Phương án điều khiển PLC cho hai máy nén khí gas được điều khiển bằng biến tần, vận hành song song để cấp khí vào đường ống tổng

Tổng quan hệ thống

Trong hệ thống vận chuyển khí công nghiệp, việc sử dụng hai máy nén khí gas được điều khiển bằng biến tần, vận hành song song để cấp khí vào đường ống tổng, có thể nâng cao hiệu quả ổn định cung cấp khí cũng như tăng cường khả năng dự phòng của hệ thống. Thông qua bộ điều khiển logic lập trình (PLC) để thực hiện điều khiển tập trung, không chỉ đạt được việc điều chỉnh áp suất chính xác mà còn tối ưu hóa hiệu suất vận hành thiết bị, đồng thời giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.

Cấu hình phần cứng và kiến trúc hệ thống

Việc xây dựng một kiến trúc điều khiển ổn định, đáng tin cậy là nền tảng để hiện thực hóa chế độ vận hành song song. Hệ thống chủ yếu bao gồm các thành phần cốt lõi sau:

• Bộ điều khiển PLC:Là lõi điều khiển của toàn bộ hệ thống, đảm nhiệm việc thu thập dữ liệu, thực hiện tính toán logic và phát lệnh điều khiển.
• Biến tần:Điều khiển riêng biệt hai động cơ của hai máy nén khí than, nhận tín hiệu đặt tần số từ PLC, nhằm thực hiện điều chỉnh vô cấp tốc độ quay của động cơ.
• Mạng cảm biến:Bao gồm bộ truyền áp suất tổng của đường ống, các cảm biến áp suất và nhiệt độ tại đầu vào và đầu ra của từng máy bơm tăng áp, đồng hồ đo lưu lượng cũng như thiết bị phản hồi trạng thái vận hành của động cơ.
• Cơ quan thực hiện:Chẳng hạn như van điện nhập khẩu và xuất khẩu, van xả khí, v.v., được sử dụng để phối hợp với máy nén áp suất nhằm thực hiện việc khởi động–dừng và chuyển đổi chế độ vận hành.

Chiến lược điều khiển cho vận hành song song

Khi hai máy nén áp suất vận hành song song, khó khăn cốt lõi nằm ở việc điều phối công suất của hai thiết bị nhằm tránh tình trạng phân bổ tải không đồng đều. Thông thường người ta sử dụngĐiều khiển chủ-từHoặcĐiều khiển cân bằng tảiChiến lược.

• Chế độ điều khiển chủ–từ:Thiết lập một máy làm máy chủ, máy kia làm máy phụ. Máy chủ chịu trách nhiệm thực hiện phép tính PID dựa trên giá trị đặt của áp suất đường ống tổng và xuất ra tín hiệu tần số; còn máy phụ sẽ đồng bộ theo dõi tần số hoặc dòng điện vận hành của máy chủ, nhằm duy trì sự nhất quán về công suất giữa hai thiết bị.
• Chế độ cân bằng tải:PLC thu thập thời gian thực dòng điện hoặc công suất vận hành của hai máy nén áp lực, đồng thời thông qua thuật toán nội bộ để điều chỉnh linh hoạt tần số đặt của hai biến tần, nhằm đảm bảo tỷ lệ tải của hai thiết bị gần như bằng nhau, từ đó kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

Điều khiển biến tần và điều chỉnh vòng kín áp suất

Mục tiêu cốt lõi của việc cấp khí vào đường ống tổng là duy trì sự ổn định của áp suất trong mạng lưới. PLC đạt được mục tiêu này thông qua điều khiển vòng kín theo áp suất:

• Thu thập và xử lý tín hiệu:Bộ truyền tín hiệu áp suất đường ống tổng chuyển đổi tín hiệu áp suất theo thời gian thực thành tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số chuẩn để truyền tới PLC.
• Tính toán PID:Khối chức năng PID bên trong PLC so sánh giá trị áp suất thực tế với giá trị áp suất mục tiêu đã được thiết lập theo quy trình, tính toán sai lệch, đồng thời thực hiện các phép toán tỷ lệ, tích phân và vi phân để xác định lượng điều chỉnh tần số.
• Phân phối và thực thi tần số:PLC gửi lệnh tần số đã tính toán đến biến tần. Khi áp suất trong mạng ống thấp, tăng tần số đầu ra của biến tần để nâng tốc độ quay và lưu lượng của máy bơm tăng áp; khi áp suất cao, giảm tần số nhằm giảm lưu lượng khí cấp.

Cơ chế bảo vệ an toàn và liên động

Khí gas thuộc loại môi chất nguy hiểm dễ cháy nổ, do đó hệ thống liên động an toàn khi các máy nén hoạt động song song đóng vai trò hết sức quan trọng. PLC cần được trang bị logic bảo vệ hoàn chỉnh:

• Kiểm soát chống rung:Khi chế độ vận hành của máy nén áp suất gần đạt tới vùng xảy ra hiện tượng rò rỉ khí, PLC sẽ nhanh chóng mở van xả chống rò rỉ hoặc van hồi lưu nhằm tăng lưu lượng vào, bảo đảm thiết bị vận hành an toàn.
• Bảo vệ quá áp và bảo vệ thấp áp:Khi áp suất đường ống tổng vượt quá ngưỡng an toàn, PLC tự động giảm tần số biến tần, thậm chí dừng máy; khi áp suất xuống dưới ngưỡng thấp, hệ thống sẽ kích hoạt cảnh báo và khởi động thiết bị dự phòng.
• Chuyển đổi tự động khi sự cố:Nếu máy nén chính đang vận hành gặp sự cố nghiêm trọng, PLC sẽ ngay lập tức ngắt kết nối máy bị lỗi và tự động khởi động mượt mà máy nén dự phòng, đảm bảo nguồn cung khí cho đường ống tổng không bị gián đoạn.
• Liên động thứ tự khởi động và dừng:Thực hiện việc điều khiển theo đúng trình tự an toàn của quy trình, bảo đảm tính hợp lý trong logic hoạt động của van và động cơ.

Đề xuất điều chỉnh và tối ưu hóa

Trong thực tế ứng dụng kỹ thuật, trước khi đưa hệ thống vào vận hành, cần tiến hành công tác hiệu chỉnh nghiêm ngặt. Trước hết, tiến hành thử nghiệm không tải và có tải đối với từng thiết bị riêng lẻ, nhằm xác nhận các thông số của biến tần và chiều quay của động cơ là chính xác. Tiếp theo, khi vận hành song song, cần căn chỉnh cẩn thận các tham số PID để tránh hiện tượng dao động áp suất trong hệ thống. Cuối cùng, thông qua việc mô phỏng các tình huống sự cố khác nhau, kiểm tra tính chính xác và tốc độ phản hồi của logic liên động PLC, bảo đảm toàn bộ hệ thống truyền dẫn khí than hoạt động an toàn, hiệu quả và ổn định.