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壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的探討與實(shí)踐

文檔作者：彭琳文檔來(lái)源：中國(guó)五環(huán)工程有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月06日
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第49卷第4期
2013年8月
石油化工自動(dòng)化
AUToM ATIoN IN PETR()_CHEM ICAL INDUSTRY
Vo1．49，No．4
August，2013
壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的探討與實(shí)踐
彭琳
(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，武漢430223)
摘要：簡(jiǎn)要介紹了壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)(CCS)的發(fā)展歷程，分析了目前廣泛使用的綜合透平壓縮機(jī)控制系統(tǒng)(ITCC)不符合安全
儀表系統(tǒng)(SIS)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范之處。結(jié)合工程實(shí)際，介紹了既能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求又安全可靠的壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，
并對(duì)該系統(tǒng)的整體控制方案、硬軟件配置等作了詳細(xì)的描述；討論了控制回路安全度等級(jí)的確定原則。
關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)綜合透平壓縮機(jī)控制系統(tǒng)安全儀表系統(tǒng)
中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1007—7324(2013)04—0011—02
Discussion and Practice of Safety Design in Compressor Control System
Peng Lin
(W uhuan Engineering Co．Ltd．，W uhan，430223，China)
Abstract：The development of compressor control system (CCS) is introduced briefly． The
inconformity of the wide used integrated turbine&amp;amp; compressor control system (ITCC)to the
specification of safety instrument system (SIS)design standard is discussed．Combining actual
proj ect practice，the design of CCS which not only meets the requirement of the specification
but also iS safe and reliable iS introduced． The overal1 control scheme，the configuration of
hardware and software of the system are described in detail．The rule for determining the SII
grade of the control loop iS disclosed．
Key words：compressor control system；integrated turbine &amp;amp; compressor control system；
safety instrument system
隨著石油化工等項(xiàng)目的規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)大型
壓縮機(jī)組的功能要求不斷提高，對(duì)安全運(yùn)行的要求
也越來(lái)越嚴(yán)格。目前，多采用集壓縮機(jī)、透平控制、
安全聯(lián)鎖邏輯為一體的綜合透平壓縮機(jī)控制系統(tǒng)
(ITCC)l1]，然而，這種設(shè)計(jì)思路卻違背了安全儀表
系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求 ]。筆者結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)
目，簡(jiǎn)要回顧壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程，并介
紹了某項(xiàng)目中壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)的整體控制方案、
硬件配置、軟件配置以及如何確定I／O點(diǎn)的安全
等級(jí)，該設(shè)計(jì)方式既能滿足安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范
的要求，同時(shí)也兼顧ITCC的特點(diǎn)。
1 壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介
壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)主要有兩種控制方式[4]：
2O世紀(jì)90年代之前的分散式、單體的控制方式和
20世紀(jì)9O年代至今的ITCC的控制方式。在前
一種方式中，整套機(jī)組由多個(gè)調(diào)節(jié)單元組成：汽輪
機(jī)調(diào)速單元、防喘振調(diào)節(jié)單元、性能控制、潤(rùn)滑油壓
力控制、密封控制、安全聯(lián)鎖保護(hù)單元等。由于控
制單元廠家多，在安裝、維護(hù)等方面花費(fèi)大量人力
和物力，不利于機(jī)組的控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)
絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)大型機(jī)組普遍采用ITCC的控
制方式，該控制方式集調(diào)速控制、防喘振控制、性能
控制、解耦控制、安全聯(lián)鎖保護(hù)等于一體，且采用冗
余的CPU，I／O，電源模塊，通信模塊等，通常由某
一個(gè)廠家集成，便于設(shè)計(jì)與施工管理。此外，在一
定程度上，該控制方式也能很好地保證機(jī)組長(zhǎng)周
期、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。
2 壓縮機(jī)組控制方案的安全設(shè)計(jì)與實(shí)踐
ITCC控制方式集多種控制于一體的做法實(shí)
質(zhì)上并不符合相關(guān)的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范。以
邏輯單元為例，SH／T 20301 8-2003《石油化工安
全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中“邏輯運(yùn)算器的獨(dú)立原則：
1級(jí)安全儀表系統(tǒng)，其邏輯運(yùn)算器宜與過(guò)程控制系
統(tǒng)分開(kāi)；2級(jí)安全儀表系統(tǒng)，其邏輯運(yùn)算器應(yīng)與過(guò)
程控制系統(tǒng)分開(kāi)；3級(jí)安全儀表系統(tǒng)，其邏輯運(yùn)算
稿件收到日期：2013—01—17，修改稿收到日期：2013—04—28。
作者簡(jiǎn)介：彭琳(1982一)，男，湖北仙桃人，2007年畢業(yè)于華中科
技大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國(guó)五環(huán)
工程有限公司電控室，從事化工自控工程設(shè)計(jì)工作，任工程師。
石油化工自動(dòng)化 第49卷
器必須與過(guò)程控制系統(tǒng)分開(kāi)。”由于機(jī)組的重要性，
其安全等級(jí)通常較高，所以即使ITCC中已經(jīng)采用
了SII 3級(jí)別的CPU，但安全聯(lián)鎖保護(hù)仍是與過(guò)程
控制共用邏輯控制單元，嚴(yán)格來(lái)講是不合適的。
下面以某工程項(xiàng)目為例，介紹機(jī)組控制系統(tǒng)的
整體控制方案、硬軟件組成、控制回路安全度等級(jí)
的確定原則。該工程中防喘振控制，性能控制等采
用了non—SII (無(wú)安全完整性等級(jí))的PI C，而安
全保護(hù)系統(tǒng)采用SIL3的PLC，但non—SIL的PLC
與SIL3的PLC仍由同一個(gè)廠家來(lái)集成，這樣不僅
滿足了規(guī)范的要求，而且也汲取了ITCC系統(tǒng)高效
設(shè)計(jì)、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。在該項(xiàng)目中SIL3的PLC采
用S7—400FH，non—SII 的PI C采用S7—400Hl5j。
2．1 整體控制方案
可靠性與安全性相結(jié)合的整體控制方案如
圖1所示。若系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)比較少時(shí)或整個(gè)控制系統(tǒng)
不大以及用戶無(wú)需設(shè)計(jì)工程師站與操作站時(shí)，可以
選擇只用一個(gè)觸摸屏。
圖1 可靠性與安全性相結(jié)合的整體控制方案
2．2 硬件配置
在該項(xiàng)目中，non—SIL的PLC(S7—400H)與
SIL3的PLC(S7—400FH)使用了單獨(dú)的機(jī)柜，以
上兩種PLC的主要硬件的配置見(jiàn)表1所列。
表1 PLC(S7—400H)與PLO(S7—400FH)卡件配置
表1中，S7—400FH已經(jīng)獲得TUV認(rèn)證，并
滿足以下有關(guān)安全的標(biāo)準(zhǔn)：符合IEC61508中l(wèi)6]
SII 1到SII 3等級(jí)的要求；符合DIN V19250中
AK1到AK6等級(jí)的要求。
S7—400FH 的CPU 比S7—400H 的CPU 多
一個(gè)F庫(kù)，該F庫(kù)包含預(yù)匯編，獲得TUV認(rèn)證的
基本功能塊以及保故障安全型I／O模塊使用的參
數(shù)化工具，此外，還需要加載一份F許可證的
拷貝。
S7—400FH的I／O模塊的內(nèi)部電路，針對(duì)安
全控制進(jìn)行了專門的優(yōu)化，其外觀與常規(guī)的I／O
模塊有著明顯的區(qū)別。例如型號(hào)為6ES7326的
DO模塊，點(diǎn)數(shù)只有10個(gè)，但體積卻比型號(hào)為
6ES7322，點(diǎn)數(shù)為16的DI模塊大1倍。
2．3 軟件配置
該項(xiàng)目操作站和工程師站的操作系統(tǒng)為
Windows XP，且安裝了GE 的Cimplicity HMI
Server 8．0C l作為上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件。此外，工
程師站加載 組態(tài)軟件Simatic S7，Step 7 V5．4
SP5用于開(kāi)發(fā)、測(cè)試應(yīng)用程序。對(duì)于SIL3的PLC
(S7—400FH)的組態(tài)軟件，還包含S7 F Systems選
件包。
2．4 J／O點(diǎn)的分配
對(duì)于SIL3的PLC(S7—400FH)與non SIL
的PLC(S7—400H)的I／O點(diǎn)的分配，在工程項(xiàng)目
的SIS設(shè)計(jì)前期，需要明確知道相關(guān)控制對(duì)象的
功能安全需求，需要進(jìn)行SIL分級(jí)_8]。此時(shí)應(yīng)以
每個(gè)工藝控制回路為單位，在HAZOP分析的基
礎(chǔ)上 ]，提出需要設(shè)置報(bào)警和聯(lián)鎖的所有回路，
分析危險(xiǎn)發(fā)生的概率及危害程度，從而選擇相應(yīng)
的SIL值_1。。。目前，壓縮機(jī)控制的應(yīng)用比較成
熟，各壓縮機(jī)廠家經(jīng)驗(yàn)也很豐富。屬于SIL3的
AI信號(hào)包括：干氣密封軸伸端及非軸伸端的壓
力、潤(rùn)滑油壓力、控制油壓力、透平的排氣壓力、
抽氣壓力(如有的話)等；DI信號(hào)一般來(lái)自緊急停
車按鈕以及SIS，MPS輸出的跳車信號(hào)，如振動(dòng)
高、溫度高、位移大等；DO信號(hào)一般去開(kāi)防喘振
(下轉(zhuǎn)第16頁(yè))
16 石油化工自動(dòng)化 第49卷
嵌入HydroCOM 系統(tǒng)的方案可以選擇“投
用”或“不投用”。選擇“投用”，則HydroCOM 系
統(tǒng)處于自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)，接收DCS低選器輸出信號(hào)成
為自動(dòng)調(diào)節(jié)，這時(shí)級(jí)間返回閥逐漸關(guān)閉，HydroCOM
系統(tǒng)通過(guò)控制壓縮行程中進(jìn)氣閥的關(guān)閉時(shí)間來(lái)控
制壓縮氣量，補(bǔ)償級(jí)間由于返回閥關(guān)閉引起的流量
變化。選擇“不投用”，則HydroCOM 系統(tǒng)處于手
動(dòng)狀態(tài)，不接收DCS的信號(hào)。低選器輸出信號(hào)只
控制級(jí)間返回閥，反應(yīng)壓力通過(guò)控制級(jí)間返回閥實(shí)
現(xiàn)，HydroCOM 系統(tǒng)只控制壓縮機(jī)的壓縮氣量。
HydroCOM 系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護(hù)在DCS中完成。
HydroCOM 系統(tǒng)自身故障時(shí)可自動(dòng)切除，此時(shí)控
制任務(wù)由原控制系統(tǒng)完成，往復(fù)式壓縮機(jī)壓力控制
恢復(fù)為傳統(tǒng)的分程控制逐級(jí)返回的壓力遞推控制
方案。級(jí)問(wèn)返回閥打開(kāi)，壓縮機(jī)進(jìn)入100 負(fù)荷運(yùn)
行。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，HydroCOM 系統(tǒng)的一次性
投資雖然較高，但節(jié)能收益非?？捎^，而且壓縮機(jī)
各級(jí)的壓力也控制得非常穩(wěn)定，年節(jié)約電費(fèi)百萬(wàn)元
人民幣以上，直接投資回報(bào)率相當(dāng)高。
2 結(jié)束語(yǔ)
目前HydroCOM 系統(tǒng)已在中石化天津分公
司煉油廠800 kt／a蠟油加氫裂化裝置、燕山石化
分公司煉油廠6OO kt／a寬餾分連續(xù)重整裝置、中
石化青島煉化公司4．1 Mt／a柴油加氫精制裝置、
中國(guó)石化集團(tuán)青島石油化工有限責(zé)任公司加工高
酸原油適應(yīng)性改造項(xiàng)目1 Mt／a汽柴油加氫精制裝
置等項(xiàng)目中成功應(yīng)用。筆者希望通過(guò)上述介紹，使
設(shè)計(jì)人員對(duì)煉油工藝中新氫壓縮機(jī)的壓力控制方
案有全面的認(rèn)識(shí)和了解，并為加氫工藝的新氫壓縮
機(jī)自動(dòng)控制工程設(shè)計(jì)提供參考性的方案。
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(上接第12頁(yè))
閥、關(guān)透平的蒸汽入口切斷閥，停油泵等。其余的工
藝過(guò)程控制進(jìn)入non—sIL的PI (S7—4OOH)系統(tǒng)。
3 結(jié)束語(yǔ)
將壓縮機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)從ITCC中獨(dú)立出
來(lái)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)的做法，雖然在經(jīng)濟(jì)上投入稍多，
但是更符合規(guī)范的要求，更加安全地保護(hù)機(jī)組。實(shí)
踐證明，該種控制方法有效可行。
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