撬裝設(shè)備自動控制系統(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）

撬裝設(shè)備自動控制系統(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)及自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過PID智能調(diào)節(jié)、繼電控制實現(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)計標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，制造加工撬裝化，現(xiàn)場施工裝配化，大大加快了油氣田建設(shè)的速度。而撬裝設(shè)備其自動控制系統(tǒng)則是整個裝置能否正常運(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)行說明。

1　撬裝設(shè)備概述

撬裝設(shè)備在海洋、陸地油氣田各工程項目中應(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)場空間，便于現(xiàn)場施工安裝。

2）屬于移動式裝置，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撬上，現(xiàn)場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)場工作量和安裝時間，節(jié)約了施工成本。

4）撬裝設(shè)備通常處在危險類區(qū)域，作業(yè)環(huán)境惡劣，且具有腐蝕性，現(xiàn)場有可燃混合氣體或蒸汽存在，可能因為電氣或機(jī)械摩擦產(chǎn)生的火花或設(shè)備表面溫度過高而引起危險，所以其電氣設(shè)備具有一定防爆防護(hù)等級要求。

2　污水緩沖罐撬配電及控制系統(tǒng)

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%的動力電源進(jìn)行再配電，控制電源為220V±5%；1PH；2W；50Hz±2%。

2）控制對象：一臺15kw電加熱器，兩臺22kw污水外輸泵，其中一臺備用。

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算，選擇3盞2×36W的防爆熒光燈，由就地控制盤上的斷路器直接控制照明燈具；1路備用回路，共8個回路，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)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)，調(diào)節(jié)器將測量輸入信號值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)律對偏差e進(jìn)行運(yùn)算，得到相應(yīng)的控制值，并通過輸出口以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，整個系統(tǒng)的中性線與保護(hù)線是分開的。所有電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分都可以通過保護(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，這個電流很大，是TT系統(tǒng)的5.3倍，實際上就是單相對地短路故障，熔斷器的熔絲會熔斷，低壓斷路器的脫扣器會立即動作而跳閘，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-時間繼電器等組成，可完成手動啟動后轉(zhuǎn)入自動控制。手動啟動后，電加熱器開始工作，罐體溫度變送器將4～20mA的無源信號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，數(shù)顯儀表上限開關(guān)斷開，停止電加熱器；當(dāng)罐內(nèi)溫度低于8℃時，數(shù)顯儀表下限開關(guān)閉合，啟動電加熱器；超溫保護(hù)開關(guān)停止電加熱器并報警；當(dāng)加熱器在設(shè)定的時間內(nèi)沒有到達(dá)計算的溫度，時間繼電器開關(guān)閉合，加熱器故障報警，時間繼電器的設(shè)定時間可出廠根據(jù)計算設(shè)定，也可在根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整。

2．5液位控制系統(tǒng)

由液位變送器將4～20mA的無源信號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，啟動污水外輸泵；當(dāng)罐內(nèi)液位低于0.7m時，停止運(yùn)行污水外輸泵；當(dāng)罐內(nèi)液位低于0.5m時，屬于低低液位，停止運(yùn)行并報警?？刂骗h(huán)節(jié)組成及控制過程同溫度控制回路，液位數(shù)顯儀表的下下限開關(guān)為低低液位設(shè)定，下下限開關(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低低溫度報警；⑦低低液位報警。

3　控制盤器件介紹

3．1軟起動器適用場合

考慮電機(jī)起動對電網(wǎng)的沖擊，選用軟起動器啟動，起動后轉(zhuǎn)為旁路運(yùn)行。軟起動器實際上是個調(diào)壓器，用于電機(jī)起動時，輸出只改變電壓并沒有改變頻率。對于功率從幾千瓦到幾百千瓦的籠型異步電動機(jī)無調(diào)速需求的各種應(yīng)用場合軟起動器都可適用，軟起動器特別適用于各種泵類負(fù)載或風(fēng)機(jī)類負(fù)載，需要軟起動與軟停車的場合。同樣對于變負(fù)載工況、電動機(jī)長期處于輕載運(yùn)行，只有短時或瞬間處于重載場合，應(yīng)用軟起動器則具有輕載節(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)信號或直接接入電流5A、電壓500V的交流信號，并通過專用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)單臺電機(jī)時熔體額定電流等于 （1.5～2.5）倍電動機(jī)額定電流［5］。

3）刀開關(guān)。刀開關(guān)通常不允許帶負(fù)荷操作，裝有滅弧裝置的刀開關(guān)不經(jīng)常啟動電動機(jī)且無連鎖要求時，此時開關(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一般應(yīng)等于（0.95～1.05）倍電動機(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；國標(biāo)GB14048.1-2012《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》附錄A［5］（低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備使用類別）中所列的使用類型見表1。

表1　低壓開關(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)驗及參考：持續(xù)運(yùn)行的設(shè)備，接觸器按67%～75%計算，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%計算，反復(fù)短時工作的設(shè)備，接觸器按116%～120%計算。

4　結(jié)語

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現(xiàn)了污水緩沖罐撬溫度、液位自動控制功能，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［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994.

［5］ GB14048.1-2012低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備［S］.2012.

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