儲氣庫壓縮機組控制系統(tǒng)設(shè)計

文/黃林

化石能源是特定條件生成的，與地質(zhì)條件有關(guān)系，在地球上這些能源屬于不可再生能源，并且其產(chǎn)地稀少、產(chǎn)量也是比較有限的。以天然氣為例，這屬于清潔能源，但是又因為是燃料在運輸過程中存在著泄露以及爆炸的危險，故不適于長途運輸。此外在天然氣的使用上，冬季用氣旺季，常出現(xiàn)供氣供不上的問題，夏季用氣量少，又會有一部分富余，怎樣儲存這些天然氣也成為了一個問題。因此，我國石油化工公司想了很多辦法來改善這個問題，其中現(xiàn)在最為常用的就是在使用相對集中的中樞地區(qū)建立儲氣庫。而天然氣如果儲存到罐里，那需要壓縮，也就是高壓，壓縮所采用的壓力越大那么一個儲氣庫裝得天然氣才越多，這樣就導(dǎo)致安全問題很大，投資成本也太高，不像油庫，沒法大規(guī)模建。所以需要在儲氣庫壓縮機控制系統(tǒng)設(shè)計方面，采用科學(xué)合理的方式來管理控制儲氣庫的各個模塊，實現(xiàn)安全性、可靠性高，成本較低的方式來儲存天然氣能源。

1 關(guān)于儲氣庫壓縮機控制系統(tǒng)的描述與分析

1.1 概述

地下儲氣庫,就是將天然氣重新注入地下可以保存氣體的空間而形成的天然氣氣藏，是集季節(jié)調(diào)峰、事故應(yīng)急供氣、國家能源戰(zhàn)略儲備等功能于一身的能源基礎(chǔ)性設(shè)施。地下儲氣庫具有天然氣調(diào)峰、儲備功能，已成為天然氣利用、供應(yīng)環(huán)節(jié)的重要組成部分。

地下儲氣庫用壓縮機是地下儲氣庫建設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備，此前依賴國外進(jìn)口。特別是，隨著天然氣清潔能源產(chǎn)業(yè)的加快發(fā)展，地下儲氣庫壓縮機國產(chǎn)化需求迫切。我公司（中國石油石油集團(tuán)濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司）于2016年自主生產(chǎn)試制的國內(nèi)首臺4500KW大型注氣壓縮機組，能夠滿足安全儲氣、安全放氣、安全預(yù)警等使用功能，經(jīng)過現(xiàn)場試驗和專家驗收，已經(jīng)完全能取代國外進(jìn)口機型，該機組獲得中國機械工業(yè)聯(lián)席會公布“改革開放40周年—機械工業(yè)杰出產(chǎn)品”稱號。

我公司研制的地下儲氣庫用天然氣壓縮機，打破了國外同類產(chǎn)品的技術(shù)壁壘，掌握了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)，機組主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過設(shè)計要求，主要性能參數(shù)與進(jìn)口機組處于同等水平，振動、噪聲和運行能效等指標(biāo)優(yōu)于進(jìn)口機組，為我國儲氣庫工程建設(shè)提供大型關(guān)鍵增壓國產(chǎn)化裝備保障。其針對地下儲氣庫進(jìn)氣壓力提高、排量增大、電機功率增大等情況，重點開展了多機聯(lián)運下的振動控制技術(shù)研究、工藝流程優(yōu)化、高壓大壁厚管焊接工藝攻關(guān)、提高四口連接緩沖罐裝配精度研究等技術(shù)攻關(guān)，并結(jié)合緩沖罐制作、安裝工藝，優(yōu)化了主機機體、中體結(jié)構(gòu)和尺寸。優(yōu)化的主機機體、中體可在為提高四口緩沖罐裝配精度提供有力支持的同時，增強機體和中體強度，實現(xiàn)了機組在線監(jiān)測的要求。

而其中的控制系統(tǒng)是壓縮機組的大腦，對機組的運行起著至關(guān)緊要的作用。該控制系統(tǒng)由現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)、MCC低壓配電柜、撬裝儀表以及上位監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。具備先進(jìn)性、可靠性，機組能夠在較短的時延下實現(xiàn)一鍵啟動功能。此機組控制系統(tǒng)由本人獨立完成設(shè)計并在公司團(tuán)隊的合作下完成各項性能指標(biāo)的測試，投入生產(chǎn)使用后獲得公司專業(yè)工作人員的全面肯定。

1.2 控制系統(tǒng)描述

現(xiàn)場控制系統(tǒng)采用ROCKWELL公司CONTROILOGIX5000系統(tǒng)PLC系列，現(xiàn)場配置15"彩色觸摸屏作為人機界面。通過敷設(shè)的單模光纖將現(xiàn)場機組的數(shù)據(jù)上傳到用戶控制室的上位機系統(tǒng)中，上位機系統(tǒng)設(shè)置客戶端服務(wù)器，可對機組進(jìn)行遠(yuǎn)程控制以及監(jiān)控。同時也可將機組所有的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩舻慕K端拼接大屏進(jìn)行集中顯示。

MCC低壓配電系統(tǒng)，為機組的空冷器、高壓潤滑和低壓潤滑系統(tǒng)提供電源和控制，為機組必不可少的輔助系統(tǒng)。UPS在線不斷為電電源提供中控室所有設(shè)備的工作電源，以保設(shè)備能正常運行。整個控制系統(tǒng)的組成參考圖1。

1.3 現(xiàn)場控制系統(tǒng)

現(xiàn)場控制系統(tǒng)采用ROCKWELL公司CONTROILOGIX5000PLC，該系統(tǒng)為大中型機架結(jié)構(gòu)，可以提供對使用順序控制、過程控制和驅(qū)動控制的系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)，同時還提供通信和I/O功能。機組的監(jiān)控點是根據(jù)工藝流程圖來確認(rèn)。

主要配置如下：

- PLC機架：1756-A13，為模塊安裝用，背板供電連接

- 處理器：1756-L71，中心處理器

- DI模塊：1756-IB32/B三塊，32位數(shù)字量輸入模塊

- DO模塊：1756-OB32兩塊，32位數(shù)字量輸出模塊

三是組織全民義務(wù)植樹活動。以“綠水青山就是金山銀山”為理念，將義務(wù)植樹活動與“三年增綠計劃”、“綠滿河口·美麗家園”國土綠化行動結(jié)合起來，以3月12日植樹節(jié)為契機，廣泛組織全區(qū)各大領(lǐng)導(dǎo)班子、機關(guān)干部，以及各事、企業(yè)單位職工共2000多人到義和鎮(zhèn)六頃村參加義務(wù)植樹活動，栽植白蠟苗木7230株，集中造林65.7畝。同時，動員全社會力量參與義務(wù)植樹活動，“青年林”、“巾幗林”等紀(jì)念林建設(shè)，庭院綠化、城鎮(zhèn)綠化及村莊綠化齊頭并進(jìn)。目前，全區(qū)義務(wù)植樹35萬株，已完成全年任務(wù)。

- AI模塊：1756-IF16四塊，16位模擬量輸入模塊

- AO模塊：1756-OF4,4位模擬量輸出模塊

- 以太網(wǎng)通訊模塊：1756-EN2T，用于以太網(wǎng)通訊

- MODBUS通訊模塊：MVI56EMCM，用于10kV主電機軟啟動通訊

- 人機界面：2711P-T15C22D9P

工作原理：

機組就地控制系統(tǒng)CPU通過數(shù)字量輸入模塊和模擬量輸入模塊將現(xiàn)場的信號采集進(jìn)來，通過編制的程序邏輯判斷和處理，送出相應(yīng)的控制信號，分別去10kV主電機軟啟動柜、380VAC低壓MCC配電柜和現(xiàn)場自動閥門、聲光報警器等執(zhí)行機構(gòu)?？刂聘鬏o助設(shè)備進(jìn)行連鎖運作和動作。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到有模擬超高或低限時，系統(tǒng)送出聲光報警和信息提示，以便進(jìn)行相關(guān)處理。當(dāng)檢測到開關(guān)量處于非正常狀態(tài)、或模擬量超高高或低低限時，系統(tǒng)會送出停機信號到10kV主電機啟動柜使機組停轉(zhuǎn)，送出聲光報警信號；同時延時停止相關(guān)輔助電機（空冷器電機、注油器電機、冷卻水電機），并控制相關(guān)自動閥門，將機組內(nèi)部高壓天然氣進(jìn)行卸載和放空處理。

1.4 上位機監(jiān)控系統(tǒng)

主要配置：

顯示器：SE2717H

打印機：用于報表打印

光口交換機：IES-1041FX-SS-SC，用于光纖連接和轉(zhuǎn)換。

工作原理：

參看圖1，安裝在用戶中控室的工控機作為客戶端（Client），安裝在就地的PLC系統(tǒng)作為服務(wù)器（Server），通訊方式為AB公司專用ETHERNET/IP協(xié)議，通訊介質(zhì)才用單模光纖。兩端通過帶光口到交換機將光纖轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口。在上位機上將現(xiàn)場機組所有到監(jiān)控信號進(jìn)行顯示和報表處理。同時也可以通過編碼和解碼功能，將信號傳入用戶大屏監(jiān)控系統(tǒng)與場站其他系統(tǒng)進(jìn)行集中顯示。

1.5 軟件以及組態(tài)

1.5.1 整個控制系統(tǒng)所有的軟件

PLC編程軟件：RSLogix 5000 v20.01版

現(xiàn)場人機界面組態(tài)軟件：View Machine Edition

上位機組態(tài)軟件：View Site Edition

上位機操作系統(tǒng)：64位WIN7專業(yè)版

所有到軟件都支持中文顯示，所組成的人機界面人性化、專業(yè)化，方便機組進(jìn)行操作和維護(hù)保養(yǎng)。

1.5.2 軟件的編制

利用RSLogix 5000 v20.01版編制機組PLC系統(tǒng)的控制程序，首先應(yīng)根據(jù)機組的工藝流程圖確認(rèn)的監(jiān)控點進(jìn)行處理器的地址分配。然后按照需要的邏輯進(jìn)行程序的編制和調(diào)試。最后再根據(jù)程序進(jìn)行人機界面的組態(tài)和調(diào)試。

2 關(guān)于儲氣庫壓縮機控制系統(tǒng)的調(diào)試使用闡述

2.1 調(diào)試

在現(xiàn)場進(jìn)行安裝調(diào)試的時候，首先單獨進(jìn)行就地控制系統(tǒng)各個獨立和輔助系統(tǒng)的調(diào)試，沒有問題后與壓縮機組進(jìn)行聯(lián)動的調(diào)試工作，以保證系統(tǒng)到可靠性和穩(wěn)定性。所有的子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時，首先要在管理模式下測試其物理器件的可靠性，也就說首先保證機器的零件都是良好的，能夠正常運行的，其次是邏輯檢測，也就是通過相應(yīng)的檢測程序，測試出不同的邏輯輸出機器的運行狀態(tài)。最后，就是使用標(biāo)準(zhǔn)下的測試，不同的單元系統(tǒng)對應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)測試，如果不符合標(biāo)準(zhǔn)就會出現(xiàn)安全問題、工藝問題等一系列的問題。比如說空冷器系統(tǒng)單元如果空冷無法達(dá)到預(yù)定冷卻效果，導(dǎo)致天然氣空冷后溫度超出正常指標(biāo)，在原有工藝流程的基礎(chǔ)上無法繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整，該工藝指導(dǎo)的異常將導(dǎo)致后系統(tǒng)腐蝕加劇，直接影響脫碳壓縮機使用壽命。

圖1：控制系統(tǒng)組成

系統(tǒng)調(diào)試的方法就是根據(jù)上文中表1、表2、表3所對應(yīng)的不同的測量點，并在相關(guān)的傳感器上進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與測量，再根據(jù)國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對應(yīng)分析，保證儲氣庫壓縮機的正常使用。此外，還需要考慮儲氣庫所在的環(huán)境以及氣候的因素，比如說，環(huán)境溫度對流動及換熱的影響、由于氣體的物理屬性對于風(fēng)機的性能和系統(tǒng)的阻力損失影響、翅片管外積灰等情況的影響，因此在使用時應(yīng)定期的檢查機器的運行狀況，做好除濕、除潮、除塵等方面的工作，為儲氣庫的長期穩(wěn)定使用做好預(yù)防措施。

2.2 應(yīng)用

在整個控制系統(tǒng)的設(shè)計中，因為該機組為國內(nèi)首臺套大功率、高轉(zhuǎn)速、國產(chǎn)儲氣庫壓縮機，除了考慮系統(tǒng)到基本功能滿足機組控制以外，還因為壓縮工藝氣為天然氣環(huán)境，而天然氣屬于易燃易爆的氣體，因此需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行防爆設(shè)計，具體的要求需要符合GB3836《爆炸性環(huán)境》2區(qū)防爆的相關(guān)要求。同時考慮選擇的系統(tǒng)控制模塊具備安全完整SIL2認(rèn)證，這個也是目前國內(nèi)外壓縮機行業(yè)對控制系統(tǒng)的較高要求。

到目前為止，該控制系統(tǒng)作為國內(nèi)首臺4500KW大型注氣壓縮機組的大腦，配合機組平安可靠地運行3500多個小時。按照每天注氣量約120×104m3，累計向地下注氣約為175×106m3。為我國儲氣庫建設(shè)和生產(chǎn)做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著能源發(fā)展需求的提升，裝置的應(yīng)用越來越廣泛，規(guī)模也越來越大。隨著裝置的大型化，對配套大型空氣壓縮機的要求也更加緊迫。國家在推進(jìn)石油化工項目的同時，也特別強調(diào)推進(jìn)裝備的國產(chǎn)化。儲氣庫壓縮機控制系統(tǒng)設(shè)計作為整個儲氣庫壓縮機的大腦，需要控制整個儲氣流程的順利進(jìn)行并提供高可靠性的安全保障，只有通過不斷地嘗試與努力，才能不斷的推動技術(shù)進(jìn)步，助力我國能源產(chǎn)業(yè)機械的長足發(fā)展。