电驱压缩机组控制系统的整合

电驱压缩机组控制系统的整合
摘要：长输管道压气站的变频器、同步电机、离心压缩机等关键设备的供应
越来越多样化，给电动压缩机组不同设备的集成控制带来了困难。

笔者结合自身
研究工作经验，此次针对控制系统调试与集成中常见的问题，采用系统分析、理
论推导和数据统计等方法，阐述了电动压缩机组控制系统的结构和原理，分析了
影响压缩机和电机主要运行参数的因素。

在此基础上，提出了相应的解决方案，
所得文献以供同行业人员参考，望对行业的前进起到一定的促进作用。

关键词：电驱压缩机组；控制系统；过负荷，一键启机；时钟同步
与燃气轮机驱动压缩机组相比，变频调速电机驱动压缩机组具有环境污染小、结构简单、成本低、能耗低、占地面积小等优点，在天然气管道增压站的应用越
来越广泛[1]。

据统计，2007年至2015年，陕京三线、西二线、西气东输三线、
中缅线共使用变频电机驱动压缩机组97台，占压缩机组总数的56%。

变频器、电
机和压缩机由不同的制造商以不同的设计理念制造，有11种系统组合。

如何实
现变频电机与压缩机控制系统的集成，提高控制系统的技术指标，已成为压气站
建设和运行人员关注的焦点。

1电驱压缩机组控制系统
电动压缩机组控制系统包括压缩机组控制系统和变频器控制系统。

数据通信
通过工厂总线通信和终端总线通信（图1）通过光纤环形连接进行。

西气东输工
程rv080压缩机组控制系统采用西门子SIMATIC PCS7集散控制系统，集成在PLC
控制柜中，它由入口压力限制器、出口压力限制器、防喘振控制器、机器监控系统、辅助设备监控系统等组成，具有紧急停机、设备运行参数（转速、压力、温
度等）的监控、压缩机和主电机的启停。

负荷控制可以在手动模式下直接选择给
定转速范围内的每台压缩机的转速，也可以通过入口压力控制、出口压力控制、
站场流量控制等自动方式，根据相应的方法调整每台工作压缩机的转速，从而实
现压缩机工作点的平衡运行[2]。

逆变器控制系统采用三菱三菱melsec-q系列可
编程控制器（CPU）和图形显示终端系统（got1000）对逆变器、电机运行和电源
故障进行保护、控制和监控，CPU具有电机温度监控、净化系统监控、传输监控
等功能，RTU、DeviceNet等数据传输设备，PLC与压缩机系统（UCS）、励磁柜、电机等设备通讯，显示电机的传输状态温度，电机转速（给定值和反馈值）、吹
扫系统数据、过载保护停机报警信息等参数。

2 压缩机组过负荷保护
2.1 问题描述
2015年5月，在西气东输工程某压气站压缩机组负荷分配运行试验中，一台
压缩机转速由4700r/min迅速升至4985r/min，变频器输出电流达到1998a，超
过电机满载额定电流（1857a），导致过载保护跳闸和电机停机。

2.2 原因
首先，在产品选型和性能方面，电站变频调速系统采用了东芝三菱电机最先
进的36脉冲整流器和5电平逆变器，没有采用高次谐波滤波器和无功补偿。

变
频器具有较强的抗功率干扰能力。

新型高速可调正压通风无刷励磁同步电动机振
动小、效率高，该压缩机是德国曼透平公司的大功率离心式压缩机，以上产品均
为首次成熟应用。

根据tmdrive-xl75变频器安全保护设定，过载5min停机，根
据电站日常运行报告，机组跳闸前正在进行负荷分配试验，控制中心设定出口压
力9.3MPa，压缩机自动升速过程中变频器输出过载保护关闭，变频调速系统中产
生的电流超过最大值和变频器输出电流有两个原因：①变频器输出电流超过最大
值；② 压缩机在设计工况下不工作，如低流量、压缩机喘振或高压高温运行不
稳定，驱动系统输出电流过大。

2.2.1电动机
同步电动机功率P与电压u、电流I、功率因数cosφ和效率η成正比。

电
动机功率计算公式为：P=3uiηcosφ（1）负荷β一般用电动机实际功率Po与
额定功率PN之比表示：β=Po/PN（2）根据20mV atmdrive-xl75变频器驱动电
机现场试验数据（图2），在额定工况（100%PN）下，功率因数和效率达到最大值，当以电动机功率（75%PN~100%PN）ηcosφ为依据确定电流时，公式（2）可
简化为实际电流IO与额定电流in之比：β=IO/in。

由式（3）可知，造成重载的主要原因是电流过大，因此，在实际工作中，
可以通过控制实际电流来控制负载。

2.2.2 压缩机
压缩机承担着管道输气的直接负荷，其电耗与流量、转速、进出口压力、进
出口温度和工艺气体成分有关。

根据18mwrv080离心式压缩机的试验数据，发现
在相同流量下，转速越大，功率越大，在相同转速下，流量越大，功率增加越大（图3，n为额定转速）。

因此，在正常运行条件下，功率和负载不会超过此情况，但当转速突然升高且流量很小时，功耗会突然增加，引起压缩机喘振等[2]，如果不及时调整控制系统，机组将停止运行。

2.3 解决措施
2.3.1 电机限流
为了避免电动机跳闸和停机，首先限制变频器的输出功率来控制电流，使其
不超过电动机的额定电流。

为了实现这一目标，有必要对变频电机的监控系统进
行改造，设定最大限流值（限流值应低于额定电流值，以避免电机电流波动时振
动超标），即设置变频器tmdrive-xl75的转速上限值，使压缩机系统转速参数
信号增大时电机转速保持不变。

如果电机电流超过额定电流1s，变频电机监控系
统会向压缩机系统发出预过载报警信号（图4），这样压缩机系统就可以降低转
速参数，避免发出过载停机信号。

当电机电流低于设定值1秒后，报警信号关闭，如果报警信号持续1分钟以上，监控系统将以每分钟2%的减速率降低速度参数的
上限值，以降低电机电流。

2.3.2 降低压缩机负载
调度员在选择工况时，应控制压缩机流量，使其在压缩机性能曲线的合理范
围内运行，可通过降低出口压力、打开防喘振阀和提高进口温度来降低负载。

2.4 改造效果
限流改造后，这种停机没有发生，减少了非正常停机次数，提高了机组运行
水平，同时对压缩机负荷控制程序进行了修改，使喘振阀快速开启，避免了压缩
机喘振。

3 自动启机和时钟同步
3.1 问题描述
压缩机组启动运行，不仅需要启动辅助设施（压缩机、电动机润滑油系统、
干启动密封系统）、压缩机充注（指天然气进入压缩机和进出口管道），最终启
动压缩机，而且在启动过程中还需要人的干预。

如果润滑油系统出口油温符合要
求并经人工确认，启动就地PLC柜上需要手动复位的压缩机和电动机润滑油系统
信号，另外，压缩机控制系统与电机控制系统的时间仍不一致，不能正确判断压
缩机组功能部件故障的先后顺序。

3.2 原因分析
3.2.1 考虑到压缩机的安全性，压缩机供应商在压缩机控制系统中隔离了
辅助设施的启动和压缩机的启动。

控制系统未设置自动识别条件，当润滑油系统
等辅助设施满足压缩机启动条件（如油温、油压等）时，需手动确认是否启动压
缩机，在上位机调试压缩机时，不考虑匹配电机的时间同步。

3.2.2 电油系统启动前，电机润滑油流量开关信号传送至PLC柜，油系统
启动后，虽然油流符合要求，但PLC具有故障自保持功能，需要手动复位（图5），变频电机控制系统供应商担心网络病毒入侵，不直接与系统外的网络通信。

在机组调试阶段，变频电机控制系统未按压缩机控制系统或上位机系统的基准时
间进行校验，也未与UCS进行72小时同步试验（图6）。

3.3 解决措施
3.3.1 压缩机
压缩机供应商对UCS进行了重新编程，并在系统控制界面上增加了一个新按钮，将辅助设施和启动整合到一个程序中。

运行人员发出“一键启动”命令后，
润滑油系统开始运行，并自动判断油温（一般20-30分钟内可达到润滑油设定温度），压缩机的UCS系统中设置了m-guard防火墙，具有安全隔离功能，可以保
证电机接入网络时，不会有外部病毒入侵。

3.3.2 电机
为了实现电机润滑油流量开关信号的自动复位，设计了两种方案：①在供油
正常时，将电机流量开关的复位信号从UCS硬件或软件传输到PLC柜，故障信号
复位后，逆变器进入就绪状态。

② 当油系统启动且流量满足条件时，变频器PLC
自动消除润滑油流量报警，变频器PLC向机组控制系统发出信号，准备启动机器。

由于方案2只涉及电机供应商，工作量小，集成成本低，所以选择方案2，在时
钟同步调试方面，三菱melsec-q系列控制器CPU时钟精度高，无需反复检查时间。

为此，对变频系统的监控程序进行了修改，每天通过以太网直接与压缩机UCS系统进行时钟校准。

3.4 改造效果
通过10天的调试，压缩机组控制系统实现了站场一键启动，解决了时差引
起的电机故障分析问题，控制了机组运行，实现了站控系统的远程启动。

4 总结与讨论
通过对近年来电动压缩机组调试中存在的问题及对策的分析，得出以下结论：为了使管道压缩机系统的效率最大化，必须加强设备的综合研究。

在此基础上，
对压缩机电机在线运行系统进行了研究，制定了限流保护、一键启动、时钟同步
等控制措施，实现了系统的资源共享和协同工作，有利于降低建设、运行和维护
成本，进一步提高了气动压缩机组电气控制系统的自动化水平，加强了控制系统
的出厂试验验证[3]。

参考文献：
[1]王华青,姜进田,潘涛,等.燃驱压缩机组GE普通型与GE-DLE型能效对比
分析[J].石油石化节能,2018,8（4）：50-51
[2]刘子晓,梁伟,林扬,等.一种燃驱压缩机组效率的评价方法[J].流体机械，2017，45（12）：38-44
[3]郭刚,高仕玉,卜乾.西气东输管道燃驱压缩机组节能改造的实施与效果[J].燃气轮机技术,2017,30（2）：64-67。