海洋鉆井平臺主空壓機聯(lián)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

王倫， 符新濤， 李文磊， 陳尚廣

(中石化海洋石油工程有限公司 上海鉆井分公司，上海 201206)

0 引 言

海洋鉆井平臺主空壓機作為鉆井平臺的主要氣源，擔負著防火風閘和閥門等控制，氣動隔膜泵、打磨機和絞車等驅動，柴油機啟動，空氣吹掃和正壓防護等重要使命，如發(fā)生故障，鉆井作業(yè)將無法正常進行?？諌簷C聯(lián)控系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)空壓機機組的聯(lián)鎖控制，根據(jù)用氣總管的壓力和空壓機的運行狀態(tài)智能控制空壓機的啟停和加/卸載以保證管網(wǎng)供氣的穩(wěn)定。在空壓機系統(tǒng)中，聯(lián)控比單機控制具有更重要的意義[1]，是保證用氣安全的有效措施?？諌簷C聯(lián)控方式有多種，如采用單控制系統(tǒng)控制多臺空壓機[2]、采用獨立聯(lián)控系統(tǒng)集散式控制多臺空壓機控制器[3]或采用通信實現(xiàn)對多臺空壓機的聯(lián)控[4]。“勘探四號”主空壓機(簡稱本空壓機)共3臺，均為美國進口的INGERSOLL RAND(譯作英格索蘭)SSR-2000型，每臺空壓機均有完善的單機控制系統(tǒng)，生產(chǎn)于20世紀80年代，原控制系統(tǒng)采用繼電器加電路板的控制方式，已使用30余年，存在絕緣老化和元器件銹蝕等問題，運行極不穩(wěn)定，2017年8月將單機控制系統(tǒng)改造成為西門子S7-200 PLC與昆侖通態(tài)(MCGS)觸摸屏人機界面(HMI)相結合的控制方式，由于聯(lián)控系統(tǒng)價格較為昂貴，改造僅涉及單機控制系統(tǒng)，由平臺組織技術力量研發(fā)聯(lián)控系統(tǒng)。本文結合“勘探四號”主空壓機聯(lián)控系統(tǒng)的研發(fā)情況，對海洋鉆井平臺主空壓機聯(lián)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)進行探討。

1 本空壓機工藝流程

本空壓機主要由馬達、雙螺桿空壓機機頭、進氣過濾器、滑油過濾器、軸帶滑油泵、油氣分離筒、冷卻器、吸附式干燥器、閥門及其管路組成，本空壓機工藝流程示意圖如圖1所示(圖中與控制無關的閥門等元器件未畫出)?？諌簷C加載后，系統(tǒng)壓力上升，當用氣總管壓力(即排氣壓力或出口壓力)超過容調閥設定值(可調，約700 kPa)時，容調閥控制進氣閥拉桿使進氣閥(常閉型)關小，壓力降低則使進氣閥開大，這樣，空壓機根據(jù)用氣量大小，由容調閥相應調整進氣閥的開度，從而維持空壓機的供氣壓力保持在700 kPa～760 kPa(上下限均可調)之間，該容調閥為機械式，氣量調節(jié)范圍為100%～60%。當系統(tǒng)壓力高于760 kPa(可調)時，用氣總管壓力傳感器信號經(jīng)PLC處理后，控制加載電磁閥(常閉型)和放空電磁閥(常閉型)斷電，從而控制放空閥(氣動、常開型)失氣打開，進氣閥斷油關閉，空壓機停止吸氣，油氣分離筒內的壓縮空氣排空，空壓機卸載。當系統(tǒng)壓力低于655 kPa(可調)時，壓力傳感器信號經(jīng)PLC處理控制加載電磁閥和放空電磁閥得電打開，控制氣或油經(jīng)電磁閥通至放空閥氣缸和進氣閥拉桿油缸，空壓機進氣閥打開，放空閥關閉，空壓機開始加載。

圖1 本空壓機工藝流程示意圖

2 聯(lián)控方式選擇與功能要求

2.1 聯(lián)控方式選擇

本項目聯(lián)控方式選擇主要考慮如下：

(1)本空壓機單機控制系統(tǒng)是剛投入使用的新系統(tǒng)，故不適合對其進行大規(guī)模改造。

(2)單機控制系統(tǒng)PLC的兩個PPI(一種通信協(xié)議)通信口1個已用作與HMI通信，1個須留作程序升級使用，而剩余的數(shù)字量輸入點(DI)較多，故采用新增DI的方式較為合適。

(3)新增的聯(lián)控系統(tǒng)應避免更改空壓機原加/卸載壓力值，提高設置值將增加能耗[5]，降低設置值將縮小容調閥的工作范圍或無法工作，導致頻繁加/卸載使進氣閥、放空閥耐用性降低和增加空壓機馬達機械沖擊使其壽命降低[6]，過低的設置值使空壓機滑油溫度降低，引起滑油乳化現(xiàn)象，嚴重時導致空壓機大部件報廢[7]。

(4)新增聯(lián)控系統(tǒng)元器件的選型須兼顧經(jīng)濟性，應比原廠提供的聯(lián)控系統(tǒng)價格實惠。

結合上述情況，采用獨立聯(lián)控系統(tǒng)集散式控制3臺主空壓機控制器(PLC)的方式，新增聯(lián)控箱1只，聯(lián)控箱設置壓力開關以控制從機(第1、2備用機)的啟停。加/卸載仍利用原單機控制系統(tǒng)各自的壓力傳感器，并調用其卸載延遲時間和加載延遲時間的可調功能，使3臺空壓機的加/卸載時間錯開，以避免聯(lián)控狀態(tài)下的多臺空壓機同時加/減載對電網(wǎng)造成沖擊。

2.2 聯(lián)控系統(tǒng)功能要求

本空壓機聯(lián)控系統(tǒng)根據(jù)工藝流程、聯(lián)控方式和操作要求，應有如下功能：

(1)順序啟動功能：3臺空壓機均設置為聯(lián)控模式，在所有機器待機狀態(tài)下，主用空壓機先啟動，進入打氣狀態(tài)，在設定聯(lián)動延時達到，如壓力未達到壓力要求，那么第1備用機啟動，也進入打氣狀態(tài)，此時聯(lián)動延時達到，壓力還是沒有達到用氣要求，第2備用機應啟動，即3臺空壓機均啟動，進入打氣狀態(tài)。

(2)掉電恢復自起功能：如在主、備用空壓機開啟后，壓力值已經(jīng)滿足用氣要求，那么余下備用空壓機將不再啟動，直至壓力低于設定聯(lián)控壓力值。如系統(tǒng)掉電，重新上電后，聯(lián)控模式下的空壓機應按選定順序自動啟動并打氣。

(3)自動繞開故障機功能：在啟動過程中，如其中1臺空壓機電源未接通、有停機故障或未在聯(lián)控模式，那么聯(lián)控系統(tǒng)將繞過此臺空壓機，繼續(xù)啟動過程。其他空壓機已經(jīng)在運行狀態(tài)下，如此臺空壓機重新上電、故障排除并選擇聯(lián)控模式，在PLC初始化完畢后，如用氣壓力低于聯(lián)控設置壓力，那么此臺空壓機將自動啟動并進入聯(lián)控狀態(tài)。

(4)加/卸載功能：聯(lián)控系統(tǒng)不參與3臺空壓機加/卸載過程，由各單機控制系統(tǒng)的用氣總管壓力傳感器控制，即空壓機由聯(lián)控系統(tǒng)控制起動后，用氣總管壓力低于額定壓力下限(約655 kPa)，為加載狀態(tài)，壓力高于額定壓力上限(約760 kPa)，為卸載狀態(tài)。

(5)停機/單機功能：聯(lián)控狀態(tài)下，機旁控制柜的停機按鈕失效，急停按鈕仍有用，將聯(lián)控箱上相應空壓機的聯(lián)控/就地選擇旋鈕旋到“就地”即可停機。在“就地”模式下，聯(lián)控系統(tǒng)將關閉，所有聯(lián)控功能被屏蔽，空壓機將進入單機運行狀態(tài)，互相不影響，空壓機手動停機后，進入停機狀態(tài)，退出聯(lián)控狀態(tài)，不管壓力是否滿足用氣要求，此機不再開啟。如需要重新啟動，需在“就地”模式下按下機旁控制柜的啟動按鈕，進入單機運行模式，或者在聯(lián)控箱上將相應空壓機選擇“聯(lián)控”，此臺空壓機自動進入聯(lián)控模式，空壓機將根據(jù)用氣總管壓力和選定的主從順序啟停。

(6)空載過久停機功能：如從機連續(xù)空載20 min將停機，直到壓力低于聯(lián)控加載壓力要求，延時2 min后自動起機；主用機連續(xù)空載超過單機控制系統(tǒng)設定的卸載自動停車時間(可調，一般設置為30 min)也將停機，直到壓力低于額定壓力下限(約655 kPa)，主用機才會自動啟動。

(7)空壓機輪換功能：假設當前1#，2#空壓機在聯(lián)控運行狀態(tài)，同時壓力滿足要求，3#空壓機處于待機或空載過久狀態(tài)下，此時將“主從順序選擇”旋到“3-1-2”。那么,3#空壓機將啟動，聯(lián)控系統(tǒng)根據(jù)用氣總管的壓力情況，先后將2#、1#空壓機停機或者只停2#空壓機，進入待機狀態(tài)，當用氣總管壓力低于聯(lián)控壓力下限時，聯(lián)控系統(tǒng)不會停2#、1#空壓機。以此類推，3臺空壓機可通過“主從順序選擇”旋鈕實現(xiàn)輪換操作。

(8)操作延時功能：聯(lián)控箱上一個的“主從順序選擇”旋鈕和3臺空壓機的“控制選擇”旋鈕在操作時，可能選擇不當或越檔操作，為防此情況出現(xiàn)誤操作，設置有操作延時功能，主用信號延時7 s，從信號延時2 min(含已運行空壓機的打氣反應時間)，聯(lián)控/就地信號延時5 s。

3 聯(lián)控系統(tǒng)控制原理與流程設計

3.1 聯(lián)控箱控制原理

根據(jù)聯(lián)控方式及其功能要求，本聯(lián)控箱包含主用指示燈、3臺空壓機聯(lián)控/就地選擇旋鈕、主從順序選擇旋鈕和壓力開關，其原理如圖2所示，各元器件功能如下：

(1)主用機指示燈：聯(lián)控模式下，作為主用的空壓機指示燈點亮，其指示電壓為DC24 V。

(2)壓力開關：聯(lián)控箱設置PS1(動作值:640 kPa～740 kPa)和PS2(動作值:630 kPa～730 kPa)兩個壓力開關，分別采集用氣總管的壓力，用于第1、2備用機的啟停，其設置差值既保證備用機的啟動先后順序，同時避免了多臺空壓機的同時啟停。

(3)聯(lián)控/就地選擇旋鈕：每臺空壓機對應1個旋鈕，每個旋鈕含就地/聯(lián)控兩種狀態(tài)。

(4)主從順序選擇旋鈕：該旋鈕有“1-2-3”、“2-3-1”和“3-1-2”3擋，可將壓力開關PS1和PS2信號分別分配給第1、2備用機用于控制啟停，主用信號用于主用空壓機的啟動，值班人員可根據(jù)各空壓機的使用時間用此旋鈕更換主從機。

3.2 機旁控制柜原理

根據(jù)PLC的剩余接口情況，為減少改動量，每套機旁控制柜新增的聯(lián)控系統(tǒng)接口包括自聯(lián)控箱的主用信號、從用信號和就地/聯(lián)控信號，并提供一路DC24 V電源給聯(lián)控箱用于主用信號指示。

圖2 聯(lián)控箱原理圖

3.3 控制流程設計

根據(jù)中心空壓機的工藝流程、新增聯(lián)控系統(tǒng)相關原理圖和功能要求，新增聯(lián)控系統(tǒng)后的空壓機主流程如圖3所示，各主要流程段說明如下：

圖3 新增聯(lián)控系統(tǒng)后的空壓機主流程圖

(1)聯(lián)控箱就地/聯(lián)控選擇流程：當將聯(lián)控箱上的某臺空壓機選擇“聯(lián)控”時，計時期滿(5 s)后，機旁控制柜的啟停功能和從機的卸載自動停機功能被屏蔽，空壓機自動進入聯(lián)控狀態(tài)；反之，當選擇“就地”時，計時期滿(5 s)后，空壓機進入單機模式，機旁控制柜的上述功能恢復，同時，如空壓機在聯(lián)控狀態(tài)則正常停機(先卸載再延時停機)。

(2)主/從信號啟機流程：當聯(lián)控箱上的某臺空壓機選擇“聯(lián)控”狀況下，選擇“主用”時，延時期滿(7 s)后，即輸出啟機信號，選擇“從用”時，延時期滿(2 min)后，也輸出啟機信號。

(3)聯(lián)控箱停機流程：該信號由兩個信號組成，一是在“聯(lián)控”模式下，壓力滿足要求的情況下轉動主從選擇開關，導致主從信號均沒有，PLC程序應認為系統(tǒng)壓力已滿足從機停機條件，聯(lián)控系統(tǒng)將延時(20 min)停機。另一種情況是“聯(lián)控”模式轉至“就地”時，PLC程序應認為該空壓機已退出聯(lián)控模式，延時5 s后停機。

(4)延時流程：流程圖中5 s和7 s主要是考慮到聯(lián)控箱上的旋鈕切換需要時間，避免誤動作；延時2 min除考慮到聯(lián)控箱上的旋鈕切換時間，另考慮已運行中的空壓機的打氣反應時間，避免主從機同時啟停和從機頻繁啟停；延時4 min為加載延遲時間，用于空壓機加載時躲過馬達啟動和星三角切換，避免空壓機加載和馬達啟動或者星三角切換同時進行，對電網(wǎng)造成沖擊，同時可用于空壓機預熱和故障觀察，確?？諌簷C正常后再加載；延時20 min主要考慮到系統(tǒng)壓力滿足要求后，從機進入空載狀態(tài)，為避免從機頻繁啟停(一般要求空壓機啟停頻率應小于4次/h)，從機延時再停機。

3.4 人機界面設計

根據(jù)新增聯(lián)控系統(tǒng)需要，主要將HMI主頁增加“聯(lián)控模式”和“單機模式”顯示，調用PLC的聯(lián)控箱就地控制指令，當其為1時，主頁顯示“單機模式”，否則顯示“聯(lián)控模式”，新增聯(lián)控系統(tǒng)后的HMI主頁如圖4所示。

圖4 新增聯(lián)控系統(tǒng)后的HMI主頁

4 結束語

本設計在主空壓機單機控制系統(tǒng)基礎上新增聯(lián)控系統(tǒng)，經(jīng)長時間運行檢驗證明，其較好地結合了實際情況，改動量小，操作簡單，功能齊全，有效地實現(xiàn)了空壓機的連鎖控制、自動啟停和加/卸載等聯(lián)控功能，保證了海洋鉆井平臺供氣的穩(wěn)定可靠，巧妙地避免了聯(lián)控狀態(tài)下多臺空壓機同時啟停和加/減載給電網(wǎng)造成沖擊，采用的元器件維護方便，價格實惠，并能夠完全屏蔽新系統(tǒng)的所有功能，既避免了改造風險，同時可有效處理故障情況下對原控制系統(tǒng)造成的影響。