АГРЕГАТНО-ЦЕХОВОЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ "РИУС-КВАНТ", ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ЗАМЕНЫ ВЫРАБОТАВШИХ ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕСУРС СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ ГТК-10И(Р)-SPEEDTRONIC И КОМПРЕССОРНЫХ ЦЕХОВ ИМПОРТНОЙ ПОСТАВКИ-GEOMATIC

Полезная модель относится к области автоматизации управления процессами компримирования газа и технологическим оборудованием объектов компрессорных цехов станций магистральных газопроводов.
Известны системы агрегатной автоматики «Квант» (Балавин М.А. Системы агрегатной автоматики серии «Квант» \\ Промышленные АСУ и контроллеры. 2002. №11, с.16-21), включающие программируемые логические контроллеры фирмы GE FANUC с устройствами ввода-вывода, промышленные станции, специализированные средства измерения скорости валов, контроля наличия пламени в камерах сгорания турбины, уровня вибрации подшипников, представляющие собой функционально полные (законченные) локальные системы автоматического управления газоперекачивающими агрегатами, устанавливаемые в операторных компрессорных цехов компрессорных станций. При этом датчики и исполнительные механизмы газотурбинного газоперекачивающего агрегата подключены проводными линиями связи к системе автоматического управления.
К недостаткам таких систем следует отнести высокую потребность в кабельной продукции, необходимость выполнения большого объема земляных работ для прокладки последней, обусловленного значительной удаленностью систем управления от газоперекачивающих агрегатов, снижение точности измерения текущих параметров, наличие полнофункционально постов оперативного управления, время полезного использования которых составляет менее 0,1% от рабочего фонда агрегата.
Известны унифицированные цеховые комплексы автоматического контроля и управления компрессорными цехами серии «РИУС» (Швабский В.Л. и др. Унифицированные цеховые ПТК серии «РИУС».\\ Промышленные АСУ и контроллеры. 2002, №01, с.5-8), включающие пульт контроля и управления газокомпрессорным цехом, шкафы управления с программируемыми логическими контроллерами GE FANUC, коммуникационными средствами и средствами экстренного аварийного управления, установленные в операторной и выполняющие функции автоматизированного управления технологическим оборудованием цеха для его подготовки к пуску и запуску, автоматического управления процессом компримирования газа путем стабилизации заданных параметров режимов работы оборудования газоперекачивающих агрегатов, управления технологическими установками очистки и охлаждения, подготовки пускового и топливного газа, кранами внутрицеховых газовых трубопроводов, вентиляционными системами и энергоснабжением посредством локальных систем, интегрированных в структуру «РИУС».
К недостаткам такого комплекса относятся: высокая потребность в кабельной продукции и большой объем строительно-монтажных и земляных работ, требуемых для прокладки последней, обусловленный значительной удаленностью системы от технологических объектов, а также снижение точности измерения текущих параметров процессов и оборудования.
Задачей полезной модели является создание на ее базе единого для всех объектов компрессорного цеха агрегатно-цехового комплекса средств управления с более экономной и рациональной структурой, исключающей аппаратную избыточность и недостатки, присущие системам аналогичного назначения, созданным на базе локальных средств.
Техническим результатом применения полезной модели агрегатно-цехового комплекса является повышение эффективности автоматического управления, выраженном в виде повышения производительности
газоперекачивающих агрегатов и компрессорного цеха, снижения затрат топливного газа на компримирование, трудоемкости оперативного управления и технического обслуживания технологического оборудования при более низких затратах на реализацию проекта за счет снижения стоимости оборудования и потребности в кабельной продукции, объемов строительно-монтажных и пуско-наладочных работ, трудозатрат на ввод комплекса в эксплуатацию.
Решение поставленной задачи и достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что агрегатно-цеховой комплекс контроля и управления, согласно полезной модели, содержит систему дистанционного управления цехом, установленную в операторной цеха и соединенную системой связи, включающей основные и резервные каналы цифровой связи, дублирующие проводные каналы экстренного и аварийного управления с системами автоматического управления технологическими объектами цеха в составе не менее пяти систем автоматического управления газоперекачивающими агрегатами, систему автоматического управления кранами газовых коммуникаций цеха, систему автоматического управления установкой воздушного охлаждения газа, систему автоматического управления установкой подготовки пускового и топливного газа, установленных на промышленной площадке цеха, непосредственно у соответствующих технологических объектов управления и соединенных проводными линиями связи с установленными на их оборудовании датчиками и исполнительными механизмами.
При этом система дистанционного управления компрессорным цехом содержит пульт дистанционного управления и систему автоматического управления компрессорным цехом, соединенные между собой через блок цифровых коммутаторов. Пульт управления компрессорным цехом содержит не менее трех автоматизированных рабочих мест, устройство экстренного управления цехом, устройства дистанционного аварийного управления газоперекачивающими агрегатами, сервер долговременных
архивов и устройство печати. Система автоматического управления компрессорным цехом выполнена с возможностью программного управления технологическим процессом компримирования газа и содержит блок программируемых логических контроллеров с устройствами ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов и поддержки цифровых каналов связи Ethernet и RS 422.
Система автоматического управления газоперекачивающим агрегатом содержит панель местного управления, включающую блок электромеханических переключателей, цифровой индикатор с функциональными клавишами управления и средства световой сигнализации, соединенные через блок программируемых логических контроллеров с устройствами ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, аппаратуру контроля наличия пламени в камерах сгорания, оборотов валов турбины, виброскорости, виброперемещения и осевого сдвига валов, загазованности и аппаратуру управления кранами, соединенных с соответствующими датчиками и исполнительными механизмами оборудования газоперекачивающего агрегата. При этом, каждая система автоматического управления газоперекачивающим агрегатом конструктивно выполнена со свободным доступом к оборудованию, расположенному планарно на вертикальных панелях, установленных в индивидуальном блок-боксе, оснащенном средствами обогрева и вентиляции.
Система автоматического управления кранами установлена в индивидуальном блок-боксе и содержит блок программируемых логических контроллеров с устройствами ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, устройства управления кранами, соединенные проводными линиями связи с датчиками параметров потока газа и исполнительными механизмами управления перестановкой запорной арматуры кранов.
Система автоматического управления установкой воздушного охлаждения газа установлена в индивидуальном блок-боксе и содержит последовательно соединенные блок программируемых логических контроллеров
с устройствами ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов и блок электромеханических устройств формирования команд пуска-останова асинхронных электроприводов воздушных вентиляторов, выход которого соединен проводными линиями с блоками магнитных пускателей электропривода.
Система автоматического управления установкой подготовки пускового и топливного газа содержит блок программируемых логических контроллеров с устройствами ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, соединенный через блок устройств управления кранами и блок электромеханических устройств формирования команд управления с датчиками и исполнительными механизмами установки.
Такое структурное построение агрегатно-цехового комплекса контроля и управления компрессорного цеха станции магистрального газопровода с выделением систем цехового и агрегатного уровней позволило последние перенести из операторной на промплощадку цеха, установить их в непосредственной близости к объектам управления и снизить затраты кабельной продукции, объемы земляных, строительно-монтажных и пуско-наладочных работ.
Выполнение системы связи между автоматическими системами управления цехового и агрегатного уровней с основными и резервными каналами цифровой связи, а также дублирующими проводными каналами экстренного и аварийного управления, повысило надежность контроля и управления технологическим процессом и оборудованием.
Оснащение газоперекачивающих агрегатов системами автоматического управления создало возможность поддержания резервного агрегата, в состоянии постоянного горячего резерва, что обеспечивает быструю замену отказавшего агрегата и сохранение режима компрессорного цеха в аварийных ситуациях.
Оснащение пульта управления не менее чем тремя автоматизированными рабочими местами (АРМ), соединенными через блок цифровых
коммутаторов со средствами управления цехового и агрегатного уровней, обеспечивает надежное управление любым из технологических объектов цеха.
Установка систем автоматического управления агрегатного уровня в индивидуальных блок-боксах, оснащенных средствами обогрева и вентиляции, обеспечивает надежную работу систем независимо от погодных и климатических условий.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема унифицированного агрегатно-цехового комплекса контроля и управления компрессорного цеха, на фиг.2 - функциональная схема системы автоматического и аварийного управления газоперекачивающим агрегатом.
Агрегатно-цеховой комплекс контроля и управления содержит систему 1 дистанционного управления цехом, установленную в операторной цеха и соединенную комбинированной системой 2 связи с системой 3 автоматического управления технологическими объектами цеха. Система 3 включает не менее пяти систем 4 автоматического управления газоперекачивающими агрегатами, систему 5 автоматического управления кранами газовых коммуникаций цеха, систему 6 автоматического управления установкой воздушного охлаждения газа, систему 7 автоматического управления установкой подготовки пускового и топливного газа. Комбинированная система 2 связи включает основные 8 и резервные 9 каналы цифровой связи, дублирующие проводные 10 каналы экстренного и аварийного управления. Каждая из систем 4-7 автоматического управления установлена непосредственно у своего технологического объекта управления - у газоперекачивающего агрегата 11, у блока 12 кранов газовых коммуникаций цеха, у установки 13 воздушного охлаждения газа, у установки 14 подготовки пускового и топливного газа и соединена с установленными на его оборудовании датчиками и исполнительными механизмами проводными линиями связи. Система 1 дистанционного управления компрессорным
цехом содержит пульт 15 дистанционного управления и систему 16 автоматического управления компрессорным цехом, соединенные между собой через блок 17 цифровых коммутаторов 18. Пульт 15 дистанционного управления компрессорным цехом содержит не менее трех автоматизированных рабочих мест 19, устройство 20 экстренного управления цехом, не менее пяти устройств 21 дистанционного аварийного управления газоперекачивающими агрегатами, сервер 22 долговременных архивов и устройство 23 печати (принтер). Система 16 автоматического управления компрессорным цехом выполнена с возможностью программного управления технологическим процессом компримирования газа и содержит блок программируемых логических контроллеров с устройствами ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов и поддержки цифровых каналов Ethernet и RS 422. Система 4 автоматического управления газоперекачивающим агрегатом, фиг.2, содержит панель 24 местного управления, включающую блок 25 электромеханических переключателей, цифровой индикатор 26 с функциональными клавишами управления, соединенные через блок 27 программируемых логических контроллеров 28 с устройствами ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, аппаратуру 29 контроля наличия пламени в камерах сгорания, аппаратуру 30 контроля оборотов валов турбины, аппаратуру 31 виброскорости, виброперемещения и осевого сдвига, аппаратуру 32 загазованности и аппаратуру 33 управления кранами, соединенные проводными линиями 34 и 35 (фиг 1) соответственно с датчиками и исполнительными механизмами оборудования газоперекачивающего агрегата 11. Оборудование системы 4 автоматического управления газоперекачивающим агрегатом расположено планарно на вертикальных панелях, установленных в индивидуальном блок-боксе, оснащенном средствами обогрева и вентиляции. Система 5 автоматического управления кранами 12 установлена в индивидуальном блок-боксе и содержит блок программируемых логических контроллеров с устройствами ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, соединенный через
проводные линии 36 и 37 соответственно с датчиками параметров потока газа и исполнительными механизмами управления перестановкой запорной арматуры кранов 12. Система 6 автоматического управления установкой воздушного охлаждения газа установлена также в индивидуальном блок-боксе и содержит последовательно соединенные блок программируемых логических контроллеров с устройствами ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов и блок электромеханических устройств формирования команд пуска-останова асинхронных электроприводов воздушных вентиляторов 13, выход которого соединен проводными линиями 38 и 39 соответственно с датчиками и блоками магнитных пускателей электропривода воздушных вентиляторов 13. Система 7 автоматического управления установкой 14 подготовки пускового и топливного газа содержит блок программируемых логических контроллеров с устройствами ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, соединенная проводными линиями 40 и 41 с исполнительными механизмами и датчиками установки 14.
Представленный агрегатно-цеховой комплекс «РИУС-КВАНТ» позволяет оператору в автоматизированном режиме выполнить операции по подготовке компрессорного цеха и его технологических объектов к пуску, осуществить их запуск и перевод в режим автоматического функционирования; в автоматическом режиме - автоматический контроль и стабилизацию заданного режима компримирования газа, управление и защиту оборудования технологических объектов в аварийных ситуациях.
Исходное состояние объекта управления - оборудование компрессорного цеха находится в неработающем состоянии и цех отключен от магистрального газопровода, газ из внутриплощадочных трубопроводов выпущен в атмосферу.
Подготовка к пуску и запуск оборудования цеха производится по командам, формируемым оператором с любого из трех автоматизированных рабочих мест 19 (АРМ) пульта 15 управления, и доставляемых на технологические объекты 11÷14 по цифровым каналам связи 2 в системы 4÷7
автоматического управления. Оператор автоматизированного рабочего места 19 с помощью установки 5 автоматического управления кранами 12 газовых коммуникаций цеха производит подключение трубопроводов цеха к газопроводу, продувку трубопроводов технологическим газом до полного вытеснения из них воздуха, закрытие свечных кранов и заполнение трубопровода газом до рабочего давления. В соответствии с установленным диспетчерской службой режимом работы компрессорного цеха, система 16 автоматического управления цехом производит расчет оптимального режима функционирования газоперекачивающих агрегатов 11 цеха по численному значению одного из задаваемых параметров регулирования F:
3
Q - производительности цеха млн.м/сут,
Р - давления газа на выходе цеха, МПа,
Е - степени повышения давления газа в компрессорном цехе.
i
Система 16, с учетом располагаемой мощности газоперекачивающих агрегатов 11 и параметров потока газа на входе цеха, производит расчет оптимального распределения нагрузки Q между агрегатами и определяет численные значения «уставок» оборотов компрессоров агрегатов 11, соответствующих заданному режиму. Значения «уставок» автоматически вводятся в системы 4 для управления агрегатами 11 и стабилизации их режимов. «Уставка» численного значения t температуры охлаждения газа на выходе цеха вводится оператором в систему 6 автоматического управления установкой 13 охлаждения газа.
После завершения расчета режима производится последовательное подключение газоперекачивающего агрегата 11 к коллектору и его запуск. Для этого оператор с АРМ 19 по поступающей из системы 4 информации производит контроль предпусковых условий газоперекачивающего агрегата 11 и, при их наличии, производит пуск агрегата. При этом, система 4 выдает команду на подачу пускового газа на турбодетандер агрегата 11. Пуск агрегатов 11 производится автоматически по заданной программе, внесенной в энергонезависимую память контроллеров системы 4
автоматического управления агрегатом. Под давлением пускового газа начинает вращение вал турбодетандера агрегата 11. Турбодетандер производит разгон вала осевого компрессора и турбины агрегата 11 до оборотов, обеспечивающих требуемую подачу воздуха для запуска камер сгорания, после чего производится поджиг газа в камерах сгорания турбины, отключение турбодетандера и дальнейший разгон указанных валов до заданных оборотов центробежного нагнетателя агрегата 11. Ввод агрегата 11 с полнонапорным центробежным нагнетателем в режим газопровода производится автоматически и по команде оператора.
Оставшиеся агрегаты 11 цеха запускаются и вводятся в режим газопровода аналогичным способом.
Дальнейшее функционирование технологического оборудования 11÷14 компрессорного цеха производится автоматически под управлением систем 16, 4-7. Автоматический контроль соответствия технологической схемы компримирования газа и режима, заданного системой 16, производится по сигналам положения кранов 12 внутриплощадочных газопроводов и параметрам ТИ и ТС оборудования технологических объектов 11, 13, 14 путем циклического их опроса системами 16, 4-7 и сопоставления с установленными значениями.
тнд
e
a
a
Автоматическая стабилизация заданного цеху режима компримирования газа производится по значению регулируемого параметра F и поддерживается системами 4 путем стабилизации оборотов n газовых турбин агрегатов 11 в функции давления, температуры и объемного расхода газа на входе компрессора, располагаемой мощности турбины N, Δ плотности газа, P- давления и t - температуры окружающего воздуха:
Регулирование режима компрессорного цеха оборотами турбин агрегатов 11 производится в границах области допустимых режимов (ОДР),
тнд
твд
твд
подш
n
установленных значениями предупредительных и аварийных параметров: n и n - оборотов валов турбин низкого и высокого давления, t - температурой рабочего тела перед ТВД, t - температурой подшипников скольжения турбины и компрессора, Δ Рм-г - перепадом давления масло-газ и расчетным минимально допустимым значением Q расхода газа через компрессор по соображениям защиты от помпажа.
В случае изменения состояния оборудования 11÷14 или достижения любым из его параметров порогового значения (предупредительного уровня) системы 4-7 автоматически извещают оператора о происшедшем событии экстренным текстовым сообщением, поступающим на АРМ 19 и звуковым сигналом, а в случае аварийного значения - автоматически производят остановку соответствующего газоперекачивающего агрегата 11.
Защита центробежных нагнетателей агрегатов 11 от помпажа производится специальными программами антипомпажного регулирования и защиты систем 4 и 16, поддерживающими значения текущих расходов газа через центробежные нагнетатели агрегатов выше границы помпажа.
Ввод резервного агрегата 11 взамен выведенного из режима по аварии производится по схеме аналогичной его запуску.
В случае выявленных нарушений в работе каналов 2 связи или систем управления 4÷6, 16 оператор имеет возможность производить контроль текущего режима газоперекачивающего агрегата 11 по значениям его основных параметров на устройстве 21 и, в случае необходимости - произвести экстренную его остановку, используя устройство 21 пульта 15 управления.
Аварийная остановка компрессорного цеха производится по команде оператора с устройства 20 в случаях пожара, разрывов трубопроводов и т.п. и предусматривает экстренный останов всего оборудования, отключение цеха от магистрального газопровода, перевод цеха в режим работы на «проход» и выпуск газа из внутриплощадочных трубопроводов. Технический надзор за работой оборудования технологических объектов 11 цеха
производится дистанционно машинистом технологических компрессоров по текущим значениям параметров агрегатов, представляемых на экране монитора автоматизированного рабочего места 19 по его требованию, что способствует повышению эффективности контроля и сокращению времени пребывания персонала в опасной зоне работающего агрегата 11.
Текущие значения параметров режимов оборудования цеха, а также действия оператора регистрируются системой 16, передаются на сервер 22 для архивирования и составления отчетов диспетчерских смен.
Отчеты диспетчерских смен и другие документы операторов распечатываются принтером 23.
Полезная модель унифицированного агрегатно-цехового комплекса контроля и управления компрессорным цехом «РИУС-КВАНТ» разработана на уровне головного образца и апробирована в условиях промышленной эксплуатации.
Промышленное применение полезной модели агрегатно-цехового комплекса обеспечило:
- повышение производительности газоперекачивающих агрегатов на 0,1% и компрессорного цеха - на 0,05%;
- снижение потребления топливного газа агрегатом на 0,1% и цехом - на 0,05%;:
- восстановление надежности и безопасности управления цехом до проектного уровня;
- снижение стоимости проекта реконструкции (замены штатных средств автоматизации агрегатов и цеха) за счет снижения стоимости оборудования комплекса на 15%; снижение потребности в кабельной продукции в 1,8 раза; снижение объемов и затрат на строительно-монтажные работы на 70%, пуско-наладочные - на 60%; сокращение сроков ввода в эксплуатацию в 1,5 раза.