Автоматизированная система управления компрессорной установки

? Аппаратным резервированием (дублированием);

? Временной и функциональной избыточностью;

? Наличием систем диагностики и самодиагностики;

? Охранными порогами перехода системы.

Для обеспечения бесперебойной работы оборудования АСУ ТП электроснабжение производится через источник бесперебойного питания (ИБП). ИБП обеспечивает функционирование системы до переключения фидера питания или на время необходимое для перевода технологического объекта в безопасное состояние.

Применение искробезопасных барьеров защиты при работе современных систем АСУ ТП, работающих на объектах с взрывоопасными средами и построенных на электронных средствах контроля и измерения, является необходимым условием, т.к.: при обрывах в цепях измерений сигналов 4-20мА уровень напряжения в цепи датчика будет равным напряжению источника питания, что витиевато возникновением пожара. Поэтому для искробезопасных барьеров устанавливается порог срабатывания равным 24В. При превышении уровня 24В напряжения источника питания возникает ток утечки в диапазоне 0-4мА, дающий ложный сигнал целостности цепи.

Для предотвращения этого в систему, контролирующую обрыв в цепи датчиков сигналов 4-20мА, напряжение источника питания цепи датчика устанавливать ниже порога защиты срабатывания искробезопасных барьеров защиты на 0,2-0,3В или устанавливать последовательно в цепь источника питания диод. Выбор диода и схема подключения может быть реализован, исходя из рис. 2.2

САУ КУ должна удовлетворять требованиям безопасности, охраны труда и производственной санитарии в соответствии с ГОСТ 12.2.003 и Законом РФ «Об охране труда».

Электрооборудование САУ КУ должно отвечать требованиям «Правил устройства электроустановок», «Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок до 1000В», ГОСТ12.2.007.0 и ГОСТ12.2.007.1.

Оборудование САУ КУ должно иметь специальные болты для подключения к системе заземления (см. п.п. 7.2). Заземляющие болты должны иметь маркировочный знак по ГОСТ 2.751.

Сигнальные цвета, размеры, форма и цвет знаков безопасности должны соответствовать ГОСТ 12-4.026.

2.3 Определение основных задач синтеза системы управления КУ

В соответствии с параметрами режима работы, указанных в таблице 1.1, выделим основные задачи управления КУ. Для упрощения логической схемы системы управления весь цикл работы был разбит на функциональные модули, в каждом из которых выполняются свои операции и регистрируются нормативные значения технологических параметров. Весь цикл работы сводится к соблюдению режимов переключения между модулями.

Рассмотрим каждый из них отдельно.

1. Алгоритм пуска компрессора

Пуск компрессора 5ГЦ осуществляется подачей электропитания на электродвигатель. Поэтому данным алгоритмом "Пуска компрессора" предусматривается выполнение всех необходимых операций подготовки к пуску, контроль предпусковых параметров и условий и выдача на "верхний уровень" в систему управления компрессорной установкой сигнала о готовности компрессора к пуску: "Компрессор к пуску готов".

Если хотя бы один параметр или условие не удовлетворяют предпусковым требованиям, сигнал "Компрессор к пуску готов" не должен формироваться. Сигнал о готовности компрессора к пуску должен быть сформирован системой КиПа в виде "сухого контакта", выдаваемого на "верхний уровень", с одновременным выводом на дисплей компьютера надписи "Компрессор к пуску готов" вместо надписи "Подготовка компрессора к пуску".

1.1 Сигнал "Компрессор к пуску готов" должен формироваться при выполнении следующих предпусковых требований:

1.1.1 Давление газа на входе в стойку управления (РТ1), изб., не менее 6,2 кгс/см2;

1.1.2 Давление масла в напорном коллекторе (ВР108), изб., не менее 1,5 кгс/см2;

1.1.3 Температура масла в напорном коллекторе (ВК2), не более 450С.

1.2 В процессе подготовки компрессора к пуску система КиПа должна производить пуск основного маслонасоса при выполнении следующих условий:

При не выполнении хотя бы одного из этих условий система КиПа не должна позволять пуск маслонасоса (блокировать пуск маслонасоса) и должна выводить на дисплей оператора сигнал "Запрет пуска маслонасоса по РТ4 менее 1,5 кгс/см2.

Выбор основного насоса осуществляется путем считывания часов наработки каждого из насосов и включение потока, переключающим цепи управления маслонасосами (выбор осуществляется только при неработающих маслонасосах).

При включении маслонасоса на мнемосхеме должна загораться световая индикация о его включении.

1.3 Момент начала пуска компрессора фиксируется по сигналу из САУ компрессорной установки в виде "сухого контакта" или по достижению частоты вращения ротора значения 300 об/мин. В процессе пуска система КиПа должна контролировать параметры в соответствии с таблицей 1.1 с записью их в память на жесткий диск компьютера и указанием времени пуска. Нормальный пуск (без применения тиристорной системы управления эл. приводом) осуществляется в течении 830 секунд, с момента начала пуска и до выхода на номинальный режим по частоте вращения ротора. На это время уставки на срабатывание предупредительной сигнализации и аварийной защиты должны программно удваиваться по следующим параметрам:

радиальное виброперемещение шеек ротора (S1B, S1Г, S2B, S2Г);

осевой сдвиг (OS1, OS2).

1.4 Окончание пуска компрессора и выход его на номинальный режим работы фиксируется системой КиПа по достижению частоты вращения ротора (n) значения 8412 об/мин.

По окончании пуска на дисплей оператора должна выводиться надпись "Работа компрессора".

1.5 При срыве пуска, когда зафиксировано начало пуска по достижению частоты вращения ротора значения 300 об/мин, а фиксации окончания пуска по достижению частоты вращения ротора значения 8412 об/мин не происходит, возможны два варианта развития событий:

частота вращения ротора достигла значения 010 об/мин. Это означает, что произошел останов компрессорной установки и система КиПа должна отреагировать по алгоритму аварийного останова;

частота вращения ротора "зависла" между значениями 0 и 8412 об/мин. Система КиПа должна работать по алгоритму "Пуск компрессора", т.е. ожидать фиксации окончания пуска или аварийного останова.

Вывод: из анализа алгоритма следует, что успешное начало работы зависит как от межмодульных параметров, так и характеристик самой системы (в основном, системы охлаждения и пусковых элементов двигателя).

2. Алгоритм нормальной работы компрессора

В процессе нормальной работы компрессора система КиПа контролирует значения параметров, представленных в таблице 1.1 к настоящим алгоритмам, и обеспечивает возможность вывода текущего значения любого параметра на дисплей в виде графика, в т.ч. группового, и в виде таблицы текущих значений параметров по соответствующей команде оператора.

Через каждые 8 (12) часов работы компрессора система КиПа должна автоматически записать значения контролируемых параметров в память на жесткий диск компьютера.

В процессе работы компрессора система управления должна производить включение резервного маслонасоса в случае снижения давления масла в напорном коллекторе (ВР108) до значения 1,4 кгс/см2 изб. и выключение его при достижении давления ВР108 значения 2,0 кгс/см2.

Сигналом для включения резервного маслонасоса может быть и отключение основного маслонасоса (например: сработала защита эл. привода маслонасоса по перегрузке). В этом случае должен тут же включиться резервный насос. Включение резервного маслонасоса должно происходить по возможности быстрей для того, чтобы не успела сработать аварийная защита по давлению масла в напорном коллекторе.

Однако при срабатывании должна включиться световая и звуковая сигнализация в операторном помещении. Если сработала сигнализация по нескольким параметрам одновременно или последовательно, то каждая из них записывается в своей строке.

При возвращении значения параметра в пределы нормы световая и звуковая сигнализация должны отключиться.

3. Алгоритм нормального останова компрессора

Нормальный останов компрессора, как и пуск, производится независимо от состояния компрессора и системы управления отключением эл. питания привода.

Начало нормального останова может быть зафиксировано по сигналу из САУ компрессорной установки в виде "сухого контакта" или по уменьшению частоты вращения ротора (n) на 10% от номинального значения, т.е. по достижению значения 7570 об/мин. При фиксации начала процесса нормального останова должны быть удвоены уставки на срабатывание предаварийной сигнализации и аварийной защиты по вибрационным параметрам компрессора: радиальному виброперемещению шеек ротора (S1B, S1Г, S2B, S2Г) и осевому сдвигу (OS1, OS2. В процессе нормального останова система управления должна контролировать все параметры в соответствии с таблицей 1.1 с записью их в память на жесткий диск компьютера с указанием времени останова. Запись значений параметров в память должна прекращаться по достижению нулевой частоты вращения ротора (010 об/мин). С 5 минутной задержкой после прекращения вращения ротора должен автоматически отключиться работающий (основной или резервный) маслонасос.

Процесс останова компрессора может считаться законченным, если маслонасос отключен, давление масла в напорном коллекторе (ВР108) равно 00,05 кгс/см2

4. Алгоритм аварийного останова компрессора

Аварийный останов компрессора может производиться по двум причинам:

по параметрам, не входящим в состав системы управления компрессора (параметры компрессора не выходят за пределы нормы);

по одному или нескольким параметрам компрессора, входящим в систему управления компрессора, значения которых вышли за пределы аварийных уставок (защит).

Аварийный останов по первой причине производится в точном соответствии с алгоритмом нормального останова.

При срабатывании аварийной защиты по параметру компрессора система управления должна выдать на "верхний уровень" (в САУ установки) сигнал в виде "сухого контакта" на аварийный останов компрессора (на отключение питания эл. привода), включить световую и звуковую сигнализацию в операторном помещении

В остальном аварийный останов производится по алгоритму нормального останова с дополнением при записи параметров в память причины останова (с указанием параметра, по которому сработала защита).

2.4 Временные параметры управления

Система управления должна постоянно контролировать свое собственное состояние и работоспособность отдельных элементов: датчиков, вторичных приборов, блоков питания и т.д. и при необходимости выдавать на дисплей оператора соответствующую информацию.

Алгоритм самодиагностики системы управления разрабатывается в соответствии функциональными нормами, временными характеристиками и из соображения безопасности.

Частота опроса датчиков должна составлять:

для виброаппаратуры серии ТХ 3654 - 10 000 раз в секунду;

для датчиков давления Rosemount - не менее 12 раз в секунду;

для датчиков температуры - не менее 1 раза в секунду;

Частота смены значений параметров на дисплее, в таблице параметров и на групповых графиках - один раз в секунду.

При отказе любого одного датчика на дисплей оператора (в правом нижнем углу) должна выводиться информация в табличном виде об отказе соответствующего датчика и должна включаться предупредительная сигнализация (световая и звуковая).

2.5 Особенности характеристик систем управления

Основным направлением в регулировании потока систем подобного типа является иерархическая завершенность, или обоснованность совмещения оборудования. Данный принцип позволяет пренебречь значениями факторов, оказывающее значительное воздействие на систему. Основные критерии принципа сводятся к разработке системы пуска и поддержания параметров:

1. Регулирование нагнетателей путем изменения частоты вращения Механизм регулирования давления (напора) и подачи компрессора при изменении характеристик сети показан на рис. 2.5.1. Если необходимо обеспечить регулирование напора и его стабилизацию в соответствии с заданным значением HЗ при произвольном изменении характеристик сети от 1 до 3 (см. рис. 2.5.1, а), то выполняют измерение давления в магистрали и с помощью регулятора давления автоматически меняют частоту вращения компрессора (от щ1 до щ2) так, чтобы давление оставалось постоянным. При этом характеристики компрессора изменяются от 1! до 3'. Расход компрессора меняется от QA до QС. Точки А, В, С, на характеристиках компрессора 1!, 2', 3' являются рабочими точками при разных сопротивлениях магистрали, соответствующих характеристикам сети 1, 2, 3. При изменении заданного значения Н3 будут соответственно меняться характеристики и параметры компрессора.

Рис. 2.5.1

Компрессорные агрегаты обычно объединяются в компрессорные станции, при этом несколько компрессоров работает параллельно на одну сеть.

Регулирование подачи компрессорной станции изменением частоты вращения компрессоров, имеющих различные характеристики, иллюст-рируется рис. 2.5.2.

Рис. 2.5.2

Если два компрессора с суммарной характеристикой 2 работают на сеть с характеристикой 1 в точке А с производительностью QA и необходимо уменьшить их производительность до QA', то это можно сделать двумя способами: уменьшить частоту вращения обоих компрессоров (их характеристики 3 и 4 и суммарная характеристика 2') или снизить, но более значительно, частоту вращения одного из компрессоров (характеристика 5 при сниженной частоте вращения). Регулирование производительности изменением частоты вращения одновременно двух компрессоров по своим показателям равноценно регулированию частоты вращения компрессора при его одиночной работе.

С точки зрения экономичности регулирования более выгодным является одновременное изменение частоты вращения всех параллельно работающих компрессоров. Однако это связано с увеличением капитальных затрат на оснащение всех агрегатов регулируемым электроприводом. Поэтому для компрессорных станций достаточно иметь только один регулируемый агрегат и осуществлять более глубокое регулирование отключением отдельных компрессоров.

Ряд применяемых компрессоров, не требует регулирования скорости: подавляющее большинство заводских компрессорных установок и др. Поэтому для них используют асинхронные или синхронные (обычно при мощностях свыше 300 кВт) двигатели переменного тока, управление которыми осуществляется магнитными или бесконтактными пускателями (при малых мощностях), стандартными или специальными пусковыми станциями. Для асинхронных и синхронных двигателей такие станции предусматривают прямой, реакторный и автотрансформаторный способы пуска.

2. Совместная работа нагнетателей

В состав технологических схем подачи, как правило, несколько нагнетателей. Совместная работа нагнетателей в большинстве случаев вызвана следующими причинами:

? один нагнетатель не может обеспечить требуемую подачу или давление, а замена его другим, более мощным, невозможна;

? в процессе эксплуатации в соответствии с требованиями техно-логического процесса возникают режимы, связанные с продолжительным изменением расхода и сопротивления сети (изменение режима осуществляется отключением одного из нагнетателей);

? требуется обеспечить надежность работы всей системы в целом;

? архитектурно-планировочные решения зданий приводят к со-зданию сложных разветвленных сетей, для регулирования которых с наибольшей эффективностью требуется установка нескольких нагнетателей.

Включение нагнетателей в совместную работу может быть па-раллельным, последовательным и смешанным (комбинированным).

3. Параллельное включение нагнетателей

Параллельное включение двух и большего числа нагнетателей рекомендуется тогда, когда требуется увеличение подачи, а соответствующее увеличение частоты вращения рабочего колеса или размеров нагнетателя невозможно из-за чрезмерного усиления шума, конструктивных или архитектурно-планировочных причин.

Известны три основные схемы параллельного включения нагнетателей: полностью параллельное включение (рис. 2.5.3, а) и полупараллельное включение по схемам, показанным на рис. 2.5.2, б и в.

На рис. 2.5.3 в сеть включены нагнетатели с одинаковыми характеристиками. Для упрощения анализа пренебрежем сопротивлением индивидуальных участков сети (участки 1 - 2). В этом случае, как и в случае любого совместного включения, главным является определение режима работы не только всей системы в целом, но и каждого из нагнетателей. Функциональная зависимость давления нагнетателя от его подачи сложна и чаще всего задается графически в виде характеристики P=f(L), поэтому наиболее простой способ анализа - графический. Обычно применяют метод суммарной характеристики нагнетателей.

Рис. 2.5.3

Давления, создаваемые каждым нагнетателем в точках 1 и 2, одинаковы, а общая подача равна сумме подач отдельных нагнетателей. Отсюда следует правило построения суммарной характеристики параллельно включенных нагнетателей: при одинаковом давлении нужно сложить подачи.

Построение суммарной характеристики давления показано на рис. 2.5.4. Абсциссы а, представляющие собой подачу одного нагнетателя, суммируются при каждом значении давления. При включении нагнетателей в сеть с характеристикой (1 + 1) режим работы определяется точкой А. При этом суммарная подача нагнетателей определяется величиной LA(1+1) а суммарное давление - величиной Р1(1+1), при этом Р1(1+1) = РА(1+1), т.е. давление, создаваемое каждым нагнетателем при совместной работе, равно суммарному давлению. Подача каждого нагнетателя составляет половину общей и может быть определена графически по положению точки А", т. е. L1(1+1) = 0.5LА(1+1) = LA. КПД обоих нагнетателей равен КПД каждого из них и определяется пересечением ординаты, проходящей через точку А", с характеристикой КПД нагнетателя. Пересечение этой ординаты с характеристикой мощности определяет затраты мощности каждым нагнетателем. Суммарные затраты мощности равны сумме мощностей отдельных нагнетателей: NA(l +1) = 2N1(1+1).

Рис. 2.5.4

При отключении одного из нагнетателей характеристика сети P(L(1)) становится круче вследствие уменьшения площади поперечного сечения для прохода воздуха между точками 1 и 2. Рабочая точка переходит из положения А в положение А! (см. рис. 4.14). При этом параметрами работы нагнетателя становятся L1(1) > L1(1+1), P1(1) < P1(1+1) и N1(1) > N1(1+1). Это приводит к перегреванию обмоток электродвигателя. Поэтому при выключении одного из нагнетателей его индивидуальный участок необходимо перекрыть клапаном (чтобы исключить бесполезное перетекание газа по нему из-за разности давлений Р2 - Р1), а в сеть оставшегося в работе нагнетателя ввести дополнительное давление РШ так, чтобы рабочая точка переместилась в положение А". При этом затраты мощности составляют N1(1+1), и перегревания электродвигателя не происходит.

Построение суммарной характеристики нагнетателей с разными характеристиками в принципе не отличается от предыдущего построения.

При параллельной работе нагнетателей с разными характеристиками представляется целесообразным определять средний КПД нагнетателей:

(2.5.1)

Из формулы (2.5.1) следует, что более мощные нагнетатели должны работать с максимальным КПД, а регулировать расход в системе целесообразнее менее мощным нагнетателем.

Рассмотренный выше метод построения суммарной характеристики нагнетателей можно применять при любом числе нагнетателей.

4. Последовательное включение нагнетателей

Последовательное включение двух или большего числа нагнетателей применяется тогда, когда давление, создаваемое одним нагнетателем, недо-статочно для преодоления сопротивления сети.

При последовательном включении одно и то же количество газа последовательно перемещается всеми нагнетателями, а давление, необходимое для преодоления сопротивления всей сети, равно сумме давлений, создаваемых каждым нагнетателем. Так как кинетическая энергия, сообщенная потоку первым нагнетателем, не теряется на удар, то общее статическое давление больше суммы статических давлений отдельных нагнетателей. Например, три одинаковых последовательно включенных нагнетателя создают полное давление 3P1(1+1+1).

Если нагнетатель включить последовательно с более мощным, то его подача может увеличиться до значений, гораздо больших, чем его собственная максимальная подача. При этом он станет сопротивлением для более мощного нагнетателя, т. е. при сохранении направления подачи (L > 0) разность давлений с обеих сторон нагнетателя изменит знак.

Работа нагнетателя возможна при L >0 и Р > 0 (1 квадрант), при L < 0 и Р > 0 (II квадрант), при L > 0 и Р < 0 (IV квадрант). Работа нагнетателя в III квадранте невозможна, так как поток не может пойти в обратном направлении через нагнетатель (L < 0) при давлении перед нагнетателем большим, чем за ним. Обычно характеристику снимают только в I квадранте, т. е. при нормальной работе нагнетателя, тем более что для снятия характеристики во II и IV квадрантах требуется специальное оборудование.

5. Система управления компрессором с преобразователем частоты

Наиболее современным является регулирование с помощью преобра-зователей частоты, которые позволяют плавно регулировать частоту вращения электродвигателя компрессора и поддерживать давление в системе при разных расходах перекачиваемого газа. При малых расходах газа двигатель компрессора вращается с малой скоростью, необходимой только для поддержания номинального давления, и не расходует лишней энергии. При увеличении расхода газа преобразователь увеличивает частоту вращения электродвигателя, повышая производительность компрессора при сохранении заданного давления.

На рис. 2.5.5 показана функциональная схема регулирования электродвигателя компрессора с использованием преобразователя частоты Micromaster440 фирмы «Siemens». На вход системы подаются сигналы задания давления и сигнал реального давления, получаемый с датчика давления, установленного в цепи обратной связи. Отклонение между реальным и заданным значениями давления преобразуется ПИД-регулятором в сигнал задания частоты для преобразователя. Под воздействием сигнала задания преобразователь изменяет частоту вращения электродвигателя компрессора и стремится привести разность между заданным и реальным значениями к нулю.

Рис. 2.5.5

Данная схема является модульной и применима для создания проекта, в котором будет реализован алгоритм управления.

Современные преобразователи частоты позволяют создавать системы управления (СУ) без дополнительных аппаратных средств, так как имеют встроенные программные функции, позволяющие реализовывать узел сравнения и ПИД-регулятор. Однако в сложных системах регулирование давление в системе с использованием простых средств регистрации не дает желаемого эффекта. Поэтому, данный способ регулирования совмещают с микропроцессорной системой управления.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9