模块HJ1825；供电电压为DC24V的中间继电器若干；压缩机和风机的联锁控制信号为无源开关量触点。
c、逻辑分析
风机和压缩机等设备的联锁控制触点信号源自数显仪表和天然气可燃气体检测报警控制器，做自控设计时需在压力高限报警或燃气泄漏高限报警时自动发出联锁控制无源开关量信号。
d、仪表控制原理图
高压储气井组(仪表位号：PIAC005)、中压储气井组(仪表位号：PIAC004)和低压储气井组(仪表位号：PIAC003)任一仪表高限报警时，其对应高限报警继电器触点闭合，中间继电器KA5得电；KA1、KA5和KA6任一中间继电器动作均使压缩机停止运行；继电器KA7的常开触点闭合使轴流风机启动。
图3 压缩机和风机联锁控制原理图
◆CNG加气母站控制逻辑除以上三条外，增加槽车加气岛压力(仪表位号：PIAC006)达到高限报警时(其报警设定值比储气井组压力的高限报警设定值要小)，控制系统自动提供声光报警和联锁停止所有给槽车加气压缩机，汽车加气压缩机正常工作。
为满足同一台压缩机两种不同的控制逻辑，在控制柜上设置转换开关为两种逻辑做控制转换，当转换开关置于“汽车加气”位置时，以汽车加气逻辑联锁停止该压缩机；当转换开关置于“槽车加气”位置时，以槽车加气逻辑联锁停止该压缩机。如图4所示。
图4 CNG加气母站压缩机联锁停机原理
③CNG加站系统接地
CNG加气站系统接地其目的是为了保证设备运行、人身安全和提高仪表控制系统稳定性，设计时遵循《HGT 20513-2014仪表系统接地设计规范》。本CNG加气站仪表控制系统选用了检测端隔离式安全栅，仪表信号不用专门接地；屏蔽电缆屏蔽层、仪表设备外壳、防爆接线箱、电缆保护管、铠装层及控制柜等采用分类汇总并最终与总接地板连接的方式实现等电位连接。CNG加气站仪表控制系统接地与电气防雷防静电接地共用接地装置，最终与电气接地网接地，NG加站系统接地电阻应＜4Ω。
④CNG加气站仪表防雷
CNG加气站仪表防雷主要为感应雷防护，仪表工应做好合理使用和敷设屏蔽导线、信号浪涌保护和共同接地三个方面工作：
a、合理使用和敷设屏蔽导线
CNG加气站仪表控制系统应使用屏蔽电缆、敷设电缆时采用钢管穿线，避免现场线路间电场引起的电容性耦合和磁场引起的电感性耦合干扰；屏蔽电缆的屏蔽层应单点接地；信号电缆应远离强电电缆，尽量保持600mm以上间距；控制电缆不得与油类、天然气、热力管道同沟敷设；现场所有变送器外壳用截面积最小4mm2的电缆与电气接地网直接连接。
b、信号浪涌保护
本设计中选用带浪涌保护的检测端隔离式安全栅YR9120-EX-LP，仪表6脚端子必须采用截面积2.5mm2导线接地线。
c、共同接地
CNG加气站控制站内仪表电缆屏蔽层、仪表外壳接地、检测端隔离式安全栅接地、仪表保护接地、仪表工作接地、穿线管接地等应等电位连接至总接地板，总接地板与电气防雷、防静电接地共用一个接地装置,最终与站内接地网连接实现共用接地。共用接地可防止或避免在站区遭到雷击时,感应雷抬高地电位后与控制系统的接地形成电位差而造成反击或放电。
2、天然气可燃气体监测报警控制系统
CNG加气标准站天然气可燃气体监测报警控制系统应独立设置，用于对加气站内对天然气泄漏情况实施监测和报警，报警信号用于设备连锁控制。设计时应遵循《SH 3063-1999石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》。
①可燃气体监测控制器探测传感器安装细则
本设计中选用的天然气可燃气体监测报警控制器探测传感器室内有效检测半径7.5m、室外有效检测半径15m，设计中压缩机间探测传感器的间距设置为6m，室外12m；探测传感器安装位置宜设在用气设备附近、法兰连接处、阀门组和泄漏源处；压缩机间探测传感器环墙壁四周和距顶棚0.3m处设置，每台加气机、储气井组高度2.5m出安装探测传感器，保证探测传感器周围不小于0.3m的净空。
②可燃气体监测控制器报警设置及联锁控制
可燃气体监测控制器可设置高限报警和高高限报警，高限报警值设定为20%LEL，高限报警时自动声光报警及联锁启动轴流风机进行空气置换；高高限报警值设定为50%LEL，高限报警时自动声光报警并联锁停止所有工作压缩机。其控制原理如图3和图4所示。
CNG加气标准站仪表控制系统安全要素
CNG加气标准站存在可燃易爆的天然气，保障CNG加气站的安全生产和正常运行是重中之重。CNG加气标准站仪表控制系统在进行各种参量监控同时，必须做好仪表选型、消防、安全及电缆布线的安全措施
1、仪表选型的防爆、防护定级要求
CNG加气标准站仪表控制系统仪表选型遵循《HG/T 20507-2000自动化仪表选型设计规定》。根据站内爆炸危险区域的划分，综合考虑站内各种仪表的防爆、防护等级配置等技术参数。
2、仪表系统供电安全措施
CNG加气标准站仪表控制系统供电遵循《HG/T 20509-2000仪表供电设计规定》。电源侧加装三级电源浪涌保护器，确保能向仪表系统提供可靠电源，并配置在线式、长效型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。
3、仪表电缆选用及敷设
仪表电缆选用遵循《HG/T 20512-2000仪表配管配线设计规定》和石油化工自动控制设计手册。仪表电缆应采用铜芯、铠装、屏蔽电缆、直埋敷设，在信号回路增加信号浪涌保护。出入地面穿套管保护，与仪表及套管等接口采用防爆挠性管连接，穿越不同区域采取密封和防爆措施。
4、设备急停及参数越限声光报警
设备急停及参数越限声光报警功能应完全满足工艺要求，并高于《HG/T 20511-2000信号报警、安全联锁系统设计规定》。压缩机控制系统具备远程和就地启停功能；控制室设置紧接切断按钮EST，确保在紧急或事故状况下关闭压缩机；设置各检测点的超限声光报警、超限停车及压缩机现场停机功能。
4、仪表防雷设计要求
仪表防雷设计应高于《HG/T20507-2000自动化仪表选型设计规定》和《HG/T20512-000仪表系统接地设计规定》要求，且满足《GB 50156-2002汽车加油加气站设计与施工规范》。控制室、收费室设置等电位连接母板；站内现场各仪表配置防雷模块，所有变送器外壳采用单独防雷接地线与接地网可靠连接。控制系统及电缆屏蔽层、铠装层、现场防爆接线箱、穿线管等与电气接地网可靠连接。
各地CNG加气站规模和形式多样，笔者参与了数十套CNG加气站仪表控制系统的设计和调试，昌晖仪表建议CNG加气标准站自控设计遵循安全、实用、可靠、经济的原则，由数显仪表构成的CNG加气站自控系统已完全满足控制要求和上位机数据上传要求。若盲目追求高大上的计算机控制系统，这样会增加投资且要求加气站仪表工必须熟练掌握PLC系统或DCS系统，不然出现故障时恢复时间必然会延长，这样未必是明智的选择。