Введение. Компрессоры относятся к группе механизмов, получивших широкое распространение на всех промышленных предприятиях. Компрессоры применяют для получения сжатого воздуха или другого газа давлением свыше 0,4 МПа с целью использования его энергии в приводах пневматических молотов и прессов, в пневматическом инструменте, в устройствах пневмоавтоматики и получения газообразного кислорода.
График потребления сжатого воздуха на промышленных предприятиях, как правило, имеет переменный характер в течение суток. Для обеспечения нормальной работы потребителей необходимо, чтобы давление воздуха поддерживалось постоянным – это является одним из основных требований, предъявляемых при автоматизации компрессорных установок. Давление в воздуховодной сети зависит от потребления воздуха и производительности компрессора. Когда расход воздуха равен производительности компрессора, давление в сети будет номинальным. Если потребление воздуха становится больше производительности, то давление падает, и наоборот.
В настоящее время регулирование работы турбокомпрессора осуществляется дросселированием, что сужает диапазон регулирования давления и является экономически невыгодным. В связи с этим актуальной задачей является повышения эффективности работы турбокомпрессора за счет внедрения автоматического частотного регулирования работы приводного двигателя [1-4].
Для проверки правильности выбора типа электродвигателя и системы управления компрессорной установки можно воспользоваться математическим моделированием в среде MatLab и методиками, описанными в [5-7].
Критический обзор технических решений автоматизации турбокомпрессорной установки. Компрессорные установки являются весьма энергоемкими объектами. Следовательно, эффективное использование сжатого воздуха и снижение затрат на его производство имеют большое значение. Успешное решение этой задачи во многом зависит от мероприятий, связанных не только с совершенствованием компрессорных установок, а также и с совершенствованием системы пневмоснабжения, под которым понимают сокращение (в 2–3 раза) утечек сжатого воздуха, введение учета, нормирования и диспетчерского контроля давления и потребления воздуха.
Все применяемые в промышленности системы регулирования автоматизированы и основаны на принципе дросселирования воздуха на входе компрессора. Среди существующих решений выделим систему управления фирмы ALLEN-Bradley RockwellAutomation на базе контроллера ControlLogix5555. Подсистема защит и управления компрессором состоит из двух основных частей: основной контроллер; сигнализатор помпажа. Для организации рабочего места машиниста-оператора используется локальная станция PanelView промышленного исполнения шкафного монтажа, либо, в случае автоматизации компрессорной станции, рабочее место организуется на базе PC промышленного исполнения с программным обеспечением RSView SE.
Основной контроллер выполнен на базе оборудования ControlLogix5555 и предназначен для выполнения следующих основных функций:
- защита оборудования и технологии от опасных режимов работы и перевод компрессорной установки в безопасное состояние при срабатывании аварийных блокировок;
- предупредительная сигнализация и запрет пуска при выходе параметров компрессорной установки за допустимые пределы;
- автоматическая подготовка к пуску (включая выполнение предпусковых операций, безударный выход в сеть, разгрузки при выходе из сети и т.п.);
- отработка защиты компрессора, включая обеспечение алгоритмов стратегии «выживания» при выходе из строя полевого КИП, либо единичных каналов измерения;
- технологическое регулирование (автоматическое поддержание на заданном уровне давления всасывания, давления нагнетания или расхода газа), а также автоматическое регулирование требуемых параметров компрессорной установки (давления и температуры масла в коллекторе смазки, температуры после байпасного холодильника и т.п.);
- обеспечение оптимального распределения нагрузки при параллельной или последовательной работе нескольких компрессоров в один коллектор.
Параметры алгоритмов антипомпажного регулирования, заложенные в основной контроллер, устойчивы к изменениям состава компримируемого газа и учитывают динамику приближения рабочей точки к границе помпажа. К недостаткам такого технического решения относится низкая энергоэффективность из-за использования дросселирования.
Система управления аппаратурой типа УКАС. Унифицированный комплект аппаратуры автоматизации шахтных компрессорных станций типа УКАС предназначен для автоматического управления шахтными компрессорными станциями, оборудованными поршневыми и центробежными компрессорами [8].
В аппаратуре учтены вопросы использования привода компрессоров с тиристорной или бесщеточной системой возбуждения, использования герметизированных релейно-контактных и бесконтактных логических элементов и применения регулируемого привода компрессорных агрегатов. В состав УКАС входят: узел задания команд и адресов программы, задатчик-распределитель программы работы станции, система управления и регулирования соответственно агрегатами 1-м и n-м, регулятор давления воздуха в пневмосети, датчик теплотехнического контроля, 1-й и n-й агрегаты, магистраль сжатого воздуха; ВЭП1- ВЭПn – регуляторы противопомпажной защиты 1-го и n-го компрессорных агрегатов соответственно.
Система управления и регулирования агрегата обеспечивает обработку команд задатчика-распределителя, технологические защиты и регулирование производительности компрессорного агрегата. Недостатком данной аппаратуры является отсутствие современной системы управления, что влечет за собой снижение энергоэффективности [9].
Система управления фирмы Centac. Система управления центробежным компрессором фирмы Centac построена на базе микропроцессорного устройства, так называемая панель СМС. Она выполняет все функции управления и текущего контроля, а также управление вспомогательной аппаратурой управления, такой, как пускатель главного электродвигателя, маслоподогреватель и насос предпусковой смазки. Панель CMC оборудована изготовленной по особому заказу компьютерной платой, названной базовым управляющим модулем (BCM). Эта плата оснащена микроконтроллером и микросхемами памяти, которые определяют действия панели при различных сочетаниях, измеряемых давления, температуры и вибрации. Все технические средства для анализа данных, число каналов ввода и вывода (I/O) и системная память оптимально подобраны для точного управления и защиты компрессоров Centac.
Технические характеристики системы CMC: простота использования - всего двенадцать кнопок управления для оператора; многофункциональность, графический дисплей для представления данных и текущего состояния; усовершенствованный контроль, распознавание и управление перенапряжением; ограничение по наибольшему току для защиты главного привода электродвигателя; первичная индикация и регистрация ситуации для определения основной причины отключения компрессора; сигнализация вибрации шестерни и останов компрессора на любой стадии; необязательный порт для подключения к рассредоточенной управляющей системе (DCS) через протокол MODBUS.
Для управления системой сжатого воздуха CMC использует методологии управления рабочими параметрами и импульсного управления. Управление рабочими параметрами. CMC располагает тремя стандартными режимами управления рабочими параметрами или методами эксплуатации. Это - разгрузка, модуляция, автоматическое двойное управление для типового воздушного компрессора, работающего в условиях постоянного давления. Недостатком данной системы управления является регулирования методом дросселирования.
Разработка технического решения автоматизации турбокомпрессорной установки. Структура турбокомпрессора с автоматическим частотным регулированием двигателя, предполагает наличие датчиков давления в расходной сети и на выходе компрессора, датчиков температуры двигателя, подшипников и масла, датчика уровня масла, давления масла и частоты вращения электродвигателя.
Фактическое давление воздуха в пневматической сети измеряется датчиком давления на выходе компрессора, сигнал которого поступает на модуль управления, где производится сравнение с уставкой. При возникновении сигнала рассогласования, модуль управления дает команду блоку частотного преобразователя, который, в свою очередь, формирует сигнал на увеличение или уменьшение частоты вращения приводного электродвигателя турбокомпрессора. В ходе работы установки непрерывно снимаются и анализируются показания датчиков температуры двигателя, подшипников и температуры масла. Работа маслонасоса, в процессе работы турбокомпрессора осуществляется за счет измерения давления масла на выходе насоса. При понижении давления масла или его уровня в маслобаке ниже заданных, модуль управления останавливает компрессор и включает сигнализацию. Во время пуска компрессора информация с датчиков уровня масла, давления масла и его температуры поступает в модуль, где анализируется и вырабатывается сигнал на включение основного электродвигателя компрессора.
Основным элементом устройства является микроконтроллер, который предназначен для обработки информации от датчиков и органов управления, принятия логических решений и своевременного формирования управляющего сигнала на частотный регулятор. Сигналы в микроконтроллер поступают через блок согласования входного сигнала, где осуществляется преобразование сигналов, гальваническая развязка линии связи устройства с контактными датчиками и органами управления. Блок согласования выходного сигнала предназначен для преобразования выходного сигнала микроконтроллера в сигналы управления пусковой аппаратурой приводного электродвигателя маслонасоса и клапанами. Для передачи информации между устройством и ЭВМ оператора компрессорной станции устройство содержит специальный адаптер передачи данных интерфейса RS-485.
Результаты исследований. Дальнейшее качественное совершенствование автоматизации должно развиваться в направлении получения переходных процессов запуска турбокомпрессорной установки. Регулирование скорости асинхронного двигателя с использованием частотного преобразователя позволит не только уменьшить потери и сэкономить электроэнергию, а также плавно регулировать скорость вращения электродвигателя от минимального значения до номинального значения при сохранении максимального момента на валу. Применение частотного преобразователя позволит увеличить срок службы и повысить надежность электропривода и оборудования [10-12].