储气库压缩机组控制系统设计

文/黄林

化石能源是特定条件生成的，与地质条件有关系，在地球上这些能源属于不可再生能源，并且其产地稀少、产量也是比较有限的。以天然气为例，这属于清洁能源，但是又因为是燃料在运输过程中存在着泄露以及爆炸的危险，故不适于长途运输。此外在天然气的使用上，冬季用气旺季，常出现供气供不上的问题，夏季用气量少，又会有一部分富余，怎样储存这些天然气也成为了一个问题。因此，我国石油化工公司想了很多办法来改善这个问题，其中现在最为常用的就是在使用相对集中的中枢地区建立储气库。而天然气如果储存到罐里，那需要压缩，也就是高压，压缩所采用的压力越大那么一个储气库装得天然气才越多，这样就导致安全问题很大，投资成本也太高，不像油库，没法大规模建。所以需要在储气库压缩机控制系统设计方面，采用科学合理的方式来管理控制储气库的各个模块，实现安全性、可靠性高，成本较低的方式来储存天然气能源。

1 关于储气库压缩机控制系统的描述与分析

1.1 概述

地下储气库,就是将天然气重新注入地下可以保存气体的空间而形成的天然气气藏，是集季节调峰、事故应急供气、国家能源战略储备等功能于一身的能源基础性设施。地下储气库具有天然气调峰、储备功能，已成为天然气利用、供应环节的重要组成部分。

地下储气库用压缩机是地下储气库建设的关键设备，此前依赖国外进口。特别是，随着天然气清洁能源产业的加快发展，地下储气库压缩机国产化需求迫切。我公司（中国石油石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司）于2016年自主生产试制的国内首台4500KW大型注气压缩机组，能够满足安全储气、安全放气、安全预警等使用功能，经过现场试验和专家验收，已经完全能取代国外进口机型，该机组获得中国机械工业联席会公布“改革开放40周年—机械工业杰出产品”称号。

我公司研制的地下储气库用天然气压缩机，打破了国外同类产品的技术壁垒，掌握了一批具有自主知识产权，机组主要技术指标达到或超过设计要求，主要性能参数与进口机组处于同等水平，振动、噪声和运行能效等指标优于进口机组，为我国储气库工程建设提供大型关键增压国产化装备保障。其针对地下储气库进气压力提高、排量增大、电机功率增大等情况，重点开展了多机联运下的振动控制技术研究、工艺流程优化、高压大壁厚管焊接工艺攻关、提高四口连接缓冲罐装配精度研究等技术攻关，并结合缓冲罐制作、安装工艺，优化了主机机体、中体结构和尺寸。优化的主机机体、中体可在为提高四口缓冲罐装配精度提供有力支持的同时，增强机体和中体强度，实现了机组在线监测的要求。

而其中的控制系统是压缩机组的大脑，对机组的运行起着至关紧要的作用。该控制系统由现场PLC控制系统、MCC低压配电柜、撬装仪表以及上位监控系统构成。具备先进性、可靠性，机组能够在较短的时延下实现一键启动功能。此机组控制系统由本人独立完成设计并在公司团队的合作下完成各项性能指标的测试，投入生产使用后获得公司专业工作人员的全面肯定。

1.2 控制系统描述

现场控制系统采用ROCKWELL公司CONTROILOGIX5000系统PLC系列，现场配置15"彩色触摸屏作为人机界面。通过敷设的单模光纤将现场机组的数据上传到用户控制室的上位机系统中，上位机系统设置客户端服务器，可对机组进行远程控制以及监控。同时也可将机组所有的数据传输到用户的终端拼接大屏进行集中显示。

MCC低压配电系统，为机组的空冷器、高压润滑和低压润滑系统提供电源和控制，为机组必不可少的辅助系统。UPS在线不断为电电源提供中控室所有设备的工作电源，以保设备能正常运行。整个控制系统的组成参考图1。

1.3 现场控制系统

现场控制系统采用ROCKWELL公司CONTROILOGIX5000PLC，该系统为大中型机架结构，可以提供对使用顺序控制、过程控制和驱动控制的系统进行组态，同时还提供通信和I/O功能。机组的监控点是根据工艺流程图来确认。

主要配置如下：

- PLC机架：1756-A13，为模块安装用，背板供电连接

- 处理器：1756-L71，中心处理器

- DI模块：1756-IB32/B三块，32位数字量输入模块

- DO模块：1756-OB32两块，32位数字量输出模块

三是组织全民义务植树活动。以“绿水青山就是金山银山”为理念，将义务植树活动与“三年增绿计划”、“绿满河口·美丽家园”国土绿化行动结合起来，以3月12日植树节为契机，广泛组织全区各大领导班子、机关干部，以及各事、企业单位职工共2000多人到义和镇六顷村参加义务植树活动，栽植白蜡苗木7230株，集中造林65.7亩。同时，动员全社会力量参与义务植树活动，“青年林”、“巾帼林”等纪念林建设，庭院绿化、城镇绿化及村庄绿化齐头并进。目前，全区义务植树35万株，已完成全年任务。

- AI模块：1756-IF16四块，16位模拟量输入模块

- AO模块：1756-OF4,4位模拟量输出模块

- 以太网通讯模块：1756-EN2T，用于以太网通讯

- MODBUS通讯模块：MVI56EMCM，用于10kV主电机软启动通讯

- 人机界面：2711P-T15C22D9P

工作原理：

机组就地控制系统CPU通过数字量输入模块和模拟量输入模块将现场的信号采集进来，通过编制的程序逻辑判断和处理，送出相应的控制信号，分别去10kV主电机软启动柜、380VAC低压MCC配电柜和现场自动阀门、声光报警器等执行机构。控制各辅助设备进行连锁运作和动作。当系统监测到有模拟超高或低限时，系统送出声光报警和信息提示，以便进行相关处理。当检测到开关量处于非正常状态、或模拟量超高高或低低限时，系统会送出停机信号到10kV主电机启动柜使机组停转，送出声光报警信号；同时延时停止相关辅助电机（空冷器电机、注油器电机、冷却水电机），并控制相关自动阀门，将机组内部高压天然气进行卸载和放空处理。

1.4 上位机监控系统

主要配置：

显示器：SE2717H

打印机：用于报表打印

光口交换机：IES-1041FX-SS-SC，用于光纤连接和转换。

工作原理：

参看图1，安装在用户中控室的工控机作为客户端（Client），安装在就地的PLC系统作为服务器（Server），通讯方式为AB公司专用ETHERNET/IP协议，通讯介质才用单模光纤。两端通过带光口到交换机将光纤转换为标准以太网接口。在上位机上将现场机组所有到监控信号进行显示和报表处理。同时也可以通过编码和解码功能，将信号传入用户大屏监控系统与场站其他系统进行集中显示。

1.5 软件以及组态

1.5.1 整个控制系统所有的软件

PLC编程软件：RSLogix 5000 v20.01版

现场人机界面组态软件：View Machine Edition

上位机组态软件：View Site Edition

上位机操作系统：64位WIN7专业版

所有到软件都支持中文显示，所组成的人机界面人性化、专业化，方便机组进行操作和维护保养。

1.5.2 软件的编制

利用RSLogix 5000 v20.01版编制机组PLC系统的控制程序，首先应根据机组的工艺流程图确认的监控点进行处理器的地址分配。然后按照需要的逻辑进行程序的编制和调试。最后再根据程序进行人机界面的组态和调试。

2 关于储气库压缩机控制系统的调试使用阐述

2.1 调试

在现场进行安装调试的时候，首先单独进行就地控制系统各个独立和辅助系统的调试，没有问题后与压缩机组进行联动的调试工作，以保证系统到可靠性和稳定性。所有的子系统进行调试时，首先要在管理模式下测试其物理器件的可靠性，也就说首先保证机器的零件都是良好的，能够正常运行的，其次是逻辑检测，也就是通过相应的检测程序，测试出不同的逻辑输出机器的运行状态。最后，就是使用标准下的测试，不同的单元系统对应不同标准测试，如果不符合标准就会出现安全问题、工艺问题等一系列的问题。比如说空冷器系统单元如果空冷无法达到预定冷却效果，导致天然气空冷后温度超出正常指标，在原有工艺流程的基础上无法继续进行调整，该工艺指导的异常将导致后系统腐蚀加剧，直接影响脱碳压缩机使用寿命。

图1：控制系统组成

系统调试的方法就是根据上文中表1、表2、表3所对应的不同的测量点，并在相关的传感器上进行数据的采集与测量，再根据国家的相关标准进行对应分析，保证储气库压缩机的正常使用。此外，还需要考虑储气库所在的环境以及气候的因素，比如说，环境温度对流动及换热的影响、由于气体的物理属性对于风机的性能和系统的阻力损失影响、翅片管外积灰等情况的影响，因此在使用时应定期的检查机器的运行状况，做好除湿、除潮、除尘等方面的工作，为储气库的长期稳定使用做好预防措施。

2.2 应用

在整个控制系统的设计中，因为该机组为国内首台套大功率、高转速、国产储气库压缩机，除了考虑系统到基本功能满足机组控制以外，还因为压缩工艺气为天然气环境，而天然气属于易燃易爆的气体，因此需要对整个系统进行防爆设计，具体的要求需要符合GB3836《爆炸性环境》2区防爆的相关要求。同时考虑选择的系统控制模块具备安全完整SIL2认证，这个也是目前国内外压缩机行业对控制系统的较高要求。

到目前为止，该控制系统作为国内首台4500KW大型注气压缩机组的大脑，配合机组平安可靠地运行3500多个小时。按照每天注气量约120×104m3，累计向地下注气约为175×106m3。为我国储气库建设和生产做出了不可磨灭的贡献。

3 结语

综上所述，随着能源发展需求的提升，装置的应用越来越广泛，规模也越来越大。随着装置的大型化，对配套大型空气压缩机的要求也更加紧迫。国家在推进石油化工项目的同时，也特别强调推进装备的国产化。储气库压缩机控制系统设计作为整个储气库压缩机的大脑，需要控制整个储气流程的顺利进行并提供高可靠性的安全保障，只有通过不断地尝试与努力，才能不断的推动技术进步，助力我国能源产业机械的长足发展。