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压缩机组控制系统安全设计的探讨与实践

文档作者：彭琳文档来源：中国五环工程有限公司		点击数：	更新时间： 2021年06月06日
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第49卷第4期
2013年8月
石油化工自动化
AUToM ATIoN IN PETR()_CHEM ICAL INDUSTRY
Vo1．49，No．4
August，2013
压缩机组控制系统安全设计的探讨与实践
彭琳
(中国五环工程有限公司，武汉430223)
摘要：简要介绍了压缩机组控制系统(CCS)的发展历程，分析了目前广泛使用的综合透平压缩机控制系统(ITCC)不符合安全
仪表系统(SIS)设计标准规范之处。结合工程实际，介绍了既能满足标准规范要求又安全可靠的压缩机组控制系统设计方法，
并对该系统的整体控制方案、硬软件配置等作了详细的描述；讨论了控制回路安全度等级的确定原则。
关键词：压缩机组控制系统综合透平压缩机控制系统安全仪表系统
中图分类号：TP273 文献标志码：B 文章编号：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
随着石油化工等项目的规模不断扩大，对大型
压缩机组的功能要求不断提高，对安全运行的要求
也越来越严格。目前，多采用集压缩机、透平控制、
安全联锁逻辑为一体的综合透平压缩机控制系统
(ITCC)l1]，然而，这种设计思路却违背了安全仪表
系统设计规范的要求 ]。笔者结合实际工程项
目，简要回顾压缩机组控制系统的发展历程，并介
绍了某项目中压缩机组控制系统的整体控制方案、
硬件配置、软件配置以及如何确定I／O点的安全
等级，该设计方式既能满足安全联锁系统设计规范
的要求，同时也兼顾ITCC的特点。
1 压缩机组控制系统简介
压缩机的控制系统主要有两种控制方式[4]：
2O世纪90年代之前的分散式、单体的控制方式和
20世纪9O年代至今的ITCC的控制方式。在前
一种方式中，整套机组由多个调节单元组成：汽轮
机调速单元、防喘振调节单元、性能控制、润滑油压
力控制、密封控制、安全联锁保护单元等。由于控
制单元厂家多，在安装、维护等方面花费大量人力
和物力，不利于机组的控制。随着计算机技术和网
络技术的发展，国内大型机组普遍采用ITCC的控
制方式，该控制方式集调速控制、防喘振控制、性能
控制、解耦控制、安全联锁保护等于一体，且采用冗
余的CPU，I／O，电源模块，通信模块等，通常由某
一个厂家集成，便于设计与施工管理。此外，在一
定程度上，该控制方式也能很好地保证机组长周
期、稳定、高效的运行。
2 压缩机组控制方案的安全设计与实践
ITCC控制方式集多种控制于一体的做法实
质上并不符合相关的安全联锁系统设计规范。以
逻辑单元为例，SH／T 20301 8-2003《石油化工安
全仪表系统设计规范》中“逻辑运算器的独立原则：
1级安全仪表系统，其逻辑运算器宜与过程控制系
统分开；2级安全仪表系统，其逻辑运算器应与过
程控制系统分开；3级安全仪表系统，其逻辑运算
稿件收到日期：2013—01—17，修改稿收到日期：2013—04—28。
作者简介：彭琳(1982一)，男，湖北仙桃人，2007年毕业于华中科
技大学控制理论与控制工程专业，获硕士学位，现就职于中国五环
工程有限公司电控室，从事化工自控工程设计工作，任工程师。
石油化工自动化 第49卷
器必须与过程控制系统分开。”由于机组的重要性，
其安全等级通常较高，所以即使ITCC中已经采用
了SII 3级别的CPU，但安全联锁保护仍是与过程
控制共用逻辑控制单元，严格来讲是不合适的。
下面以某工程项目为例，介绍机组控制系统的
整体控制方案、硬软件组成、控制回路安全度等级
的确定原则。该工程中防喘振控制，性能控制等采
用了non—SII (无安全完整性等级)的PI C，而安
全保护系统采用SIL3的PLC，但non—SIL的PLC
与SIL3的PLC仍由同一个厂家来集成，这样不仅
满足了规范的要求，而且也汲取了ITCC系统高效
设计、易维护的优点。在该项目中SIL3的PLC采
用S7—400FH，non—SII 的PI C采用S7—400Hl5j。
2．1 整体控制方案
可靠性与安全性相结合的整体控制方案如
图1所示。若系统点数比较少时或整个控制系统
不大以及用户无需设计工程师站与操作站时，可以
选择只用一个触摸屏。
图1 可靠性与安全性相结合的整体控制方案
2．2 硬件配置
在该项目中，non—SIL的PLC(S7—400H)与
SIL3的PLC(S7—400FH)使用了单独的机柜，以
上两种PLC的主要硬件的配置见表1所列。
表1 PLC(S7—400H)与PLO(S7—400FH)卡件配置
表1中，S7—400FH已经获得TUV认证，并
满足以下有关安全的标准：符合IEC61508中l6]
SII 1到SII 3等级的要求；符合DIN V19250中
AK1到AK6等级的要求。
S7—400FH 的CPU 比S7—400H 的CPU 多
一个F库，该F库包含预汇编，获得TUV认证的
基本功能块以及保故障安全型I／O模块使用的参
数化工具，此外，还需要加载一份F许可证的
拷贝。
S7—400FH的I／O模块的内部电路，针对安
全控制进行了专门的优化，其外观与常规的I／O
模块有着明显的区别。例如型号为6ES7326的
DO模块，点数只有10个，但体积却比型号为
6ES7322，点数为16的DI模块大1倍。
2．3 软件配置
该项目操作站和工程师站的操作系统为
Windows XP，且安装了GE 的Cimplicity HMI
Server 8．0C l作为上位机监控组态软件。此外，工
程师站加载 组态软件Simatic S7，Step 7 V5．4
SP5用于开发、测试应用程序。对于SIL3的PLC
(S7—400FH)的组态软件，还包含S7 F Systems选
件包。
2．4 J／O点的分配
对于SIL3的PLC(S7—400FH)与non SIL
的PLC(S7—400H)的I／O点的分配，在工程项目
的SIS设计前期，需要明确知道相关控制对象的
功能安全需求，需要进行SIL分级_8]。此时应以
每个工艺控制回路为单位，在HAZOP分析的基
础上 ]，提出需要设置报警和联锁的所有回路，
分析危险发生的概率及危害程度，从而选择相应
的SIL值_1。。。目前，压缩机控制的应用比较成
熟，各压缩机厂家经验也很丰富。属于SIL3的
AI信号包括：干气密封轴伸端及非轴伸端的压
力、润滑油压力、控制油压力、透平的排气压力、
抽气压力(如有的话)等；DI信号一般来自紧急停
车按钮以及SIS，MPS输出的跳车信号，如振动
高、温度高、位移大等；DO信号一般去开防喘振
(下转第16页)
16 石油化工自动化 第49卷
嵌入HydroCOM 系统的方案可以选择“投
用”或“不投用”。选择“投用”，则HydroCOM 系
统处于自动调节状态，接收DCS低选器输出信号成
为自动调节，这时级间返回阀逐渐关闭，HydroCOM
系统通过控制压缩行程中进气阀的关闭时间来控
制压缩气量，补偿级间由于返回阀关闭引起的流量
变化。选择“不投用”，则HydroCOM 系统处于手
动状态，不接收DCS的信号。低选器输出信号只
控制级间返回阀，反应压力通过控制级间返回阀实
现，HydroCOM 系统只控制压缩机的压缩气量。
HydroCOM 系统的联锁保护在DCS中完成。
HydroCOM 系统自身故障时可自动切除，此时控
制任务由原控制系统完成，往复式压缩机压力控制
恢复为传统的分程控制逐级返回的压力递推控制
方案。级问返回阀打开，压缩机进入100 负荷运
行。经现场实践证明，HydroCOM 系统的一次性
投资虽然较高，但节能收益非常可观，而且压缩机
各级的压力也控制得非常稳定，年节约电费百万元
人民币以上，直接投资回报率相当高。
2 结束语
目前HydroCOM 系统已在中石化天津分公
司炼油厂800 kt／a蜡油加氢裂化装置、燕山石化
分公司炼油厂6OO kt／a宽馏分连续重整装置、中
石化青岛炼化公司4．1 Mt／a柴油加氢精制装置、
中国石化集团青岛石油化工有限责任公司加工高
酸原油适应性改造项目1 Mt／a汽柴油加氢精制装
置等项目中成功应用。笔者希望通过上述介绍，使
设计人员对炼油工艺中新氢压缩机的压力控制方
案有全面的认识和了解，并为加氢工艺的新氢压缩
机自动控制工程设计提供参考性的方案。
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(上接第12页)
阀、关透平的蒸汽入口切断阀，停油泵等。其余的工
艺过程控制进入non—sIL的PI (S7—4OOH)系统。
3 结束语
将压缩机组安全保护系统从ITCC中独立出
来进行单独设计的做法，虽然在经济上投入稍多，
但是更符合规范的要求，更加安全地保护机组。实
践证明，该种控制方法有效可行。
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