КРУПНОМАСШТАБНАЯ РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ КОТЛОАГРЕГАТАМИ

Характеристика объекта автоматизации

НПФ «КРУГ» закончила работы по вводу в эксплуатацию АСУ ТП котлоагрегатов ст. № 1, №2, №3 ТЭЦ ООО «РН – Туапсинский НПЗ» (далее АСУ ТП), созданной на базе программно-технического комплекса (ПТК) «КРУГ-2000».

Туапсинский НПЗ работает уже более 75 лет. Его продукция конкурентоспособна как на внутреннем, так и на внешнем рынках. Перерабатывая более четырёх млн. тонн нефти в год, завод получает бензины автомобильных марок А-76, А-92, бензин экспортный технологический, топливо дизельное экспортное и т.д.
Завод постоянно осуществляет модернизацию технологического и энергетического оборудования, направленную на повышение экономической эффективности. Большое значение руководство завода уделяет созданию автоматизированных систем управления технологическими установками.
Большое значение для завода имеет собственная ТЭЦ, которая обеспечивает теплом и электроэнергией не только основное производство, но и население, а также предприятия г. Туапсе. В условиях дефицита электроэнергии в данном регионе ТЭЦ называют сердцем завода, поэтому данному объекту уделяется особое внимание. В настоящее время тепловая мощность ТЭЦ составляет 150 т/час, а электрическая 18 МВт.
Три однотипных паровых газо-мазутных котла ГМ-50-1 (ст. №1, №2, №3) были установлены в 1987 г. Котлоагрегат ГМ-50-1 - однобарабанный котёл с естественной циркуляцией, номинальной паропроизводительностью 50 т/ч и расчетными параметрами пара - 40 кг/см2 и 440 °С. Котел выполнен по П-образной схеме компоновки поверхностей нагрева с совмещенной стенкой между топочной камерой и конвективной шахтой и отдельно размещенной шахтой воздухоподогревателя. На боковых стенках  топочной камеры размещены по две прямоточно-вихревые горелки. Особенностью эксплуатации котлов является то, что котлы работают на продуктах нефтепереработки завода.

НПФ «КРУГ» работает на данном предприятии уже второй десяток лет. Первая АСУ ТП была внедрена в 1990 году. С того времени с участием специалистов НПФ «КРУГ» на заводе введены в эксплуатацию несколько десятков систем контроля и управления. Среди последних – полномасштабная АСУ ТП турбогенератора №3.
Создание АСУ ТП котлов проводилось в связи с реконструкцией горелочных устройств котлов №2 и №3 и оснащением их блоками газового оборудования.

Назначение системы

АСУ ТП предназначена для эффективного и надежного управления котлоагрегатами ГМ-50-1 в нормальных и переходных режимах, а именно:

• производства пара требуемого количества и качества с учетом требований безопасности;
• обеспечения оперативного персонала своевременной, достоверной и достаточной информацией о ходе технологического процесса и состоянии основного оборудования;
• повышения надежности работы оборудования за счет передовых технологий контроля и управления.

Цели и задачи создания системы

Целями автоматизации управления котлами, выполняемой в комплексе с оснащением горелок котла блоками газового оборудования, являются:

• приведение технологического процесса производства пара в соответствие с действующими нормами и правилами;
• повышение безопасности розжига при работе котлов на основном и резервном топливе;
• защита котлоагрегата путем его останова при угрозе аварии;
• повышение надежности работы оборудования за счет уменьшения вероятности ошибочных действий персонала;
• повышение экономичности работы оборудования за счет оптимизации нестационарных режимов работы, сокращения времени пусковых операций;
• повышение коэффициента готовности оборудования.

Достижение приведенных целей обеспечивается применением наиболее перспективных технических средств и методов управления.

Автоматизируемые функции

АСУ ТП котлов включает в себя функциональные подсистемы:

• сбора и первичной обработки информации;
• представления информации оперативному персоналу;
• архивирования (хранение данных за определенный период времени);
• регистрации и формирования отчетной документации;
• дистанционного управления электроприводами запорных задвижек, регулирующих клапанов и механизмов;
• автоматического регулирования;
• технологических защит и блокировок;
• автоматического логического управления механизмами и арматурой;
• инструментальная (для сопровождения системы, настройки прикладных программ, информационной базы, программирования).

Вышеперечисленные подсистемы обеспечивают выполнение следующих функций:

Информационные функции:

• измерение и контроль технологических параметров;
• обнаружение, сигнализация и регистрация отклонений параметров от установленных границ;
• ручной ввод данных;
• формирование и выдача оперативных данных персоналу;
• формирование и печать отчетных документов;
• архивирование истории изменения параметров на жестком магнитном диске;
• расчетные задачи;
• контроль и регистрация действия защит.

Управляющие функции:

• дистанционное управление технологическим оборудованием;
• дистанционное управление исполнительными механизмами в режиме ручного управления;
• выполнение алгоритмов технологических защит;
• логическое управление (технологические блокировки);
• автоматическое регулирование.

Функции самодиагностики:

• контроль прохождения команд управления в контроллер;
• контроль срабатывания блокировок и защит;
• программно-аппаратная самодиагностика контроллеров с выводом информации на индикаторы плат и на верхний уровень;
• проверку достоверности информационных сигналов;
• контроль обрыва линий связи с УСО;
• информирование инженера АСУ ТП при отказе технических устройств с указанием устройства, места, времени и вида отказа.

Вспомогательные функции:

• автоматический перезапуск ПК при срабатывании WatchDog;
• оперативная перенастройка системы и реконфигурация программного обеспечения;
• поддержка единства системного времени;
• осуществление переходов «зима-лето» и «лето-зима»;
• разграничение доступа к функциям системы в зависимости от прав зарегистрированного в данный момент пользователя;
• экранная помощь оператору.

Отличительные особенности

Автоматическое регулирование. Объем функций автоматического регулирования соответствует условиям завода изготовителя и соответствующих нормативных документов. В автоматических регуляторах предусмотрены современные системотехнические решения, обеспечивающие их устойчивую работу в диапазоне допустимых нагрузок. Это и реализация многоконтурных схем управления, схем управления с корректирующими сигналами, и различные виды балансировок, сигнализация неисправностей, обработка недостоверных параметров, следящие режимы и др. Так как котёл ГМ-50-1 может одновременно работать на нескольких видах топлива, АСУ ТП позволяет решать задачи перехода с одного вида топлива на другое, смены регулируемых параметров и исполнительных механизмов у регулятора производительности котла, коррекции задания регулятору подачи воздуха на горение в соответствии с кислородосодержанием, расходом и видом сжигаемого топлива. Предусмотрены схемы логического управления и технологических блокировок, обеспечивающие безопасность работы регуляторов в нормальных и переходных режимах.

Автоматические опрессовка и розжиг горелок. Система автоматизации решила проблемы автоматической опрессовки и розжига горелок котла. Данные задачи, запускаемые по команде оператора, в комплексе с модернизацией горелочных устройств, позволяют привести процессы опрессовки и розжига горелок в соответствие действующим нормативным документам, предотвратить ошибочные действия персонала, уменьшить время, требуемое на данные технологические операции. Операции опрессовки газовых горелок выполняются со станции оператора или по месту со шкафа управления соответствующей горелкой (ШУГ) в автоматическом режиме. Операции розжига газовых горелок и мазутных форсунок выполняются со станции оператора или по месту в автоматическом и ручном режимах. Шкафы управления горелками размещены возле котла на площадке обслуживания. Данные устройства реализованы с применением программных и технических средств ПТК «КРУГ-2000» и включают в себя весь комплекс необходимых для управления горелкой алгоритмов защит и блокировок.

Технологические защиты. Система автоматического ввода и вывода защит обеспечивает возможность нормальной эксплуатации технологического оборудования во всех эксплутационных режимах, включая пусковые, без вмешательства персонала в работу защит. Технологические защиты предусматривают автоматическое и санкционированное ручное включение/отключение, санкционированную корректировку уставок защиты, контроль действия и регистрацию первопричины срабатывания. Интерфейсная часть подсистемы технологических защит и блокировок выполнена в удобном для понимания алгоритма виде и позволяет быстро и оперативно разобраться в причинах действия защиты или блокировки (рис.1). При срабатывании защит происходит формирование протоколов аварийных ситуаций, регистрирующих изменения аналоговых и дискретных параметров в 10-минутном интервале до и после аварии.

Рисунок 1. Табло состояний защит котла №2

Управление исполнительными механизмами осуществляется с учетом приоритетов поступающих сигналов. Высшим приоритетом обладают сигналы технологических защит. Следующие по приоритету - команды логических задач (блокировок нормальной эксплуатации). Затем - команды управления оператором.
Дистанционное управление исполнительными механизмами и другим оборудованием осуществляется с видеокадров, на которых отображено соответствующее оборудование, с использованием виртуальных панелей управления, манипулятора типа «мышь» или функциональной клавиатуры.

Архитектура

ПТК «КРУГ-2000» - интегрированная иерархическая структура, состоящая из аппаратно и программно совместимых технических средств, объединенных средствами передачи данных. АСУ ТП котлов на базе ПТК «КРУГ-2000» представляет собой совокупность четырёх иерархических уровней. Структурная схема АСУ ТП представлена на рис. 2.

Рисунок 2. Структурная схема АСУ ТП котлов ст.№1,2,3 ТЭЦ Туапсинского НПЗ

В 1-й (нижний) уровень входят датчики измеряемых аналоговых и дискретных сигналов, исполнительные устройства, включающие в себя запорную и регулирующую арматуру, сборки РТ30.

Во 2-ой (средний) уровень входят шкафы управления горелками котла (четыре шкафа управления на один котёл). Система управления горелкой выполнена на базе интеллектуальных модулей ввода/вывода и выполняет функции автоматического сбора и "оцифровки" параметров горелок, осуществляет выполнение локальных защит и блокировок по данной горелке с выдачей управляющих команд на арматуру управления горелкой. Система обеспечивает местный и дистанционный розжиг горелок, а также передачу информации на 3-ий уровень АСУ ТП по резервируемой цифровой линии связи RS-485. Такая структура позволила реализовать возможность местного управления горелочными устройствами котла, а также дала экономию кабельной продукции, удешевление монтажных работ и уменьшение сроков монтажа.

В 3-й (средний) уровень системы входят: микропроцессорные контроллеры подсистемы технологических защит и подсистемы дистанционного управления (по одному на каждый котел) и микропроцессорные контроллеры подсистемы автоматического регулирования и информационной подсистемы (по одному на каждый котел).
Контроллеры выполнены по схеме 100%-го резервирования процессорной части и размещены в шкафах управления RITALL. Шкафы управления располагаются в помещении аппаратной (по одному шкафу на котёл). Микропроцессорные контроллеры состоят из процессорных блоков и модулей устройств связи с объектом (УСО). Процессорные блоки служат для обработки измеряемых параметров по заданным технологическим алгоритмам и формирования управляющих воздействий в виде цифровых кодов. УСО выполняют функции автоматического сбора и "оцифровки" измеряемых параметров, приема управляющих воздействий от процессорных блоков в цифровых кодах и выдачу управляющих воздействий на исполнительные механизмы в виде логических и импульсных сигналов. Часть сигналов принимается от шкафов управления горелками по цифровой линии связи.

В 4-й (верхний) уровень системы входят:

• автоматизированные рабочие места (АРМ) машиниста – СО1, СО2, СО3 со 100%-ной взаимозаменяемостью по своим функциональным возможностям (СО1 и СО2 совмещены с функциями серверов архивной БД),
• автоматизированное рабочее место системного инженера – СИ, функционально позволяющее выполнять работы по сопровождению АСУ ТП котлов ст.№1,2,3 и существующей АСУ ТП турбоагрегата №3 (введена в эксплуатацию в 2004 г),
• принтер для вывода на печать протоколов событий, режимных листов, сменных ведомостей, и т.д.

Основным средством связи для информационного обмена между контроллерами и станциями верхнего уровня является локальная вычислительная сеть (ЛВС) на базе 10/100 Мбит технологии ETHERNET. ЛВС выполнена со 100%-ым «горячим» резервированием всех ее компонентов.

На станциях оператора реализуются следующие функции:

• Индикация параметров ТП, отображающих состояние определенных зон технологического объекта (рис.3)
• Индикация на экране и звуковая сигнализация  выхода параметров за технологические и аварийные пределы, сигнализация аварийных ситуаций
• Дистанционное управление исполнительными механизмами и приводами
• Дистанционное управление регуляторами
• Резервирование и диагностика локальных вычислительных сетей связи с серверами САБД
• Коррекция собственного системного времени при получении команды от серверов БД
• Разграничение доступа к средствам системы управления по паролю
• Просмотр в журналах системы сообщений о нарушениях и других событиях на объекте и в системе управления, сообщений о действиях операторов-технологов, сообщений о работе комплекса технических средств контроля и управления
• Просмотр истории параметров процесса на экране дисплея в виде графиков и таблиц и распечатки на принтере в табличном виде или как копии экрана
• Просмотр и вывод на печать архивов печатных документов.

Рисунок 3. Мнемосхема «Котёл №2 Топливный тракт»

Оборудование

В АСУ ТП котлов используются:

• шкафы управления горелками на базе интеллектуальных модулей ввода/вывода (по четыре на каждый котел)
• шкафы управления котлами (по одному на каждый котел) с микропроцессорными контроллерами TREI-5B-02
• системы и средства передачи данных
• средства представления информации (станции оператора-машиниста, совмещённые с резервированными серверами БД, станция системного инженера)
• системы и средства вывода отчетной документации
• система бесперебойного питания

Программное обеспечение

Модульная интегрированная SCADA «КРУГ-2000» для ОС Windows 2000XP.
Система реального времени контроллера (СРВК) для ОС Linux.

Информационная мощность

Временные характеристики

Организация работ

Специалистами НПФ «КРУГ» были выполнены:

• Проекты шкафов управления
• Проекты математического обеспечения
• Сборка и тестирование шкафов управления
• Инжиниринговые работы
• Наладка АСУ ТП

Работы по модернизации горелочных устройств в технологической части проведены Всероссийским теплотехническим институтом.
Авторы благодарят специалистов ООО  "РН – Туапсинский нефтеперерабатывающий завод" за активную помощь при внедрении системы, и ОАО "Ивэлектроналадка" (г. Иваново) за выполнение пусконаладочных работ.

Выводы

Результатом внедрения АСУ ТП явилось значительное расширение функциональных возможностей системы, повышение уровня надёжности технологического оборудования и средств автоматизации, снижение трудозатрат на техническое обслуживание и ремонт.
Разработанные алгоритмы технологических защит и блокировок, автоматического регулирования, автоматических опрессовки и розжига горелок позволили привести технологический процесс производства пара в соответствие с действующими нормами и правилами, повысить безопасность розжига и обеспечить работу котлов на основном и резервном топливе, реализовать защиту котлоагрегата при угрозе аварии.
Оптимизация нестационарных режимов, сокращение времени пусковых операций привели к повышению экономичности работы оборудования.
Модульное построение SCADA «КРУГ-2000» (возможность выбрать только те программные модули, которые необходимы) обеспечило оптимизацию затрат для Заказчика на программное обеспечение. Использование резервированных структур и средств Графического интерфейса SCADA «КРУГ-2000» позволило эффективно решить задачи обеспечения надежности и оперативного отображения состояния технологического процесса.
В процессе опытной эксплуатации система продемонстрировала стабильность, высокую точность измерения и регулирования, удобство управления технологическим процессом, обусловленное гибкостью настроек и возможностью создания сложных алгоритмов.