王麗娟,楊 武,李曙彤,張 宇,郭 煜
(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司,甘肅 蘭州730000)
撬裝設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)淺談
王麗娟,楊武,李曙彤,張宇,郭煜
(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司,甘肅 蘭州730000)
介紹了普光氣田污水緩沖罐撬配電系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)通過(guò)PID智能調(diào)節(jié)、繼電控制實(shí)現(xiàn)了污水緩沖罐溫度、液位等工藝參數(shù)的自整定,滿足了工藝處理要求。
撬裝設(shè)備;自動(dòng)控制系統(tǒng);P I D智能調(diào)節(jié);繼電控制
油氣田中的撬裝設(shè)備,是相對(duì)于常規(guī)裝置而言,指組裝在撬上的裝置和設(shè)備,包括井口裝置和各種初加工設(shè)備,我國(guó)撬裝設(shè)備起于20世紀(jì)70年代,為滿足油氣田地面建設(shè)日益發(fā)展的需求,撬裝技術(shù)取得了突破性進(jìn)展,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化,制造加工撬裝化,現(xiàn)場(chǎng)施工裝配化,大大加快了油氣田建設(shè)的速度。而撬裝設(shè)備其自動(dòng)控制系統(tǒng)則是整個(gè)裝置能否正常運(yùn)行,提高工作效率的關(guān)鍵,文中以普光氣田污水緩沖罐撬裝設(shè)備的溫度、液位控制系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明。
撬裝設(shè)備在海洋、陸地油氣田各工程項(xiàng)目中應(yīng)用十分普遍,主要源于撬裝設(shè)備以下特點(diǎn):
1)結(jié)構(gòu)規(guī)則,采用密集型布置,節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)空間,便于現(xiàn)場(chǎng)施工安裝。
2)屬于移動(dòng)式裝置,特別適合油氣行業(yè)的需要,便于拆遷,可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況變化,調(diào)整裝置的位置,降低了裝置建設(shè)資金[1]。
3)大部分工作在工廠完成,工藝設(shè)備、配管、電氣儀表組裝在一個(gè)撬上,現(xiàn)場(chǎng)安裝只需將撬塊安裝到基礎(chǔ)上、撬塊進(jìn)出口管線連接以及一些電氣儀表的接線工作,大大減少了現(xiàn)場(chǎng)工作量和安裝時(shí)間,節(jié)約了施工成本。
4)撬裝設(shè)備通常處在危險(xiǎn)類區(qū)域,作業(yè)環(huán)境惡劣,且具有腐蝕性,現(xiàn)場(chǎng)有可燃混合氣體或蒸汽存在,可能因?yàn)殡姎饣驒C(jī)械摩擦產(chǎn)生的火花或設(shè)備表面溫度過(guò)高而引起危險(xiǎn),所以其電氣設(shè)備具有一定防爆防護(hù)等級(jí)要求。
2.1基礎(chǔ)條件及控制要求
1)輸入電源:由一路380V±5%;3PH;4W;50Hz± 2%的動(dòng)力電源進(jìn)行再配電,控制電源為220V±5%;1PH;2W;50Hz±2%。
2)控制對(duì)象:一臺(tái)15kw電加熱器,兩臺(tái)22kw污水外輸泵,其中一臺(tái)備用。
3)控制要求:根據(jù)罐內(nèi)溫度控制電加熱器的運(yùn)行,根據(jù)罐內(nèi)液位控制污水外輸泵的工作。
2.2組成簡(jiǎn)介
系統(tǒng)有2路污水外輸泵回路;1路電加熱器回路;1路100W電加熱器冷凝空間加熱器回路;1路照明回路,根據(jù)撬塊尺寸及需特殊照明的儀表計(jì)算,選擇3盞2×36W的防爆熒光燈,由就地控制盤(pán)上的斷路器直接控制照明燈具;1路備用回路,共8個(gè)回路,考慮到環(huán)境多雷雨,饋電處設(shè)置浪涌保護(hù)器。污水緩沖罐內(nèi)介質(zhì)的溫度和壓力通過(guò)傳感器分別送至溫度變送器和壓力變送器,變送器將4-20mA模擬信號(hào)輸出至智能數(shù)顯儀表即智能PID控制器,控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn),調(diào)節(jié)器將測(cè)量輸入信號(hào)值PV與給定值SV進(jìn)行比較,得出偏差e,然后根據(jù)預(yù)先設(shè)置的控制規(guī)律對(duì)偏差e進(jìn)行運(yùn)算,得到相應(yīng)的控制值,并通過(guò)輸出口以4~20mA直流電流(或1~5V直流電壓)傳輸給執(zhí)行器,控制繼電控制器件動(dòng)作,從而控制電加熱器和污水外輸泵的工作。系統(tǒng)組成如圖1所示。
圖1 控制系統(tǒng)組成圖
2.3配電系統(tǒng)
污水緩沖罐撬低壓配電系統(tǒng)采用TN-S制式,中性點(diǎn)接地,整個(gè)系統(tǒng)的中性線與保護(hù)線是分開(kāi)的。所有電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分都可以通過(guò)保護(hù)零線(PE線)進(jìn)行接零保護(hù),而且正常情況下PE線是不帶電的,所以外露可導(dǎo)電部分與大地等電位。一旦設(shè)備出現(xiàn)外殼帶電,接零保護(hù)系統(tǒng)能將漏電電流上升為短路電流,這個(gè)電流很大,是TT系統(tǒng)的5.3倍,實(shí)際上就是單相對(duì)地短路故障,熔斷器的熔絲會(huì)熔斷,低壓斷路器的脫扣器會(huì)立即動(dòng)作而跳閘,使故障設(shè)備斷電,比較安全[2]。電加熱器回路采用短路保護(hù)、交流接觸器控制;電機(jī)回路采用過(guò)載保護(hù)、交流接觸器控制。
2.4溫度控制系統(tǒng)
控制環(huán)節(jié)由溫度數(shù)顯儀表控制器-啟停按鈕-交流接觸器-中間繼電器-時(shí)間繼電器等組成,可完成手動(dòng)啟動(dòng)后轉(zhuǎn)入自動(dòng)控制。手動(dòng)啟動(dòng)后,電加熱器開(kāi)始工作,罐體溫度變送器將4~20mA的無(wú)源信號(hào)送到控制的柜中的溫度數(shù)顯儀表,當(dāng)罐內(nèi)溫度高于15℃時(shí),數(shù)顯儀表上限開(kāi)關(guān)斷開(kāi),停止電加熱器;當(dāng)罐內(nèi)溫度低于8℃時(shí),數(shù)顯儀表下限開(kāi)關(guān)閉合,啟動(dòng)電加熱器;超溫保護(hù)開(kāi)關(guān)停止電加熱器并報(bào)警;當(dāng)加熱器在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有到達(dá)計(jì)算的溫度,時(shí)間繼電器開(kāi)關(guān)閉合,加熱器故障報(bào)警,時(shí)間繼電器的設(shè)定時(shí)間可出廠根據(jù)計(jì)算設(shè)定,也可在根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整。
2.5液位控制系統(tǒng)
由液位變送器將4~20mA的無(wú)源信號(hào)送到控制柜中的液位數(shù)顯儀表,當(dāng)罐內(nèi)液位高于2.6m時(shí),啟動(dòng)污水外輸泵;當(dāng)罐內(nèi)液位低于0.7m時(shí),停止運(yùn)行污水外輸泵;當(dāng)罐內(nèi)液位低于0.5m時(shí),屬于低低液位,停止運(yùn)行并報(bào)警??刂骗h(huán)節(jié)組成及控制過(guò)程同溫度控制回路,液位數(shù)顯儀表的下下限開(kāi)關(guān)為低低液位設(shè)定,下下限開(kāi)關(guān)停泵。
2.6與中控系統(tǒng)關(guān)聯(lián)
撬塊的電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)需送中控室PCS系統(tǒng),以便中控室掌握撬塊設(shè)備的工作狀態(tài)。需與中控室連接的參數(shù)有:①中控ESD信號(hào)停止撬內(nèi)電氣設(shè)備運(yùn)行;②電加熱器及污水外輸泵的運(yùn)行狀態(tài);③撬內(nèi)溫度、液位;④撬內(nèi)單元故障;⑤撬內(nèi)公共故障;⑥低低溫度報(bào)警;⑦低低液位報(bào)警。
3.1軟起動(dòng)器適用場(chǎng)合
考慮電機(jī)起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊,選用軟起動(dòng)器啟動(dòng),起動(dòng)后轉(zhuǎn)為旁路運(yùn)行。軟起動(dòng)器實(shí)際上是個(gè)調(diào)壓器,用于電機(jī)起動(dòng)時(shí),輸出只改變電壓并沒(méi)有改變頻率。對(duì)于功率從幾千瓦到幾百千瓦的籠型異步電動(dòng)機(jī)無(wú)調(diào)速需求的各種應(yīng)用場(chǎng)合軟起動(dòng)器都可適用,軟起動(dòng)器特別適用于各種泵類負(fù)載或風(fēng)機(jī)類負(fù)載,需要軟起動(dòng)與軟停車(chē)的場(chǎng)合。同樣對(duì)于變負(fù)載工況、電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于輕載運(yùn)行,只有短時(shí)或瞬間處于重載場(chǎng)合,應(yīng)用軟起動(dòng)器則具有輕載節(jié)能的效果。
3.2NHR系列PID調(diào)節(jié)器
數(shù)顯儀表選用NHR-5300系列人工智能PID調(diào)節(jié)器,其采用先進(jìn)的專家PID智能調(diào)節(jié)算法,控制精度高,無(wú)超調(diào),具有模糊自整定功能,PID控制輸出可選:電壓、電流、SSR固態(tài)繼電器等多種方式,可選配變送輸出或標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通訊接口。
3.3NHR系列三相綜合電量表
電壓電流表選用NHR-3300系列三相綜合電量表,它可外接電壓、電流互感器的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)或直接接入電流5A、電壓500V的交流信號(hào),并通過(guò)專用DSP芯片定點(diǎn)處理,高速、高精度AD采集,輸出功能可選模擬量輸出、通訊輸出和累積脈沖輸出功能,配備RS232/485通訊接口,內(nèi)置抗雷擊保護(hù)電路和電源濾波器。
3.4控制器件選擇
1)自動(dòng)空氣斷路器。斷路器允許切斷的極限電流應(yīng)略大于線路的最大短路電流[3]。
2)熔斷器
(1)熔斷器類型的選擇
(2)熔斷器額定電流的選擇;
通常保護(hù)單臺(tái)電機(jī)時(shí)熔體額定電流等于 (1.5~2.5)倍電動(dòng)機(jī)額定電流[5]。
3)刀開(kāi)關(guān)。刀開(kāi)關(guān)通常不允許帶負(fù)荷操作,裝有滅弧裝置的刀開(kāi)關(guān)不經(jīng)常啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)且無(wú)連鎖要求時(shí),此時(shí)開(kāi)關(guān)的額定電流應(yīng)大于電機(jī)額定電流的2.5倍。
4)熱繼電器。熱元件的額定電流等級(jí)一般應(yīng)等于(0.95~1.05)倍電動(dòng)機(jī)的額定電流[4]。
5)交流接觸器。(1)根據(jù)使用類別選用相應(yīng)產(chǎn)品系列;國(guó)標(biāo)GB14048.1-2012《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》附錄A[5](低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備使用類別)中所列的使用類型見(jiàn)表1。
表1 低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備使用類別舉例
(2)選擇主觸點(diǎn)的額定電流
(3)選擇接觸器吸引線圈的電壓
(4)補(bǔ)充經(jīng)驗(yàn)及參考:持續(xù)運(yùn)行的設(shè)備,接觸器按67%~75%計(jì)算,即100A的交流接觸器只能控制最大額定電流67~75A以下的設(shè)備,間斷運(yùn)行的設(shè)備,接觸器按80%計(jì)算,反復(fù)短時(shí)工作的設(shè)備,接觸器按116%~120%計(jì)算。
該控制系統(tǒng)采用人工智能PID調(diào)節(jié)器與繼電控制元件共同實(shí)現(xiàn)了污水緩沖罐撬溫度、液位自動(dòng)控制功能,滿足工藝要求,該控制系統(tǒng)易于操作、邏輯清晰,提高了撬裝設(shè)備工作效率與智能管理水平。
[1] 張乃騫.撬裝裝置的發(fā)展及撬裝特點(diǎn).[J]天然氣與石油,1996,(3):16-19.
[2] 周凱.如何區(qū)別TN-C系統(tǒng)、TN-S系統(tǒng)、TN-C-S系統(tǒng)、TT系統(tǒng)[J].工業(yè)技術(shù),2012,(6):96-96.
[3] 趙明.工廠電氣控制設(shè)備[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社. 1999.
[4] 張修正.化工廠電氣手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1994.
[5] GB14048.1-2012低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備[S].2012.
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