變頻器“一拖四”控制方案在長(zhǎng)輸輸油管道中的應(yīng)用

許春清，周靜，張?zhí)m婷，王本明

(1. 廊坊開(kāi)發(fā)區(qū)中油龍慧自動(dòng)化工程有限公司，河北 廊坊 065001；2. 中國(guó)石油管道公司 管道工程第三項(xiàng)目經(jīng)理部，河北 廊坊 065001)

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變頻器“一拖四”控制方案在長(zhǎng)輸輸油管道中的應(yīng)用

許春清1，周靜2，張?zhí)m婷2，王本明2

(1. 廊坊開(kāi)發(fā)區(qū)中油龍慧自動(dòng)化工程有限公司，河北 廊坊 065001；2. 中國(guó)石油管道公司 管道工程第三項(xiàng)目經(jīng)理部，河北 廊坊 065001)

摘要：介紹了變頻器“一拖四”控制方案在長(zhǎng)輸輸油管道中的應(yīng)用。結(jié)合實(shí)際工程，深入研究了該控制方案的實(shí)施情況，詳細(xì)闡述了站控系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的相互聯(lián)系，并分析了如何通過(guò)PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)該控制方案的平穩(wěn)運(yùn)行。 針對(duì)該方案存在的問(wèn)題提出了具體的優(yōu)化方法，進(jìn)一步提高了該方案的控制水平。該方案的成功應(yīng)用對(duì)長(zhǎng)輸輸油管道變頻器“一拖N”的工程設(shè)計(jì)及項(xiàng)目應(yīng)用都具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：變頻器長(zhǎng)輸輸油管道控制方案

中壓變頻器具有成本低、節(jié)能降耗能力強(qiáng)和效率高等特點(diǎn)，在長(zhǎng)輸輸油管道工程項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。然而，隨著長(zhǎng)輸輸油管道工程項(xiàng)目對(duì)成本投入的嚴(yán)格控制和對(duì)控制水平要求的不斷提高，對(duì)變頻器“一拖N”控制方案的需求也愈加迫切。盡管變頻器“一拖一”的控制方案已經(jīng)非常成熟且具有大量的工程實(shí)例，但顯然無(wú)法掩蓋其投入成本高、技術(shù)相對(duì)落后的弊端，因而提出了變頻器“一拖N”的控制方案。

2015年，6kV中壓變頻器“一拖N”的控制方案應(yīng)用于長(zhǎng)輸輸油管道工程項(xiàng)目中。在鐵嶺-錦西原油管道復(fù)線工程法庫(kù)輸油泵站，PF7000系列變頻器“一拖四”的控制方案已經(jīng)成功投用并平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)輸油泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

變頻器“一拖四”控制方案在節(jié)約項(xiàng)目成本的同時(shí)，還提升了整個(gè)控制系統(tǒng)的靈活性和控制水平，在今后長(zhǎng)輸輸油管道工程項(xiàng)目建設(shè)中將會(huì)有著更加廣泛的應(yīng)用。筆者對(duì)該輸油泵站變頻器“一拖四”控制方案進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和分析，并提出了進(jìn)一步優(yōu)化的措施和方法，希望對(duì)變頻器“一拖N”控制方案在長(zhǎng)輸輸油管道工程項(xiàng)目中的應(yīng)用具有積極的影響和推動(dòng)作用。

1設(shè)計(jì)方案

該輸油泵站變頻器“一拖四”控制方案主要由站控系統(tǒng)、變頻器控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備幾部分構(gòu)成。

1.1總體方案配置框架

該控制方案的總體框架如圖1所示。

圖1　總體配置框架示意

1.2站控系統(tǒng)

站控系統(tǒng)是該原油管道復(fù)線工程全線數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)的當(dāng)?shù)貦z測(cè)和控制單元，是保證全線SCADA系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，它不但能夠獨(dú)立完成對(duì)站場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和控制，還能將有關(guān)信息傳送給調(diào)控中心，并接受調(diào)控中心下達(dá)的相關(guān)指令。站控系統(tǒng)硬件由操作員工作站、可編程邏輯控制器(PLC)、打印設(shè)備、數(shù)據(jù)通信接口設(shè)備等組成。

1.3變頻器控制系統(tǒng)

該輸油泵站變頻器控制系統(tǒng)主要包括同步切換系統(tǒng)和變頻PLC控制系統(tǒng)兩部分，可實(shí)現(xiàn)對(duì)PF7000系列變頻器和輸油泵電機(jī)的控制。

1.3.1同步切換系統(tǒng)

同步切換系統(tǒng)由變頻器、進(jìn)線斷路器柜(DI)、旁路斷路器柜(BP)和輸出斷路器柜(OP)組成，系統(tǒng)原理如圖2所示。

1) 變頻器。該輸油泵站采用PF7000系列中壓變頻器，具有如下特點(diǎn)：

a) 變頻器調(diào)速運(yùn)行，以滿足各種工藝條件的控制要求。

b) 具有完善的同步切換功能，可實(shí)現(xiàn)輸油泵變頻與工頻的在線雙向切換。

c) 可實(shí)現(xiàn)將1臺(tái)輸油泵變頻運(yùn)行模式切換到工頻運(yùn)行模式后，再將另1臺(tái)輸油泵以變頻模式進(jìn)行啟動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)變頻器“一拖多”控制功能。

d) 變頻器在同一時(shí)刻只能驅(qū)動(dòng)1臺(tái)輸油泵電機(jī)。

圖2　變頻器“一拖四”控制系統(tǒng)原理示意

2) 進(jìn)線斷路器柜。進(jìn)線斷路器柜為真空斷路器配置，并內(nèi)置綜合保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)至變頻器線路保護(hù)功能。變頻器進(jìn)線柜的正常分合閘采用就地和遠(yuǎn)程兩種控制模式，就地模式可在柜體上進(jìn)行按鈕操作，遠(yuǎn)程模式可由變頻PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行分合閘操作。

3) 旁路斷路器柜。旁路斷路器柜為輸油泵電機(jī)工頻運(yùn)行柜，分別連接對(duì)應(yīng)的6kV母線及輸油泵電機(jī)。變頻器在遠(yuǎn)程控制模式下，旁路操作同步切換由變頻PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行控制；變頻器在就地控制模式下，可由變頻器PLC控制系統(tǒng)柜上的按鈕進(jìn)行手動(dòng)操作。同步切換時(shí)，變頻PLC控制系統(tǒng)接收到自站控系統(tǒng)下發(fā)的切換指令后，經(jīng)過(guò)條件判斷發(fā)出旁路切換命令；同步切換完成后，站控系統(tǒng)可對(duì)旁路斷路器柜進(jìn)行分閘控制。

4) 輸出斷路器柜。輸出斷路器柜僅應(yīng)用于變頻工作模式，該輸油泵站4臺(tái)輸油泵電機(jī)分別對(duì)應(yīng)各自不同的輸出斷路器柜。其采用了電氣互鎖設(shè)計(jì)，并配置真空接觸器，以防止任意2臺(tái)輸出斷路器柜同時(shí)合閘。

1.3.2變頻PLC控制系統(tǒng)

變頻PLC控制系統(tǒng)選用Controllogix系列產(chǎn)品，該系統(tǒng)完成對(duì)變頻器、進(jìn)線斷路器柜、輸出斷路器柜和旁路斷路器柜控制，并可以為站控系統(tǒng)提供相關(guān)的控制接口。站控系統(tǒng)與變頻PLC控制系統(tǒng)之間采用硬接線方式實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器切換控制，并采用RS-485網(wǎng)絡(luò)通信方式進(jìn)行信號(hào)監(jiān)視。

變頻PLC控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)就地和遠(yuǎn)程兩種操作模式，既可以接收來(lái)自站控系統(tǒng)或中控系統(tǒng)的指令實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，也可以在本系統(tǒng)柜門(mén)處通過(guò)按鈕進(jìn)行就地操作。

2方案實(shí)施

該輸油泵站變頻器“一拖四”控制方案的實(shí)施充分發(fā)揮了變頻器節(jié)能降耗能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便和效率高的特點(diǎn)。在整個(gè)方案實(shí)施過(guò)程中單臺(tái)變頻器和4臺(tái)輸油泵電機(jī)銜接緊密，功能實(shí)現(xiàn)充分，完全滿足了站場(chǎng)各種工藝條件下的操作需求。與此同時(shí)，為了避免輸油泵在線操作時(shí)產(chǎn)生過(guò)激的壓力波動(dòng)，方案實(shí)施也充分納入了變頻系統(tǒng)和出站調(diào)節(jié)閥的PID調(diào)節(jié)功能，在實(shí)現(xiàn)變頻器“一拖四”控制方案的同時(shí)，又保證了該輸油泵站站場(chǎng)工藝的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.1變頻器“一拖四”控制的實(shí)施

1) 單臺(tái)輸油泵的工頻、變頻起停泵功能。輸油泵可通過(guò)就地和遠(yuǎn)程兩種模式進(jìn)行起、停泵操作，輸油泵既可以接收來(lái)自調(diào)度中心和站控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作指令，也可以在輸油泵操作柱上實(shí)現(xiàn)就地的起、?？刂?。

2) 定轉(zhuǎn)速泵和調(diào)速泵的相互切換。輸油泵的切換只能在遠(yuǎn)程模式下實(shí)現(xiàn)，即操作人員根據(jù)站場(chǎng)工藝的實(shí)際情況，在站控系統(tǒng)人機(jī)界面的操作面板上設(shè)置輸油泵機(jī)組的切換延遲時(shí)間并下發(fā)切換指令。為了避免誤操作，在站控系統(tǒng)人機(jī)界面中增加了輸油泵預(yù)起和預(yù)停的預(yù)選操作面板。同時(shí)，為了簡(jiǎn)化操作，站控系統(tǒng)人機(jī)界面對(duì)輸油泵切換控制、切換延遲時(shí)間設(shè)置和預(yù)選操作進(jìn)行了操作面板的優(yōu)化。

3) 單臺(tái)輸油泵機(jī)組工頻與變頻的在線切換。當(dāng)變頻器在工作狀態(tài)下，輸油泵可實(shí)現(xiàn)從變頻向工頻狀態(tài)的在線切換；當(dāng)變頻器在非工作狀態(tài)下，輸油泵可實(shí)現(xiàn)從工頻向變頻狀態(tài)的在線切換。

2.2變頻系統(tǒng)和出站調(diào)節(jié)閥的PID調(diào)節(jié)

該輸油泵站變頻系統(tǒng)和出站調(diào)節(jié)閥均可針對(duì)輸油泵入口匯管壓力和出站壓力進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)。變頻系統(tǒng)與出站調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)功能相同，二者既可單獨(dú)調(diào)節(jié)，也可同時(shí)在線調(diào)節(jié)。站控系統(tǒng)需要對(duì)變頻系統(tǒng)和出站調(diào)節(jié)閥的PID調(diào)節(jié)的結(jié)果進(jìn)行判斷，并選擇最優(yōu)的PID調(diào)節(jié)結(jié)果進(jìn)行輸出。

1) 相互獨(dú)立調(diào)節(jié)。變頻系統(tǒng)與出站調(diào)節(jié)閥PID調(diào)節(jié)相互獨(dú)立時(shí)，站控系統(tǒng)根據(jù)站場(chǎng)的工藝條件和實(shí)際情況，選用其中最優(yōu)的PID調(diào)節(jié)方式進(jìn)行壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)將另一種調(diào)節(jié)方式設(shè)為手動(dòng)調(diào)節(jié)模式。

2) 同時(shí)在線調(diào)節(jié)。變頻系統(tǒng)與出站調(diào)節(jié)閥PID調(diào)節(jié)同時(shí)在線時(shí)，站控系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的程序進(jìn)行壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方式如下：

a) 當(dāng)出站壓力超過(guò)壓力調(diào)節(jié)設(shè)定值并低于Δp1(Δp1=0.2MPa)時(shí)，變頻器進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，而此時(shí)出站調(diào)節(jié)閥的閥位應(yīng)保持在全開(kāi)狀態(tài)下；當(dāng)出站壓力超過(guò)壓力調(diào)節(jié)設(shè)定值且不低于Δp1時(shí)，調(diào)節(jié)閥和變頻器同時(shí)在線進(jìn)行調(diào)節(jié)。

b) 當(dāng)輸油泵入口匯管壓力低于調(diào)節(jié)設(shè)定值且在Δp2(Δp2=0.05MPa) 以內(nèi)時(shí)，變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，此時(shí)調(diào)節(jié)閥全開(kāi)；如輸油泵入口匯管壓力達(dá)到或低于調(diào)節(jié)閥設(shè)定值Δp2時(shí)，調(diào)節(jié)閥和變頻器同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。此時(shí)，站控系統(tǒng)需要對(duì)PID調(diào)節(jié)結(jié)果進(jìn)行程序判斷，并選擇最優(yōu)的結(jié)果進(jìn)行輸出。此外，需要說(shuō)明的是： 這里的Δp1和Δp2是針對(duì)該輸油泵站工藝情況下的設(shè)定值，其他應(yīng)用場(chǎng)合可根據(jù)工況條件的變化進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

總之，通過(guò)變頻系統(tǒng)和出站調(diào)節(jié)閥的雙重PID調(diào)節(jié)，在進(jìn)行輸油泵的相關(guān)操作時(shí)，該輸油泵站站場(chǎng)的壓力波動(dòng)完全在可接受的控制范圍之內(nèi)。

3存在問(wèn)題及優(yōu)化方法

3.1存在問(wèn)題

1) 變頻器放電時(shí)間長(zhǎng)。目前，該輸油泵站變頻器停車(chē)之后的正常放電時(shí)間約為120s，當(dāng)輸油泵機(jī)組短時(shí)間內(nèi)頻繁切換時(shí)，放電時(shí)間可能會(huì)延長(zhǎng)。由于變頻器停車(chē)后必須經(jīng)過(guò)放電才能重新投入使用，因而變頻器放電時(shí)間長(zhǎng)和波動(dòng)將直接影響到輸油泵機(jī)組的切換。例如： 輸油泵機(jī)組切換過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)、變頻器重新啟動(dòng)失敗等容易造成操作人員的誤判斷。

2) 站控系統(tǒng)和變頻PLC控制系統(tǒng)部分功能界面劃分不合理。目前，在該控制方案中，站控系統(tǒng)和變頻PLC控制系統(tǒng)之間的部分功能界面劃分不夠合理，導(dǎo)致在某些功能的實(shí)現(xiàn)上，操作相對(duì)繁瑣、時(shí)間長(zhǎng)。例如： 變頻器啟動(dòng)預(yù)選和單臺(tái)輸油泵工頻切變頻的轉(zhuǎn)速設(shè)定等。

a) 變頻器啟動(dòng)預(yù)選操作流程。在輸油泵變頻器啟動(dòng)預(yù)選過(guò)程中，站控系統(tǒng)和變頻PLC控制系統(tǒng)之間選用的是順序等待的形式，即站控系統(tǒng)將預(yù)選命令下發(fā)至變頻PLC控制系統(tǒng)，再由變頻PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行判斷和上報(bào)，如圖3所示。

b) 單臺(tái)輸油泵工頻模式切換至變頻模式。通常變頻器都是以自動(dòng)模式運(yùn)行，在這種模式下變頻器的轉(zhuǎn)速需要實(shí)時(shí)跟隨變頻系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)的輸出結(jié)果。由于單臺(tái)輸油泵從工頻模式切換至變頻模式時(shí)，變頻器需要站控系統(tǒng)對(duì)其啟動(dòng)轉(zhuǎn)速(2980rad/min)進(jìn)行設(shè)定，因而站控系統(tǒng)必須首先進(jìn)行變頻器工作模式的判斷，再對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)定。工頻切換至變頻控制流程如圖4所示。

圖3　輸油泵啟動(dòng)預(yù)選操作示意

圖4　輸油泵工頻切換至變頻控制流程示意

3.2優(yōu)化方法

1) 增加變頻器快速放電裝置。建議變頻器增加快速、深度放電裝置，以保證變頻器停車(chē)后能夠快速投入使用。此外，在變頻器PLC控制系統(tǒng)中增加變頻器放電狀態(tài)監(jiān)視點(diǎn)，并采用硬接線方式傳送至站控系統(tǒng)進(jìn)行變頻器放電狀態(tài)的顯示和趨勢(shì)跟蹤，以保證變頻器能夠準(zhǔn)確投用并避免操作人員的誤操作。

2) 優(yōu)化站控系統(tǒng)和變頻PLC控制系統(tǒng)功能界面劃分。針對(duì)變頻器操作，優(yōu)化站控系統(tǒng)和變頻PLC控制系統(tǒng)之間的功能劃分，將部分功能從站控系統(tǒng)遷移至變頻PLC控制系統(tǒng)內(nèi)，以簡(jiǎn)化變頻器操作流程、縮短操作時(shí)間，如變頻器啟動(dòng)預(yù)選和工頻切變頻轉(zhuǎn)速設(shè)定等。

a) 輸油泵的預(yù)起預(yù)選功能的優(yōu)化。將輸油泵的預(yù)起預(yù)選功能放到變頻PLC控制系統(tǒng)中，并由變頻PLC控制系統(tǒng)對(duì)輸油泵是否滿足變頻啟動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和判斷，并將這一狀態(tài)以硬接線的方式傳送至站控系統(tǒng)。當(dāng)進(jìn)行輸油泵變頻啟動(dòng)操作時(shí)，站控系統(tǒng)就可以直接針對(duì)滿足啟動(dòng)條件的輸油泵進(jìn)行操作，從而簡(jiǎn)化了圖3中操作流程，并縮短了操作時(shí)間。

b) 單臺(tái)輸油泵工頻切變頻轉(zhuǎn)速設(shè)定的優(yōu)化。當(dāng)輸油泵從工頻模式切換至變頻模式運(yùn)行時(shí)，取消站控系統(tǒng)對(duì)變頻器固定啟動(dòng)轉(zhuǎn)速的設(shè)定，并將此功能嵌入到變頻PLC控制系統(tǒng)中。該功能優(yōu)化后，變頻PLC控制系統(tǒng)接收到站控系統(tǒng)單臺(tái)輸油泵工頻切變頻命令后，直接以固定轉(zhuǎn)速(2980rad/min)啟動(dòng)，不但縮短了操作時(shí)間，還明確了站控系統(tǒng)和變頻PLC控制系統(tǒng)的功能劃分，從而使單臺(tái)輸油泵工頻切變頻的操作更簡(jiǎn)單合理。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，變頻器“一拖四”控制方案在該輸油泵站的成功應(yīng)用，為今后變頻器“一拖N”控制方案在長(zhǎng)輸輸油管道中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)方案的優(yōu)化，可以進(jìn)一步提高變頻器“一拖N”控制方案的控制水平并保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

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Application of Inverter “One-to-Four” Control Solution in Long Distance Oil Transportation Pipeline

Xu Chunqing1， Zhou Jing2， Zhang Lanting2， Wang Benming2

(1. China Petroleum Longhui Automation Engineering Co. Ltd., Langfang, 065001, China;2. The Third Project Manager Department, China Petroleum Pipeline Company,Langfang, 065001, China)

Abstract:Application of inverter “One-to-Four” control solution in long distance oil transportation pipeline is described. Combing practical engineering, the implementation of inverter “One-to-Four” control solution is studied deeply. The interrelation among station control system, inverter control system and field devices is elaborated in detail. How to achieve smooth running for the inverter “One-to-Four” control solution is evaluated through PID regulation. Detailed optimization is proposed aiming at the existing problems of the solution to further improve the control. Successful application of inverter “One-to-Four” control solution has great significance for “One-to-N” control solution of engineering and construction.

Key words:inverter; long distance oil transportation pipeline; control solution

作者簡(jiǎn)介：許春清(1980—)，男，黑龍江牡丹江人，2003年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于廊坊開(kāi)發(fā)區(qū)中油龍慧自動(dòng)化工程有限公司，從事油氣長(zhǎng)輸管道SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成工作，任工程師。

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2016)02-0029-04

稿件收到日期： 2015-11-08，修改稿收到日期： 2016-01-19。