儲氣庫壓縮機組控制系統設計

文/黃林

化石能源是特定條件生成的，與地質條件有關系，在地球上這些能源屬于不可再生能源，并且其產地稀少、產量也是比較有限的。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，其中現在最為常用的就是在使用相對集中的中樞地區建立儲氣庫。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，這樣就導致安全問題很大，投資成本也太高，不像油庫，沒法大規模建。所以需要在儲氣庫壓縮機控制系統設計方面，采用科學合理的方式來管理控制儲氣庫的各個模塊，實現安全性、可靠性高，成本較低的方式來儲存天然氣能源。

1 關于儲氣庫壓縮機控制系統的描述與分析

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，是集季節調峰、事故應急供氣、國家能源戰略儲備等功能于一身的能源基礎性設施。地下儲氣庫具有天然氣調峰、儲備功能，已成為天然氣利用、供應環節的重要組成部分。

地下儲氣庫用壓縮機是地下儲氣庫建設的關鍵設備，此前依賴國外進口。特別是，隨著天然氣清潔能源產業的加快發展，地下儲氣庫壓縮機國產化需求迫切。我公司（中國石油石油集團濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司）于2016年自主生產試制的國內首臺4500KW大型注氣壓縮機組，能夠滿足安全儲氣、安全放氣、安全預警等使用功能，經過現場試驗和專家驗收，已經完全能取代國外進口機型，該機組獲得中國機械工業聯席會公布“改革開放40周年—機械工業杰出產品”稱號。

我公司研制的地下儲氣庫用天然氣壓縮機，打破了國外同類產品的技術壁壘，掌握了一批具有自主知識產權，機組主要技術指標達到或超過設計要求，主要性能參數與進口機組處于同等水平，振動、噪聲和運行能效等指標優于進口機組，為我國儲氣庫工程建設提供大型關鍵增壓國產化裝備保障。其針對地下儲氣庫進氣壓力提高、排量增大、電機功率增大等情況，重點開展了多機聯運下的振動控制技術研究、工藝流程優化、高壓大壁厚管焊接工藝攻關、提高四口連接緩沖罐裝配精度研究等技術攻關，并結合緩沖罐制作、安裝工藝，優化了主機機體、中體結構和尺寸。優化的主機機體、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，實現了機組在線監測的要求。

而其中的控制系統是壓縮機組的大腦，對機組的運行起著至關緊要的作用。該控制系統由現場PLC控制系統、MCC低壓配電柜、撬裝儀表以及上位監控系統構成。具備先進性、可靠性，機組能夠在較短的時延下實現一鍵啟動功能。此機組控制系統由本人獨立完成設計并在公司團隊的合作下完成各項性能指標的測試，投入生產使用后獲得公司專業工作人員的全面肯定。

1.2 控制系統描述

現場控制系統采用ROCKWELL公司CONTROILOGIX5000系統PLC系列，現場配置15"彩色觸摸屏作為人機界面。通過敷設的單模光纖將現場機組的數據上傳到用戶控制室的上位機系統中，上位機系統設置客戶端服務器，可對機組進行遠程控制以及監控。同時也可將機組所有的數據傳輸到用戶的終端拼接大屏進行集中顯示。

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

1.3 現場控制系統

現場控制系統采用ROCKWELL公司CONTROILOGIX5000PLC，該系統為大中型機架結構，可以提供對使用順序控制、過程控制和驅動控制的系統進行組態，同時還提供通信和I/O功能。機組的監控點是根據工藝流程圖來確認。

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位數字量輸入模塊

- DO模塊：1756-OB32兩塊，32位數字量輸出模塊

三是組織全民義務植樹活動。以“綠水青山就是金山銀山”為理念，將義務植樹活動與“三年增綠計劃”、“綠滿河口·美麗家園”國土綠化行動結合起來，以3月12日植樹節為契機，廣泛組織全區各大領導班子、機關干部，以及各事、企業單位職工共2000多人到義和鎮六頃村參加義務植樹活動，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植樹活動，“青年林”、“巾幗林”等紀念林建設，庭院綠化、城鎮綠化及村莊綠化齊頭并進。目前，全區義務植樹35萬株，已完成全年任務。

- 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

- 以太網通訊模塊：1756-EN2T，用于以太網通訊

- 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CPU通過數字量輸入模塊和模擬量輸入模塊將現場的信號采集進來，通過編制的程序邏輯判斷和處理，送出相應的控制信號，分別去10kV主電機軟啟動柜、380VAC低壓MCC配電柜和現場自動閥門、聲光報警器等執行機構。控制各輔助設備進行連鎖運作和動作。當系統監測到有模擬超高或低限時，系統送出聲光報警和信息提示，以便進行相關處理。當檢測到開關量處于非正常狀態、或模擬量超高高或低低限時，系統會送出停機信號到10kV主電機啟動柜使機組停轉，送出聲光報警信號；同時延時停止相關輔助電機（空冷器電機、注油器電機、冷卻水電機），并控制相關自動閥門，將機組內部高壓天然氣進行卸載和放空處理。

1.4 上位機監控系統

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系統作為服務器（Server），通訊方式為AB公司專用ETHERNET/IP協議，通訊介質才用單模光纖。兩端通過帶光口到交換機將光纖轉換為標準以太網接口。在上位機上將現場機組所有到監控信號進行顯示和報表處理。同時也可以通過編碼和解碼功能，將信號傳入用戶大屏監控系統與場站其他系統進行集中顯示。

1.5 軟件以及組態

1.5.1 整個控制系統所有的軟件

PLC編程軟件：RSLogix 5000 v20.01版

現場人機界面組態軟件：View Machine Edition

上位機組態軟件：View Site Edition

上位機操作系統：64位WIN7專業版

所有到軟件都支持中文顯示，所組成的人機界面人性化、專業化，方便機組進行操作和維護保養。

1.5.2 軟件的編制

利用RSLogix 5000 v20.01版編制機組PLC系統的控制程序，首先應根據機組的工藝流程圖確認的監控點進行處理器的地址分配。然后按照需要的邏輯進行程序的編制和調試。最后再根據程序進行人機界面的組態和調試。

2 關于儲氣庫壓縮機控制系統的調試使用闡述

2.1 調試

在現場進行安裝調試的時候，首先單獨進行就地控制系統各個獨立和輔助系統的調試，沒有問題后與壓縮機組進行聯動的調試工作，以保證系統到可靠性和穩定性。所有的子系統進行調試時，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，也就是通過相應的檢測程序，測試出不同的邏輯輸出機器的運行狀態。最后，就是使用標準下的測試，不同的單元系統對應不同標準測試，如果不符合標準就會出現安全問題、工藝問題等一系列的問題。比如說空冷器系統單元如果空冷無法達到預定冷卻效果，導致天然氣空冷后溫度超出正常指標，在原有工藝流程的基礎上無法繼續進行調整，該工藝指導的異常將導致后系統腐蝕加劇，直接影響脫碳壓縮機使用壽命。

圖1：控制系統組成

系統調試的方法就是根據上文中表1、表2、表3所對應的不同的測量點，并在相關的傳感器上進行數據的采集與測量，再根據國家的相關標準進行對應分析，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境以及氣候的因素，比如說，環境溫度對流動及換熱的影響、由于氣體的物理屬性對于風機的性能和系統的阻力損失影響、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，為儲氣庫的長期穩定使用做好預防措施。

2.2 應用

在整個控制系統的設計中，因為該機組為國內首臺套大功率、高轉速、國產儲氣庫壓縮機，除了考慮系統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境，而天然氣屬于易燃易爆的氣體，因此需要對整個系統進行防爆設計，具體的要求需要符合GB3836《爆炸性環境》2區防爆的相關要求。同時考慮選擇的系統控制模塊具備安全完整SIL2認證，這個也是目前國內外壓縮機行業對控制系統的較高要求。

到目前為止，該控制系統作為國內首臺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。為我國儲氣庫建設和生產做出了不可磨滅的貢獻。

3 結語

綜上所述，隨著能源發展需求的提升，裝置的應用越來越廣泛，規模也越來越大。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。國家在推進石油化工項目的同時，也特別強調推進裝備的國產化。儲氣庫壓縮機控制系統設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進步，助力我國能源產業機械的長足發展。