Статья посвящена принципам организации автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения.
Задача поддержания стабильной температуры продукта в технологическом цикле актуальна для многих производств. При добыче и транспортировке газа необходимо его охлаждение после компримирования (сжатия) до определенной температуры для дальнейшей подачи в магистральный газопровод. Такая же задача существует для продуктов газо- и нефтепереработки.
В современных аппаратах воздушного охлаждения используется от одного до шести вентиляторов. На объектах добычи газа, где влажность газа еще высока, для защиты от гидратообразования может применяться контур рециркуляции нагретого воздуха с применением жалюзи.
На первый взгляд может показаться, что обсуждать в данном вопросе нечего. Простейшая система автоматического регулирования температуры известна всем и реализована на всех автомобилях: при нагреве охлаждающей жидкости в радиаторе по сигналу датчика включается вентилятор, при охлаждении выключается. На старых автомобилях для зимнего времени устанавливались жалюзи, которые в зависимости от окружающей температуры открывал или закрывал сам водитель. Конечно, можно и так, но…
На больших технологических объектах количество АВО может исчисляться десятками. Мощность двигателей вентиляторов может меняться от единиц до десятков киловатт. Количество электрических приводов жалюзи на одном аппарате может доходить до двенадцати. Требуемая точность регулирования температуры продукта на выходе АВО не превышает одного, двух градусов. Соответственно возникают вопросы по скорости управления оборудованием, экономии электроэнергии, продлением срока эксплуатации оборудования и обеспечения необходимой точности регулирования температуры. В результате, возникает необходимость в создании автоматизированной системы управления данным оборудованием.
Представленные ниже технические решения являются результатом десятилетнего опыта инженерной компании «Прософт-Системы» по разработке и внедрению систем автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения (САУ АВО). Данные решения реализованы на различных типах АВО производства ОАО «Пензхиммаш», ОАО «ЗиО-Подольск» и СНПО им. Фрунзе.
САУ АВО предназначена для поддержания требуемой температуры продукта на выходе аппаратов воздушного охлаждения и защиты теплообменных труб от гидратообразования.
Основные функции
В зависимости от проекта, типов аппаратов и требований заказчика могут использоваться различные функции системы. Ниже приведен полный перечень функций, реализуемых в системах управления аппаратами воздушного охлаждения:
1. Автоматическое поддержание температуры продукта на выходе блока АВО путем включения/выключения или регулирования частоты вращения вентиляторов.
2. Защита АВО от гидратообразования путем изменения положения жалюзи или частоты вращения вентиляторов.
3. Обеспечение электрических, тепловых, технологических и вибрационной защит двигателей вентиляторов.
4. Плавный пуск с программно-временным изменением напряжения и ограничением пускового тока.
5. Программный последовательный плавный запуск группы электродвигателей при восстановлении напряжения питания после его кратковременного исчезновения.
6. Реверс вентиляторов.
7. Управление отсечными кранами на входе и выходе секций АВО.
8. Управление двигателями вентиляторов и электрическими приводами жалюзи на основе механизмов электрических однооборотных (МЭО) в четырех режимах:
a. автоматическом,
b. диспетчерском,
c. дистанционном,
d. местном.
9. Контроль температуры окружающего воздуха, температуры, давления и перепада давлений газа на АВО, во входном и выходном коллекторах.
10. Контроль эксплуатационных параметров двигателей вентиляторов АВО (вибрация, изоляция, время наработки) и управление двигателями с учетом контролируемых параметров.
11. Автоматический допусковый контроль сопротивления изоляции электродвигателей.
12. Контроль параметров сетевого напряжения
(фазные амплитуды, сдвиг фаз, выбросы напряжения, обрыв фаз, короткое замыкание).
13. Восстановление числа работающих вентиляторов при кратковременном пропадании напряжения питания
14. Создание и хранение трэндов технологических параметров и электронного «журнала событий»
15. Информационный обмен с АСУ ТП верхнего уровня.
Состав системы
САУ АВО построена по централизованно-распределенному принципу (см.Рис. 1). Система состоит из АРМ оператора (при необходимости), шкафа управления, шкафов стартеров плавного пуска и допускового контроля сопротивления изоляции двигателей (см. Рис 2) и шкафов низковольтных коммутационных устройств (НКУ) различной модификации (см. Рис. 3). Количество НКУ равно количеству аппаратов воздушного охлаждения.
Рис. 1 Структурная схема САУ АВО
В шкафу управления располагается контроллер, в котором реализованы все алгоритмы управления. В шкафах НКУ, кроме коммутационной аппаратуры, располагаются модули удаленного ввода/вывода. Связь контроллера с модулями удаленного ввода/вывода осуществляется по кодовой линии связи. Данная конфигурация позволяет сократить количество кабельных связей, унифицировать оборудование и осуществлять полный контроль за оборудованием системы и управление технологическим объектом в реальном времени.
Рис. 2 Шкаф СПП-ДКСИ Рис. 3 Шкаф НКУ
Для обеспечения вибрационной защиты двигателей вентиляторов САУ АВО комплектуется цифровой аппаратурой контроля вибрации ЦВА (производство – ООО «Прософт-Системы»).
Рис. 4 Датчик вибрации ИВД-3
Дополнительно в поставку САУ АВО в зависимости от проекта может входить следующее оборудование: датчики температуры газа и воздуха, датчики давления, посты местного управления двигателями вентиляторов и жалюзи, кабельная продукция и клеммные коробки для подключения оборудования КИПиА внутри АВО.
Примеры реализации систем
Пример 1: Управление группой аппаратов воздушного охлаждения на выходе компрессорного цеха (КЦ), осуществляющего перекачку газа на магистральном газопроводе.
В данном примере рассматривается использование аппаратов без рециркуляции с шестью вентиляторами в одном АВО. Применение аппаратов с малым количеством вентиляторов ведет к достаточно большой дискретности в регулировании на выходе каждого АВО. На магистральных газопроводах используется сухой подготовленный газ, поэтому основной задачей данной системы является поддержание температуры газа в выходном коллекторе блока АВО путем включения/выключения двигателей вентиляторов.
В принципе, это наиболее простая задача, реализуемая в ряде проектов средствами АСУ ТП компрессорного цеха, однако, рассмотрим ряд вопросов, которые необходимо учесть при реализации данной задачи:
1. Для увеличения срока службы вентиляторов необходимо осуществлять плавный последовательный запуск группы вентиляторов;
2. Осуществление электрических и тепловых защит двигателей вентиляторов;
3. Контроль сопротивления изоляции двигателей с запретом на включение двигателей с пониженной изоляцией;
4. Вибрационная защита двигателей вентиляторов.
Для реализации функций плавного пуска и контроля сопротивления изоляции в системе используются шкафы допускового сопротивления изоляции и плавного пуска (СПП-ДКСИ). В шкафах НКУ предусмотрены реверсивные пускатели, осуществляющие подключение каждого вентилятора к цепям стартеров плавного пуска и контроля изоляции.
Контроль изоляции осуществляется автоматически по команде оператора. На обмотку выключенного двигателя подается напряжение 1000В относительно земли, измеряется падение напряжения и сравнивается с эталонным сопротивлением 500 кОм. При сопротивлении изоляции менее 500 кОм фиксируется запрет на пуск данного двигателя. Время последнего измерения и сопротивление изоляции по каждому двигателю сохраняются в базе данных системы.
При осуществлении плавного пуска группы вентиляторов важен фактор времени, за которое данная группа будет запущена. С учетом того, что плавный пуск осуществляется в несколько этапов (разгон двигателя до номинальных оборотов, переключение на работу от сети и время на охлаждение стартера плавного пуска (СПП), количество вентиляторов, подключаемых к одному СПП должно быть ограниченным (в наших системах не более 36).
Для осуществления электрических и тепловых защит двигателей вентиляторов в НКУ устанавливаются автоматические выключатели, тепловые реле, реле контроля фаз. При большом количестве вентиляторов в АВО (6 шт) необходимо осуществление секционирования нагрузки, т.е. установка вводного автомата на суммарный ток шести вентиляторов. Для нормального функционирования и диагностики системы необходим контроль всех автоматов, контакторов, реле контроля фаз, переключателей режимов управления вентиляторами (ручной/автоматический) и пр. Все эти данные должны поступать в систему.
Для организации вибрационной защиты двигателей необходим ввод текущих значений виброскорости, сравнение с критическими значениями вибрации и выдача сигналов на останов вентиляторов. При использовании аналоговой аппаратуры это требует дополнительных аналоговых вводов и реализации защит средствами общей АСУ ТП.
Аппаратура ЦВА, используемая в наших системах, является цифровой, т.е. передача текущих значений вибрации осуществляется по кодовой линии связи. Реализация защиты осуществляется контроллером ЦВА, устанавливаемом в шкафу НКУ.
Исходя из перечисленного становится ясно, что объем данных для управления группой АВО, например из 10 аппаратов, уже сравним с объемом данных для управления газоперекачивающим агрегатом (ГПА) и соответственно, логично выделение отдельного контроллера для обеспечения всех функций управления АВО.
Пример 2: Управление группой аппаратов воздушного охлаждения на выходе компрессорного цеха (КЦ) осуществляющего перекачку газа на объектах добычи (дожимная компрессорная станция — ДКС).
На ДКС содержание влаги в газе еще достаточно велико, поэтому возникает опасность гидратообразования, что ведет к повреждениям аппаратов воздушного охлаждения. Кроме основной задачи поддержания температуры газа в выходном коллекторе блока АВО, возникает задача защиты от гидратообразования. Для этого применяются аппараты с блоком рециркуляции нагретого воздуха.
В данном примере рассматривается использование аппаратов с рециркуляцией нагретого воздуха с шестью вентиляторами в одном АВО и тремя группами жалюзи: входные, выходные и переточные. Каждая группа жалюзи имеет по четыре привода МЭО. Для контроля температур устанавливается один датчик температуры газа на выходе каждого аппарата и два датчика температур нижнего ряда пучков труб в районе третьей пары вентиляторов по ходу газа.
Кроме перечисленных ранее задач возникает вопрос контроля и регулирования температуры газа на выходе каждого АВО, и контроля и регулирования температуры нижнего ряда теплообменных труб.
В данном случае два регулятора могут войти в противодействие: с одной стороны необходимо снижать температуру газа на выходе, а с другой необходимо поддерживать температуру нижнего ряда теплообменных труб выше температуры гидратообразования. Задача осложняется тем, что на некоторых объектах требуемая температура газа на выходе и температура гидратообразования отличаются на единицы градусов.
Для эффективного воздействия, в обоих регуляторах должны использоваться оба типа исполнительных механизмов: вентиляторы и жалюзи. При управлении жалюзи необходимо следить за процентом открытия каждой группы для создания оптимального режима.
При регулировании температуры газа на выходе каждого АВО возникает дополнительная проблема: при параллельном расположении АВО может наблюдаться различный поток газа через АВО, а соответственно и различная скорость изменения температуры газа на выходе разных АВО то есть, для получения желаемой температуры газа в общем коллекторе блока аппаратов необходимо задавать и поддерживать индивидуальные задания температур на выходе каждого аппарата.
В связи с тем, что за счет включения/выключения вентиляторов сохраняется определенная дискретность в плавности регулирования температуры, эффективное автоматическое управление в данной системе возможно после набора статистики технологических режимов при различных температурах наружного воздуха. При этом программные средства системы должны обеспечивать максимально возможную мобильность и точность изменения коэффициентов регулирования.
С точки зрения объемов системы резко вырастает количество входных и выходных сигналов: управление и контроль 12 жалюзи и три датчика температуры на один аппарат. При этом необходимо контролировать правильность работы технологического оборудования (скорость срабатывания каждого привода жалюзи и равномерность открытия жалюзи в каждой группе).
Пример 3: Управление группой аппаратов воздушного охлаждения на выходе ДКС с применением частотно регулируемого привода двигателей вентиляторов.
В данном случае предполагаются аппараты аналогичные, рассмотренным в предыдущем примере. Для контроля температур устанавливается один датчик температуры газа на выходе каждого аппарата и четыре датчика температур нижнего ряда пучков труб в районе второй и третьей пары вентиляторов по ходу газа. Для осуществления плавного регулирования температуры газа требуется установка частотно-регулируемого привода вентиляторов.
При применении частотных преобразователей (ЧП) необходимость в применении стартеров плавного пуска отпадает, так как плавный пуск — одна из функций ЧП. Также обеспечиваются время-токовая и тепловая защита двигателя, защита от короткого замыкания, плавность регулирования частоты вращения и экономия электроэнергии, даже предпусковой прогрев двигателей можно реализовать при необходимости. В общем, «то что нужно для счастья…», но есть и ряд отрицательных моментов, которые необходимо учитывать при создании системы регулирования…
Вкратце это выглядит так:
1. Искажения питающей сети;
2. Повышенное напряжение на двигателях при работе на длинный экранированный кабель;
3. Повышенное тепловыделение;
4. Повышенные габаритно-массовые характеристики шкафов;
5. Высокая стоимость оборудования.
Первые два вопроса решаются установкой дополнительного оборудования (дроссели и фильтры) в соответствии с требованиями производителей ЧП.
Третий вопрос решается подбором шкафа соответствующих размеров и установкой терморегулятора с дополнительными вентиляторами. Конечно, если вам удалось подобрать шкаф соответствующих размеров, установить на каждый двигатель ЧП с сопутствующим оборудованием, втиснуть туда же все коммутационное оборудование, включая управление жалюзи и виброзащиту, обеспечить приемлемый температурный режим, и заказчик при этом готов за все это платить – тогда за дело, вы в пяти минутах от результата.
Когда в АВО один или два вентилятора, то применение ЧП на каждый двигатель вполне оправдано, но у нас их несколько больше… А по сему, предлагается следующее техническое решение:
На шесть вентиляторов устанавливается два ЧП – один на три вентилятора. Коммутационной аппаратурой обеспечивается возможность переключения каждого ЧП между тремя вентиляторами.
При пуске АВО через ЧП разгоняется сначала первая походу газа пара вентиляторов и если на данном этапе достаточно диапазона регулирования, то плавное регулирование осуществляется одной парой вентиляторов через ЧП.
При исчерпании диапазона регулирования первая пара переключается на прямую работу от сети, а вторая пара подключается к ЧП и осуществляет дальнейшее плавное регулирование, при дальнейшем повышении температуры газа на выходе вторая пара вентиляторов также переключается на прямую работу от сети, а регулирование осуществляется третьей парой вентиляторов. При снижении температуры газа на выходе отключение происходит в обратной последовательности. При этом контур управления жалюзи также задействован. В результате, получаем плавное, точное регулирование температуры газа на выходе и температуры пучков труб с контролем последней в четырех точках.
При достаточно низких температурах наружного воздуха при приближении температуры пучков труб к температуре гидратообразования возможен режим реверса пары вентиляторов подключенной к ЧП для отогрева нижнего ряда пучков труб.
Данное техническое решение позволяет снизить стоимость системы, габаритно-массовые характеристики оборудования, тепловыделение и искажения в питающую сеть без ухудшения точности регулирования. Так же имеется возможность перевода всех вентиляторов на прямую работу от сети при максимальной нагрузке в жаркую погоду.
Приведенное краткое описание работы различных систем и полный перечень функций показывает оправданность выделения САУ АВО в отдельный специализированный программно-аппаратный продукт, с проработкой технических решений под конкретные требования заказчика с учетом специфики аппаратов воздушного охлаждения различных типов.
Автор: Елов Алексей, заместитель Генерального директора ООО "Прософт-Системы"
