АВТОМАТИЗАЦИЯ КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Система пневмоснабжения состоит из компрессорной станции или установки, вырабатывающей энергию сжатого воздуха, и пневматической сети для подачи сжатого воздуха к потребителям. Для нормальной работы потребителей необходимо поддерживать определенное (номинальное) давление сжатого воздуха. При понижении давления уменьшается производительность машин – потребителей сжатого воздуха. При повышении давления производительность увеличивается, но возрастают потери в компрессорах, утечки воздуха через неплотности в пневмосети, изнашивание инструментов, снижается КПД пневмодвигателей.
С изменением числа работающих потребителей и параметров пневматической сети режим работы компрессора изменяется. Поэтому для поддержания давления на заданном уровне требуется изменять производительность компрессорной станции. При ручном регулировании обслуживающий компрессорную станцию персонал сравнивает по приборам действительное давление в коллекторе станции с заданным и при отклонении воздействует на регулирующие органы агрегата. Регулирование зависит от субъективных особенностей обслуживающего персонала и, как правило, не может обеспечить заданного режима управления. В случае быстрых изменений давления персонал физически не в состоянии реагировать на быстрые изменения регулируемого параметра, что может привести к аварии агрегата.
Пуск и останов компрессорного агрегата должны осуществляться в заданной технологической последовательности. При ручном управлении возможно нарушение этой последовательности и, как следствие, возникновение аварийной ситуации.
Во время работы компрессорной установки необходимо следить за процессом производства сжатого воздуха и контролировать состояние различных узлов компрессорного агрегата. В случае отклонения технологических параметров от установленных пределов, а также при нарушении нормальной работы тех или иных узлов компрессорной установки необходимо принятие соответствующих мер для предотвращения развития аварии.
Указанные факторы определяют необходимость автоматизации компрессорных установок, что позволит обеспечить экономичную и безопасную работу компрессорных агрегатов без постоянного присутствия обслуживающего персонала.
Для решения этих задач система автоматического управления компрессорной установкой должна состоять из трех подсистем, обеспечивающих:
автоматический контроль и защиту основных узлов компрессорных агрегатов и пневмосети;
автоматическое, по заданной программе, управление пуском и остановом двигателей компрессоров и вспомогательных механизмов компрессорных агрегатов;
автоматическое регулирование давления сжатого воздуха в выходном трубопроводе компрессорной станции путём изменения производительности компрессорного агрегата.
Экономический эффект при автоматизации компрессорных станций достигается за счет уменьшения общей численности персонала, обслуживающего станцию, повышения надежности и безаварийности работы агрегатов, увеличения межремонтных сроков, уменьшения расхода электроэнергии и улучшения качества вырабатываемой пневматической энергии.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫАВТОМАТИЗАЦИИ
КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК
Рассмотрим принципы автоматизации компрессорных установок на примере поршневых компрессорных агрегатов.
Автоматический контроль и защита. Через элементы поршневого компрессорного агрегата проходят три независимых потока вещества: воздуха, масла, воды. Каждый из этих потоков движется по своему трубопроводу и образует соответственно систему воздухо-, масло- и водоснабжения.
В фильтре, который устанавливается на всасывающем тракте компрессора, атмосферный воздух очищается от пыли и других механических примесей. При эксплуатации фильтра необходимы контроль его состояния и очистка при увеличении перепада давления на нем сверх установленного. Для контроля перепада давления на фильтре используется специальный датчик перепада давления.
Для нормальной работы компрессоров необходимо, чтобы температура воздуха после первой и второй ступеней сжатия, а также после промежуточного и концевого холодильников была не выше допустимой и чтобы давление воздуха после первой и второй ступеней сжатия и на выходе из компрессора не отклонялось от заданных значений. Температура воздуха и давление в компрессоре контролируются датчиками температуры и давления.
Чтобы исключить работу компрессорного агрегата при неисправностях маслосистемы, необходим контроль температуры, потока и давления масла, уровня его в маслобаке (картере). С этой целью в системе маслоснабжения применяются датчики температуры, давления и потока масла, а также уровня масла в маслобаке.
Тепло, выделяющееся при сжатии воздуха в компрессоре, трении деталей механизма движения и работе электропривода, отводится с помощью охлаждающей воды. Для исключения работы компрессорного агрегата при неисправностях в системе водяного охлаждения необходим контроль наличия потока и давления охлаждающей воды при помощи датчиков потока и давления.
Автоматизация операций пуска и останова компрессора. Основная проблема, которая здесь возникает, – это включение и отключение в заданной последовательности вспомогательных механизмов (задвижек и насосов систем водо- и маслоснабжения), задвижки разгрузки компрессора и двигателя компрессора. После подачи сигнала на пуск компрессора происходит включение систем водо- и маслоснабжения. Так как компрессор должен пускаться разгруженным, то электропривод открывает задвижку разгрузки компрессора.
Если по истечении заданного времени достигнуты требуемые давление масла и расход воды соответственно в системах масло- и водоснабжения, компрессор полностью разгружен и все контролируемые параметры находятся в допустимых пределах, то происходит пуск электродвигателя. Если хотя бы одно из условий не выполняется, то неисправный компрессор отключается.
Через определенное время, достаточное для прогрева компрессора, происходит его загрузка. Задвижка разгрузки компрессора закрывается. На этом пуск компрессора заканчивается. При подаче импульса на останов компрессора происходит его разгрузка. Открываются задвижка разгрузки, после чего электродвигатель отключается, а затем и системы водо- и маслоснабжения.
Автоматическое регулирование давления сжатого воздуха. Основной задачей регулирования режима работы компрессорных агрегатов и станций является поддержание в коллекторе компрессорной станции постоянного заданного давления сжатого воздуха путем изменения производительности компрессоров. Расход сжатого воздуха при этом может колебаться в широких пределах.
На рис.5.1 показана функциональная схема системы автоматического регулирования давления компрессорной станции, справедливая для любого способа регулирования.
Объектом управления является компрессорная станция, в состав которой могут входить несколько компрессорных агрегатов К1 – К3 со своими ресиверами РЕ1 – РЕ3. Сжатый воздух из ресиверов поступает в коллектор, откуда он распределяется по пневмосети к потребителям пневматической энергии.
Регулируемой величиной является давление сжатого воздуха Р в коллекторе, которое необходимо поддерживать постоянным с допустимой погрешностью. Возмущающим воздействием является расход воздуха Q, который зависит от числа и режимов работы приемников пневматической энергии.
Рис. 5.1. Функциональная схема системы автоматического регулирования давления компрессорной станции
Изменение расхода воздуха вызывает отклонение давления в коллекторе от заданного. Чтобы возможно точнее поддерживать заданное давление в коллекторе и полнее подавлять влияние расхода воздуха, система регулирования замыкается отрицательной обратной связью по регулируемой величине, которой является давление в коллекторе. В этом случае выходная величина Р при помощи датчика давления ДД преобразуется в электрический сигнал Uо.с и сравнивается в элементе сравнения ЭС с входной величиной Up, пропорциональной заданному давлению Рз.
На выходе ЭС получается рассогласование (ошибка)
,
где kос – коэффициент обратной связи по давлению.
Усилительно-преобразовательное устройство УПУ воспринимает электрический сигнал 
и воздействует на блок регулирования производительности БРП, который управляет исполнительными устройствами ИсУ каждого компрессора, входящего в состав компрессорной станции. Исполнительные устройства воздействуют на компрессоры таким образом, чтобы уничтожить или свести к допустимо малому значению рассогласование 
и тем самым компенсировать возмущающее воздействие Q и установить давление в коллекторе, близкое к заданному.
Принцип работы блока регулирования производительности БРП и вид исполнительного устройства ИсУ определяются способом регулирования производительности компрессоров.
В случае регулирования производительности изменением частоты вращения вала компрессора исполнительным устройством является привод компрессора. При постоянной частоте вращения вала компрессора производительность компрессорного агрегата может регулироваться изменением «мертвого» пространства путем подключения к цилиндру дополнительных ёмкостей с помощью электромагнитных вентилей. В этом случае исполнительными устройствами являются электромагнитные вентили.
ПРИМЕР СХЕМЫАВТОМАТИЗАЦИИ ПОРШНЕВОГО
КОМПРЕССОРА
Рассмотрим характерный пример схемы автоматизации поршневого компрессора. Её упрощённый вариант показан на рис. 5.2.
В качестве привода компрессора используется синхронный высоковольтный электродвигатель СД, который подключается к сети напряжением 6 кВ с помощью автоматического масляного выключателя QF. Обмотка возбуждения электродвигателя СД питается от тиристорного возбудительного устройства ТВУ.
Работа системы водяного охлаждения контролируется электроконтактным манометром ЭКМ1, работа системы смазки механизма движения – электроконтактным манометром ЭКМ2.
Электроконтактный манометр ЭКМ3 контролирует давление нагнетания второй ступени компрессора. Давление сжатого воздуха в коллекторе контролируется датчиком давления (электроконтактным манометром) ЭКМ4.
Рис. 5.2. Принципиальная электрическая схема управления поршневым
Компрессорным агрегатом
Контакт РТА является контактом автоматического измерительного моста контроля температуры.
Производительность компрессорного агрегата регулируется изменением «мертвого» пространства путем подключения к цилиндру дополнительных ёмкостей с помощью электромагнитных вентилей КЭТ1 – КЭТ3.
Рассмотрим работу схемы. Для пуска компрессора необходимо нажать кнопку КПГ, по сигналу которой начинает выполняться следующая программа пуска компрессорного агрегата.
1. После нажатия кнопки КПГ срабатывает реле РП1. Его контакты шунтируют кнопку КПГ, которая может быть отпущена, включают звонок ЗВ, подают напряжение на катушку реле времени РВ 1.
Звонок ЗВ подает предупредительный сигнал о пуске компрессора. По истечении заданной выдержки времени срабатывает реле времени РВ1. Его контакты включают реле РП2, которое нормально-замкнутыми контактами отключает звонок ЗВ, а нормально-открытыми контактами включает реле РГП.
2. Реле пуска РГП включает пускатели системы водяного охлаждения и смазки (насосы, задвижки).
При правильной работе этих систем включены реле РПВ и РПМ.
При открытой задвижке в атмосферу конечный выключатель ВКО замкнут и реле РО31, контролирующее положение задвижки, включено.
При исправности систем водяного охлаждения и маслосмазки и открытой задвижке в атмосферу через замкнутые контакты реле РГП, РПВ, РПМ и РО31 подается напряжение на катушку реле пуска двигателя компрессора КЛПК. Реле КЛПК срабатывает и подает напряжение Uэм на электромагнит включения масляного выключателя QF СД. Происходит пуск компрессора.
Одновременно с включением масляного выключателя через его блок-контакт QF.1 включается реле РПЗ. Контакты реле РПЗ включают реле времени РВ2.
3. С выдержкой времени, достаточной для прогрева компрессора, реле РВ2 подает импульс на включение реле РНК. Последнее включает пускатель закрывания задвижки в атмосферу. Одновременно его контакты разрывают цепи питания электромагнитных вентилей КЭТ1 – КЭТ3, которые отключают от цилиндров компрессора дополнительные ёмкости и компрессор загружается.
4. Принцип работы системы регулирования давления состоит в следующем. При отклонении давления сжатого воздуха в коллекторе от заданного на величину, большую зоны нечувствительности датчика давления ЭКМ4 (электроконтактного манометра), его контакты включают реле РУП при давлении, превышающем заданное, или реле РСП при давлении, меньшем заданного. Реле РУП или РСП запускает блок регулирования производительности БРП, который с помощью реле Р1 – Р3 обеспечивает включение или отключение исполнительных органов КЭТ1 – КЭТ3 в зависимости от увеличения или уменьшения давления. БРП не реагирует на сигнал уменьшения давления в случае подготовки компрессора к включению и на сигнал увеличения давления при подготовке компрессора к отключению.
5. Останов компрессора может быть двух типов: нормальный и аварийный.
При нормальном останове кнопкой КПС включается реле РГО, которое отключает реле РНК. Контакты реле РНК замыкаются и включают вентили КЭТ1 – КЭТ3. Кроме того, реле РНК подает импульс на открывание задвижек в атмосферу. В результате компрессор разгружается. При полном открывании задвижки в атмосферу, что контролируется реле РО31, отключается электродвигатель компрессора. Блок-контакт масляного выключателя QF.1 разрывает цепь питания реле РП3, что приводит к включению реле РГС, которое подает импульс на закрывание задвижки в системе водоохлаждения и отключение насосов водяного охлаждения.
Программа аварийного останова предусматривает вначале отключение под действием защиты главного электродвигателя, а все остальные операции, что и при нормальном останове, выполняются в той же последовательности после отключения главного электродвигателя.
6. В процессе работы компрессора осуществляется его защита от аварийных ситуаций с помощью реле РАО, которое срабатывает при включении одного из реле РА1, РА2 или РАЗ или контакта РТА.
Реле РА1 включается через контакты ЭКМ1 и реле РП3 при возникновении неисправности в системе водяного охлаждения компрессора. Реле РА2 включается через контакты ЭКМ2 и реле РП3 при возникновении неисправности в системе смазки механизма движения компрессора. Реле РА3 включается через контакт электроконтактного манометра ЭКМ3, если давление нагнетания второй ступени компрессора превышает допустимое. Контакт автоматического измерительного моста контроля температуры РТА замыкается, если в точках контроля температуры компрессора температура превышает допустимое значение.
При возникновении аварийной ситуации срабатывает реле РАО, которое своими контактами включает реле КОС, которое подает сигнал на отключение электродвигателя компрессора от сети.
7. Схема управления СД осуществляет защиту СД – от междуфазных коротких замыканий и перегрузки по току статора, от однофазных замыканий на землю, от снижения напряжения сети. Схема ТВУ осуществляет защиту – от асинхронного режима СД, от длительных перегрузок по току возбуждения, тиристоров от токов короткого замыкания.
Дальнейшее совершенствование аппаратуры автоматического управления компрессорными станциями происходит на основе замены релейно-контактных элементов бесконтактными, применения более современных систем регулирования производительности.
Перспективными направлениями дальнейшей автоматизации компрессорных установок являются: применение регулируемого привода для управления режимом работы компрессоров изменением их угловой скорости; создание автоматической системы пневмоснабжения, в которой ЭВМ осуществляет управление компрессорными агрегатами и регулирующими устройствами пневмосети, обеспечивая стабилизацию давления сжатого воздуха у самих потребителей.