RR燃驱机组控制系统停机信号缺陷分析与改进措施

RR燃驱机组控制系统停机信号缺陷分析与改进措施

谢聚锋,黄健发,陈大斌,王建斌,陈磊   

国家石油天然气管网集团有限公司西气东输分公司南昌输气分公司 江西南昌市 330038

摘要：天然气管道运输系统中，压缩机是最复杂和重要的大型增压设备，每台压缩机均有着复杂的控制系统。西气东输目前使用的Rolls-Royce RB211发动机是一款很早从英国引进的燃驱机组机芯，在天然气管道大量使用。虽然其机械结构合理，运行稳定性高，但其控制系统却没有随着国内控制技术的提高而得到相应的改进，众所周知，控制系统的发展迭代远快于机械机构。近些年来RR压缩机控制系统故障的现象越来越频繁，呈逐年增长趋势，经常导致此型号的机组停机，严重影响管道输气生产，本文通过分析目前RR机组控制系统停机信号存在的一些缺陷和改进方法、设备本质安全设计理念与当今管道安全稳定运行理念进行深入分析，在最大程度上发挥改进后的控制系统与运营理念结合的作用，提高压缩机连续运行稳定性。

关键词：RR压缩机；控制系统；停机信号缺陷；本质安全；连续运行

引言

西气东输二线RR压缩机组投产最近的一批是2012年的机组，已有十年之久，其控制系统整体设计更是直接沿用于一线投产的机组，可追溯至20年前。随着国家管网的成立，对管网高效集输、机组可用率要求也达到了高峰。基于时代及理念原因其部分设计已不符合现代运行要求，针对西二线RR燃驱机组运行现状，在不增加硬件的情况下本文通过分析机组控制系统停机信号缺陷及理念，优化控制逻辑，有效消除机组现有控制系统导致的非必要停机次数。

1、控制系统现状分析

西二线RR燃驱离心式机组控制系统采用罗克韦尔公司的AB PLC产品，处理器为1756-L61系列模块，下挂1794系列IO模块。机组控制系统主要由过程控制系统（PCS）、燃机控制系统（ECS）、安全仪表系统（SIS）组成。

主要存在2类停车逻辑导致机组运行可靠性低：

(1)部分现场采集信号任一变量的偶发超限、误报或故障均联锁停车，造成机组非必要停机。

(2)控制系统本体的所有I/O模块故障均连锁紧急停机，但是有些是备用模块，有的模块所接现场信号实际也并不参与机组连锁。

从统计来看，随着运行时长的需求，每年因为单一变量偶发超限及模块故障而导致的紧急停机次数逐年升高，而这两类都不是压缩机本体出现故障，属于可非紧急停机次数。此两类停车逻辑更多的考虑是压缩机本质安全，对系统的零容忍，但是却忽略了机组的可利用率，影响管网输送的稳定可靠性。发展至今，管理理念的变化需要兼容安全性的同时也要兼顾运行连续和稳定性，对不合理的逻辑进行优化尤为必要。

2、机组控制系统逻辑优化改进措施

2.1任一变量的偶发超限、误报或故障均联锁停车

2.1.1振动冗余逻辑优化

原系统同一个位置的任何一个X、Y方向的振动传感器超过停车值都会引发机组停机，优化为：

1）同一个位置的两个传感器一个停车动作，且一个故障则触发停车；

2）同一个位置的两个传感器一个停车动作，且一个报警动作则触发停车。

2.1.2压缩机轴承温度高冗余逻辑优化

原系统压缩机驱动端和非驱动端、内止推轴承和外止推轴承各部位都有两个温度探头，任何一个超温或者两个温度信号同时出现故障导致停机。实际两个温度探头所安装位置为同一个地方不可能出现较大偏差，优化为：

1）同位置温度探头2个同时出现高报停机；

2）取消温度信号2个同时故障停机的逻辑。

2.1.3 PT轮缘冷却温度高冗余逻辑优化

原系统PT轮缘温度1和PT轮缘温度2，,各有A、B两个温度探头，任何一个超温或者两个温度信号同时出现故障导致停机。实际两个温度探头所安装位置为同一个地方不可能出现较大偏差，优化为：

1）同位置温度探头2个同时出现高报停机；

2）取消2个温度信号同时故障停机的逻辑。

2.1.4 05模块温度高冗余逻辑优化

原系统05模块有A、B、C三个温度探头，任何一个超温导致停机。实际三个温度探头所安装位置为同一个地方不可能出现较大偏差，优化为：

1）三个中有任意两个同时超温高报则停机。

2.1.5 取消部分不影响机组运行安全的停机信号

1）关于机组控制系统机柜内温度高停机信号，在西气东输站场设计里机柜本体和配电室内的温度都有scada系统严密的监控措施，完全无需再连锁机组本体停机，保留报警提示功能即可。

2）关于可燃气体探头任何1个故障导致停机逻辑，RR机组每台共有6个可燃气体探头，4个安装在箱体通风入口处检测是否吸入天然气，2个安装在箱体通风出口检测是否有燃料气泄漏，探头的本质作用为检测是否存在可燃气体，而故障时并非影响机组运行的关键因素，当探头发生个例本体故障而非检测浓度警时出发紧急停机是不合理的。因此关于可燃气体探头本体故障的逻辑可优化为保留报警提示功能或者多个同时故障停机。

2.1.6 压缩机进出口阀门逻辑信号优化

原系统机组运行时，阀门均处于全开位置，一旦阀门全开到位的反馈信号丢失，即便阀门没有动作，仍会触发机组停机。可通过阀门预留线增加一个阀门开关4-20ma信号，在程序里进行逻辑优化，将4-20ma信号对应为阀门0-100%的开度，原阀门接受全开反馈信号的同时，需要满足阀门开度小于90%，此时才发出机组阀门处于非开位连锁停机，提高信号稳定性。

2.2机组模块故障停机信号优化

2.2.1模块的分类定义

首先根据现场模块所接信号的关键性，划分为三个等级的定义。

第一类：单信号停机模块、或双信号停机但接同一个模块

第二类：影响停机、非单信号停机

第三类：不影响机组运行的模块

2.2.2控制系统模块类别分析

按照不同功能型号统计机组所有的模块数量，对每个模块所接现场信号逐一分析定义其等级，得出以下结论。

（1）输出模块继电器源OW8

（2）输出模块OF4I

（3）输入模块IRT8

（4）输入模块IF4I

（5）输入模块IE8

（6）输入信号IB16

（7）输出信号0B16

（8）输入信号IJ2

2.2.3控制系统模块等级分类后的优化

通过对控制系统 79个模块进行分类分析，三类有23个，二类有9个，一类有47个，在三类23个模块中，其中有11个属于完全备用模块不影响机组运行。

优化方案：

（1）三类23个模块故障停机信号进行删除，发生故障时仅保留触发提示报警信息。

（2）二类9个分别为：1N046、1N047、1N052、1N054、1N055、1N023、1N025、1N033、1N034。优化为将双信号关联模块故障冗余停机，具体如下：

a、1N046与1N054所接信号分别为热电偶A/B信号，将1N046与1N054模块故障分别停机，优化为1N046与1N054模块同时故障停机。

b、1N047与1N055所接信号分别为热电偶A/B信号，将1N047与1N055模块故障分别停机，优化为1N047与1N055模块同时故障停机。

c、1N052与1N044所接信号分别为热电偶A/B信号，将1N052与1N044模块故障分别停机，优化为1N052与1N044模块同时故障停机。

d、1N023与1N033所接信号分别为转速探头99GGNL1/99GGNL2信号，将1N023与1N033模块故障分别停机，优化为1N023与1N033模块同时故障停机。

e、1N025与1N034所接信号分别为转速探头99GGPT1/99GGPT2信号，将1N025与1N034模块故障分别停机，优化为1N025与1N034模块同时故障停机。

（3）一类有47个，可通过优化I/O分配、调整信号接线，把同一逻辑下关联停车的输入信号接线分配到两个不同的I/O板卡，实现模块冗余，两块板卡任何一个故障，或者两个I/O信号任何一个故障都不会导致停车，避免共因失效。或考虑根据使用年限采用逐步预防性更换策略，由于本文重点讨论非硬件改动，不再详细分析。

根据对模块其重要性进行分类分析，可以清晰的发现，有的模块故障大可不必紧急停机，完全可以在得到提示信息后及时启动备用机组，再停机检修，确保管网压力不波动，减少非计划性的紧急操作，提高安全性的同时保证管网稳定。

3、优化结果分析

通过以上优化，在2022年至2023年4月期间，某压气站3台机组累计运行10560h，成功抵御一次可燃气体探头故障和一次三类模块故障的紧急停机，都通过得到提示报警计划性先启后停切换了机组，保证了输气平稳，验证了本方案的有效性。

结语

本文通过对RR压缩机组控制系统目前普遍存在的缺陷进行总结，特别是对逻辑控制的改变理念尤其重要，这是从设备本质安全和运营理念完美结合的出发点，做出的科学判断，而不是一味的遵循国外机组一直沿用的固有理念。同时也是结合如今的管道连续运行需求，国产化维护、对控制系统的逻辑进行深入分析和研究，进行的一些改进措施。能够有效解决控制系统故障率高，紧急停机次数多的问题，切实有效提高机组连续运行时长，保证管网高效集输要求。

参考文献

[1]张婉悦、李星星、李亚民.天然气长输管线燃压机组控制系统改造及优[J].通用机械,2017(10).

[2]刘功银、丁建辉、李平.压缩机组控制系统升级浅谈[J].仪器仪表用户，2021(7).