Автоматизация компрессорных установок

Введение

Автоматизацией производства называют применение технических средств  (от простейших измерительных приборов и регуляторов до современных электронных вычислительных машин) и систем управления, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах выработки, преобразования и передачи энергии (материалов, информации).

В настоящее время в связи с использованием новых  технологии, повышающих эффективность современного производства, усилением и усложнением  связей между отдельными звеньями технологического процесса, а также ростом объемов производства, все более необходимым стало широкое применение автоматизированных систем управления объектами различного назначения и классов.

Автоматизация компрессорных установок является главным фактором для обеспечения надежной и правильной эксплуатации оборудования.

Автоматизация компрессорных установок повышает их КПД, повышает надежность работы, улучшает условия труда обслуживающего персонала.

Следует иметь в виду, что автоматизация и контроль работы оборудования повышают надежность и экономичность компрессорных установок  только при условии правильного и безотказного действия всех автоматизирующих устройств и измерительных приборов.

Основной задачей обслуживающего персонала компрессорных установок является соблюдение режима технологического процесса производства, при котором получается максимальный выход сжатого воздуха при наименьшем расходе электроэнергии.

Для осуществления поставленной задачи возникает необходимость более полной автоматизации компрессорных установок.

С помощью средств автоматизации:

1.     Осуществляется пуск и нормальная остановка агрегата со щита управления;

2.     Осуществляется тепловой контроль производства сжатого воздуха посредством показывающих или регистрирующих приборов, обеспечивающих непрерывный контроль за процессом сжатия воздуха, анализ работы компрессорной установки;

3.     Регулируется работа компрессорных установок путем автоматического поддержания величин регулируемых параметров постоянными или автоматически производится необходимое изменение их;

4.     Автоматически или дистанционно управляются регулирующие или запорные органы агрегатов, механизмов и коммуникаций;

5.     Производятся автоматически пуски или остановки вспомогательного и резервного оборудования;

6.     Защищается оборудование от ошибочных действий персонала, случайных самовключений машин и приборов, от ненормальной работы систем водоснабжения и смазки.

Создание автоматических систем управления требу­ет значительных и все возрастающих трудовых, материальных и финансовых ресурсов. Затраты на создание и эксплуатацию АСУ непосредственно отражаются на себестоимости продукции и прибыли. Но необходимо отметить, что расходы, связанные с применением новых средств автоматизации в компрессорных агрегатах быстро окупаются.

Описание функциональной схемы автоматизации

3.1  Автоматическое регулирование

Система автоматизации включает следующие системы регулирования:

(Лист Д.ЭН.100700.45.ДП.06.ДЛ.)

1.     Систему регулирования давления воздуха в нагнетательном трубопроводе;

2.     Систему регулирования температуры воздуха после воздухоохладителей;

3.     Систему регулирования тока возбуждения синхронного двигателя.

3.1.1  Система регулирования давления воздуха в нагнетательном трубопроводе

Воздушные турбокомпрессоры предназначены для подачи сжатого воздуха в блоки разделения. По  условиям работы блока разделения давление перед блоком должно поддерживаться постоянным, независимо от температуры и давления воздуха перед компрессором.

Для этого в схеме автоматизации предусмотрено автоматическое регулирование давления воздуха в нагнетательном трубопроводе.

Сигнал с измерительного преобразователя типа Сапфир-22-ДИ-2150(поз.6а), установленного на  нагнетательном трубопроводе, подается на регистрирующее устройство, Диск-250-1171 (поз.6б), и регулирующее устройство Метран-950(поз.6в). В регуляторе  сигнал сравнивается с установленным на задатчике, после чего регулятор вырабатывает сигнал, который поступает на усилитель сигнала (пускатель бесконтактный реверсивный) типа ПБР-3(поз.6г2), и далее на исполнительный механизм (поз.6д2), который в соответствии с выходным сигналом приоткрывает или призакрывает дроссельную заслонку.   Степень закрытия дроссельной заслонки устанавливается опытным путем по достижению границы устойчивой работы компрессора.  Когда дроссельная заслонка доходит до своего предельного положения, специальный следящий прибор переключает электронный регулятор(поз6а) на привод антипомпажного (байпасного)  клапана(поз6д1), который имеет только два положения: «открыто» и «закрыто».

3.1.2 Система регулирования температуры воздуха после   воздухоохладителей

Расход энергии на сжатие воздуха зависит от эффективности охлаждения газа в промежуточных воздухоохладителях.

Регулирование расхода охлаждающей воды  производится в зависимости от температуры воздуха на выходе из  воздухоохладителей. Регулирование призвано обеспечить стабильную работу компрессора,  предотвратить аварийные ситуации.  Температура воздуха на выходе из промежуточного воздухоохладителя определяется с помощью термопреобразователей сопротивления  типа ТСМ-0879(поз.3а). Сигнал с термопреобразователей поступает на регулятор типа ТРН-138(поз.3в). В нем сигнал сравнивается с сигналом  задания, поступающим с функционального блока (поз. 3г), после чего регулятор вырабатывает сигнал, который поступает на усилитель типа ПБР-3(поз.3д), и далее на исполнительный механизм МЭО-100/63-0,63-87(поз.3е), который в соответствии с выходным сигналом приоткроет или призакроет регулирующую задвижку. В случае повышения температуры формируется положительный сигнал, и расход воды на охлаждение увеличивается.

Сигналы с термопреобразователей ТСМ (поз.2а1-2а4, 3а1-3а3, 4а15-4а17) и манометров ДМ2005сг  (поз. SP3, SP8, SP9) поступают в функциональный блок (поз. 3г), где по алгоритму вычисляется температура воздуха на выходе из ПВО, соответствующая минимуму суммарной потребляемой энергии, затрачиваемой на сжатие воздуха.

Управлять расходом охлаждающей воды можно и с помощью ручного регулятора, установленного на щите контроля (поз. SB6).

3.1.3  Система регулирования тока возбуждения синхронного двигателя

Синхронный двигатель за счет регулирования тока возбуждения обладает значительно большими возможностями по оптимизации, как своего режима работы, так и режимов работы компрессора и питающей сети.

По отношению к самому двигателю регулированием тока возбуждения обеспечивается:

·   устойчивая работа при различного характера возмущающих воздействиях;       

·   систематической пульсации момента сопротивления, случайных кратковременных посадках напряжения, вызванных, например, включением в сеть мощных асинхронных или синхронных двигателей, а также при аварийных посадках, набросах нагрузки, изменениях параметров цепей возбуждения;

·   режим нулевого угла j, при котором из сети не потребляется реактивная энергия.

Для синхронных электродвигателей между током статора Is, током возбуждения Iв и активной мощностью Р существует зависимость, показанная на рисунке3.1.

Рисунок 3.1- Зависимость между током статора Is, током возбуждения Iв и активной мощностью Р.

Как видно из зависимости для каждого значения активной мощности существует точка (А) в которой величина тока статора минимальна. В этой же точке значение реактивной мощности равно нулю.

Рассмотрим случай  изменения (увеличения) мощности. При увеличении мощности произойдет переход из точки А в точку В.  Из зависимости видно, что в точке В значение Is не является оптимальным, следовательно появляется некоторая величина реактивной мощности (Q). Для того, чтобы попасть в точку С необходимо увеличить ток возбуждения на величину «а». Таким образом, изменяя ток возбуждения можно поддерживать значение Q=0 и оптимальное значение Is, что исключит перерасход электроэнергии.

Предлагается  для осуществления данной задачи внедрить контролер со встроенными регуляторами мощности фирмы «Siemens».

Для систем автоматического регулирования возбуждения синхронных электроприводов разработана система регулирования, функциональная схема  которой приведена на рисунке  3.2.

Рисунок 3.2 - Функциональная схема системы регулирования возбуждения синхронного двигателя.

 ТП – тиристорный преобразователь;  ДТВ – датчик тока возбуждения; ОВ- обмотка возбуждения; СИФУ – система импульсно-фазового управления;  РТВ – регулятор тока возбуждения; ДТ – датчик  тока;  ДН – датчик напряжения; РМ – регулятор мощности.

Сигналы с датчика тока (ДТ) и датчика напряжения (ДН) поступают в программируемый логический контролер «Siemens». Выходной величиной контролера и входной для регулятора мощности (РМ) является значение величины реактивной мощности Q. В регуляторе  значение сравнивается с установленным на задатчике (Q=0). В случаи отклонения от задания вырабатывается сигнал, поступающий на регулятор тока возбуждения (РТВ), который является для данного регулятора заданием. Фактическим значением является сигнал с датчика тока возбуждения (ДТВ). Если есть рассогласование регулятор через систему импульсно-фазового управления (СИФУ) воздействует на тиристорный преобразователь, изменяющий ток в обмотке возбуждения.

3.2  Системы контроля

Технологический контроль- система средств измерения технологических параметров, отражающих состояние элементов оборудования, включенного в технологическую схему процесса.

Контроль параметров работы агрегата осуществляется:

1.     По температуре подшипников компрессора, редуктора и электродвигателя;

2.     По температуре масла после маслонасосов;

3.      По температуре масла в системе смазки подшипников;

4.     По температуре воздуха на входах и выходах из воздухоохладителей главного двигателя;

5.     По температуре воды в трубопроводе к охладителям;

6.     По температуре воздуха на выходе из первой, второй и третей секции компрессора;

7.     По температуре воздуха на выходе из промежуточных и концевого охладителя;

8.     По температуре воды на входах и выходах из воздухоохладителей электродвигателя;

9.     По температуре обмоток и железа статора электродвигателя;

10.   По давлению воздуха на выходе из концевого из концевого охладителя компрессора;

11.   По давлению масла после маслонасосов на смазку опорно- упорного подшипника;

12.   По давлению масла после главного маслонасоса;

13.   По давлению масла в системе смазки подшипников, компрессора, редуктора, электродвигателя;

14.   По уровню масла в маслобаке;

15.   По чистоте фильтра на всасывании.

Перечень применяемой для контроля аппаратуры приведен в спецификации (Таблица 3.1).

Таблица 3.1 - Спецификация приборов.

Позиционное обозначение	Наименование	Тип	Кол-во	Примечание
1а…1а9	Термопреобразователь сопротивления медный.гр.50М		9
2а1…2а4, 3а1…3а3	Термопреобразователь сопротивления	ТСМ-0879. гр.50М	7
4а1…4а7	Термопреобразователь сопротивления медный.гр.50М		7
4а8, 4а9	Термопреобразователь сопротивления медный.гр.50М		2
4а10…4а12	Термопреобразователь сопротивления	ТСМ-0979. гр.50М	3
4а15…4а17	Термопреобразователь сопротивления	ТСМ-0193-01.гр.50М	3
5а1…5а3	Термопреобразователь сопротивления	ТСМ-0879-012.гр.50М	3
1б	Прибор аналоговый, показывающий, сигнализирующий, трехканальный,	А100-Н2121, шкала 0-150ºС	3
3б, 4б	Прибор аналоговый, показывающий, сигнализирующий	А100-Н2121, шкала 0-50ºС	2
5а	Диафрагма	ДКС10-250-А/Б-1	1
6а	Преобразователь измерительный избыточного давления	Сапфир-22 ДИ-2150	1
5б	Преобразователь измерительный разности давления	Сапфир-22М-ДД	1
5в	Прибор аналоговый показывающий, регистрирующий	Диск-250-1221	1
6б	Прибор аналоговый показывающий, регистрирующий	Диск-250-1171	1
3в	Регулирующее устройство	ТРН-138	1
6в	Регулирующее устройство	Метран-950	1
3г	Программируемый логический контроллер	PLC S7-400	1
3д, 6г1, 6г2	Пускатель бесконтактный реверсивный	ПБР-3	3
SB1…SB9	Тумблер	ТП1-2	11
SP2	Манометр	ДМ2005сгх2,5	1
SP3, SP8, SP9	Манометр	ДМ2005сгх3	1
SP1, SP4, SP5	Манометр	ДМ2005сгх10	3
SP6	Датчик- реле перепада напора	ДПН-2,5	1
SP7	Датчик –реле разности давления	РКС1-0М5	1
РДУ	Указатель уровня масла		1
РВД	Прибор контроля попадания воды в обмотки эл. двигателя		1
PСB	Манометр электроконтактный	ДМ2010сгх4	1
SP11…SP13	Манометр показывающий, сигнализирующий	ДМ2010сгх3	3
2в, 4в,5в	Милливольтметр Ш4541/1	Ш4541/1 гр.50М	3
ДПК, ДДЗ	Дистанционный указатель положения	ДУП-М	2
ДМН	Электропривод пускового маслонасоса		1
ВП1…ВП3	Вентиль мембранный с электроприводом		3
НА1, НА2	Звонок громкого боя^220В	ТУ25-05-1045-76	1
НL1…HL6	Светодиод, светофильтр-красный	КИПМ-15-1К	6
ЕL3	Светодиод, светофильтр-зеленый	КИПМ-15-1Л	1

3.3 Автоматическая защита и блокировка

При опасном изменении условий работы, грозящем аварией в компрессорной станции, должны срабатывать устройства автоматической защиты, останавливающие компрессор или иным способом предотвращающие аварию.

Приборы автоматической защиты должны одновременно с  остановкой компрессора включать сигнализацию.

Автоматическая защита агрегата осуществляется:

1.     По температуре подшипников компрессора, редуктора и электродвигателя;

2.     По давлению масла в системе смазки подшипников;

3.     По осевому сдвигу ротора компрессора;

4.     При прекращении подачи воды в охладители агрегата.

3.4 Сигнализация

Сигнализация является важным элементом систем автоматического регулирования. Она предназначена для оповещения персонала о достижении технологическим параметром критического уровня, установленного при настройке системы сигнализации.

Система сигнализации состоит из нескольких элементов:

1.     предупреждающей (предупреждает о достижении технологическим параметром опасного уровня);

2.     аварийной (сообщает о достижении технологическим параметром аварийного уровня);

3.     контрольной (отражает состояние элементов оборудования- «включено» или «выключено» ).

Световые и звуковые сигналы предупреждающей и аварийной сигнализации включаются:

1.     При исчезновении напряжения питания 220 В в схеме предупреждающей и аварийной сигнализации;

2.     При понижении давления масла в системе смазки опорных подшипников агрегата до 0,25 кгс/см2;

3.     При повышении температуры любого из подшипников компрессора, редуктора и электродвигателя до +65 ºс;

4.     При повышении температуры воздуха на выходе из воздухоохладителей до +50 ºС;

5.     При аварийном повышении температуры подшипников агрегата до +70 ºс;

6.     При аварийном осевом сдвиге ротора компрессора на 1 мм;

7.     При любой аварийной остановки компрессора. При этом на щите загорается табло – «Аварийная остановка»;

8.     При остановке главного электродвигателя от собственных защит;

9.     При отсутствии охлаждающей воды в трубопроводе к охладителям агрегата;

10.  При понижении уровня масла в маслобаке;

11.  При аварийном падении давления масла в системе смазки подшипников до 0,2 кгс/см2.

3.4  Расчет параметров настройки регулятора температуры воздуха после воздухоохладителей

Автоматический регулятор – устройство, которое вырабатывает регулирующее воздействие в соответствии с требуемым законом регулирования.

Выбираем регулятор пропорционально – интегральный, работающий по ПИ-закону регулирования с 20%-м перерегулированием.

У=Кр1(Е+1/Ти ∫Еdτ)

Объект статический, т.е. при нанесении возмущения на входе, выходная величина изменяется от начального установившегося значения до нового установившегося значения.

Динамическая характеристика объекта регулирования (кривая разгона) представлена на рисунке 3.3.

Исходными данными для расчёта являются:

·        время запаздывания τ = 8 с,

·        постоянная времени объекта Т = 35 с (τ/Т = 0,26), 

·        коэффициент передачи объекта К_об=1,1 (ºс)/(% хода исполнительного механизма).

Рисунок 3.3 - Динамическая характеристика объекта регулирования.

 Коэффициент передачи регулятора при пропорциональной части:

 (% хода исполнительного механизма / ºс)

Время изодрома:

Т_и = 0,7·Т = 0,7·35 = 24,5 (с)