今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
作者簡(jiǎn)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(wàn)噸/年甲醇裝置是國(guó)內(nèi)第一套采用壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)進(jìn)行壓縮機(jī)優(yōu)化控制的甲醇裝置，該裝置的原料氣壓縮機(jī)組和合成氣壓縮機(jī)組首次采用了一套三重化冗余的綜合控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。該系統(tǒng)將傳統(tǒng)壓縮機(jī)控制中所需要的多個(gè)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(fù)荷調(diào)節(jié)器等共同才能實(shí)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(shí)，降低了長(zhǎng)周期運(yùn)行成本，使企業(yè)獲得可觀的經(jīng)濟(jì)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(jī)是化工生產(chǎn)的心臟，瀘天化綠源醇業(yè)有限公司40萬(wàn)噸/年甲醇裝置采用了兩臺(tái)大型離心式透平壓縮機(jī)組：原料氣壓縮機(jī)組和合成氣壓縮機(jī)組，兩臺(tái)機(jī)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(jī)組控制方案：透平調(diào)速系統(tǒng)采用兩臺(tái)WOODWARD 505調(diào)速器進(jìn)行控制，防喘振控制系統(tǒng)和負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)在橫河DCS CENTUM CS-3000系統(tǒng)中編程實(shí)現(xiàn)，壓縮機(jī)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(hào)采用通訊方式進(jìn)行。配置如圖1所示。
圖1 原配置的機(jī)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(fù)荷分配控制器都是分立的，彼此之間只能通過(guò)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(gè)廠家提供，操作人員和儀表維護(hù)人員需多次培訓(xùn)才能進(jìn)行操作維護(hù)。
在此方案中，由于機(jī)組的聯(lián)鎖自保系統(tǒng)仍然采用PLC來(lái)實(shí)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(jī)組的長(zhǎng)周期、高效率運(yùn)行又要求CPU和某些關(guān)鍵的控制點(diǎn)實(shí)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(gè)或三個(gè)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(dú)立，有的只是輸入輸出信號(hào)冗余而CPU卻沒(méi)有相應(yīng)的冗余；有的CPU雖然有冗余但運(yùn)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(gè)出了問(wèn)題并加以排除。
經(jīng)過(guò)反復(fù)的技術(shù)交流和對(duì)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上的綜合比較，該公司決定采用先進(jìn)的機(jī)組控制方案－壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)（ITCC），各壓縮機(jī)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(tái)壓縮機(jī)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(jī)組控制方案
與三菱公司原設(shè)計(jì)方案相比，ITCC將傳統(tǒng)壓縮機(jī)控制中所需要的多個(gè)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(fù)荷調(diào)節(jié)器等共同才能實(shí)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(jiǎn)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(hù)性，在減少故障發(fā)生幾率的同時(shí)，降低了長(zhǎng)周期運(yùn)行成本，為機(jī)組的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)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(jī)柜，機(jī)柜均采用前后開門。1號(hào)機(jī)柜內(nèi)安裝3個(gè)機(jī)架；2號(hào)機(jī)柜正面為I/O端子板，背面為安全柵；3號(hào)機(jī)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(gè)主機(jī)架和2個(gè)擴(kuò)展機(jī)架組成，主機(jī)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(kuò)展機(jī)架（原料氣壓縮機(jī)）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(kuò)展機(jī)架（合成氣壓縮機(jī)）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(diǎn)數(shù)分別是：DI：：71點(diǎn)，DO：26點(diǎn)，AI：81點(diǎn)，AO：13點(diǎn)，PI：6點(diǎn)。
EICM4119通訊模塊有四個(gè)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(tái)上運(yùn)行TRISATION 1131，版本2.0，符合國(guó)際IEC1131標(biāo)準(zhǔn)，可以非常簡(jiǎn)便地對(duì)用戶的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)具體的應(yīng)用程序進(jìn)行編程、編譯、下裝和在線修改，對(duì)所編程序進(jìn)行離線模擬，同時(shí)還可以對(duì)系統(tǒng)的軟件和硬件狀態(tài)進(jìn)行在線診斷和根據(jù)實(shí)際需要對(duì)過(guò)程變量進(jìn)行強(qiáng)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(jī)控制、喘振控制、壓縮機(jī)曲線圖、報(bào)警畫面等）及實(shí)時(shí)趨勢(shì)、歷史趨勢(shì)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(shí)現(xiàn)與DCS系統(tǒng)、ESD系統(tǒng)、操作監(jiān)控站、編程維護(hù)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(jī)組控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)
概括而言，該系統(tǒng)從實(shí)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(jī)流量、負(fù)荷、壓力、溫度、振動(dòng)及位移等）的監(jiān)控。
現(xiàn)將主要功能的實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)要闡述如下：
3.1 聯(lián)鎖保護(hù)及邏輯功能（ESD）
將來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的各類過(guò)程輸入和輸出信號(hào)與TRICON V9系統(tǒng)連接，通過(guò)主處理器內(nèi)部的用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的聯(lián)鎖停機(jī)邏輯和開機(jī)啟動(dòng)順序控制等。即采用三重冗余容錯(cuò)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(shí)，還可以非常方便地實(shí)現(xiàn)在線修改和變更邏輯關(guān)系。
3.2 壓縮機(jī)的防喘振控制
TRICONEX擁有自己獨(dú)特的防喘振控制算法。TRICON系統(tǒng)依據(jù)三菱機(jī)組的性能特性及喘振曲線，根據(jù)壓縮機(jī)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(jì)算公式及TRICONEX在同類機(jī)組上的經(jīng)驗(yàn)來(lái)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(jìn)行調(diào)節(jié)防喘振控制閥。防喘控制在TRICON控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，具有直觀的界面和工作點(diǎn)狀態(tài)，從而使壓縮機(jī)工作于最佳工作點(diǎn)。
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(gè)獨(dú)立的功能模塊來(lái)描述，每個(gè)模塊都有各自已定義的功能，并通過(guò)輸入輸出信號(hào)（均給出位號(hào)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(hù)
在TRICON控制系統(tǒng)中，通過(guò)專用的調(diào)速軟件程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)透平機(jī)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(jī)曲線編制自動(dòng)或半自動(dòng)起機(jī)程序。機(jī)組的速度控制可以有多種運(yùn)行方式，包括停機(jī)、啟動(dòng)、暖機(jī)、加速、運(yùn)行等。在自動(dòng)起機(jī)模式下，根據(jù)起機(jī)曲線的升速率，蒸汽透平將自動(dòng)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(guò)臨界轉(zhuǎn)速的控制。在半自動(dòng)起機(jī)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(dá)到最小轉(zhuǎn)速，操作人員可將轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高到工作轉(zhuǎn)速。同時(shí)，速度信號(hào)也可以在控制系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)三取二算法對(duì)機(jī)組進(jìn)行超速保護(hù)。
圖5 調(diào)速控制和超速保護(hù)界面
3.4 過(guò)程調(diào)節(jié)功能
對(duì)于其它的各種流量、壓力、溫度、液位等過(guò)程調(diào)節(jié)，也將通過(guò)TRICON內(nèi)置的固有控制模塊來(lái)實(shí)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(jí)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(bào)警，捕捉第一報(bào)警信息，為事故分析提供第一手詳實(shí)的信息；對(duì)SOE的記錄和檢索功能可獨(dú)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(shí)時(shí)存貯在硬盤的歷史中，并可通過(guò)打印機(jī)打印出來(lái)。
4 項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益分析
4.1 節(jié)約運(yùn)行成本
由于綠源醇業(yè)40萬(wàn)噸/年甲醇裝置是新建項(xiàng)目，按照有關(guān)要求裝置開車后將在一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)間（一般是一年）內(nèi)不能滿負(fù)荷生產(chǎn)。引入TS3000系統(tǒng)，由于其先進(jìn)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(bǔ)操作人員人手少、經(jīng)驗(yàn)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(fù)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(jī)組的運(yùn)行性能，在確保機(jī)組安全的前提下使循環(huán)返回量達(dá)到最小，最大限度的優(yōu)化機(jī)組性能，節(jié)能效益明顯。以80%左右的負(fù)荷為例，ITCC系統(tǒng)通過(guò)對(duì)機(jī)組工作點(diǎn)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(tái)機(jī)組一共約合12t/hr蒸汽，1天24hr為288t，蒸汽單價(jià)按目前執(zhí)行價(jià)110元/t計(jì)算，即每天可節(jié)約3.168萬(wàn)元。根據(jù)有關(guān)要求，新裝置的低負(fù)荷運(yùn)行周期不應(yīng)少于1年，若按1年300天的生產(chǎn)期計(jì)算（還不包括中途的停車消耗），按僅此一項(xiàng)就可以節(jié)約蒸汽消耗950多萬(wàn)元。
圖6 過(guò)程調(diào)節(jié)功能界面
圖7 事件記錄界面
轉(zhuǎn)入滿負(fù)荷正常生產(chǎn)后，例行的年度大檢修開、停車期間低負(fù)荷，以及受供氣條件限制的低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，每年平均至少在1個(gè)月以上，即可節(jié)省費(fèi)用95萬(wàn)元。若將本裝置的使用壽命按15年計(jì)算（實(shí)際遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止），可節(jié)約費(fèi)用1425萬(wàn)元。
4.2 節(jié)約電纜費(fèi)用和安裝費(fèi)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(hào)電纜，同時(shí)也大大減少了安裝和調(diào)試的工作量。據(jù)估計(jì)，采用一套與綠源醇業(yè)公司原料氣和合成氣壓縮機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)相比，可節(jié)省通訊電纜和信號(hào)電纜費(fèi)用以及安裝調(diào)試費(fèi)用約40萬(wàn)元左右。
合并上述兩項(xiàng)費(fèi)用，采用壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)的控制方案后，總共可節(jié)省費(fèi)用約2400多萬(wàn)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(jià)格呈不斷上升趨勢(shì)，蒸汽價(jià)格也在不斷上漲，長(zhǎng)期運(yùn)行實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。
5 項(xiàng)目的社會(huì)效益和推廣應(yīng)用前景
本項(xiàng)目在取得較大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也取得顯著社會(huì)效益，特別在環(huán)境保護(hù)方面處于國(guó)際先進(jìn)水平。
（1）在技術(shù)推廣應(yīng)用方面
TS3000透平/壓縮機(jī)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(jī)組控制方面多年的經(jīng)驗(yàn)。該系統(tǒng)于90年代初期成套引進(jìn)中國(guó)，雖然已在世界上60多個(gè)國(guó)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(jī)組的控制目前還只有石化行業(yè)有運(yùn)用業(yè)績(jī)。瀘天化綠源醇業(yè)40萬(wàn)噸/年甲醇裝置是國(guó)內(nèi)第一套單系列產(chǎn)能達(dá)到40萬(wàn)噸級(jí)的甲醇生產(chǎn)裝置，本項(xiàng)目自動(dòng)化技術(shù)國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，裝置的大型壓縮機(jī)組綜合控制系統(tǒng)自動(dòng)化控制技術(shù)總體處于國(guó)際先進(jìn)水平。在國(guó)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(jī)的機(jī)群控制，該公司為全國(guó)首創(chuàng)。本項(xiàng)目壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)的建成和投運(yùn)也將為以后的新建廠提供較好的理論依據(jù)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，有著廣泛的推廣和運(yùn)用前景。
（2）在安全生產(chǎn)和減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度方面
項(xiàng)目投用不僅在大型壓縮機(jī)組工藝上滿足安全技術(shù)要求，在正常生產(chǎn)時(shí)保證壓縮機(jī)組處于最佳運(yùn)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(shí)防止事故擴(kuò)大，保證生產(chǎn)裝置安、滿、長(zhǎng)周期運(yùn)行。
項(xiàng)目自動(dòng)化程度高，實(shí)現(xiàn)了綠源醇業(yè)公司年產(chǎn)40萬(wàn)噸甲醇裝置生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化控制和管理一體化，可大大減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度，在勞動(dòng)保護(hù)方面，處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。
（3）在環(huán)境保護(hù)方面
能有效地降低壓縮機(jī)組的噪音。本裝置的噪音源主要來(lái)自壓縮機(jī)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(fù)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(jī)組的運(yùn)行性能，在確保機(jī)組安全的前提下使循環(huán)返回量達(dá)到最小，通過(guò)ITCC系統(tǒng)對(duì)機(jī)組工作點(diǎn)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(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定而帶來(lái)的噪音，有效地保障了操作維護(hù)人員的工作環(huán)境和周邊居民的生活環(huán)境。
——轉(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)