龐曉波

（寧波鮑斯能源裝備股份有限公司，浙江 奉化 315500）

CNG加氣母站兩機(jī)聯(lián)動(dòng)中一鍵操作的研究與實(shí)現(xiàn)

龐曉波

（寧波鮑斯能源裝備股份有限公司，浙江 奉化 315500）

目前，在原料氣壓力較低，需要用螺桿壓縮機(jī)增壓后再經(jīng)過活塞壓縮機(jī)壓縮，制成成品氣的CNG加氣母站工藝中，起動(dòng)和停止設(shè)備時(shí)，自動(dòng)化程度不高，操作手續(xù)繁瑣，容易引起故障；針對(duì)這種現(xiàn)象經(jīng)過認(rèn)真的分析與研究，提出了一種改善的方法，主要是提出了增加“一鍵操作柱”，“中間繼電器”和“一進(jìn)兩出隔離柵”等硬件，同時(shí)在PLC程序中增加相應(yīng)功能；實(shí)現(xiàn)螺桿壓縮機(jī)與活塞壓縮機(jī)在開機(jī)和停機(jī)過程中的相互關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了只需按下“起動(dòng)”或“停止”按鈕即可開機(jī)或是停機(jī)的目的；達(dá)到了一鍵開機(jī)或停機(jī)的效果，操作方法非常簡單，減少了事故的發(fā)生；極大提升了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和運(yùn)行可靠性。

壓縮天然氣（CNG）；一鍵操作柱；兩機(jī)聯(lián)動(dòng)；PLC控制系統(tǒng)

在CNG加氣工藝中，當(dāng)原料氣壓力超過0.3MPa時(shí)，往往采用活塞壓縮機(jī)直接進(jìn)行壓縮，然后經(jīng)過壓縮后制成成品氣；在該工藝只有活塞機(jī)一臺(tái)主要設(shè)備，而活塞機(jī)壓縮技術(shù)目前也非常成熟，因此，開機(jī)和關(guān)機(jī)較為簡單，基本實(shí)現(xiàn)了一鍵開機(jī)和關(guān)機(jī)的功能；但當(dāng)原料氣壓力較低，是微正壓，甚至是微負(fù)壓時(shí)，如果直接用活塞壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，將會(huì)出現(xiàn)壓縮比增大，排氣溫度增高，活塞壓縮機(jī)高壓級(jí)活塞力增加等問題，從而引起活塞壓縮機(jī)易損件壽命減短、活塞桿斷裂等故障；因此，在CNG工藝中，當(dāng)原料氣壓力較低時(shí)，往往會(huì)先采用螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行增壓，然后將增壓的氣體輸送到活塞壓縮機(jī)，最后制成成品氣；在這種工藝中，存在螺桿壓縮機(jī)和活塞壓縮機(jī)兩臺(tái)主要設(shè)備，雖然目前活塞壓縮機(jī)和螺桿機(jī)壓縮技術(shù)都非常成熟，但在兩機(jī)聯(lián)動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)的操作方法往往需要人工的大量介入，稍有操作不慎，就會(huì)引起壓力異常，輕則引起停機(jī)，重則引起事故。

1　現(xiàn)狀分析

目前，在CNG加氣母站兩機(jī)聯(lián)動(dòng)壓縮工藝中，原料氣首先要進(jìn)入螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行增壓，以便達(dá)到活塞壓縮機(jī)需要的最低壓力；螺桿壓縮機(jī)一般都會(huì)采用PLC控制系統(tǒng)通過一路PID通道控制變頻器，再通過變頻器控制螺桿壓縮機(jī)主電機(jī)；同時(shí)，PLC控制系統(tǒng)通過另一路 PID通道控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)回流閥，以此確保排氣壓力的穩(wěn)定；由于螺桿壓縮機(jī)主電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，直接帶動(dòng)螺桿壓縮機(jī)機(jī)頭對(duì)原料氣壓縮做功，就需要相應(yīng)的扭矩輸出，因此，變頻器往往會(huì)設(shè)置相應(yīng)的最低運(yùn)行頻率，以確保足夠的扭矩輸出；螺桿壓縮機(jī)排出的氣體經(jīng)過管路與活塞壓縮機(jī)的進(jìn)氣管路相連，活塞壓縮機(jī)一般會(huì)通過PLC控制系統(tǒng)控制軟起動(dòng)器，再通過軟起動(dòng)器控制活塞壓縮機(jī)主電機(jī)，活塞壓縮機(jī)主電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲軸使活塞氣缸工作，從而產(chǎn)生需要的成品氣；該傳統(tǒng)工藝管路、儀表及控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　傳統(tǒng)的工藝管路、儀表及控制結(jié)構(gòu)圖

在該工藝中傳統(tǒng)的操作方法是，開機(jī)時(shí)，在起動(dòng)螺桿壓縮機(jī)之前，需要在螺桿壓縮機(jī)PLC控制系統(tǒng)中，將主電機(jī)以及氣動(dòng)調(diào)節(jié)回流閥的PID控制模式更改為手動(dòng)模式，并設(shè)定最低頻率，氣動(dòng)回流閥的開度設(shè)定為0%；當(dāng)起動(dòng)螺桿壓縮機(jī)后，主電機(jī)將以最低頻率運(yùn)轉(zhuǎn)；此時(shí)，因?yàn)榛钊麢C(jī)尚未開機(jī)，無法消耗螺桿壓縮機(jī)產(chǎn)出的氣體，因此，當(dāng)螺桿壓縮機(jī)的排氣壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，就需要在PLC控制系統(tǒng)中，對(duì)螺桿壓縮機(jī)氣動(dòng)調(diào)節(jié)回流閥進(jìn)行手動(dòng)置值，促使多余氣體回流到前置分離器中，以保證排氣壓力的穩(wěn)定；在這個(gè)過程中為了確保排氣壓力的穩(wěn)定，需要反復(fù)手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的運(yùn)行頻率和氣動(dòng)調(diào)節(jié)回流閥的開度；當(dāng)螺桿壓縮機(jī)的排氣壓力穩(wěn)定后，開啟活塞壓縮機(jī)，螺桿壓縮機(jī)的排氣量由于受到活塞壓縮機(jī)的消耗，螺桿壓縮機(jī)的排氣壓力將會(huì)快速下降；此時(shí)，需要人工快速提升螺桿壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率，并逐步關(guān)閉螺桿壓縮機(jī)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)回流閥，當(dāng)活塞機(jī)的進(jìn)氣壓力穩(wěn)定后，此時(shí)，設(shè)備開機(jī)成功。

關(guān)機(jī)時(shí)，需要首先將螺桿壓縮機(jī)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)回流閥開度設(shè)定為100%，以此減少對(duì)活塞壓縮機(jī)的供氣，然后關(guān)停螺桿壓縮機(jī)，在螺桿壓縮機(jī)停機(jī)過程中，螺桿壓縮機(jī)仍然會(huì)對(duì)活塞壓縮機(jī)進(jìn)行有效供氣，只少比螺桿壓縮機(jī)氣動(dòng)調(diào)節(jié)回流閥打開前減少35%左右，在活塞壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力低于額定值時(shí)，關(guān)?；钊麎嚎s機(jī)，由于在停機(jī)時(shí)活塞壓縮機(jī)將于螺桿壓縮機(jī)先停止，因此，會(huì)引起螺桿壓縮機(jī)排氣壓力升高現(xiàn)象，產(chǎn)出的多余氣體將由管路經(jīng)氣動(dòng)回流閥引至前置分離器中；此時(shí)，設(shè)備關(guān)機(jī)成功。傳統(tǒng)的開機(jī)和關(guān)機(jī)流程如圖2所示。

圖2　傳統(tǒng)工藝中開機(jī)與關(guān)機(jī)流程圖

在傳統(tǒng)的開機(jī)和關(guān)機(jī)流程中，可以看出，操作手續(xù)繁瑣，需要人工的大量介入，對(duì)操作人員的技能要求非常高，如果操作稍有不慎，就會(huì)引起PLC控制系統(tǒng)報(bào)高警或是報(bào)低警，甚至是報(bào)超高警或是超低警而引起停機(jī)，更有甚者引起安全閥的起動(dòng)；無論是控制系統(tǒng)報(bào)超高警還是報(bào)超低警而引起停機(jī)，都會(huì)對(duì)設(shè)備造成一定的傷害。

2　改進(jìn)分析

鑒于傳統(tǒng)操作模式的種種弊端，提出了一種改進(jìn)方案：假如，在操作現(xiàn)場設(shè)置“一鍵操作柱”，操作柱面板上有“起動(dòng)”、“停止”、“急?！比齻€(gè)按鈕；在螺桿壓縮機(jī)控制柜中，將螺桿壓縮機(jī)的運(yùn)行和停止?fàn)顟B(tài)信號(hào)，以及螺桿壓縮機(jī)的排氣壓力信號(hào)，傳送至螺桿壓縮機(jī)PLC控制系統(tǒng)的同時(shí)，通過中間繼電器和“一進(jìn)兩出隔離柵”將上述信號(hào)傳至活塞壓縮機(jī)PLC控制系統(tǒng)；在活塞壓縮機(jī)控制柜中，將活塞壓縮機(jī)的運(yùn)行和停止?fàn)顟B(tài)信號(hào)，傳送至活塞壓縮機(jī)PLC控制系統(tǒng)的同時(shí)，通過中間繼電器將該信號(hào)傳至螺桿壓縮機(jī) PLC控制系統(tǒng)；新增硬件與 PLC系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)如圖3所示。

圖3　新增硬件與PLC系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)圖

開機(jī)時(shí)，首先確保螺桿壓縮機(jī)PLC控制系統(tǒng)中氣動(dòng)回流調(diào)節(jié)閥處于自動(dòng)控制模式，并且設(shè)定開機(jī)頻率；然后在“一鍵操作柱”面板上按下“起動(dòng)”按鈕；此時(shí)，該起動(dòng)信號(hào)被傳至螺桿壓縮機(jī)PLC控制系統(tǒng)中，螺桿壓縮機(jī)起動(dòng)后，螺桿壓縮機(jī)PLC控制系統(tǒng)通過中間繼電器，向活塞壓縮機(jī)PLC控制系統(tǒng)發(fā)出“螺桿壓縮機(jī)已運(yùn)行”信號(hào)；同時(shí)，螺桿壓縮機(jī)氣動(dòng)回流閥根據(jù)排氣壓力的設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，確保排氣壓力達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定；活塞壓縮機(jī)PLC控制系統(tǒng)收到“螺桿壓縮機(jī)已運(yùn)行”信號(hào)后，同時(shí)對(duì)螺桿壓縮機(jī)排氣管路的壓力進(jìn)行偵測(cè)并判斷，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，活塞壓縮機(jī)自動(dòng)起動(dòng)；當(dāng)活塞壓縮機(jī)起動(dòng)后，由于消耗了氣體，因此螺桿壓縮機(jī)排氣壓力將會(huì)降低，此時(shí)，螺桿壓縮機(jī)的氣動(dòng)回流閥將逐漸關(guān)閉，直到排氣壓力再次恢復(fù)到設(shè)定值并穩(wěn)定；此時(shí)，設(shè)備成功一鍵開機(jī)。

關(guān)機(jī)時(shí)，在“一鍵操作柱”面板上按下“停止”按鈕；此時(shí)，該停止信號(hào)被傳至螺桿壓縮機(jī)PLC控制系統(tǒng)中，PLC控制系統(tǒng)向螺桿壓縮機(jī)發(fā)出停止指令信號(hào)，螺桿壓縮機(jī)主電機(jī)開始由運(yùn)行頻率逐漸降至零，同時(shí)，螺桿壓縮機(jī)PLC控制系統(tǒng)通過中間繼電器，向活塞壓縮機(jī)PLC控制系統(tǒng)發(fā)出“螺桿壓縮機(jī)已停止”信號(hào)；活塞壓縮機(jī)PLC控制系統(tǒng)收到“螺桿壓縮機(jī)已停止”信號(hào)后，對(duì)螺桿壓縮機(jī)排氣管路的壓力進(jìn)行偵測(cè)并判斷，當(dāng)壓力下降到目標(biāo)值時(shí)，活塞壓縮機(jī)自動(dòng)停止；此時(shí)，設(shè)備成功一鍵關(guān)機(jī)。改進(jìn)后工藝中開機(jī)和關(guān)機(jī)流程如圖4所示。

圖4　改進(jìn)后工藝中開機(jī)和關(guān)機(jī)流程圖

從理論上分析，該方案在開機(jī)或停機(jī)時(shí)，只需要按下“起動(dòng)”或“停止”按鈕即可，其它相關(guān)動(dòng)作均由PLC控制系統(tǒng)經(jīng)過邏輯運(yùn)算后執(zhí)行，操作過程非常簡單，并且設(shè)備的開機(jī)或停機(jī)過程也非常安全可靠，將對(duì)目前開機(jī)或停機(jī)過程中產(chǎn)生的一系列問題起到極大的改善作用。

3　實(shí)驗(yàn)

按照理論分析，對(duì)原有工藝管路、儀表及控制結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的管路、儀表及控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　改進(jìn)后工藝管路、儀表及控制結(jié)構(gòu)圖

螺桿壓縮機(jī)原料氣的進(jìn)氣壓力為 0.05MPa，運(yùn)行頻率為 45Hz，排氣壓力為 0.8MPa；活塞壓縮機(jī)進(jìn)氣為0.8MPa，排氣為25MPa。

在起動(dòng)設(shè)備之前，首先在螺桿壓縮機(jī)PLC控制系統(tǒng)中將氣動(dòng)調(diào)節(jié)回流閥置于自動(dòng)控制模式，并且設(shè)定開機(jī)頻率為 45Hz，排氣目標(biāo)壓力設(shè)定為0.8MPa；將“螺桿壓縮機(jī)已運(yùn)行”和螺桿壓縮機(jī)排氣壓力達(dá)到 0.6MPa作為活塞壓縮機(jī)自動(dòng)起動(dòng)的激發(fā)條件，當(dāng)上述兩個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，活塞壓縮機(jī)自動(dòng)起動(dòng)；將“螺桿壓縮機(jī)已停止”和螺桿壓縮機(jī)排氣壓力達(dá)到 0.6MPa作為活塞壓縮機(jī)停止的激發(fā)條件，當(dāng)上述兩個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，活塞壓縮機(jī)自動(dòng)停機(jī)。

然后在“一鍵操作柱”面板上按下“起動(dòng)”按鈕；此時(shí)螺桿壓縮機(jī)PLC控制系統(tǒng)收到開機(jī)指令信號(hào)，經(jīng)過邏輯運(yùn)算后，向螺桿壓縮機(jī)發(fā)出開機(jī)指令信號(hào)，同時(shí)，向活塞壓縮機(jī)發(fā)出“螺桿壓縮機(jī)已運(yùn)行”信號(hào)；螺桿壓縮機(jī)主電機(jī)的運(yùn)行頻率由0Hz逐漸升至 45Hz，在升至 45Hz之前，排氣壓力也由0MPa逐漸上升，達(dá)到0.6MPa時(shí)，活塞壓縮機(jī)啟機(jī)條件滿足，將會(huì)自動(dòng)起動(dòng)，在活塞壓縮機(jī)起動(dòng)之初，因活塞壓縮機(jī)主電機(jī)轉(zhuǎn)速尚未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，活塞壓縮機(jī)的耗氣量也將不能達(dá)到額定耗氣量，此時(shí)，螺桿壓縮機(jī)的運(yùn)行也未達(dá)到滿載狀態(tài)，因此，螺桿壓縮機(jī)與活塞壓縮機(jī)將會(huì)處于一個(gè)供氣和耗氣相對(duì)平衡的狀態(tài)；螺桿壓縮機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到額定運(yùn)行狀態(tài)在80～100s之間，活塞壓縮機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到額定運(yùn)行狀態(tài)在 50～60s之間；在這個(gè)過程中，如果螺桿壓縮機(jī)產(chǎn)生的氣量能被活塞壓縮機(jī)有效消耗，則螺桿壓縮機(jī)的排氣壓力將不會(huì)超過設(shè)定的0.8MPa，此時(shí)螺桿壓縮機(jī)的氣動(dòng)回流閥處于關(guān)閉狀態(tài)；如果螺桿壓縮機(jī)產(chǎn)生的氣量不能被活塞壓縮機(jī)有效消耗，則螺桿壓縮機(jī)的排氣壓力將會(huì)超過設(shè)定的0.8MPa，此時(shí)，螺桿壓縮機(jī)的氣動(dòng)回流閥自動(dòng)打開，依據(jù)0.8MPa的目標(biāo)值進(jìn)行自動(dòng)的PID調(diào)節(jié)，確保排氣壓力穩(wěn)定在0.8MPa左右；當(dāng)螺桿壓縮機(jī)與活塞壓縮機(jī)都達(dá)到額定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，螺桿壓縮機(jī)供出的氣量將正好滿足活塞壓縮機(jī)需求的氣量，設(shè)備將處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；此時(shí)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備成功一鍵開機(jī)。

在關(guān)停設(shè)備時(shí)，在“一鍵操作柱”面板上按下“停止”按鈕；此時(shí)螺桿壓縮機(jī)PLC控制系統(tǒng)收到停機(jī)指令信號(hào)經(jīng)過邏輯運(yùn)算后，向螺桿壓縮機(jī)發(fā)出停機(jī)指令信號(hào)，同時(shí)，向活塞壓縮機(jī)發(fā)出“螺桿壓縮機(jī)已停止”信號(hào)；螺桿壓縮機(jī)主電機(jī)開始由額定運(yùn)行頻率逐漸降至零，排氣壓力也由0.8MPa逐漸下降，達(dá)到0.6MPa時(shí)，活塞壓縮機(jī)停機(jī)條件滿足，將會(huì)自動(dòng)停機(jī)，在停機(jī)過程中，螺桿壓縮機(jī)由額定運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)在 60～70s之間，活塞壓縮機(jī)由額定運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)在 40～50s之間；在這個(gè)過程中，螺桿壓縮機(jī)產(chǎn)出的氣量及活塞壓縮機(jī)消耗的氣量均未達(dá)到設(shè)計(jì)值，處于一個(gè)供氣和耗氣相對(duì)平衡的狀態(tài)；直到設(shè)備平穩(wěn)停止；此時(shí)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備成功一鍵停機(jī)。

4　結(jié)論

通過對(duì)傳統(tǒng) CNG加氣母站兩機(jī)聯(lián)動(dòng)壓縮工藝操作過程的分析，提出了在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了“一鍵操作柱”，“中間繼電器”和“一進(jìn)兩出隔離柵 ”等硬件，同時(shí)在PLC程序中增加相應(yīng)功能；實(shí)現(xiàn)螺桿壓縮機(jī)與活塞壓縮機(jī)在開機(jī)和停機(jī)過程中的相互關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了只需按下“起動(dòng)”或“停止”按鈕即可開機(jī)或是停機(jī)的目的；達(dá)到了一鍵開機(jī)或停機(jī)的效果，與傳統(tǒng)操作相比較，新的操作方法非常簡單，大大降低了操作步驟，減少了事故的發(fā)生；極大提升了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和運(yùn)行可靠性。 目前，該CNG加氣母站兩機(jī)聯(lián)動(dòng)一鍵操作的方法，已經(jīng)在東北某燃?xì)饧瘓F(tuán)得到了使用，達(dá)到了預(yù)期效果，受到客戶的好評(píng)。

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The Research and Implementation about One Key Operation in CNG Main Station with Two Machine Linkage

Pang Xiaobo
（NingBo Baosi Energy Equipment Co.， Ltd， Fenghua， Zhejing 315500）

At present， when the pressure is low， Need to use screw compressor pressure again after a piston compressor compressed into finished products of gas at CNG main station， When start and stop the equipment， the automation is low， Operations are cumbersome， Easy to cause failure； Against the phenomenon of serious analysis and research， then proposes a improving method， mainly put forward to increase “one key operation column”， “intermediate relay” and “one into two isolation grid” and other hardware， at the same time increase the corresponding function in PLC program； screw compressor and piston compressor in the process of starting and stopping relate to each other， realize the just press the “start” or “stop” button starting or stopping purposes； Achieve the effect of a key starting or stopping，operation method is very simple， reduce the occurrence of the accident； Greatly improve the degree of automation and reliability of the system.

compressed natural gas （CNG）； one key operation column； two machine linkage； PLC control system

龐曉波（1982-），男，工程師，本科，現(xiàn)就職于寧波鮑斯能源裝備股有限公司，主要從事CNG和LNG項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與研究工作。