撬裝設備自動控制系統淺談

王麗娟，楊　武，李曙彤，張　宇，郭　煜

（甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州730000）

撬裝設備自動控制系統淺談

王麗娟，楊武，李曙彤，張宇，郭煜

（甘肅藍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及自動控制系統，該系統通過PID智能調節、繼電控制實現了污水緩沖罐溫度、液位等工藝參數的自整定，滿足了工藝處理要求。

撬裝設備；自動控制系統；P I D智能調節；繼電控制

油氣田中的撬裝設備，是相對于常規裝置而言，指組裝在撬上的裝置和設備，包括井口裝置和各種初加工設備，我國撬裝設備起于20世紀70年代，為滿足油氣田地面建設日益發展的需求，撬裝技術取得了突破性進展，設計標準化、系列化，制造加工撬裝化，現場施工裝配化，大大加快了油氣田建設的速度。而撬裝設備其自動控制系統則是整個裝置能否正常運行，提高工作效率的關鍵，文中以普光氣田污水緩沖罐撬裝設備的溫度、液位控制系統為例進行說明。

1　撬裝設備概述

撬裝設備在海洋、陸地油氣田各工程項目中應用十分普遍，主要源于撬裝設備以下特點：

1）結構規則，采用密集型布置，節約現場空間，便于現場施工安裝。

2）屬于移動式裝置，特別適合油氣行業的需要，便于拆遷，可根據現場情況變化，調整裝置的位置，降低了裝置建設資金［1］。

3）大部分工作在工廠完成，工藝設備、配管、電氣儀表組裝在一個撬上，現場安裝只需將撬塊安裝到基礎上、撬塊進出口管線連接以及一些電氣儀表的接線工作，大大減少了現場工作量和安裝時間，節約了施工成本。

4）撬裝設備通常處在危險類區域，作業環境惡劣，且具有腐蝕性，現場有可燃混合氣體或蒸汽存在，可能因為電氣或機械摩擦產生的火花或設備表面溫度過高而引起危險，所以其電氣設備具有一定防爆防護等級要求。

2　污水緩沖罐撬配電及控制系統

2．1基礎條件及控制要求

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：根據罐內溫度控制電加熱器的運行，根據罐內液位控制污水外輸泵的工作。

2．2組成簡介

系統有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，考慮到環境多雷雨，饋電處設置浪涌保護器。污水緩沖罐內介質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顯儀表即智能PID控制器，控制器參數的自動調整是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現，調節器將測量輸入信號值PV與給定值SV進行比較，得出偏差e，然后根據預先設置的控制規律對偏差e進行運算，得到相應的控制值，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。系統組成如圖1所示。

圖1　控制系統組成圖

2．3配電系統

污水緩沖罐撬低壓配電系統采用TN-S制式，中性點接地，整個系統的中性線與保護線是分開的。所有電氣設備的外露可導電部分都可以通過保護零線（PE線）進行接零保護，而且正常情況下PE線是不帶電的，所以外露可導電部分與大地等電位。一旦設備出現外殼帶電，接零保護系統能將漏電電流上升為短路電流，這個電流很大，是TT系統的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，使故障設備斷電，比較安全［2］。電加熱器回路采用短路保護、交流接觸器控制；電機回路采用過載保護、交流接觸器控制。

2．4溫度控制系統

控制環節由溫度數顯儀表控制器-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顯儀表，當罐內溫度高于15℃時，數顯儀表上限開關斷開，停止電加熱器；當罐內溫度低于8℃時，數顯儀表下限開關閉合，啟動電加熱器；超溫保護開關停止電加熱器并報警；當加熱器在設定的時間內沒有到達計算的溫度，時間繼電器開關閉合，加熱器故障報警，時間繼電器的設定時間可出廠根據計算設定，也可在根據現場實際情況調整。

2．5液位控制系統

由液位變送器將4～20mA的無源信號送到控制柜中的液位數顯儀表，當罐內液位高于2.6m時，啟動污水外輸泵；當罐內液位低于0.7m時，停止運行污水外輸泵；當罐內液位低于0.5m時，屬于低低液位，停止運行并報警?？刂骗h節組成及控制過程同溫度控制回路，液位數顯儀表的下下限開關為低低液位設定，下下限開關停泵。

2．6與中控系統關聯

撬塊的電氣設備運行狀態等參數需送中控室PCS系統，以便中控室掌握撬塊設備的工作狀態。需與中控室連接的參數有：①中控ESD信號停止撬內電氣設備運行；②電加熱器及污水外輸泵的運行狀態；③撬內溫度、液位；④撬內單元故障；⑤撬內公共故障；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

考慮電機起動對電網的沖擊，選用軟起動器啟動，起動后轉為旁路運行。軟起動器實際上是個調壓器，用于電機起動時，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無調速需求的各種應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載或風機類負載，需要軟起動與軟停車的場合。同樣對于變負載工況、電動機長期處于輕載運行，只有短時或瞬間處于重載場合，應用軟起動器則具有輕載節能的效果。

3．2NHR系列PID調節器

數顯儀表選用NHR-5300系列人工智能PID調節器，其采用先進的專家PID智能調節算法，控制精度高，無超調，具有模糊自整定功能，PID控制輸出可選：電壓、電流、SSR固態繼電器等多種方式，可選配變送輸出或標準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、電流互感器的標準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，內置抗雷擊保護電路和電源濾波器。

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；

通常保護單臺電機時熔體額定電流等于 （1.5～2.5）倍電動機額定電流［5］。

3）刀開關。刀開關通常不允許帶負荷操作，裝有滅弧裝置的刀開關不經常啟動電動機且無連鎖要求時，此時開關的額定電流應大于電機額定電流的2.5倍。

4）熱繼電器。熱元件的額定電流等級一般應等于（0.95～1.05）倍電動機的額定電流［4］。

5）交流接觸器。（1）根據使用類別選用相應產品系列；國標GB14048.1-2012《低壓開關設備和控制設備》附錄A［5］（低壓開關設備和控制設備使用類別）中所列的使用類型見表1。

表1　低壓開關設備和控制設備使用類別舉例

（2）選擇主觸點的額定電流

（3）選擇接觸器吸引線圈的電壓

（4）補充經驗及參考：持續運行的設備，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以下的設備，間斷運行的設備，接觸器按80%計算，反復短時工作的設備，接觸器按116%～120%計算。

4　結語

該控制系統采用人工智能PID調節器與繼電控制元件共同實現了污水緩沖罐撬溫度、液位自動控制功能，滿足工藝要求，該控制系統易于操作、邏輯清晰，提高了撬裝設備工作效率與智能管理水平。

［1］ 張乃騫.撬裝裝置的發展及撬裝特點.［J］天然氣與石油，1996，（3）：16-19.

［2］ 周凱.如何區別TN-C系統、TN-S系統、TN-C-S系統、TT系統［J］.工業技術，2012，（6）：96-96.

［3］ 趙明.工廠電氣控制設備［M］.北京：機械工業出版社. 1999.

［4］ 張修正.化工廠電氣手冊［M］.北京：化學工業出版社，1994.

［5］ GB14048.1-2012低壓開關設備和控制設備［S］.2012.

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