某炼油厂空压站控制系统升级设计及应用.pdf

2023 年 6 月第 6 期 总第 198 期海峡科学Straits ScienceJune 2023No.6,Total 198th某炼油厂空压站控制系统升级设计及应用国 歌(福建联合石油化工有限公司技术与规划部,福建 泉州 362000)摘要 针对某炼油厂空压站压缩机控制系统存在的问题,提出升级改造方案,提供详细的控制系统升级配置,并对其中的关键设计和应用细节进行说明,旨在解决系统故障率高、硬件无法更换等难题,为其他类似装置的控制系统升级改造提供参考。关键词 空压站 控制系统 升级中图分类号 TH45文献标识码 A文章编号 1673-8683(2023)06-0030-041 研究背景某炼油厂空压站目前采用 5 台离心式压缩机(2 台蒸汽透平驱动机组、3 台电机驱动机组)为装置提供仪表风、工厂风和烧焦风。正常运行时开户 2 台机组。当乙烯装置需要烧焦时,需开 3 台机组,其中 1 台有较大放空,放空阀平均开度达 30%40%。由于原控制系统控制精度不高,放空阀响应慢,导致多机组在运行过程中由于负荷不稳定、不均匀,压缩机经常发生喘振导致停止运行,平均年 4 5 次。而当乙烯烧焦时,空压机风量负荷大幅增加,不易操作,放空量较大。该机组的控制系统为 2008 年出厂,控制程序无法修改,存在“黑匣子”现象,不适应现场要求,相关控制器备件难以采购,且控制系统配件已停业供应,压缩机稳定可靠运行存在很大的风险。若不升级,当 1 台空压机组进入检修期,出现空压机 CMC 控制器故障而无法开机,即使采购新的控制器最快也要 180d,机组其他故障如转子故障最短检修时间要 15d。检修期间将影响烯烃装置除焦风的供应,乙烯“8+1”运行负荷可能降低至“6+1”模式,严重时将导致烯烃装置停工。同时,空压站为全厂重要的公用工程设施,常年不能停止运行。若只采用一套系统控制,容易导致控制系统无检修时间,且每台机组单独控制,没有实现机群控制,缺乏网络协调化控制,存在局部能耗高、机组效率低、管网压力波动大等问题。此外,这 5 台压缩机经过 15 年运行,其性能曲线也存在一定变化,需要现场实测喘振线,保证压缩机的安全稳定运行。2 系统升级方案每台机组配置一套控制系统,放置在现场,实现单台机组的监视、保护和控制。另外再配置一套控制系统(负荷控制),放置于公用工程机柜间,通过点对点通讯方式实现与每个控制系统的链接,实现机组的集群控制和负荷分配,实现与 DCS 通过 MODBUS进行通信。更换每台机组的控制辅助设备,包括温度变送器、继电器、电源、接触器、振动位移变送器(或振动位移卡)、电流变送器等。汽轮机拖动的 2 台机组配置超速保护卡,实现超速保护和速度控制。在总出口管线增加 2 台出口总管压力变送器,为机组负荷分配控制提供依据。每台机组采用一套控制系统放置于机组前,通过点对点通讯方式与机群控制系统进行通信。机群控制系统放置于公用工程机柜间,实现集群控制,并与 DCS 通过 MODBUS 进行通信。对每台空压机放空阀入口导叶进行速度调试。对每台空压机进行喘振测试。大电压电器控制设备在控制机柜内采用隔板隔离,独立布置。032023 年第 6 期海峡科学HAI XIA KE XUE单台机组控制方案:机组辅助设备控制 机组联锁保护 机组一键启机、停机控制 自动加载/卸载 压 缩 机 出 口 防 喘 振 控 制 恒 压 控制 超压保护控制 主电机负荷限制控制(电机驱动机组)实现现场机柜温度报警,机柜正压通风状态报警,控制系统状态报警,冗余电源报警 汽轮机驱动机组配置超速保护卡实现机组的转速控制和超速保护 现场操作站通过操作站(HMI 人机接口)可实现机组的所有画面监控、操作和趋势记录 在集散控制系统上实现每台机组的监视,出口压力设定值调整等需要的控制 通过工程师/SOE 站实现系统的在线诊断和第一事故报警分析 系统自诊断功能。压缩机机群控制方案:以出口总管压力控制为基础的机组自动启、停控制 以负荷平衡为基础的负荷分配控制 实现自动调整负荷,自动增减运行机组数量。新增控制系统替换原有 PLC 控制系统,新增 1台上位工程师站实现各控制站组态和监控画面组态及SOE 记录收集,新增 5 台操作员站,分别实现各台压缩机的监控显示、历史记录、人机交互功能。拆除原控制系统的相关设备及机柜等。中控室和机柜间不做变动,将新增设备设施放置在中控室和机柜间。3 系统设计的原则3.1 专业系统设计原则3.1 专业系统设计原则安全联锁保护系统及机组控制系统配备专业的硬件和软件来进行机组控制1。3.2 总体安全设计原则3.2 总体安全设计原则透平压缩机综合控制系统(ITCC)的 I/O 模块具备在线实时监测功能,能实现对现场回路和接地故障进行实时监测和报警。3.3 系统冗余设计原则3.3 系统冗余设计原则系统所有硬件包括系统的 CPU 处理器模块、内部通信模块(内部接口模块、内部数据总线模块)、输入输出模块(I/O 模块)等,采用三重化冗余 TMR(TripleModular Redundancy)设计。系统电源采用 1 1 方式冗余配置。对外通信采用冗余配置。3.4 系统安全设计原则3.4 系统安全设计原则ITCC 系统具有完备的自诊断能力,在诊断系统的全部部件故障的同时能将故障发送至显示终端。3.5 系统失效冗余安全设计原则3.5 系统失效冗余安全设计原则ITCC 系统失效冗余采用安全型降级模式,当模块的三个通道中一个通道出现故障时,其余两个冗余通道还能进行二选二的表决方式进行实现容错矫正。如果再有一个通道出现故障,控制系统还可以继续正常运行,即 3-2-1-0 模式,相当于系统处于双重化结构持续运行。3.6 系统安全记录设计原则3.6 系统安全记录设计原则ITCC 系统具备完备、标准的事件顺序记录功能,能指出第一事件,事件分辨率为毫秒级。4 系统设计的主要内容由于仪表风的稳定关系到全厂装置的稳定运行,控制系统必须具有很高的可靠性,控制技术要先进,控制方案要完善,执行要快速2。系统应具有冗余硬件平台和专业软件包,以实现压缩机机组群的操作、振动、转速、负荷、报警和联锁值等机组相关数据的控制和保护,达到防止喘振、控制转速、优化性能、合理分配负荷、联锁控制等功能。这除了能提高机组控制系统的可靠性和可用性及全方位的技术支持服务以外,在大多数情况下还能提高机组和装置的运行效率,实现机组的优化和节能,使用户投资于机组控制系统的费用能够在短期内得以回收。4.1 单台机组控制系统布置4.1 单台机组控制系统布置拆除原每台机组机柜,按照机柜大小在地面设置机柜安装底座,如图 1 所示。机柜规格为长 1600mm,宽 600mm,高 1700mm,控制系统布置见图 2。图 1 控制机柜现场布置图13HAI XIA KE XUE海峡科学2023 年第 6 期图 2 控制系统布置图4.2 系统详细配置及其他要求4.2 系统详细配置及其他要求本系统拟新增 1 台上位工程师站,负责实现各控制站组态和监控画面组态及 SOE 记录收集。另外,再新增 5 台操作员站,分别实现各台压缩机的监控显示、历史记录、人机交互功能,同时,增设 1 台工业 PC 机(与工程师站配置相同)作为操作员站和人机接口,操作站安装在 CCR2 公用工程团队内操岗位。新增 5 套控制系统实现空压机联锁停车保护、允许启动逻辑、速度控制、防喘振控制等控制功能及要求。新增 1 套控制系统实现空压机集群的整体协调控制功能,实现稳定的空气总管压力控制、并联空压机的负荷分配与负荷平衡控制功能。现场系统盘应有操作功能3。控制系统应满足工信部工业控制系统信息安全防护指南和中石化公司炼化企业仪表控制系统安全防护基本策略等要求。例如,防病毒/白名单软件、时钟同步等,应具有联锁画面,且有各联锁点的维护旁路按钮,并进行权限管理。控制系统供应商必须确保喘振实测的安全性,对喘振实测或其他服务过程中产生的不良影响负责。控制系统上位机操作系统建议采用虚拟机,厂商应对其兼容性、可靠性负责。5 系统总体结构图控制系统采用先进的控制系统构架,是真正的实时多任务开放式系统。三重化冗余容错的硬件体系结合全面的冗余容错技术和诊断方案,使得系统可靠性达到 99.999%。控制系统满足 IEC 615082010 定义的系统能力 SC3 等级和硬件安全完整性等级 SIL3,具有 SOE 事故记录功能,分辨率为毫秒级,DI、AI 模块本身均支持 SOE 功能,如图 3 所示。图 3 系统总体结构图232023 年第 6 期海峡科学HAI XIA KE XUE5.1 现场系统机柜5.1 现场系统机柜压缩机机组系统的硬件及附件安装在放置于单台压缩机机组前面的正压通风工业机柜内,机柜尺寸为长1600m,宽600mm,高1700mm(不含底座)。处理器及插槽朝向机柜的正面,机柜内的元件配备相应的电源,设置风扇、空气过滤器等设施,电缆采用下装式,从机柜的下部进入。正压风从机柜下部进入,用户提供正压风管线。5.2 操作站5.2 操作站每套系统将配备 1 台工业 PC 机(与工程师站配置相同)作为操作员站和人机接口,安装于现场控制室;操作站与控制系统的通信采用 TCP/IP 协议实现,具备流程显示和报警显示等功能,必要时采用冗余配置。5.3 工程师站5.3 工程师站采用工程师站兼做 SOE 站,每台压缩机配套一个工程师站,再通过冗余的以太网通讯方式接至各控制器的通信接口上,工程师站主要用于实现控制器的组态、除错、修改、测试、软件装载及维护等功能。同时,要求工程师站具备打印组态数据和图形的能力,并提供自动镜像、在线备份及快速恢复功能。工程师站用于顺序事件收集,判断停车事故原因,配备整套顺序事件记录的软件,在线记录系统的各类报警及动作事件,存入硬盘,供查询、追溯和打印。同时,工程师站还能记录各报警、动作事件和记录模拟量信号及历史趋势。工程师站满足所有种类数据的记录需要,可由用户选定记录的参数、采样时间和记录长度,并可对记录的数据进行编排处理和调用。工程师站顺序事件记录的事件响应时间为毫秒级,硬盘设备设置双硬盘等冗余配置,硬盘容量满足全部事件记录需要量 2 倍及以上的容量,累计存储数据总数可达到十万条以上,硬盘上的永久记录能转存到其他存储设备上。5.4 机群控制系统机柜5.4 机群控制系统机柜ITCC 系统的所有硬件和附件都安装在工业机柜内,标准机柜尺寸为长 800mm,宽 800mm,高 2000mm(不含底座),采用前后开门。处理器及插槽朝向机柜的正面,机柜内的元件配备相应的电源。机柜装有风扇、空气过滤器。电缆采用下装式,从机柜的底部进入。6 结束语通过控制系统升级,实现了机组的集群控制和负荷分配,实现了与 DCS 通过 MODBUS 进行通信,提高了机组控制系统的可靠性、可用性及全方位的技术支持服务。同时,还能提高机组和装置的运行效率,实现机组的优化和节能,使用户在机组控制系统投资的费用能够在短期内收回,使得整个控制系统更先进、安全和可靠。参考文献:1石油化工分散控制系统设计规范:SH/T 3092-1999S.北京:中国石化出版社,1999.2陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册M.3版.北京:化学工业出版社,2000.3叶向东.炼油厂自动控制系统概念设计J.石油化工自动化,2003(1):1-3.33