壓縮機(jī)控制系統(tǒng)功能模塊配置方案的討論

吳佳歡 王書(shū)惠 吳 剛

(中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司，北京 100085)

壓縮機(jī)控制系統(tǒng)功能模塊配置方案的討論

吳佳歡 王書(shū)惠 吳 剛

(中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司，北京 100085)

就系統(tǒng)實(shí)施、數(shù)據(jù)傳輸、安全防護(hù)、抗干擾性及后期維護(hù)等方面，對(duì)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)過(guò)程層的典型配置方案進(jìn)行了討論與對(duì)比，并給出推薦的配置方案。

壓縮機(jī)控制系統(tǒng) 過(guò)程層 配置方案

壓縮機(jī)是石油化工、天然氣輸送等領(lǐng)域廣泛使用的大型關(guān)鍵增壓設(shè)備[1]。為實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的各類(lèi)復(fù)雜控制(防喘振控制[2]、負(fù)荷分配控制[3]等)和操作，確保壓縮機(jī)及其輸送管網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求，各類(lèi)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)及系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化方案相繼出現(xiàn)[4,5]。張學(xué)軍提出了一種采用分布式控制架構(gòu)的天然氣壓縮機(jī)組過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)，單機(jī)控制功能的分散提高了系統(tǒng)的可靠性，監(jiān)視和操作的集中增強(qiáng)了系統(tǒng)功能[6]。陳曦和湯雪松設(shè)計(jì)了一種固定式壓縮機(jī)站控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)合理，能夠自動(dòng)控制并調(diào)節(jié)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，控制性能可靠，調(diào)節(jié)及時(shí)高效[7]。趙慶林從可靠性、可用性和可維護(hù)性角度給出了一種以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的壓縮機(jī)集群控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括硬件配置、軟件配置和組態(tài)的設(shè)計(jì)原則[8]。

在壓縮機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)各功能模塊在壓縮機(jī)撬內(nèi)機(jī)箱、撬旁就地設(shè)備間和中央控制室的配置方案是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一，對(duì)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)施、運(yùn)行及后期維護(hù)等具有較大影響。為此，筆者從多方面對(duì)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)過(guò)程層的典型配置方案進(jìn)行了詳細(xì)討論與對(duì)比，最終給出推薦的配置方案。

1 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)總體架構(gòu)①

壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備可分為3層，其總體架構(gòu)如圖1所示。第1層為現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層，主要包括檢測(cè)儀表、傳感器及執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)包括模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等。第2層為過(guò)程層，是壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的核心單元，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、就地控制盤(pán)(LCP)、集中控制盤(pán)(UCP)及其他控制功能模塊等。該層可按照組態(tài)好的控制策略對(duì)壓縮機(jī)各生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)順序控制、邏輯控制、防喘振控制及負(fù)荷分配控制等功能。第3層為監(jiān)控與管理層，主要包括利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)建的工程師站和操作員站，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)相關(guān)工藝過(guò)程參數(shù)和裝置的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)組設(shè)備的自動(dòng)開(kāi)車(chē)、系統(tǒng)故障顯示及自動(dòng)停車(chē)等，并能實(shí)時(shí)查看、打印各項(xiàng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)，對(duì)歷史趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)用分析。

圖1 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 配置方案

壓縮機(jī)控制系統(tǒng)3層硬件設(shè)備的配置方案是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層的測(cè)量元件、變送器及調(diào)節(jié)閥等通常配置在壓縮機(jī)撬內(nèi)機(jī)箱；監(jiān)控與管理層通常配置在中央控制室；過(guò)程層根據(jù)實(shí)際工程或生產(chǎn)需求可配置在壓縮機(jī)撬內(nèi)機(jī)箱、壓縮機(jī)撬旁就地設(shè)備間或中央控制室。為此，筆者著重對(duì)過(guò)程層的配置方案進(jìn)行討論。

方案一過(guò)程層配置在中央控制室(圖2)。該方案中，壓縮機(jī)撬內(nèi)僅有測(cè)量元件、變送器及調(diào)節(jié)閥等。壓縮機(jī)撬的所有信號(hào)通過(guò)電纜分別傳送至中央控制室。系統(tǒng)的過(guò)程層、監(jiān)控與管理層均配置在中央控制室。壓縮機(jī)的監(jiān)測(cè)、調(diào)試與控制均在中央控制室完成。

圖2 過(guò)程層配置方案一

方案二、三過(guò)程層配置在壓縮機(jī)撬內(nèi)機(jī)箱(圖3)、撬旁就地設(shè)備間(圖4)。為實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、調(diào)試與控制，方案二中，壓縮機(jī)撬內(nèi)機(jī)箱配置液晶顯示屏；方案三中，就地設(shè)備間配置液晶顯示屏、工程師站或工程師兼操作員站等。方案二、三中，壓縮機(jī)撬內(nèi)機(jī)箱或撬旁就地設(shè)備間的壓縮機(jī)監(jiān)測(cè)與控制信號(hào)通過(guò)冗余光纜或電纜同步傳送到中央控制室的機(jī)柜間。中央控制室的操作員站、工程師站也可以進(jìn)行壓縮機(jī)的監(jiān)測(cè)、調(diào)試與控制。另外，在有些方案中中央控制室設(shè)置了輔助操作臺(tái)，并配有操作按鈕、緊急停車(chē)按鈕及報(bào)警指示燈等。

關(guān)于中央控制室人機(jī)交互界面與就地設(shè)備間的一致性問(wèn)題，通常，監(jiān)測(cè)軟件給出的壓縮機(jī)運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)同步。在該配置下，相關(guān)操作人員可在就地設(shè)備間或中央控制室對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行調(diào)試與控制。通常，壓縮機(jī)的主要控制與調(diào)試將在中央控制室完成，壓縮機(jī)撬內(nèi)機(jī)箱的控制按鈕只涉及壓縮機(jī)的啟停等簡(jiǎn)單控制。就地設(shè)備間的控制功能只在壓縮機(jī)運(yùn)行前期或調(diào)試、檢修時(shí)采用，或在通信失敗等緊急情況時(shí)作為遠(yuǎn)程備用操作。

圖3 過(guò)程層配置方案二

注:某些控制功能要求相對(duì)簡(jiǎn)單的工程案例也可能不含UCP，由撬內(nèi)LCP直接將壓縮機(jī)相關(guān)信號(hào)通過(guò)光纜傳送至中央控制室的過(guò)程控制系統(tǒng)中；UCP的安裝位置可根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，也可以安裝在就地設(shè)備間或中央控制室。

圖4 過(guò)程層配置方案三

3 配置方案討論

壓縮機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)施的可行性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴踩雷o(hù)、就地振動(dòng)、電磁干擾及后期維護(hù)等是系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，3種壓縮機(jī)控制系統(tǒng)過(guò)程層配置方案的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 3種壓縮機(jī)控制系統(tǒng)過(guò)程層配置方案的對(duì)比

方案一中，如果中央控制室與壓縮機(jī)撬的距離在500m以上，就可能存在電纜成本較高、信號(hào)電纜阻抗較大及信號(hào)衰減嚴(yán)重等問(wèn)題，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?duì)于多臺(tái)壓縮機(jī)組控制信號(hào)量大、控制邏輯復(fù)雜的情況，方案一將造成大量電纜分散進(jìn)入中央控制室，導(dǎo)致中央控制室內(nèi)部電纜量過(guò)大，邏輯關(guān)系過(guò)于復(fù)雜，加大了后期維護(hù)的難度。

由于方案二對(duì)機(jī)箱的安全防護(hù)、防爆等級(jí)要求較高，而且受就地振動(dòng)、電磁干擾、通風(fēng)及防塵等環(huán)境因素影響較大，因此，方案二主要用于小型壓縮機(jī)，如往復(fù)式壓縮機(jī)、小型空壓機(jī)等。

方案三緩解了就地振動(dòng)、電磁干擾等環(huán)境因素對(duì)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的影響，因而成為近年來(lái)大型石化項(xiàng)目中的主流設(shè)計(jì)方案，也是目前各壓縮機(jī)廠(chǎng)家的常用優(yōu)選方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者闡述了壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)及其過(guò)程層在中央控制室、壓縮機(jī)撬內(nèi)機(jī)箱和撬旁就地設(shè)備間的典型配置方案，并從系統(tǒng)的實(shí)施、數(shù)據(jù)傳輸、安全防護(hù)及后期維護(hù)等方面詳細(xì)討論了這3種典型配置方案的優(yōu)缺點(diǎn)。指出將壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的過(guò)程層配置在壓縮機(jī)撬旁就地設(shè)備間的方案具有良好的安全性、可靠性和可維護(hù)性，是近年來(lái)大型石化項(xiàng)目中的主流設(shè)計(jì)方案，可作為壓縮機(jī)控制系統(tǒng)功能模塊配置的推薦方案。

[1] 李鶴,楊鐸,聞邦椿,等.大型壓縮機(jī)管道系統(tǒng)振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與控制[J].振動(dòng)與沖擊,2007,26(4):158～160.

[2] 祝旭彤,張瑾.空氣壓縮機(jī)新型防喘振控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2005,32(5):71～72.

[3] 張鵬.管道壓縮機(jī)的負(fù)荷分配控制[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2014,(z1):102～105.

[4] 史成武.裂解裝置甲烷膨脹壓縮機(jī)控制系統(tǒng)淺析[J].化工自動(dòng)化及儀表,2003,30(4):62～64.

[5] 王樂(lè).壓縮機(jī)冷卻風(fēng)扇控制系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2004,31(1):76～77.

[6] 張學(xué)軍.大型工業(yè)天然氣壓縮機(jī)站分布式監(jiān)控系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2010,37(1):105～108.

[7] 陳曦,湯雪松.基于PLC 的固定式壓縮機(jī)站控系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2015,42(9):1054～1056.

[8] 趙慶林.壓縮機(jī)集中監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2012,39(3):403～407.

聲明

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DiscussionofFunctionModulesConfigurationofCompressorControlSystem

WU Jia-huan, WANG Shu-hui, WU Gang

(BeijingCompany,ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd.，Beijing100085,China)

Starting with the control system implementation, data transmission, safety protection, anti-interference and maintenance, the process layer’s typical configuration of compressor’s control system was discussed and compared so as to propose a proper configuration scheme.

compressor control system, process layer, configuration scheme

TH862+.7

A

1000-3932(2016)10-1094-03

2016-04-14(修改稿)