главнаяотчеты по проектамотраслевые решенияметаллургияСистема автоматическ ... агрегатом (САУ ТКА) / 2007 г.

Система автоматического управления турбокомпрессорным агрегатом (САУ ТКА)

На горно-обогатительных, металлургических, нефтехимических и других предприятиях с большим потреблением сжатого воздуха компрессорные станции оборудованы чаще всего центробежными компрессорами. Это машины типов К-500, К-350, К-250 и их модификации производства завода Дальэнергомаш и Невского завода. Системы автоматического управления турбокомпрессорами К-250, К-350, К-500, выполненные на базе логических элементов «Логика-Т» УКАС-А и на базе интегральных микросхем УКАС-АМ, в настоящее время находятся в эксплуатации.

 
Они имеют существенные недостатки:
• элементы «Логика-Т» выработали ресурс и сняты с производства;
• из-за плохой помехоустойчивости система УКАС-А не работает в автоматическом режиме;
• из-за недостатков схемных решений и неправильной эксплуатации системы УКАС-А турбокомпрессоры выходят из строя;
• технические средства систем имеют большое количество разъёмных соединений, снижающих их надёжность;
• модернизация систем с целью ввода дополнительных механизмов, внедрения новых технологических процессов или изменения алгоритмов связана с большими трудностями;
• устаревшая элементная база и схемные решения систем существенно усложняют включение их в АСУ ТП компрессорной станции.

Назначение

В балансе электропотребления предприятия доля компрессорных станций достигает 25 -30%. Поэтому внедрение новых технологий, позволяющих повысить эффективность использования компрессоров снизить непроизводительные энергетические затраты, дают впечатляющий экономический эффект. Учитывая это, а также то, что создание АСУ ТП компрессорной станции на предприятиях выполняется управления центробежным компрессором К-500 и К-250, которая может и быть первым этапом создания АСУ ТП компрессорной станции.

Функции системы

• осуществление автоматического запуска и автоматического останова турбокомпрессорного агрегата (ТКА) по команде оператора;
• автоматическое регулирование производительности или давления на выходе ТКА как при работе в одиночном режиме, так и в группе;
• автоматический вывод ТКА в экономичный режим работы при снижении расхода сжатого воздуха до минимума;
• контроль и предотвращение помпажа;
• контроль основных и вспомогательных технологических параметров, обеспечение технологических защит;
• аварийный автоматический останов ТКА при возникновении нештатной ситуации или срабатывании технологических защит;
• ведение исторического архива технологических параметров, регистрация событий и действий обслуживающего персонала.

Внедрение САУ ТКА предполагает не только установку современной автоматики, но и модернизацию механических узлов компрессора. Система охватывает весь технологический цикл производства сжатого воздуха. Она подразумевает модернизацию регулирующих узлов ТКА, установку дополнительных датчиков, установку шкафов управления и организацию единого оперативно-диспетчерского пункта. Внедрение САУ ТКА осуществляется по принципу «под ключ» и включает в себя следующий комплекс услуг:
• обследование компрессорной станции;
• разработка технико-коммерческого предложения;
• разработка проекта привязки системы;
• поставка оборудования;
• шефмонтаж оборудования;
• пуско-наладка оборудования и сдача системы в эксплуатацию.

Эффективность системы

Снижение энергетических затрат при внедрении САУ ТКА достигается за счет следующих составляющих:
• уменьшение нагрузки на компрессор в режиме холостого хода за счет перевода его в глубокое дросселирование. Экономия составляет около 60% (для режима холостого хода);
• увеличение суммарного КПД станции за счет внедрения группового регулирования давления и производительности. Экономия составляет около 6%;
• прочие составляющие, к которым относятся такие как: снижение потребления охлаждающей воды, снижение аварийности, уменьшение потерь от простоев за счет развитых средств диагностики и т.п. Экономия составляет около 2%.

Глубокое дросселирование

Режимом глубокого дросселирования называется такое состояние турбокомпрессора, при котором задвижка нагнетания закрыта, помпажный клапан полностью открыт, дроссельная заслонка закрыта. Всас воздуха производится через зазоры дроссельной заслонки. В этом состоянии, когда количество воздуха, перекачиваемого компрессором, минимально, а помпаж еще не наступает, нагрузка на компрессор существенно снижается по сравнению со штатным режимом холостого хода, рекомендуемым заводом-изготовителем. При штатном холостом ходе дроссельная заслонка должна быть открыта на 15 градусов, задвижка нагнетания закрыта, помпажный клапан открыт. В этом состоянии компрессор К-250 потребляет 800 кВт (компрессора К-500 эта величина составляет 1600 кВт). Перевод компрессора в глубокое дросселирование дает снижение потребляемой мощности на холостом ходу примерно на 60% (для компрессоров К-250 и К-500 энергопотребление в глубоком дросселировании составляет 300 и 650 кВт соответственно).

Глубокое дросселирование также существенно облегчает пуск компрессора. Режим пуска является наиболее тяжелым для компрессора с точки зрения нагрузок на его элементы. Несмотря на малую
 
Компрессор с датчиками КИП
 
продолжительность (около 30 с), пуск оказывает существенное влияние на ресурс агрегата. Связано это, прежде всего, с высокими пусковыми моментами, которые в два раза превышают номинальные, с прохождением компрессора через зону резонансных механических колебаний и дополнительными нагрузками при прогреве агрегата. Снижение нагрузки на рабочие колеса компрессора благодаря глубокому дросселированию облегчает режим пуска и уменьшает потери ресурса на каждый цикл пуск-останов с 50 до 15 часов. Внедрение глубокого дросселирования позволяет осуществлять ежедневные пуски и остановы для компрессора. В режиме глубокого дросселирования воздухоохладители не требуют охлаждения. Подвод воды к воздухоохладителям может быть выключен на то время, пока компрессор находится в глубоком дросселировании, что также дает некоторую экономию.

Режим глубокого дросселирования обеспечивается комплексом мероприятий, которые подразделяются на две группы: модернизация механических узлов и внедрение новых средств автоматизации. Чтобы добиться минимума энергопотребления при полностью закрытой дроссельной заслонке, необходимо произвести некоторую модернизацию механических узлов компрессора: минимизировать зазоры дроссельной заслонки, усилить всасывающий патрубок, провести ревизию помпажного клапана. Необходимо также провести общее техническое обследование состояния компрессора на предмет выявления возможных источников потерь энергии за счет изношенности механических деталей. Например, изношенность трубных пучков воздухоохладителей или уплотнений, значительно снижает технические характеристики компрессора, а потери энергии могут существенно превысить эффект, достигнутый от глубокого дросселирования. Со стороны средств автоматизации для обеспечения глубокого дросселирования необходимы: алгоритм ввода компрессора в режим и вывода из него, надежная помпажная защита, срабатывающая при появлении характерных колебаний нагрузки на двигатель главного привода, а также быстродействующие электроприводы дроссельной заслонки и помпажного клапана.

Групповое регулирование

Существует два метода группового регулирования производительности компрессоров, работающих на один коллектор. Первый метод заключается в ступенчатом регулировании производительности, когда один компрессор находится в состоянии регулирования, а остальные либо полностью нагружены, либо полностью разгружены и отключены от магистрали. При втором методе все компрессоры группы находятся в состоянии регулирования.
Второй метод предпочтителен с точки зрения возможной экономии энергии. Исследованиями доказано, что в этом случае суммарный КПД группы компрессоров выше, а значит затраты электроэнергии при том же количестве производимого сжатого воздуха ниже. Групповое регулирование производительности позволяет достичь экономии 3-6%.

Для того, чтобы было возможно групповое управление производительностью, необходимо измерять расход воздуха в коллекторе, на который работает группа компрессоров, и реализовать действие алгоритма группового управления. Алгоритм, исходя из измеренного текущего потребления сжатого воздуха, рассчитывает уставки производительности каждого компрессора в группе, стремясь добиться максимального в состоянии регулирования. для группового КПД. Алгоритм реализуется автоматикой системы при внедрении САУ ТКА не менее чем на двух агрегатах , а датчик расхода воздуха в коллекторе устанавливается при ее внедрении или используется существующий.

Прочие составляющие экономии

Снижение нагрузки на компрессор, особенно в режиме глубокого дросселирования, приводит к снижению расхода охлаждающей воды через воздухоохладители. Это, в свою очередь, приводит к снижению затрат электроэнергии на привод циркуляционных насосов. Себестоимость сжатого воздуха в расчете на одну тысячу кубометров снижается за счет:
• снижения энергетических потерь на 10-15%;
• повышения качества ведения технологии;
• снижения затрат на ремонт и обслуживание.

Снижение непроизводительных энергетических затрат достигается путем:
• режима глубокого дросселирования;
• группового регулирования;
• снижения давления в пневмосети благодаря быстродействию и точности системы регулирования.

Состав системы САУ ТКА

В состав проекта САУ ТКА входит следующее:
• замена измерительных датчиков (КИП);
• замена электроприводов дроссельной заслонки и помпажного клапана на современные, быстродействующие, с частотным преобразователем (если это необходимо);
• комплект управления компрессором, который состоит из шкафа управления компрессором и силового шкафа (возможно использование существующего силового шкафа);
• комплект управления общестанционный, который включает в себя: шкаф управления общестанционный, шкаф управления вспомогательным оборудованием (опционально), АРМ оператора, сервер приложений и баз данных, сетевое оборудование;
• стандартное и прикладное программное обеспечение;
• комплект технической и эксплуатационной документации;
• шефмонтаж и пуско-наладка оборудования;
• обучение персонала Заказчика по эксплуатации и работе с системой;
• гарантия в течение 12 месяцев с момента пуска системы;
• авторское сопровождение в течение гарантийного срока.

Элементы САУ ТКА

Система управления состоит из двух технологических уровней - верхнего уровня (ВУ) и нижнего уровня (НУ). Структура системы управления для одного ТКА приведена на рис.1. Общая структура САУ ТКА приведена на рис. 2.
 
Рис 1.
Структурная схема управления ТКА
 
 
Рис 2.
Структурная схема системы
 
Нижний уровень
Обеспечивает автоматическое управление оборудованием ТКА в различных режимах, контролирует параметры, производит обработку аварийных ситуаций и передает данные на верхний уровень. Нижний уровень состоит из комплектов управления ТКА, включающих шкаф управления компрессором ШУ1, шкаф силовой ШС1 и панель оператора, общестанционного шкафа (если количество компрессоров больше одного) и шкафов управления вспомогательным производством (если оно имеется).

Шкаф управления компрессором (ШУ1) - для непосредственного регулирования производительности, управления комплектом быстродействующих приводов и другими механизмами ТКА, для контроля параметров датчиков КИП турбокомпрессорного агрегата. Имеет в своем составе программируемый контроллер, а также модули ввода аналоговых и дискретных сигналов и вывода команд управления исполнительными механизмами.
 
Шкаф ШУ1 и ШС1
(использован ШУ2 из состава УКАС-АМ)
 
На лицевой стороне ШУ1 расположена коммутационная и сигнальная аппаратура и операторская панель, которые позволяют технологическому персоналу осуществлять контроль параметров и управление режимами работы компрессорного агрегата.

Силовой шкаф управления компрессором (ШС1) - для подачи питания на исполнительные механизмы и узлы ТКА по командам ШУ1. Включает и отключает технологические узлы ТКА в режиме ручного управления.

Комплект датчиков для ТКА и вспомогательного оборудования (КИП), контролирующих состояние оборудования, технологические и вспомогательные параметры (температуру среды и подшипников, давление, уровни вибрации, силы тока и т.п.).

Комплект быстродействующих приводов для ТКА, эффективно управляющих дроссельной заслонкой и помпажным клапаном компрессора.

Общестанционный шкаф управления (ШУ2) поставляется при автоматизации группы ТКА и служит для измерения общих параметров станции: давления, влажности, температуры воздуха в магистрали нагнетания, для управления задвижками на коллекторах сжатого воздуха и для организации группового режима работы ТКА. По составу и габаритам ШУ2 аналогичен шкафу ШУ1, различие заключается лишь в установленном оборудовании и прикладном программном обеспечении.

Подсистема управления вспомогательным производством поставляется опционально в зависимости от требований конкретного проекта. В качестве вспомогательного производства может выступать, например, узел водооборота, обслуживающий компрессорную станцию, узел осушки воздуха, реципиентная установка и т.п.

Верхний уровень
Обеспечивает представление оперативному персоналу информации о ходе технологического процесса, оповещение оперативного персонала о нештатных событиях, ведет архив изменений технологических параметров и произошедших в системе событий. Верхний уровень состоит из следующих компонентов:

Автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора предназначено для визуализации хода технологического процесса компрессорной станции в виде мнемосхемы, для оповещения оперативного персонала, для ввода уставок и команд управления любыми технологическими узлами станции.

Сервер приложений и баз данных (СПБД) обеспечивает ведение архивной базы данных, хранение резервных копий прикладного и инструментального программного обеспечения и организацию доступа к архивной базе данных со стороны административных и планово-экономических служб предприятия.

Инженерная станция (ИС) используется для коррекции и отладки прикладного программного обеспечения системы и для тестирования оборудования при ремонте и пуско-наладке. Инженерная станция представляет собой мобильный компьютер с комплектом необходимых адаптеров и установленным инструментальным программным обеспечением.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) предназначена для объединения программно-технических средств ВУ и НУ в единую систему. Тип ЛВС ETHERNET.

Контроллеры и программное обеспечение

Нижний уровень САУ ТКА построен на контроллерах TREI-5B-02 Multi, которые позволяют создавать как локальные, так и распределенные системы контроля и управления. Контроллеры разработаны с учетом требований повышенной надежности и предназначены для работы в промышленных условиях. Время наработки на отказ контроллера - 75000 ч. TREI-5B-02 является аттестованным средством измерения, имеет сертификат Госстандарта России и включён в реестр средств измерений Республики Казахстан.

К основным достоинствам контроллера также относятся:
• широкая гамма каналов ввода/вывода, позволяющая подключать любые датчики и исполнительные механизмы, применяемые в промышленности;
• полная гальваническая изоляция не менее 2500 В от внешних цепей;
• возможность «горячей» замены модулей, не выключая контроллер;
• гибкая система резервирования как отдельных каналов, модулей,
• вычислительной части, так и 100%-ое резервирование контроллера в целом;
• современная высоконадёжная элементная база;
• возможность интеграции в промышленные локальные сети уровней LAN и Fieldbus с помощью коммуникационных адаптеров;
• широкий диапазон условий эксплуатации;
• простота и удобство обслуживания.

Программное обеспечение контроллеров реализовано на программном продукте ISaGRAF (разработка фирмы CJ International). Пакет ISaGRAF предоставляет пользователям полный набор языков стандарта IEC 1131-3 для написания технологических программ. Среда разработки имеет все средства для интерактивного создания программ, их эффективной отладки и документирования. В качестве операционной системы применена многозадачная операционная система QNX.

Компьютеры и программное обеспечение

АРМ оператора и технологический сервер выполнены на базе компьютеров Pentium. Технологический сервер расположен в помещении серверной и имеет офисное исполнение. АРМ оператора состоит из системного блока в конструктиве Rack Mount, промышленного плоскопанельного монитора с 15" ЖК-дисплеем и функциональной пленочной клавиатуры. В качестве SCADA-пакета применено программное обеспечение фирмы Iconics (комплекс программ Genesis 32), функционирующее под операционной системой Windows NT.
Компания Iconics является признанным лидером в сфере SCADA-программ на платформе Windows NT. Программный продукт Genesis 32 - это мощная HMI/SCADA система, обеспечивающая визуализацию процесса, сбор данных и управление ими в режиме реального времени, а также диспетчерский мониторинг.
По желанию Заказчика в качестве SCADA‑пакета может быть применено программное обеспечение других фирм.

Сетевые средства

Локальная сеть АСУТП базируется на сетевой 10-Мбит Ethernet технологии и выполнена на сетевых концентраторах (HUB). Для повышения помехозащищенности в условиях сильных электромагнитных помех линии связи с удаленными контроллерами и с АРМ оператора проложены экранированными кабелями.

Управление и представление информации
Алгоритмы и режимы управления

Алгоритмы управления, в основном, идентичны алгоритмам, использующимся в системе УКАС. Основные отличия состоят в увеличении количества механизмов ТКА, включении режима глубокого дросселирования, увеличении количества и качества контролируемых параметров и сигналов и более полном и удобном визуальном представлении информации о состоянии системы оперативному персоналу.

Оборудование ТКА может функционировать в ручном и автоматическом режимах. В автоматическом режиме все механизмы ТКА управляются автоматически. Обеспечивается работа ТКА по технологическим алгоритмам «Пуск», «Регулирование давления», «Останов», «Аварийный останов». В автоматическом режиме не допускается местное управление механизмами ТКА за исключением дроссельной заслонки и помпажного клапана.

Наибольшие изменения внесены в систему регулирования ТКА. В ней предусмотрены три вида регулирования: ручной; стабилизация производительности ТКА; стабилизация давления после ТКА.

Ручной вид регулирования предполагает реализацию алгоритма регулирования давления по командам с панели оператора или с компьютера АРМ оператора.

Стабилизация производительности ТКА предусматривает автоматическое поддержание заданного оператором значения расхода воздуха после ТКА. Реализована эта функция с помощью двух блоков импульсного ПИД-регулирования, управляющих дроссельной заслонкой и помпажным клапаном. При этом введены блоки линеаризации расходных характеристик исполнительных органов, которые позволяют использовать существующие дроссельную заслонку и помпажный клапан с существенным улучшением качества регулирования.

Стабилизация давления после ТКА предусматривает автоматическое поддержание заданного оператором значения давления воздуха после ТКА. Реализована эта функция с помощью каскадного регулятора, построенного из блока аналогового ПИД-регулятора, который формирует локальное задание регуляторам производительности ТКА. Такое решение позволило значительно сократить время регулирования и в несколько раз повысить точность регулирования.

В ручном режиме все механизмы ТКА управляются с панели оператора либо с кнопочных постов местного управления.
Отображение Информации производится на шкафу управления компрессором, на панели оператора, расположенной по месту, и на компьютере АРМ оператора.

Шкаф управления компрессором
На шкафу ШУ1 установлена сигнальная арматура, отображающая состояние механизмов ТКА, режим работы, наличие предупредительных и аварийных сигналов и звуковой сигнал предупредительной и аварийной сигнализации.

Панель оператора
Для обеспечения местного управления турбокомпрессорным агрегатом применяется жидкокристаллическая панель. Панель оснащена клавишами управления, либо сенсорным экраном. Отображение текущих значений технологических параметров и управление осуществляются через систему сменяющих друг друга экранов. Значения технологических параметров выводятся в виде текстовых полей в соответствующих единицах.

АРМ оператора
Функции АРМ оператора:
• визуализация протекания технологического процесса;
• управление компрессорной станцией и каждым компрессором: пуск в автоматическом режиме, нормальный останов в автоматическом режиме, аварийный останов в автоматическом режиме, регулирование давления после компрессора при ручном виде регулирования;
• изменение задания автоматическому регулятору;
• изменение уставок;
• оповещение оператора об аварийных, нештатных и штатных событиях, происходящих в системе. Оповещение производится тремя независимыми путями: звуковой сигнализацией, индикацией аварийного узла на мнемосхеме и занесением текста сообщения в список. Реакция оператора (подтверждение получения сообщения) регистрируется в базе данных;
• ретроспективное хранение значений технологических параметров и всех событий, происходящих в системе. Глубина хранения не менее 1 года;
• визуализация сохраненных данных в виде графиков за любой промежуток времени;
• ведение технологического учета произведенного сжатого воздуха и потребленной электроэнергии для каждого нагнетателя и для станции в целом;
• формирование печатных отчетов. Требования к отчетам формулируются Заказчиком на соответствующем этапе работ;
• разграничение прав доступа для различных групп пользователей с парольной защитой.

Информация представляется на АРМ в виде мнемосхем с установленной системой условных обозначений. При разработке мнемосхем учитываются требования эргономики, удобства пользования, реалистичности изображения. Для работы оператору не требуется специальных знаний в области программирования и вычислительной техники.

Система САУ ТКА является многофункциональной восстанавливаемой системой, рассчитанной на длительное функционирование. Режим работы системы - круглосуточный, непрерывный с периодическими остановками для технического обслуживания.
Периодичность и состав регламентных работ указаны в инструкции по эксплуатации. Отказом системы считается невыполнение одной из управляющих функций.

Надежность

Система имеет следующие показатели надежности: гарантийный срок - 12 месяцев с момента ввода в эксплуатацию, срок службы системы - не менее 10 лет, среднее время восстановления - не более 15 минут при наличии ЗИП.
 
    Навигация по странице:
 
^ Наверх ^ 59 мс