CNG加气母站两机联动中一键操作的研究与实现
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宁波鲍斯能源装备股份有限公司的研究人员庞晓波，在2016年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，目前，在原料气压力较低，需要用螺杆压缩机增压后再经过活塞压缩机压缩，制成成品气的CNG加气母站工艺中，启动和停止设备时，自动化程度不高，操作手续繁琐，容易引起故障；
针对这种现象经过认真的分析与研究，提出了一种改善的方法，主要是提出了增加“一键操作柱”，“中间继电器”和“一进两出隔离栅 ”等硬件，同时在PLC程序中增加相应功能；实现螺杆压缩机与活塞压缩机在开机和停机过程中的相互关联，实现了只需按下“启动”或“停止”按钮即可开机或是停机的目的；达到了一键开机或停机的效果，操作方法非常简单，减少了事故的发生；极大提升了系统的自动化程度和运行可靠性。
在CNG加气工艺中，当原料气压力超过0.3MPa时，往往采用活塞压缩机直接进行压缩，然后经过压缩后制成成品气；在该工艺只有活塞机一台主要设备，而活塞机压缩技术目前也非常成熟，因此，开机和关机较为简单，基本实现了一键开机和关机的功能；
但当原料气压力较低，是微正压，甚至是微负压时，如果直接用活塞压缩机进行压缩，将会出现压缩比增大，排气温度增高，活塞压缩机高压级活塞力增加等问题，从而引起活塞压缩机易损件寿命减短、活塞杆断裂等故障；因此，在CNG工艺中，当原料气压力较低时，往往会先采用螺杆压缩机进行增压，然后将增压的气体输送到活塞压缩机，最后制成成品气；
在这种工艺中，存在螺杆压缩机和活塞压缩机两台主要设备，虽然目前活塞压缩机和螺杆机压缩技术都非常成熟，但在两机联动时，传统的操作方法往往需要人工的大量介入，稍有操作不慎，就会引起压力异常，轻则引起停机，重则引起事故。
1 现状分析
目前，在CNG加气母站两机联动压缩工艺中，原料气首先要进入螺杆压缩机进行增压，以便达到活塞压缩机需要的最低压力；螺杆压缩机一般都会采用PLC控制系统通过一路PID通道控制变频器，再通过变频器控制螺杆压缩机主电机；
同时，PLC控制系统通过另一路PID通道控制气动调节回流阀，以此确保排气压力的稳定；由于螺杆压缩机主电机运转后，直接带动螺杆压缩机机头对原料气压缩做功，就需要相应的扭矩输出，因此，变频器往往会设置相应的最低运行频率，以确保足够的扭矩输出；
螺杆压缩机排出的气体经过管路与活塞压缩机的进气管路相连，活塞压缩机一般会通过PLC控制系统控制软启动器，再通过软启动器控制活塞压缩机主电机，活塞压缩机主电机驱动曲轴使活塞气缸工作，从而产生需要的成品气；该传统工艺管路、仪表及控制结构如图1所示：
图1 传统的工艺管路、仪表及控制结构图
在该工艺中传统的操作方法是，开机时，在启动螺杆压缩机之前，需要在螺杆压缩机PLC控制系统中，将主电机以及气动调节回流阀的PID控制模式更改为手动模式，并设定最低频率，气动回流阀的开度设定为0%；当启动螺杆压缩机后，主电机将以最低频率运转；
此时，因为活塞机尚未开机，无法消耗螺杆压缩机产出的气体，因此，当螺杆压缩机的排气压力达到设定值时，就需要在PLC控制系统中，对螺杆压缩机气动调节回流阀进行手动置值，促使多余气体回流到前置分离器中，以保证排气压力的稳定；
在这个过程中为了确保排气压力的稳定，需要反复手动调节变频器的运行频率和气动调节回流阀的开度；当螺杆压缩机的排气压力稳定后，开启活塞压缩机，螺杆压缩机的排气量由于受到活塞压缩机的消耗，螺杆压缩机的排气压力将会快速下降；此时，需要人工快速提升螺杆压缩机的运行频率，并逐步关闭螺杆压缩机的气动调节回流阀，当活塞机的进气压力稳定后，此时，设备开机成功。
关机时，需要首先将螺杆压缩机的气动调节回流阀开度设定为100%，以此减少对活塞压缩机的供气，然后关停螺杆压缩机，在螺杆压缩机停机过程中，螺杆压缩机仍然会对活塞压缩机进行有效供气，只少比螺杆压缩机气动调节回流阀打开前减少35%左右，在活塞压缩机进气压力低于额定值时，关停活塞压缩机，由于在停机时活塞压缩机将于螺杆压缩机先停止，因此，会引起螺杆压缩机排气压力升高现象，产出的多余气体将由管路经气动回流阀引至前置分离器中；此时，设备关机成功。传统的开机和关机流程如图2所示：
图2 传统工艺中开机与关机流程图
在传统的开机和关机流程中，可以看出，操作手续繁琐，需要人工的大量介入，对操作人员的技能要求非常高，如果操作稍有不慎，就会引起PLC控制系统报高警或是报低警，甚至是报超高警或是超低警而引起停机，更有甚者引起安全阀的启动；无论是控制系统报超高警还是报超低警而引起停机，都会对设备造成一定的伤害。
2 改进分析
鉴于传统操作模式的种种弊端，提出了一种改进方案：假如，在操作现场设置“一键操作柱”，操作柱面板上有“启动”、“停止”、“急停”三个按钮；在螺杆压缩机控制柜中，将螺杆压缩机的运行和停止状态信号，以及螺杆压缩机的排气压力信号，传送至螺杆压缩机PLC控制系统的同时，通过中间继电器和“一进两出隔离栅”将上述信号传至活塞压缩机PLC控制系统；
在活塞压缩机控制柜中，将活塞压缩机的运行和停止状态信号，传送至活塞压缩机PLC控制系统的同时，通过中间继电器将该信号传至螺杆压缩机PLC控制系统；新增硬件与PLC系统的关联如图3所示：
图3 新增硬件与PLC系统的关联图
开机时，首先确保螺杆压缩机PLC控制系统中气动回流调节阀处于自动控制模式，并且设定开机频率；然后在“一键操作柱”面板上按下“启动”按钮；此时，该启动信号被传至螺杆压缩机PLC控制系统中，螺杆压缩机启动后，螺杆压缩机PLC控制系统通过中间继电器，向活塞压缩机PLC控制系统发出“螺杆压缩机已运行”信号；
同时，螺杆压缩机气动回流阀根据排气压力的设定值进行自动调节，确保排气压力达到设定值并稳定；活塞压缩机PLC控制系统收到“螺杆压缩机已运行”信号后，同时对螺杆压缩机排气管路的压力进行侦测并判断，当压力达到设定值时，活塞压缩机自动启动；
当活塞压缩机启动后，由于消耗了气体，因此螺杆压缩机排气压力将会降低，此时，螺杆压缩机的气动回流阀将逐渐关闭，直到排气压力再次恢复到设定值并稳定；此时，设备成功一键开机。
关机时，在“一键操作柱”面板上按下“停止”按钮；此时，该停止信号被传至螺杆压缩机PLC控制系统中，PLC控制系统向螺杆压缩机发出停止指令信号，螺杆压缩机主电机开始由运行频率逐渐降至零，同时，螺杆压缩机PLC控制系统通过中间继电器，向活塞压缩机PLC控制系统发出“螺杆压缩机已停止”信号；
活塞压缩机PLC控制系统收到“螺杆压缩机已停止”信号后，对螺杆压缩机排气管路的压力进行侦测并判断，当压力下降到目标值时，活塞压缩机自动停止；此时，设备成功一键关机。改进后工艺中开机和关机流程如图4所示：
图4 改进后工艺中开机和关机流程图
理论上分析，该方案在开机或停机时，只需要按下“启动”或“停止”按钮即可，其它相关动作均由PLC控制系统经过逻辑运算后执行，操作过程非常简单，并且设备的开机或停机过程也非常安全可靠，将对目前开机或停机过程中产生的一系列问题起到极大的改善作用。
3 实验
按照理论分析，对原有工艺管路、仪表及控制结构图进行了改进，改进后的管路、仪表及控制结构如图5所示：
图5 改进后工艺管路、仪表及控制结构图
螺杆压缩机原料气的进气压力为0.05MPa，运行频率为45HZ，排气压力为0.8MPa;活塞压缩机进气为0.8MPa，排气为25MPa。
在启动设备之前，首先在螺杆压缩机PLC控制系统中将气动调节回流阀置于自动控制模式，并且设定开机频率为45HZ，排气目标压力设定为0.8MPa;将“螺杆压缩机已运行”和螺杆压缩机排气压力达到0.6MPa作为活塞压缩机自动启动的激发条件，当上述两个条件同时满足时，活塞压缩机自动启动；将“螺杆压缩机已停止”和螺杆压缩机排气压力达到0.6MPa作为活塞压缩机停止的激发条件，当上述两个条件同时满足时，活塞压缩机自动停机。
然后在“一键操作柱”面板上按下“启动”按钮；此时螺杆压缩机PLC控制系统收到开机指令信号，经过逻辑运算后，向螺杆压缩机发出开机指令信号，同时，向活塞压缩机发出“螺杆压缩机已运行”信号；螺杆压缩机主电机的运行频率由0 HZ逐渐升至45HZ,在升至45HZ之前，排气压力也由0MPa 逐渐上升，达到0.6MPa时，活塞压缩机启机条件满足，将会自动启动，在活塞压缩机启动之初，因活塞压缩机主电机转速尚未达到额定转速，活塞压缩机的耗气量也将不能达到额定耗气量，此时，螺杆压缩机的运行也未达到满载状态，因此，螺杆压缩机与活塞压缩机将会处于一个供气和耗气相对平衡的状态；
螺杆压缩机由静止状态达到额定运行状态在80－100秒之间，活塞压缩机由静止状态达到额定运行状态在50－60秒之间；在这个过程中，如果螺杆压缩机产生的气量能被活塞压缩机有效消耗，则螺杆压缩机的排气压力将不会超过设定的0.8MPa，此时螺杆压缩机的气动回流阀处于关闭状态；
如果螺杆压缩机产生的气量不能被活塞压缩机有效消耗，则螺杆压缩机的排气压力将会超过设定的0.8MPa，此时，螺杆压缩机的气动回流阀自动打开，依据0.8MPa的目标值进行自动的PID调节，确保排气压力稳定在0.8MPa左右；
当螺杆压缩机与活塞压缩机都达到额定运行状态时，螺杆压缩机供出的气量将正好满足活塞压缩机需求的气量，设备将处于稳定运行状态；此时，实现设备成功一键开机。
在关停设备时，在“一键操作柱”面板上按下“停止”按钮；此时螺杆压缩机PLC控制系统收到停机指令信号经过逻辑运算后，向螺杆压缩机发出停机指令信号，同时，向活塞压缩机发出“螺杆压缩机已停止”信号；螺杆压缩机主电机开始由额定运行频率逐渐降至零，排气压力也由0.8MPa逐渐下降，达到0.6 MPa时，活塞压缩机停机条件满足，将会自动停机，在停机过程中，螺杆压缩机由额定运行状态达到静止状态在60－70秒之间，活塞压缩机由额定运行状态达到静止状态在40－50秒之间；
在这个过程中，螺杆压缩机产出的气量及活塞压缩机消耗的气量均未达到设计值，处于一个供气和耗气相对平衡的状态；直到设备平稳停止；此时，实现设备成功一键停机。
4 结论
通过对传统CNG加气母站两机联动压缩工艺操作过程的分析，提出了在现有技术的基础上增加了“一键操作柱”，“中间继电器”和“一进两出隔离栅 ”等硬件，同时在PLC程序中增加相应功能；实现螺杆压缩机与活塞压缩机在开机和停机过程中的相互关联，实现了只需按下“启动”或“停止”按钮即可开机或是停机的目的；达到了一键开机或停机的效果，与传统操作相比较，新的操作方法非常简单，大大降低了操作步骤，减少了事故的发生；极大提升了系统的自动化程度和运行可靠性。
目前，该CNG加气母站两机联动一键操作的方法，已经在东北某燃气集团得到了使用，达到了预期效果，受到客户的好评。