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作者簡(jiǎn)介：薛健麟（1969-），男，江蘇鹽城人，現任瀘天化綠源醇業(yè)檢修車(chē)間主任。
摘 要：瀘天化綠源醇業(yè)有限公司40萬(wàn)噸/年甲醇裝置是國內第一套采用壓縮機綜合控制系統進(jìn)行壓縮機優(yōu)化控制的甲醇裝置，該裝置的原料氣壓縮機組和合成氣壓縮機組首次采用了一套三重化冗余的綜合控制系統進(jìn)行控制。該系統將傳統壓縮機控制中所需要的多個(gè)分立的儀表聯(lián)鎖控制系統如防喘調節器、聯(lián)鎖自保單元、電子調速器、負荷調節器等共同才能實(shí)現的功能集成在一套可靠性極高的系統中完成；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(cháng)周期運行成本，使企業(yè)獲得可觀(guān)的經(jīng)濟效益。
關(guān)鍵詞：綜合控制系統；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大型離心式透平壓縮機組：原料氣壓縮機組和合成氣壓縮機組，兩臺機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的壓縮機組控制方案：透平調速系統采用兩臺WOODWARD 505調速器進(jìn)行控制，防喘振控制系統和負荷調節系統在橫河DCS CENTUM CS-3000系統中編程實(shí)現，壓縮機安全聯(lián)鎖系統采用的是兩套西門(mén)子PLC系統，三者之間的信號采用通訊方式進(jìn)行。配置如圖1所示。
圖1 原配置的機組控制方案
從圖可以看出，透平調速控制器、防喘振控制器、性能控制器、負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。由于系統由多個(gè)廠(chǎng)家提供，操作人員和儀表維護人員需多次培訓才能進(jìn)行操作維護。
在此方案中，由于機組的聯(lián)鎖自保系統仍然采用PLC來(lái)實(shí)現，聯(lián)鎖自保系統與各控制器之間不能建立很好的聯(lián)系，而機組的長(cháng)周期、高效率運行又要求CPU和某些關(guān)鍵的控制點(diǎn)實(shí)現雙冗余或三冗余。雖然在以往的系統中也有采用兩個(gè)或三個(gè)同樣的系統組合構成相應的冗余系統，但這樣的系統各部分之間相互獨立，有的只是輸入輸出信號冗余而CPU卻沒(méi)有相應的冗余；有的CPU雖然有冗余但運行的卻是不通的程序，這樣的系統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)反復的技術(shù)交流和對技術(shù)、經(jīng)濟上的綜合比較，該公司決定采用先進(jìn)的機組控制方案－壓縮機綜合控制系統（ITCC），各壓縮機控制廠(chǎng)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，并大膽采用了兩臺壓縮機組共用一套控制系統的方案。該方案配置如圖2所示。
圖2 現采用的機組控制方案
與三菱公司原設計方案相比，ITCC將傳統壓縮機控制中所需要的多個(gè)分立的儀表聯(lián)鎖控制系統如防喘調節器、聯(lián)鎖自保單元、電子調速器、負荷調節器等共同才能實(shí)現的功能集成在一套可靠性極高的系統中完成，大大簡(jiǎn)化了系統間的接線(xiàn)及通訊工作，消除了分立系統的各種弊端，提高了系統的可靠性和可維護性，在減少故障發(fā)生幾率的同時(shí)，降低了長(cháng)周期運行成本，為機組的長(cháng)周期安全穩定運行提供了可靠的保障。
2 綠源醇業(yè)公司ITCC的系統構成
2.1 系統的硬件配置
綠源醇業(yè)公司采用的TS3000控制系統共包含三面機柜，機柜均采用前后開(kāi)門(mén)。1號機柜內安裝3個(gè)機架；2號機柜正面為I/O端子板，背面為安全柵；3號機柜正面為I/O端子板和隔離繼電器，背面為安全柵。
系統硬件采用模塊化結構，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附件，本系統使用的輸入/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。
本系統由1個(gè)主機架和2個(gè)擴展機架組成，主機架放置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#擴展機架（原料氣壓縮機）的配置為：2塊冗余的8312，2塊3503E，1塊3604E，2塊3700A和1塊3805E；2#擴展機架（合成氣壓縮機）的配置為：2塊冗余的8312，2塊3503E，1塊3604E，2塊3700A和2塊3805E。本系統使用的I/O點(diǎn)數分別是：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）；
PORT#2 與本特利3500系統冗余通訊；
PORT#3 與本特利3500系統冗余通訊；
PORT#4 接便攜式組態(tài)工作站；
2.2 系統的軟件配置
本系統在WINDOWS NT 4.0平臺上運行TRISATION 1131，版本2.0，符合國際IEC1131標準，可以非常簡(jiǎn)便地對用戶(hù)的系統進(jìn)行設置，對具體的應用程序進(jìn)行編程、編譯、下裝和在線(xiàn)修改，對所編程序進(jìn)行離線(xiàn)模擬，同時(shí)還可以對系統的軟件和硬件狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)診斷和根據實(shí)際需要對過(guò)程變量進(jìn)行強制等。
數據采集使用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(huà)面（如啟機控制、喘振控制、壓縮機曲線(xiàn)圖、報警畫(huà)面等）及實(shí)時(shí)趨勢、歷史趨勢等。
2.3 ITCC與DCS、ESD系統的通訊
系統可以根據需要提供包括以太網(wǎng)、MODBUS在內的多種通訊接口，實(shí)現與DCS系統、ESD系統、操作監控站、編程維護站、在線(xiàn)設備診斷系統等的通訊，為該公司的儀表設備管理提供更大的便利。
圖3 ITCC與DCS、ESD系統的通訊
3 綠源醇業(yè)公司機組控制系統的功能實(shí)現
概括而言，該系統從實(shí)現的功能上將包括以下內容：
·安全聯(lián)鎖（ESD）系統；
·速度控制系統；
·喘振控制系統；
·其它參數（如：風(fēng)機流量、負荷、壓力、溫度、振動(dòng)及位移等）的監控。
現將主要功能的實(shí)現方法簡(jiǎn)要闡述如下：
3.1 聯(lián)鎖保護及邏輯功能（ESD）
將來(lái)自現場(chǎng)的各類(lèi)過(guò)程輸入和輸出信號與TRICON V9系統連接，通過(guò)主處理器內部的用戶(hù)程序來(lái)實(shí)現機組的聯(lián)鎖停機邏輯和開(kāi)機啟動(dòng)順序控制等。即采用三重冗余容錯的ESD系統替代了原有的繼電器系統，在極大地提高系統可靠性、可用性和靈活性的同時(shí)，還可以非常方便地實(shí)現在線(xiàn)修改和變更邏輯關(guān)系。
3.2 壓縮機的防喘振控制
TRICONEX擁有自己獨特的防喘振控制算法。TRICON系統依據三菱機組的性能特性及喘振曲線(xiàn)，根據壓縮機入口流量、入口壓力、出口壓力及相應的溫度，結合相關(guān)的計算公式及TRICONEX在同類(lèi)機組上的經(jīng)驗來(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)行調節防喘振控制閥。防喘控制在TRICON控制系統中實(shí)現，具有直觀(guān)的界面和工作點(diǎn)狀態(tài)，從而使壓縮機工作于最佳工作點(diǎn)。
防喘控制方框圖如圖4所示，TRICONEX的防喘控制系統可由各個(gè)獨立的功能模塊來(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（均給出位號名）與其它功能模塊相互連接和作用。
圖4 防喘控制框圖
3.3 調速控制和超速保護
在TRICON控制系統中，通過(guò)專(zhuān)用的調速軟件程序可以實(shí)現對透平機組的多種模式的程序調速控制。TRICONEX根據三菱公司提供的起機曲線(xiàn)編制自動(dòng)或半自動(dòng)起機程序。機組的速度控制可以有多種運行方式，包括停機、啟動(dòng)、暖機、加速、運行等。在自動(dòng)起機模式下，根據起機曲線(xiàn)的升速率，蒸汽透平將自動(dòng)從零轉速升到最小轉速或額定轉速。另外，還將組態(tài)迅速越過(guò)臨界轉速的控制。在半自動(dòng)起機模式下，操作工可在從零轉速到最小轉速之間的任何轉速下停留。一旦達到最小轉速，操作人員可將轉速進(jìn)一步提高到工作轉速。同時(shí)，速度信號也可以在控制系統內部通過(guò)三取二算法對機組進(jìn)行超速保護。
圖5 調速控制和超速保護界面
3.4 過(guò)程調節功能
對于其它的各種流量、壓力、溫度、液位等過(guò)程調節，也將通過(guò)TRICON內置的固有控制模塊來(lái)實(shí)現控制功能。
3.5 事件記錄（SOE）
系統內置的SOE功能可以毫秒級的速率采集和記錄發(fā)生的事件，系統最多可記錄60000條事件，可以方便地記錄故障報警，捕捉第一報警信息，為事故分析提供第一手詳實(shí)的信息；對SOE的記錄和檢索功能可獨立設置成站，也可以集成在工程師站內；采集的SOE數據可實(shí)時(shí)存貯在硬盤(pán)的歷史中，并可通過(guò)打印機打印出來(lái)。
4 項目的經(jīng)濟效益分析
4.1 節約運行成本
由于綠源醇業(yè)40萬(wàn)噸/年甲醇裝置是新建項目，按照有關(guān)要求裝置開(kāi)車(chē)后將在一個(gè)很長(cháng)的時(shí)間（一般是一年）內不能滿(mǎn)負荷生產(chǎn)。引入TS3000系統，由于其先進(jìn)的軟件控制水平，尤其是在裝置試車(chē)和投產(chǎn)初期，一方面可以彌補操作人員人手少、經(jīng)驗少的不足，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荷條件下生產(chǎn)的能耗：由于控制系統能夠精確地調整機組的運行性能，在確保機組安全的前提下使循環(huán)返回量達到最小，最大限度的優(yōu)化機組性能，節能效益明顯。以80%左右的負荷為例，ITCC系統通過(guò)對機組工作點(diǎn)的準確監控，至少可以減少返回流量10%以上，相應就可以少消耗蒸汽約8%，兩臺機組一共約合12t/hr蒸汽，1天24hr為288t，蒸汽單價(jià)按目前執行價(jià)110元/t計算，即每天可節約3.168萬(wàn)元。根據有關(guān)要求，新裝置的低負荷運行周期不應少于1年，若按1年300天的生產(chǎn)期計算（還不包括中途的停車(chē)消耗），按僅此一項就可以節約蒸汽消耗950多萬(wàn)元。
圖6 過(guò)程調節功能界面
圖7 事件記錄界面
轉入滿(mǎn)負荷正常生產(chǎn)后，例行的年度大檢修開(kāi)、停車(chē)期間低負荷，以及受供氣條件限制的低負荷運行時(shí)間，每年平均至少在1個(gè)月以上，即可節省費用95萬(wàn)元。若將本裝置的使用壽命按15年計算（實(shí)際遠遠不止），可節約費用1425萬(wàn)元。
4.2 節約電纜費用和安裝費用
由于綜合控制系統集成化程度高，減少了傳統的分立系統之間繁雜的通訊電纜和信號電纜，同時(shí)也大大減少了安裝和調試的工作量。據估計，采用一套與綠源醇業(yè)公司原料氣和合成氣壓縮機組相同規模的綜合控制系統，與采用兩套傳統的分立壓縮機控制系統相比，可節省通訊電纜和信號電纜費用以及安裝調試費用約40萬(wàn)元左右。
合并上述兩項費用，采用壓縮機綜合控制系統的控制方案后，總共可節省費用約2400多萬(wàn)元人民幣。
根據世界能源發(fā)展現狀看，天然氣、煤和石油的價(jià)格呈不斷上升趨勢，蒸汽價(jià)格也在不斷上漲，長(cháng)期運行實(shí)際經(jīng)濟效益遠遠不止于此。
5 項目的社會(huì )效益和推廣應用前景
本項目在取得較大經(jīng)濟效益的同時(shí)，也取得顯著(zhù)社會(huì )效益，特別在環(huán)境保護方面處于國際先進(jìn)水平。
（1）在技術(shù)推廣應用方面
TS3000透平/壓縮機綜合控制系統是北京康吉森公司的三重化冗余控制系統，它綜合了該公司在機組控制方面多年的經(jīng)驗。該系統于90年代初期成套引進(jìn)中國，雖然已在世界上60多個(gè)國家的石油化工、鋼鐵、發(fā)電、鐵路等行業(yè)使用，但在此之前，TS3000系統用于多機組的控制目前還只有石化行業(yè)有運用業(yè)績(jì)。瀘天化綠源醇業(yè)40萬(wàn)噸/年甲醇裝置是國內第一套單系列產(chǎn)能達到40萬(wàn)噸級的甲醇生產(chǎn)裝置，本項目自動(dòng)化技術(shù)國內首創(chuàng )，裝置的大型壓縮機組綜合控制系統自動(dòng)化控制技術(shù)總體處于國際先進(jìn)水平。在國內化工行業(yè)，將TS3000系統用于大型甲醇裝置的原料氣/合成氣壓縮機的機群控制，該公司為全國首創(chuàng )。本項目壓縮機綜合控制系統的建成和投運也將為以后的新建廠(chǎng)提供較好的理論依據和實(shí)際操作經(jīng)驗，有著(zhù)廣泛的推廣和運用前景。
（2）在安全生產(chǎn)和減少人工勞動(dòng)強度方面
項目投用不僅在大型壓縮機組工藝上滿(mǎn)足安全技術(shù)要求，在正常生產(chǎn)時(shí)保證壓縮機組處于最佳運行狀態(tài)，而且能夠盡量減少人工干預，防止操作人員誤判斷、誤操作，在突發(fā)事故時(shí)防止事故擴大，保證生產(chǎn)裝置安、滿(mǎn)、長(cháng)周期運行。
項目自動(dòng)化程度高，實(shí)現了綠源醇業(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)強度，在勞動(dòng)保護方面，處于國內先進(jìn)水平。
（3）在環(huán)境保護方面
能有效地降低壓縮機組的噪音。本裝置的噪音源主要來(lái)自壓縮機和透平的放空，采用綜合控制系統控制后，一方面可以大幅度降低裝置在低負荷條件下生產(chǎn)的能耗，另一方面由于控制系統能夠精確地調整機組的運行性能，在確保機組安全的前提下使循環(huán)返回量達到最小，通過(guò)ITCC系統對機組工作點(diǎn)的準確監控，至少可以減少返回流量10%以上，大大減少由于機組運行不穩定而帶來(lái)的噪音，有效地保障了操作維護人員的工作環(huán)境和周邊居民的生活環(huán)境。
——轉自《自動(dòng)化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號