某天然气压缩机空冷器变频调速系统设计.pdf

口科研设计成果口 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 1 0 4 1 ． 2 0 1 1 ． 0 6 ． 0 0 9 仪器仪表用户 某天然气压缩机空冷器变频调速 系统设计 谭 勇 ，罗 辉 1 ． 中海石油深圳分公司西江油田作业区， 深圳 5 1 0 0 8 7 ； 2 ． 中石化西北油田分公司雅克拉采气厂， 新疆库车 8 4 2 0 1 7 摘要 针对某油 田天然气压缩机空冷器 电机不能调速造成 的不利影 响， 以 A C S 5 l 0变频器为控制核心 ， 设计 了压缩机 空冷器 变频控制系统。文章重点阐述了系统结构和控制功能的实现方法。实践证明整个系统动态响应快， 稳态精度高。 节能效果 明显。 关键词 变频调速 ； 压缩机 ；空冷器 ；设计 中图分类号 T M9 2 1 ． 5 1 文献标志码 A A de s i g n o f v a r i a bl e f r e q ue n c y v a r i a bl e s p e e d s y s t e m o n a i r c o o l e r o f c o mpr e s s o r i n o ne g a s c o l l e c t i o n s t a t i o n T AN Yo n g ．LU0 Hu i 1 ． X i j i a n g O i l fi e l d o f C N O O C S h e n z h e n B r a n c h ，S h e n z h e n 5 1 0 0 8 7 ， C h i n a ； 2 ． Y A K E L A G a s E x t r a c t i o n F a c t o r y o f S I N O P E C N o r t h w e s t O i l fi e d B r a n c h ， K u c h e ， X i i a n g 8 4 2 0 1 7， C h i n a A b s t r a c t A c c o r d in g t o t h e d is a d v a n t a g e o f s p e e d a d j u s t i n g f o r a i r c o o le r mo t o r i n t h e n a t u r a l g a s c o mp r e s s o r o f o n e o i l- f i e ld，a f r e q u e n c y v a r ia b l e c o n t r o l s y s t em wh ic h u s e d ACS5 1 0 f r e q u e n c y i n v e r t e r a s t h e c o r e h a s b e e n d e s i g n e d．Th e c o mp o s i t io n s o f t h e s y s t e m a n d t h e r e a li z a t i o n o f c o n t r o l f u n c t i o n s a r e d e s c r i b e d e mp h a t ic a l ly i n t h is p a p e r ．Th e e x p e r i- me n t s s h o w t h a t t h e wh o l e s y s t e m r u n we l l wit h q u ic k d y n a mi c r e s p o n s e an d h i g h a c c u r a c y o f s t e a d y s t a t e，a n d t h e e f f e c t o f e n e r g y - s a v i n g i s r e ma r k a b l e ． Ke y wor d sv a r i a b le f r e qu e n c y v a r i a b le s p e e d；c o mp r e s s or ；a i r c o o l e r ；d e s i g n 0 引言 某油 田 目前 使用 2台江汉 三机厂生 产 的 2 D 8 4 ． 8 ／ 3 ． 6 ． 6 5 型天然气压缩机组， 压缩机的作用是将低 压天然气压缩至高压， 进入天然气处理装置进行轻烃 回收 ， 是天然气处理系统中的重要设备 。机组额定排 气量为 4 ． 8 m ／ m i n ， 设计进气压力 0 ． 3 6 M P a ， 排气压 力为 6 ． 5 M P a 。压缩方式为三级压缩， 冷却方式为空 冷 ， 润滑油与各级压缩天然气共同进入一个空气冷却 器进行冷却⋯。 1 存在的问题 由于天然气压缩机空冷器风扇 电机是工频运转 ， 即不论生产工艺的需求大小， 电机都以额定转速旋 转。要调节风量， 只有通过调整进风风门和出风挡板 开度大小来实现。在使用过程中发现存在以下问题 1 电能浪费严重 由于当地昼夜温差较大 ， 压缩机组地处室外 ， 受 环境温度影响很大 ， 环境温度低 时需要调小风量 ， 相 2 6 E l C VO I ． 1 8 2 0 1 1 No． 6 当多的能量就以风门、 挡板 的截流损失消耗掉了。在 风机类负载运行中， 其输入的能量， 约 3 5 ％ ～ 5 0 ％被 挡板或风门节流所消耗。 2 控制精度差 由于风门或挡板开度的大小调节都是根据操作 工人 的实际经验来调整的， 加上风门和挡板的开度不 能平滑调节 ， 控制系统是开环 系统 ， 所 以温度控 制精 度很差。当环境温度较高而挡板开度过小时， 会使工 艺气中的大量水分没有冷凝下来而进入分子筛 ， 使得 原本超负荷运行的分子筛脱水效果更加不好 ， 进而影 响深冷单元。同时， 工艺气温度过高还会直接影响产 品收率和生产效率。 3 存在安全隐患 冬季生产时， 有时将挡板全部关闭后润滑油温度 和工艺气温度 还是偏低 ， 造成 压缩后凝液和水 分增 多， 加上三级排气管段较细， 容易使排气管段和压力 检测仪表发生冻堵 ， 机组检测不到正确的压力值就会 发出报警甚至自动停机。如果增压机 自动停机 ， 由于增 欢迎光临本刊 网站 h t t p ／ ／ ww w． e i c ． c o m． c a 仪器仪表用户 压机人口没有自动放空， 会造成三相分离器和凝稳塔顶 压力迅速上升， 会对装置安全平稳运行造成很大影响。 4 操作不方便 环境温度变化较大时 ， 操作工人须到现场进行风 量调整 ， 同时也增加 了空冷器 的风门 、 挡板相关设 备 的维护 、 维修工作量。 由于以上问题的存在， 对压缩机空冷器进行变频 改造很有必要 。 2 系统设计 采用单闭环控制系统， 以压缩后工艺气的最佳运 行温度 对应的控制值为给定信号 ， 工艺气实际 温度值 y 经温度变送器转换成反馈信号 。 对给定 信号 和反馈信号 的偏差值△ 进行P I D运算， 运 算结果送人变频器运算单元， 变频器根据运算结果驱 动空冷器风扇电机以频率 变速运行 ， 通过调整风量 大小来改变工艺气温度 ， 尺 为外界温度干扰 J 。 温度 高时变频器输出频率增大， 电机转速增加； 温度低时 变频器输出频率减小， 电机转速降低。 变频调速系统 结构原理如图 1 所示 。 图 1 变频调速 系统结构原理 图 2 ． 1 系统电路设计 天然气压 缩机空冷器 风扇 电机采用 “ 变频 ”和 “ 工频”两种运行模式 ， “ 自动”和“ 手动” 两种控制方 式 。 变频器一旦发生故 障 ， 可 以将风扇电机由变频运 行切换为工频运行。 启动整个机组时， 如果将控制方 式设为 “ 自动” ， 天然气压缩机组 P L C会根据控制逻 辑 自动启动风扇 电机 ； 如果将控制方式设为 “ 手动” ， 则可以先手动启动风扇电机 ， 再正常启动机组 ， 不影 响机组正常运行 。 如图 2所示 ， S A 1为“自动 、 手动”选择开关 ， S A 2 为“ 变频 、 工频”选择开关。 交 流接触器 K M]和 K M2 绝对不允许同时接通 ， 否则会损坏变频器 ， 因此， K M1 和 K M2之间必 须有可靠 的互 锁。 热继 电器 F R 1和 F R 2用于电机运行时的过载保护 。 按钮 S B 1 和 S B 2用 于 “ 手动” 状态下“ 工频” 运行时电机的停止和启动。 K M是一对机组 P L C远程控制的常开触点 ， 当 K M导 通时 ， 电机 以“自动”方式运行 。 X L 1和 X L 2分 别为 “ 变频 ”和“ 工频”运行状态下的运行指示灯。 K M3为 中间继 电器 ， 当电机过载时其一对 常开触点闭合 ， 向 机组 P L C发出过载信号， 机组联锁停机” J 。 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 口科研设计成果口 图 2 变频调速系统电路原理图 2 ． 2变频器设置 天然 气 压 缩 机 空 冷 器 风 扇 电机 额 定 电压 为 3 8 0 V， 额定电流为 2 5 A， 额定功率为 l 1 k W。 根据风扇 电机参数 ， 选用 AB B公司 A C S 5 1 0 0 1 - 0 2 5 A - 4型变频 器。 A C S 5 1 0系列变频器作为一种高品质的电机变频 调速控制设备 ， 是一款杰 出的低压交流传动产 品。 其 产 品内置 R F I 滤波 、 有八种不同的应用宏可供选择 ， 内置两个独立的 P I D调节器 P I D 1和 P I D 2 。 根据现场操作要求， 变频时采用“ 自动” 控制方 式 。 u 1 、 V 1 、 W1为三相进线 ， U 2 、 V 2 、 W2为三相 出线。 图3 为 A C S 5 1 0系列变频器外部接线图， 其中1 ． 2 7 号 接线端子为控制 回路接线端子。 D I 2得 电时选择 P I D 调节下的自动控制模式， 使 D I 2始终处于得电状态。 启动、 停止均为两线制模式， D I 5为运行允许信号， 失 电将无法运行， D I 6为启动允许信号， 当 D I 6 得电时， 变频器 P I D启动 ， D I 6失 电时， 变频器停止输出， 通过 转换开关 S A 3 和 S A 4实现启动和运行控制。 反馈信号 选择从 A I 2通道进 入变频器 ， 设定值 由变频器 内部 给定 图 3 AC S S 1 0变频器 外部接线 图 使用变频器内部 P 1 D功能 选择 P I D 1 ， 选取压 缩机二级气缸排气温度为反馈信号， 该温度值经温度 变送器处理成4 2 0 m A 标准信号， 进入变频器A I 2 通 道。 依据实 际运行情况 ， 对 A C S 5 1 0主要参数设置如 表 1所示 。 El C Vo 1 ． 1 8 2 01 1 No ． 6 2 7 口科研设计成果口 表 1 变频器 主要参数 设置表 参数代码 内容 设定值 参数代码 内容 设 定值 9 9 0 1 语言选择 1 中文 4 0 0 6 单位 l 1 mA 9 9 0 2 宏设置 6 P I D控制宏 4 0 1 0 给定值选择 1 9 内部输 入 9 9 0 5 电机额定电压 3 8 0 V 4 0 1 1 内部给定 1 3 4 5 m A 1 1 4 ℃ 9 9 0 6 电机额定 电流 2 5 A 4 0 1 4 反馈值输人 1 实际值 1 9 9 0 9 电机额定功率 1 1 k W 4 0 1 7 反馈值信号源 2 A I 2 1 1 0 2 外部控制选择 定义为 D 12 1 3 0 1 A I 1 下 限 O ％ l 】 0 6 外部给定 2 选择 1 9 内部 P 1 D 1 3 0 2 A I 1 上 限 1 0 0 ％ I 】 0 7 外 部给定 2 下 限 2 O ％ 1 3 0 4 A I 2 下 限 ％ 1 1 0 8 外部 给定 2上限 1 o 0 ％ 1 3 0 5 A I 2． k_ r 1 0 0 ％ 1 3 0 4 A I 2下限 2 O ％ 2 0 0 2 最 大转速 1 o 0 0 r／ m i n l 3 0 5 A 1 2上限 1 o 0 ％ 2 0 0 3 最大 电流 2 7 ． 7 A 3 系统调试 要使工艺气温度保持恒定， 要求工艺气的实际温 度 无限接近于最佳运行温度 X 。 P I D调节器是完 成控制任务的核心器件， P I D控制算法的好坏直接影 响着控制质量 的优劣 j 。 选定P I D参数时选用工程整定法。 首先设定 P 0 ． 1 ， I2 0秒 ， 接好变频器 ， 起动电机并 观察系统是 否在保持稳定的同时 陕速到达设定点。 如果不是 ， 增 加 P 值直到系统开始震荡， 然后减小 P 值直到消除震 荡， 记下此时的P 值。 设置P 值为上述值的0 ． 4 0 ． 6 倍 ， 并重新设定 I2 0秒 ， 减小 I 值直到系统开始震 荡， 记下此时的I 值， 设置 I 值为上述值的1 ． 1 51 ． 5 倍。 P 、 I 值选择好后， 将 P 、 I 值设置好， 逐渐加大 D值， 直到系统 响应 比较 迅 速又 不 出现 震荡 时 ， 选 定 该 D值 。 设定二级排气缸最佳运行温度 X 1 1 4 q 2 ， 通过 线性变换转换成 X 1 3 ． 4 5 m A ， 设定 高 限为 2 0 m A， 低 限为 4 m A。 温度变送器 量程为 一l 0 ℃ 一 2 0 0 C， 工艺气实际温度 通过温度变送器转换成温 度反馈信号 。 变频器对偏差值 △ X 一X 进 行 P I D运算， 根据结果改变输出频率。 所有参数设定 完成后 ， 对天然气压缩机空冷器变频调速系统进行系 统调试， 依据工程整定法 ， 确定 系统的 P I D参数 为 P1 ． 2， I1 5秒 ， D 7 -3秒。 4 实施效果 天然气压缩机空冷器变频调速系统的设计和应 用， 使工艺气排气温度得到了很好的控制， 系统稳态 精度高， 动态响应快， 超调量小， 如图4 所示。 采用变频控制后 ， 节约了大量电能。根据运行情 况， 以 1台空冷器使用的 1 1 k W 风扇电机为例， 运行 2 8 EI C V0 I ． 1 8 2 0 1 1 No． 6 仪器仪表用户 工况为2 4 h连续运行， 变频控制后每小时用电量为 5 ． 7 6 k W． h ， 每天节约用电 1 2 5 ． 7 6 k W． h ， 全年节约电 量 4 5 9 0 2 k W． h ， 功耗减少 4 7 ． 6 ％， 冬季甚至可以达到 81 ． 6％ 。 同时， 系统自动调节工艺气温度。温度高时风量 加大， 工艺气中大量水分冷凝出来， 减小了分子筛负 荷 ； 温度低时风量减小 ， 杜绝了排气管段和压力检测 仪表冻堵现象， 消除了安全隐患。操作工人不需要根 据环境温度变化调整挡板开度， 大大降低了劳动强度。 图4 变频改造前后排气温度对比 5 结束语 电机在油田企业里应用非常普遍， 由于许多电机 不能调速 ， 大量电能被 白白浪费。在天然气处理装置 中， 对风机进行变频控制一方面可 以节约大量 电能 ， 另一方面还可以精确控制温度， 提高产品回收率和装 置生产效率 ， 应用前景非常好。口 参考文献 [ 1 ]2 D 8 4 ． 8 ／ 3 ． 6 6 5天然气压缩机组技术协议[ R] ． 江汉石油管理局第三机械厂， 2 0 0 4 1 1 0 0 ． [ 2 ]陈伯时． 电力拖动 自动控制系统第三版[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 3 1 4 5 ． 2 1 4 ． [ 3 ]罗辉， 胡泽 ， 王文静．基于 D S P的双闭环可逆 P WM 直流调速系统设计与实现[ J ] ． 仪器仪表用户， 2 0 0 7 ， 1 4 6 3 5 3 6 ． [ 4 ]李浚源， 秦忆 ， 周永鹏． 电力拖动基础[ M] ． 武汉 华 中科技大学出版社， 1 9 9 9 1 4 4 ． 1 5 5 ． [ 5 ]A C S 5 1 0变频器手册[ M] 北京 北京 A B B电气传动系 统有限公司， 2 0 0 9 1 - 2 3 5 ． [ 6 ]黄立培， 张学编著． 变频器应用技术及 电动机调速 [ M] ． 北京 人民邮电出版社， 1 9 9 8 8 2 1 0 2 ． [ 7 ]吴忠智， 吴加林． 变频器应用手册[ M] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 2 0 0 5 5 3 6 5 5 7 ． 作者简介 谭勇 1 9 8 2 一 ， 男， 学士学位， 助理工程师， 2 0 0 5年毕 业于西南石油大学电气工程及其 自动化专业， 主要从事油 田 电气及其 自动化技术工作；罗辉 1 9 8 3 一 ， 男， 硕士学位， 工程 师 ， 2 0 0 8年毕业于西南石油大学测试计量技术及仪器专业 ， 主要从事天然气处理厂控制系统及仪器仪表技术工作。 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 7 2 5 欢迎光临本刊网站 h t t p ／ ／ w w w． e i c ． c o rn． c a