田海洋

(山東石大科技集團(tuán)有限公司，山東東營(yíng) 257061)

0 引言

在中小型石油化工企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，成品油發(fā)油系統(tǒng)一般采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)離心泵與閥相結(jié)合完成油品外送的流量控制，該控制方式中泵的轉(zhuǎn)速恒定，輸油管線中油品流量完全依賴于管線上閥的開度，由于成品油銷量受市場(chǎng)需求量影響，需要根據(jù)外來油罐車車輛數(shù)量變化，對(duì)管輸油流量經(jīng)常調(diào)整。頻繁調(diào)節(jié)閥位，不僅操作繁瑣，元件機(jī)械磨損大，而且泵在節(jié)流運(yùn)行中伴有巨大的能源浪費(fèi)。

為了解決上述問題，本文介紹一種利用西門子LOGO!作為邏輯控制器，變頻器作為電機(jī)調(diào)速設(shè)備實(shí)現(xiàn)發(fā)油泵多級(jí)流量調(diào)節(jié)功能的改造方案，該方案一次投資少，具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，而且適合成品油發(fā)油系統(tǒng)多種油品、多個(gè)出口、多級(jí)流量的實(shí)際需要。

1 LOGO!性能簡(jiǎn)介

LOGO!是西門子公司研制的通用邏輯模塊，它不僅集成了與、或、非等各種基本控制邏輯模塊，還能完成定時(shí)、計(jì)數(shù)和時(shí)鐘等功能。LOGO!本身帶有顯示屏和鍵盤，編程時(shí)可以直接通過鍵盤輸入，也可以在計(jì)算機(jī)上編寫和測(cè)試后下載至LOGO!上。

LOGO!輸入信號(hào)為數(shù)字量，輸出信號(hào)為繼電器或晶體管開關(guān)量，允許通過最大電流為8 A，電源電壓有交流220 V和直流24 V兩種。LOGO!內(nèi)有程序存儲(chǔ)卡，上電后，程序會(huì)自動(dòng)復(fù)制到LOGO!中，即使突然斷電，其中的程序也不會(huì)丟失。LOGO!程序?qū)嶋H上是由不同方法表示的線路組成，程序采用STEP 7流程圖模式，可以充分利用資源。LOGO!獲得cULus和FM認(rèn)證，可在抗震動(dòng)、抗干擾和危險(xiǎn)場(chǎng)所滿足較高要求。與傳統(tǒng)可編程邏輯控制(Programmable Logic Controller，PLC)相比，更加經(jīng)濟(jì)、方便，用其組成簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，控制更可靠，易于方案修改，具有較高的性價(jià)比。

2 變頻器在成品油發(fā)油系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)分析

2.1 成品油發(fā)油系統(tǒng)特點(diǎn)分析

成品油發(fā)油系統(tǒng)負(fù)責(zé)石化企業(yè)產(chǎn)品裝車外送，具有同時(shí)可以發(fā)送多種油品及同種油品多口發(fā)送的特點(diǎn)，發(fā)油口開放數(shù)量需要根據(jù)拉油罐車的數(shù)量經(jīng)常變化，這就要求輸油管線中油品流量隨著發(fā)油口開放數(shù)量進(jìn)行分級(jí)調(diào)整，來保證每個(gè)發(fā)油口壓力穩(wěn)定，管線流量調(diào)整比較頻繁。

2.2 發(fā)油泵的閥調(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)性能比較

從上述分析可以看出，石化企業(yè)成品油發(fā)油泵流量經(jīng)常變化，這種情況下通過變頻調(diào)速控制流量與調(diào)節(jié)油泵的出口閥門開度控制流量相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。根據(jù)離心泵的工作原理可知:在不同的轉(zhuǎn)速下，油泵的流量(Q)、揚(yáng)程(H)、軸功率(P)、電機(jī)轉(zhuǎn)速(n)有以下關(guān)系:

根據(jù)式(1)可知，對(duì)于恒速泵，電機(jī)輸出功率與流量和揚(yáng)程乘積成正比，通過減小閥門開度來降低流量，電機(jī)輸出功率不變，揚(yáng)程必然增大，大部分浪費(fèi)在克服閥門阻力上。采用變頻調(diào)節(jié)降低泵轉(zhuǎn)速，則可以實(shí)現(xiàn)流量變小，同時(shí)泵的揚(yáng)程、電機(jī)輸出功率也變小，電機(jī)輸出功率將大幅減小。兩種流量調(diào)節(jié)方式下泵的工作特性曲線如圖1所示。

圖1 不同轉(zhuǎn)速下Q-H曲線與管阻特性關(guān)系

從圖1可以看出，油泵的正常工作點(diǎn)為A，當(dāng)流量需要從Q1調(diào)到Q2時(shí)，采用閥門調(diào)節(jié)工作點(diǎn)為B點(diǎn)，揚(yáng)程增大，系統(tǒng)管道長(zhǎng)期在高壓下運(yùn)行，降低了油泵的運(yùn)行效率，縮短了油泵電機(jī)及閥門的維修周期;采用變頻調(diào)速工作點(diǎn)為C點(diǎn)，揚(yáng)程隨之減小，保持高效率運(yùn)行，圖中陰影部分即為變頻調(diào)速實(shí)際節(jié)約的能耗。

另外，閥調(diào)節(jié)容易使油槍產(chǎn)生水擊，油槍發(fā)油流速過高，不易控制，使用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)，則流量變化平緩，可以有效消除水擊現(xiàn)象，降低作業(yè)強(qiáng)度和噪聲污染，提高輸油泵的實(shí)際運(yùn)行效率。通過以上分析可以看出，成品油發(fā)油泵用變頻調(diào)節(jié)比傳統(tǒng)的閥調(diào)節(jié)有明顯優(yōu)勢(shì)。

2.3 變頻器的多級(jí)頻率調(diào)速功能

目前工業(yè)用大多數(shù)變頻器都具備多級(jí)轉(zhuǎn)速功能，以本文選用的富士5000G11S型變頻器為例，說明其實(shí)現(xiàn)多級(jí)頻率功能的設(shè)置方式。富士5000G11S型變頻器可在C05～C19功能代碼中寫入各級(jí)目標(biāo)頻率值，最多可以設(shè)定15級(jí)不同頻率設(shè)定范圍為0.00～400.00 Hz，再由變頻器多功能輸入端子X4、X3、X2、X1外接開關(guān)的通斷組合輸入4位二進(jìn)制編碼，通過所輸入的不同編碼來確定選擇C05～C19中的某個(gè)頻率值，變頻器即可輸出該頻率運(yùn)行，直到多功能輸入端子輸入編碼發(fā)生變化時(shí)，再輸出相應(yīng)頻率運(yùn)行。具體頻率輸入編碼如表1所示。

表1 多級(jí)頻率編碼表

3 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

山東石大科技集團(tuán)有限公司輕質(zhì)油裝車臺(tái)有0#柴油發(fā)油口3個(gè)，可滿足1～3臺(tái)油罐車同時(shí)裝油，無裝油車時(shí)發(fā)油口全關(guān)。其發(fā)油泵設(shè)計(jì)流量為139 m3，拖動(dòng)電機(jī)型號(hào)為YB2225M－4，功率為45 kW。系統(tǒng)對(duì)電氣控制的要求如下:

(1)發(fā)油泵運(yùn)行、停止由裝車臺(tái)遠(yuǎn)程控制，有任意一發(fā)油口處于開放狀態(tài)發(fā)油泵運(yùn)行，無發(fā)油口開放時(shí)發(fā)油泵停止。

(2)發(fā)油泵轉(zhuǎn)速與裝車臺(tái)發(fā)油口開放數(shù)量對(duì)應(yīng)，即開放1口33%轉(zhuǎn)速，開放2口66%轉(zhuǎn)速，開放3口100%轉(zhuǎn)速。

(3)裝車臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)裝設(shè)變頻器運(yùn)行、停止、故障指示，以及現(xiàn)場(chǎng)急停裝置。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)該公司成品油發(fā)油實(shí)際控制要求，利用LOGO!與富士變頻器作為發(fā)油泵的主要控制元件，所構(gòu)成的成品油發(fā)油泵控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 成品油發(fā)油泵控制系統(tǒng)圖

圖2 中 S11、S12，S21、S22，S31、S32 分別為 3個(gè)發(fā)油口現(xiàn)場(chǎng)操作柱發(fā)油開始和停止按鈕，HD1、HD2、HD3為現(xiàn)場(chǎng)操作柱狀態(tài)指示燈，YD為變頻器故障指示燈?，F(xiàn)場(chǎng)安裝的急停開關(guān)1個(gè)，在緊急情況下切斷系統(tǒng)控制電源。變頻器型號(hào)為FRN45G11S－4CX，不僅用于對(duì)電機(jī)調(diào)速控制，還用來完成電機(jī)的過載、過流、過電壓、失壓及自身故障停機(jī)等保護(hù)功能，30B、30C為變頻器的總報(bào)警輸出，有輸出則油泵停機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)YD燈點(diǎn)亮。LOGO!作為邏輯控制單元，對(duì)裝車臺(tái)發(fā)油口開放及停止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行采集和編程，控制變頻器的輸出頻率，其I/O組態(tài)如表2所示。

表2LOGO!I/O組態(tài)表

3.2 軟件設(shè)計(jì)

LOGO!輸入端子連3個(gè)接現(xiàn)場(chǎng)操作柱的起動(dòng)、停止按鈕，經(jīng)過內(nèi)部邏輯編程，輸出不同的編碼組合至變頻器的多功能輸入端子X1～X3。根據(jù)表1，將變頻器的多級(jí)頻率設(shè)定為 C05=16.5 Hz，C06=33 Hz，C08=50 Hz，則 LOGO!的邏輯關(guān)系應(yīng)滿足:當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)油口只有1個(gè)運(yùn)行時(shí)Q1、Q2輸出，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)油口有任意2個(gè)運(yùn)行時(shí)Q1、Q3輸出，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)油口3個(gè)全部運(yùn)行時(shí)Q1、Q4輸出。使現(xiàn)場(chǎng)發(fā)油口開放數(shù)量與變頻器的多級(jí)頻率形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成對(duì)成品油發(fā)油流量的多級(jí)控制。LOGO!的邏輯圖如圖3所示。

圖3LOGO!邏輯圖

4 結(jié)語(yǔ)

該成品油發(fā)油系統(tǒng)控制方案使用LOGO!和富士變頻器控制發(fā)油泵拖動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)和多級(jí)轉(zhuǎn)速運(yùn)行。與傳統(tǒng)發(fā)油系統(tǒng)控制方式相比，存在較大優(yōu)勢(shì):

(1)節(jié)電效益高。用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)流量控制，消除了調(diào)節(jié)閥控制在低流量時(shí)的能量損失，由于實(shí)際使用中泵經(jīng)常運(yùn)行在33%額定轉(zhuǎn)速和66%額定轉(zhuǎn)速，該系統(tǒng)平均節(jié)電率約為30%，節(jié)電效果明顯。

(2)系統(tǒng)穩(wěn)定性高。使用LOGO!及富士變頻器完成系統(tǒng)控制，有效減少了電機(jī)的起動(dòng)次數(shù)、閥門的頻繁調(diào)節(jié)和機(jī)泵磨損，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，大幅降低了設(shè)備維護(hù)頻次，提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性。

通過多年在生產(chǎn)實(shí)踐中的使用證明，該改造方案滿足成品油發(fā)油系統(tǒng)的控制要求，操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為中小型石油化工企業(yè)發(fā)油系統(tǒng)的控制提供了有效途徑，具有推廣性。

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