壓縮機高壓和勵磁控制系統改造

濮興林

（新疆鄯善吐哈油田油氣生產服務中心，新疆吐魯番 838202）

0 引言

溫米采油廠4#壓縮機為10 kV 同步電機拖動，其配套電氣設施為高壓柜、直流屏、勵磁柜、PLC 柜，自建廠以來已運行20多年。隨著采油廠設備管理的不斷細化，其配套電氣設施高壓柜和勵磁柜系統除了功能存在明顯缺陷外，設備老化現象也較為突出，已不能適應大型機組安全運行的需求。因此，有必要對壓縮機控制系統進行技術更新改造，實現工業級壓縮機設備的安全運行和優化管理。

1 現狀調查

溫米采油廠輕烴4#原料氣壓縮機啟動控制系統由中央信號盤、10 kV 高壓柜、同步勵磁柜和現場PLC 程序控制柜4 部分組成。該控制系統能夠基本滿足壓縮機組的監控需求，但也存在著許多方面的不足，主要缺點有：

（1）運行時間長，內部電氣元件老化，且零部件更換困難，造成壓縮機運行保護不可靠。輕烴工區操作人員需分三地同時操作，啟停很不方便，內外環境差，甚至有時無法啟機。

（2）電氣控制系統設計復雜，高壓柜、直流屏、勵磁柜、PLC柜之間互為聯鎖，故障率較高。

（3）壓力、溫度、液位及報警開關等變送器、傳感器部分已損壞或老化。

（4）數據遠程通信功能不完善，不利于管理人員及操作人員快速及時發現故障。

（5）無法實現設備運行參數的數據分析、故障追憶、歷史查詢等功能。

（6）控制柜及操作面板等屬于早期產品，現場操作、故障排查及維護保養均不方便。

為此采油廠決定對其電氣控制系統進行改造，使其滿足當前油氣生產的需求。

1.1 10 kV 高壓柜存在的問題

高壓柜原設計采用手車式真空斷路器。由于機械部分故障，導致無法正常運行，已在多年前的年度輕烴檢修時對原真空開關進行改造。改造后的真空斷路器只是按照原設計控制原理恢復了原有功能，而沒有進行改進。經過近10 年使用，其機械操作機構多次發生故障，故障風險增大，行程機構鎖定銷斷裂，限位機構不能一次到位，需反復操作才能就位，操作異常困難。

1.2 中央信號盤存在的問題

（1）由于壓縮機現場和程序控制、勵磁裝置的聯鎖報警信號設置太多，使操作過程中因環境、現場及電氣振動等因素造成很多報警假信號，給故障查找造成困難。

（2）由于中央信號屏所用電子元器件均為老式淘汰型號，給后續維修帶來很大困難。

（3）啟動操作時需要多地監護，增加了勞動強度，不符合操作規程，不便于統一協調。

1.3 同步勵磁柜存在的問題

電機同步勵磁柜原為廠家根據電機需要設計的配套產品。在使用過程中，由于整流控制回路多次發生故障，2008 年曾對其進行改造，把原組合式整流脈沖控制板更換為數字一體化電子控制器，降低了控制元件故障，但對整流和報警控制部分未做改造升級。目前的主要問題是大部分電子元器件老化、運行噪聲大、聯鎖信號多，且沒有配套圖紙，給維修工作造成極大困難。

1.4 綜合分析

由于4#原料氣壓縮機控制點多且分散，在之前的技術改造過程中未能全局統一考慮，只是對各自存在的問題進行了整改，沒有形成整體規劃。雖然各自的改造都比較成功，但從整體系統控制來看，仍存在許多缺陷。對高壓真空斷路器進行更換時，只是簡單地重新制造了一臺與原設計一樣的裝置，沒有與高壓供電管理部門協調，對報警聯鎖、現場操作、中央信號監測等都未進行相關設計。同步電機勵磁裝置部分電子元件老化，原控制盤面無用元件沒有拆除，給維修操作造成誤導。

2 改造方案設計

為解決上述問題，改造分為以下4 個方面：①更換高壓柜；②停用直流屏，改用交流操作電源；③更換勵磁柜；④維持PLC程序不變，恢復原有電氣保護控制系統有關保護功能。

2.1 局部改造方案

（1）高壓柜改造：擬采用高壓啟動柜自身PT 提供的交流220 V 作為操作電源，取消原有直流屏提供的操作電源。采用綜合數顯儀，顯示電流、電壓、功率因數、用電量。采用高質量的高壓真空斷路器，必要時采用微機綜保。

（2）中央信號盤改造：與新裝高壓啟動控制柜配套，跟據需要將4#同步電機的定子工作電流、電壓、操作程序的模擬盤、勵磁柜工作狀態、現場儀表工作狀態顯示于中央信號盤。并且在中央信號盤可以操作同步電機的啟動和停止。勵磁的聯鎖和壓縮機現場儀表盤的聯鎖（如潤滑油泵）均在此柜與高壓啟動柜過渡。操作方式分本地和遠程。并且可以預留高壓同步電機的定子的電壓、電流、功率因數、備妥、運行、故障報警等信號接口，遠程停機的信號通過4～20 mA 模擬量、數字量（干接點）或RS485接口的形式提供。其中，電壓、電流、功率因數等模擬量信號供監測使用，并根據需要進行遠傳。備妥、運行、故障報警、遠程停機等數字量信號必須預留，并通過現場PLC 系統遠傳至中控室。在遠程控制模式下，現場儀表控制盤能夠在滿足條件的情況下（缸壓力、缸溫度、潤滑油泵），安全可靠的啟動同步電機；中控室能夠緊急停車。即使在高壓供電電網失壓的情況下，也能保證高壓斷路器在分離狀態。

（3）同步勵磁柜改造：勵磁系統由專業廠商制造和配套。采用綜合電量數顯儀顯示所有參數，采用數字式微機控制勵磁閉環控制，PLC 順序控制，由觸摸屏控制所有報警和保護都在勵磁柜完成，如失步強勵、滅磁、長期失步停車等保護。只有必要的安全保護信號聯鎖至高壓同步電機啟動的二次控制回路，作為4#壓縮機定子高壓回路的分斷用。勵磁柜的啟動和強勵和滅磁均是自動完成。勵磁柜提供RS485 接口MODBUS 協議的數字接口，和4～20 mA 模擬量的勵磁電壓、勵磁電流、運行、報警信號、勵磁狀態信號，并遠傳至現場儀表控制盤，PLC 系統則通過擴展模塊的方式與中控室相連。

2.2 整體改造方案

根據現場實際情況，與水電處協調后，建議委托設計院設計以下內容：

（1）采用ABB 高壓柜更換原4#壓縮機組高壓柜。

（2）增加高壓軟啟動柜一臺，電機的啟停采用軟啟動方式，勵磁系統集成在軟啟動柜中。

（3）增設集中監控信號屏1 面，替代原中央信號屏。

（4）廢除直流屏，操作電源和控制電源取自各高壓柜進線PT 輸出的220 V 電源。使高壓配電室設計更簡潔，二次回路線大量減少，降低維修量。

（5）PLC 程序控制柜現有功能保持不變，其他控制系統改造完成后應能與PLC 對應，形成一體化現場控制系統。

（6）軟件功能部分，在組態軟件的基礎上開發壓縮機監控程序，控制器信號在觸摸屏就地顯示。

（7）通信功能部分，通過工業以太網（采用光纖介質）傳至中控室進行集中監控。

（8）更換老化的變送器和傳感器。

（9）撤除原有的控制柜，增加一臺不銹鋼正壓防爆型，并具有一定的防水功能的控制柜，控制柜里安裝進口防爆型加熱系統（圖1）。

圖1 正壓防爆加熱柜

3 改造方案實施

3.1 更換高壓柜

拆除原有高壓柜，新10 kV 高壓柜采用ABB VD4-12 型真空斷路器，并具有真空斷路器開關柜組成的高壓成套配電裝置、一體化彈簧操動機構、微機型電機及變壓器綜合保護裝置、電流互感器、電壓互感器、過電壓保護器。斷路器回路配備過電壓吸收裝置，以防止過電壓，斷路器具有貯能操作機構，開關柜均符合“五防”要求。

3.2 更換勵磁柜

拆除原勵磁柜，新勵磁裝置應適用于有刷同步電機的勵磁要求，用于新10 kV 高壓柜在異步啟動、空載和負載運行中各種正常或異常的運行工況下，對電機進行有效地勵磁控制、限制及保護。設有恒勵磁電流、恒功率因數和恒無功功率等自動調節手段，滿足同步電機的降壓或全壓異步啟動及滿負荷長周期連續運行要求。

勵磁裝置可設置為手動、自動及開環運行。手動運行為恒勵磁電流調節，自動運行時可選擇使用恒功率因數或恒無功功率調節，在手、自動模式失效時自動投入，確保機組安全連續運行。配置人機界面7″彩色中文顯示液晶觸摸屏面板，調試整定直觀明了。

3.3 電氣保護與聯鎖

新安裝的10 kV 高壓柜和勵磁柜保持PLC 程序不變，恢復原有高壓柜與勵磁柜及現場PLC 柜三者之間的相互聯鎖及電氣保護。由于采用了交流操作電源，需更換PLC 柜直流指示燈和直流繼電器。

恢復主機允許啟動信號、主機啟動、主機運行信號、主機運行電流指示、主機停止、工藝故障保護停機、緊急停車、主機停車信號等原有電氣保護與聯鎖。高壓柜、勵磁柜、PLC 柜三者之間互為聯鎖。

4 效果評價

通過此次改造，4#壓縮機開機、停機更加方便，運行更加平穩，每天順利處理原料氣20 萬方，避免輕烴操作人員同時在高壓柜、勵磁柜、PLC 柜三地操作及無法啟機的問題，同時使4#壓縮機電氣控制保護系統更加可靠，實現了在現場PLC 柜就地啟停，為采油廠穩油增氣起到積極的推動作用。