今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
作者簡介：薛健麟（1969-），男，江蘇鹽城人，現(xiàn)任瀘天化綠源醇業(yè)檢修車間主任。
摘 要：瀘天化綠源醇業(yè)有限公司40萬噸/年甲醇裝置是國內(nèi)第一套采用壓縮機綜合控制系統(tǒng)進行壓縮機優(yōu)化控制的甲醇裝置，該裝置的原料氣壓縮機組和合成氣壓縮機組首次采用了一套三重化冗余的綜合控制系統(tǒng)進行控制。該系統(tǒng)將傳統(tǒng)壓縮機控制中所需要的多個分立的儀表聯(lián)鎖控制系統(tǒng)如防喘調(diào)節(jié)器、聯(lián)鎖自保單元、電子調(diào)速器、負荷調(diào)節(jié)器等共同才能實現(xiàn)的功能集成在一套可靠性極高的系統(tǒng)中完成；在減少器件間的連接和通信、減少故障發(fā)生幾率的同時，降低了長周期運行成本，使企業(yè)獲得可觀的經(jīng)濟效益。
關(guān)鍵詞：綜合控制系統(tǒng)；三重冗余；防喘振控制；安全聯(lián)鎖；速度控制
1 ITCC方案的提出及與原方案的比較
壓縮機是化工生產(chǎn)的心臟，瀘天化綠源醇業(yè)有限公司40萬噸/年甲醇裝置采用了兩臺大型離心式透平壓縮機組：原料氣壓縮機組和合成氣壓縮機組，兩臺機組均由日本三菱重工成套。三菱公司提供的原配套控制方案為傳統(tǒng)的壓縮機組控制方案：透平調(diào)速系統(tǒng)采用兩臺WOODWARD 505調(diào)速器進行控制，防喘振控制系統(tǒng)和負荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)在橫河DCS CENTUM CS-3000系統(tǒng)中編程實現(xiàn)，壓縮機安全聯(lián)鎖系統(tǒng)采用的是兩套西門子PLC系統(tǒng)，三者之間的信號采用通訊方式進行。配置如圖1所示。
圖1 原配置的機組控制方案
從圖可以看出，透平調(diào)速控制器、防喘振控制器、性能控制器、負荷分配控制器都是分立的，彼此之間只能通過外部通訊的方式建立聯(lián)系，傳輸速率較慢，可靠性較差，且各分立的控制器之間相互作用的范圍很小，需要較大的安裝空間。由于系統(tǒng)由多個廠家提供，操作人員和儀表維護人員需多次培訓(xùn)才能進行操作維護。
在此方案中，由于機組的聯(lián)鎖自保系統(tǒng)仍然采用PLC來實現(xiàn)，聯(lián)鎖自保系統(tǒng)與各控制器之間不能建立很好的聯(lián)系，而機組的長周期、高效率運行又要求CPU和某些關(guān)鍵的控制點實現(xiàn)雙冗余或三冗余。雖然在以往的系統(tǒng)中也有采用兩個或三個同樣的系統(tǒng)組合構(gòu)成相應(yīng)的冗余系統(tǒng)，但這樣的系統(tǒng)各部分之間相互獨立，有的只是輸入輸出信號冗余而CPU卻沒有相應(yīng)的冗余；有的CPU雖然有冗余但運行的卻是不通的程序，這樣的系統(tǒng)不能很好地分辨出哪一個出了問題并加以排除。
經(jīng)過反復(fù)的技術(shù)交流和對技術(shù)、經(jīng)濟上的綜合比較，該公司決定采用先進的機組控制方案－壓縮機綜合控制系統(tǒng)（ITCC），各壓縮機控制廠商技術(shù)方案的比較，最終選定了北京康吉森公司的TS3000系統(tǒng)，并大膽采用了兩臺壓縮機組共用一套控制系統(tǒng)的方案。該方案配置如圖2所示。
圖2 現(xiàn)采用的機組控制方案
與三菱公司原設(shè)計方案相比，ITCC將傳統(tǒng)壓縮機控制中所需要的多個分立的儀表聯(lián)鎖控制系統(tǒng)如防喘調(diào)節(jié)器、聯(lián)鎖自保單元、電子調(diào)速器、負荷調(diào)節(jié)器等共同才能實現(xiàn)的功能集成在一套可靠性極高的系統(tǒng)中完成，大大簡化了系統(tǒng)間的接線及通訊工作，消除了分立系統(tǒng)的各種弊端，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護性，在減少故障發(fā)生幾率的同時，降低了長周期運行成本，為機組的長周期安全穩(wěn)定運行提供了可靠的保障。
2 綠源醇業(yè)公司ITCC的系統(tǒng)構(gòu)成
2.1 系統(tǒng)的硬件配置
綠源醇業(yè)公司采用的TS3000控制系統(tǒng)共包含三面機柜，機柜均采用前后開門。1號機柜內(nèi)安裝3個機架；2號機柜正面為I/O端子板，背面為安全柵；3號機柜正面為I/O端子板和隔離繼電器，背面為安全柵。
系統(tǒng)硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括電源模塊、處理器模塊、通信模塊、輸入/輸出模塊及安全柵等相應(yīng)附件，本系統(tǒng)使用的輸入/輸出（I/O）模塊有：DI（3503E）模塊、DO（3604E）模塊、AI（3700A）模塊，AO（3805E）模塊，PI（3511）模塊。除此之外，還有主處理器模塊MP3008模塊，通信模塊EICM4119A和NCM4329以及8312電源模塊。
本系統(tǒng)由1個主機架和2個擴展機架組成，主機架放置2塊冗余的8312電源模塊，3塊冗余的MP3008主處理器模塊，1塊EICM4119A和1塊NCM4329通信模塊，另有2塊3511 PI模塊。1#擴展機架（原料氣壓縮機）的配置為：2塊冗余的8312，2塊3503E，1塊3604E，2塊3700A和1塊3805E；2#擴展機架（合成氣壓縮機）的配置為：2塊冗余的8312，2塊3503E，1塊3604E，2塊3700A和2塊3805E。本系統(tǒng)使用的I/O點數(shù)分別是：DI：：71點，DO：26點，AI：81點，AO：13點，PI：6點。
EICM4119通訊模塊有四個串行通訊口，其分配如下：
PORT#1 與DCS通信（橫河CS3000系統(tǒng)）；
PORT#2 與本特利3500系統(tǒng)冗余通訊；
PORT#3 與本特利3500系統(tǒng)冗余通訊；
PORT#4 接便攜式組態(tài)工作站；
2.2 系統(tǒng)的軟件配置
本系統(tǒng)在WINDOWS NT 4.0平臺上運行TRISATION 1131，版本2.0，符合國際IEC1131標(biāo)準(zhǔn)，可以非常簡便地對用戶的系統(tǒng)進行設(shè)置，對具體的應(yīng)用程序進行編程、編譯、下裝和在線修改，對所編程序進行離線模擬，同時還可以對系統(tǒng)的軟件和硬件狀態(tài)進行在線診斷和根據(jù)實際需要對過程變量進行強制等。
數(shù)據(jù)采集使用DDE，外掛事件追憶查尋軟件SOE；操作站界面軟件采用WONDERWARE的INTOUCH 7.1，可方便地生成各種操作畫面（如啟機控制、喘振控制、壓縮機曲線圖、報警畫面等）及實時趨勢、歷史趨勢等。
2.3 ITCC與DCS、ESD系統(tǒng)的通訊
系統(tǒng)可以根據(jù)需要提供包括以太網(wǎng)、MODBUS在內(nèi)的多種通訊接口，實現(xiàn)與DCS系統(tǒng)、ESD系統(tǒng)、操作監(jiān)控站、編程維護站、在線設(shè)備診斷系統(tǒng)等的通訊，為該公司的儀表設(shè)備管理提供更大的便利。
圖3 ITCC與DCS、ESD系統(tǒng)的通訊
3 綠源醇業(yè)公司機組控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)
概括而言，該系統(tǒng)從實現(xiàn)的功能上將包括以下內(nèi)容：
·安全聯(lián)鎖（ESD）系統(tǒng)；
·速度控制系統(tǒng)；
·喘振控制系統(tǒng)；
·其它參數(shù)（如：風(fēng)機流量、負荷、壓力、溫度、振動及位移等）的監(jiān)控。
現(xiàn)將主要功能的實現(xiàn)方法簡要闡述如下：
3.1 聯(lián)鎖保護及邏輯功能（ESD）
將來自現(xiàn)場的各類過程輸入和輸出信號與TRICON V9系統(tǒng)連接，通過主處理器內(nèi)部的用戶程序來實現(xiàn)機組的聯(lián)鎖停機邏輯和開機啟動順序控制等。即采用三重冗余容錯的ESD系統(tǒng)替代了原有的繼電器系統(tǒng)，在極大地提高系統(tǒng)可靠性、可用性和靈活性的同時，還可以非常方便地實現(xiàn)在線修改和變更邏輯關(guān)系。
3.2 壓縮機的防喘振控制
TRICONEX擁有自己獨特的防喘振控制算法。TRICON系統(tǒng)依據(jù)三菱機組的性能特性及喘振曲線，根據(jù)壓縮機入口流量、入口壓力、出口壓力及相應(yīng)的溫度，結(jié)合相關(guān)的計算公式及TRICONEX在同類機組上的經(jīng)驗來判斷是否發(fā)生喘振。如發(fā)生喘振，則由防喘振控制器的輸出值進行調(diào)節(jié)防喘振控制閥。防喘控制在TRICON控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，具有直觀的界面和工作點狀態(tài)，從而使壓縮機工作于最佳工作點。
防喘控制方框圖如圖4所示，TRICONEX的防喘控制系統(tǒng)可由各個獨立的功能模塊來描述，每個模塊都有各自已定義的功能，并通過輸入輸出信號（均給出位號名）與其它功能模塊相互連接和作用。
圖4 防喘控制框圖
3.3 調(diào)速控制和超速保護
在TRICON控制系統(tǒng)中，通過專用的調(diào)速軟件程序可以實現(xiàn)對透平機組的多種模式的程序調(diào)速控制。TRICONEX根據(jù)三菱公司提供的起機曲線編制自動或半自動起機程序。機組的速度控制可以有多種運行方式，包括停機、啟動、暖機、加速、運行等。在自動起機模式下，根據(jù)起機曲線的升速率，蒸汽透平將自動從零轉(zhuǎn)速升到最小轉(zhuǎn)速或額定轉(zhuǎn)速。另外，還將組態(tài)迅速越過臨界轉(zhuǎn)速的控制。在半自動起機模式下，操作工可在從零轉(zhuǎn)速到最小轉(zhuǎn)速之間的任何轉(zhuǎn)速下停留。一旦達到最小轉(zhuǎn)速，操作人員可將轉(zhuǎn)速進一步提高到工作轉(zhuǎn)速。同時，速度信號也可以在控制系統(tǒng)內(nèi)部通過三取二算法對機組進行超速保護。
圖5 調(diào)速控制和超速保護界面
3.4 過程調(diào)節(jié)功能
對于其它的各種流量、壓力、溫度、液位等過程調(diào)節(jié)，也將通過TRICON內(nèi)置的固有控制模塊來實現(xiàn)控制功能。
3.5 事件記錄（SOE）
系統(tǒng)內(nèi)置的SOE功能可以毫秒級的速率采集和記錄發(fā)生的事件，系統(tǒng)最多可記錄60000條事件，可以方便地記錄故障報警，捕捉第一報警信息，為事故分析提供第一手詳實的信息；對SOE的記錄和檢索功能可獨立設(shè)置成站，也可以集成在工程師站內(nèi)；采集的SOE數(shù)據(jù)可實時存貯在硬盤的歷史中，并可通過打印機打印出來。
4 項目的經(jīng)濟效益分析
4.1 節(jié)約運行成本
由于綠源醇業(yè)40萬噸/年甲醇裝置是新建項目，按照有關(guān)要求裝置開車后將在一個很長的時間（一般是一年）內(nèi)不能滿負荷生產(chǎn)。引入TS3000系統(tǒng)，由于其先進的軟件控制水平，尤其是在裝置試車和投產(chǎn)初期，一方面可以彌補操作人員人手少、經(jīng)驗少的不足，減化操作，減少事故幾率；另一方面可以大幅度降低裝置在低負荷條件下生產(chǎn)的能耗：由于控制系統(tǒng)能夠精確地調(diào)整機組的運行性能，在確保機組安全的前提下使循環(huán)返回量達到最小，最大限度的優(yōu)化機組性能，節(jié)能效益明顯。以80%左右的負荷為例，ITCC系統(tǒng)通過對機組工作點的準(zhǔn)確監(jiān)控，至少可以減少返回流量10%以上，相應(yīng)就可以少消耗蒸汽約8%，兩臺機組一共約合12t/hr蒸汽，1天24hr為288t，蒸汽單價按目前執(zhí)行價110元/t計算，即每天可節(jié)約3.168萬元。根據(jù)有關(guān)要求，新裝置的低負荷運行周期不應(yīng)少于1年，若按1年300天的生產(chǎn)期計算（還不包括中途的停車消耗），按僅此一項就可以節(jié)約蒸汽消耗950多萬元。
圖6 過程調(diào)節(jié)功能界面
圖7 事件記錄界面
轉(zhuǎn)入滿負荷正常生產(chǎn)后，例行的年度大檢修開、停車期間低負荷，以及受供氣條件限制的低負荷運行時間，每年平均至少在1個月以上，即可節(jié)省費用95萬元。若將本裝置的使用壽命按15年計算（實際遠遠不止），可節(jié)約費用1425萬元。
4.2 節(jié)約電纜費用和安裝費用
由于綜合控制系統(tǒng)集成化程度高，減少了傳統(tǒng)的分立系統(tǒng)之間繁雜的通訊電纜和信號電纜，同時也大大減少了安裝和調(diào)試的工作量。據(jù)估計，采用一套與綠源醇業(yè)公司原料氣和合成氣壓縮機組相同規(guī)模的綜合控制系統(tǒng)，與采用兩套傳統(tǒng)的分立壓縮機控制系統(tǒng)相比，可節(jié)省通訊電纜和信號電纜費用以及安裝調(diào)試費用約40萬元左右。
合并上述兩項費用，采用壓縮機綜合控制系統(tǒng)的控制方案后，總共可節(jié)省費用約2400多萬元人民幣。
根據(jù)世界能源發(fā)展現(xiàn)狀看，天然氣、煤和石油的價格呈不斷上升趨勢，蒸汽價格也在不斷上漲，長期運行實際經(jīng)濟效益遠遠不止于此。
5 項目的社會效益和推廣應(yīng)用前景
本項目在取得較大經(jīng)濟效益的同時，也取得顯著社會效益，特別在環(huán)境保護方面處于國際先進水平。
（1）在技術(shù)推廣應(yīng)用方面
TS3000透平/壓縮機綜合控制系統(tǒng)是北京康吉森公司的三重化冗余控制系統(tǒng)，它綜合了該公司在機組控制方面多年的經(jīng)驗。該系統(tǒng)于90年代初期成套引進中國，雖然已在世界上60多個國家的石油化工、鋼鐵、發(fā)電、鐵路等行業(yè)使用，但在此之前，TS3000系統(tǒng)用于多機組的控制目前還只有石化行業(yè)有運用業(yè)績。瀘天化綠源醇業(yè)40萬噸/年甲醇裝置是國內(nèi)第一套單系列產(chǎn)能達到40萬噸級的甲醇生產(chǎn)裝置，本項目自動化技術(shù)國內(nèi)首創(chuàng)，裝置的大型壓縮機組綜合控制系統(tǒng)自動化控制技術(shù)總體處于國際先進水平。在國內(nèi)化工行業(yè)，將TS3000系統(tǒng)用于大型甲醇裝置的原料氣/合成氣壓縮機的機群控制，該公司為全國首創(chuàng)。本項目壓縮機綜合控制系統(tǒng)的建成和投運也將為以后的新建廠提供較好的理論依據(jù)和實際操作經(jīng)驗，有著廣泛的推廣和運用前景。
（2）在安全生產(chǎn)和減少人工勞動強度方面
項目投用不僅在大型壓縮機組工藝上滿足安全技術(shù)要求，在正常生產(chǎn)時保證壓縮機組處于最佳運行狀態(tài)，而且能夠盡量減少人工干預(yù)，防止操作人員誤判斷、誤操作，在突發(fā)事故時防止事故擴大，保證生產(chǎn)裝置安、滿、長周期運行。
項目自動化程度高，實現(xiàn)了綠源醇業(yè)公司年產(chǎn)40萬噸甲醇裝置生產(chǎn)過程優(yōu)化控制和管理一體化，可大大減少人工勞動強度，在勞動保護方面，處于國內(nèi)先進水平。
（3）在環(huán)境保護方面
能有效地降低壓縮機組的噪音。本裝置的噪音源主要來自壓縮機和透平的放空，采用綜合控制系統(tǒng)控制后，一方面可以大幅度降低裝置在低負荷條件下生產(chǎn)的能耗，另一方面由于控制系統(tǒng)能夠精確地調(diào)整機組的運行性能，在確保機組安全的前提下使循環(huán)返回量達到最小，通過ITCC系統(tǒng)對機組工作點的準(zhǔn)確監(jiān)控，至少可以減少返回流量10%以上，大大減少由于機組運行不穩(wěn)定而帶來的噪音，有效地保障了操作維護人員的工作環(huán)境和周邊居民的生活環(huán)境。
——轉(zhuǎn)自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號