LOGO!与变频器在石化企业成品油发油系统中的应用

田海洋

(山东石大科技集团有限公司，山东东营 257061)

0 引言

在中小型石油化工企业的实际生产中，成品油发油系统一般采用电机驱动离心泵与阀相结合完成油品外送的流量控制，该控制方式中泵的转速恒定，输油管线中油品流量完全依赖于管线上阀的开度，由于成品油销量受市场需求量影响，需要根据外来油罐车车辆数量变化，对管输油流量经常调整。频繁调节阀位，不仅操作繁琐，元件机械磨损大，而且泵在节流运行中伴有巨大的能源浪费。

为了解决上述问题，本文介绍一种利用西门子LOGO!作为逻辑控制器，变频器作为电机调速设备实现发油泵多级流量调节功能的改造方案，该方案一次投资少，具有明显的节能优势，而且适合成品油发油系统多种油品、多个出口、多级流量的实际需要。

1 LOGO!性能简介

LOGO!是西门子公司研制的通用逻辑模块，它不仅集成了与、或、非等各种基本控制逻辑模块，还能完成定时、计数和时钟等功能。LOGO!本身带有显示屏和键盘，编程时可以直接通过键盘输入，也可以在计算机上编写和测试后下载至LOGO!上。

LOGO!输入信号为数字量，输出信号为继电器或晶体管开关量，允许通过最大电流为8 A，电源电压有交流220 V和直流24 V两种。LOGO!内有程序存储卡，上电后，程序会自动复制到LOGO!中，即使突然断电，其中的程序也不会丢失。LOGO!程序实际上是由不同方法表示的线路组成，程序采用STEP 7流程图模式，可以充分利用资源。LOGO!获得cULus和FM认证，可在抗震动、抗干扰和危险场所满足较高要求。与传统可编程逻辑控制(Programmable Logic Controller，PLC)相比，更加经济、方便，用其组成简单的控制系统，控制更可靠，易于方案修改，具有较高的性价比。

2 变频器在成品油发油系统中的优势分析

2.1 成品油发油系统特点分析

成品油发油系统负责石化企业产品装车外送，具有同时可以发送多种油品及同种油品多口发送的特点，发油口开放数量需要根据拉油罐车的数量经常变化，这就要求输油管线中油品流量随着发油口开放数量进行分级调整，来保证每个发油口压力稳定，管线流量调整比较频繁。

2.2 发油泵的阀调节与变频调节性能比较

从上述分析可以看出，石化企业成品油发油泵流量经常变化，这种情况下通过变频调速控制流量与调节油泵的出口阀门开度控制流量相比具有明显优势。根据离心泵的工作原理可知:在不同的转速下，油泵的流量(Q)、扬程(H)、轴功率(P)、电机转速(n)有以下关系:

根据式(1)可知，对于恒速泵，电机输出功率与流量和扬程乘积成正比，通过减小阀门开度来降低流量，电机输出功率不变，扬程必然增大，大部分浪费在克服阀门阻力上。采用变频调节降低泵转速，则可以实现流量变小，同时泵的扬程、电机输出功率也变小，电机输出功率将大幅减小。两种流量调节方式下泵的工作特性曲线如图1所示。

图1 不同转速下Q-H曲线与管阻特性关系

从图1可以看出，油泵的正常工作点为A，当流量需要从Q1调到Q2时，采用阀门调节工作点为B点，扬程增大，系统管道长期在高压下运行，降低了油泵的运行效率，缩短了油泵电机及阀门的维修周期;采用变频调速工作点为C点，扬程随之减小，保持高效率运行，图中阴影部分即为变频调速实际节约的能耗。

另外，阀调节容易使油枪产生水击，油枪发油流速过高，不易控制，使用变频调速调节，则流量变化平缓，可以有效消除水击现象，降低作业强度和噪声污染，提高输油泵的实际运行效率。通过以上分析可以看出，成品油发油泵用变频调节比传统的阀调节有明显优势。

2.3 变频器的多级频率调速功能

目前工业用大多数变频器都具备多级转速功能，以本文选用的富士5000G11S型变频器为例，说明其实现多级频率功能的设置方式。富士5000G11S型变频器可在C05～C19功能代码中写入各级目标频率值，最多可以设定15级不同频率设定范围为0.00～400.00 Hz，再由变频器多功能输入端子X4、X3、X2、X1外接开关的通断组合输入4位二进制编码，通过所输入的不同编码来确定选择C05～C19中的某个频率值，变频器即可输出该频率运行，直到多功能输入端子输入编码发生变化时，再输出相应频率运行。具体频率输入编码如表1所示。

表1 多级频率编码表

3 控制系统方案设计

山东石大科技集团有限公司轻质油装车台有0#柴油发油口3个，可满足1～3台油罐车同时装油，无装油车时发油口全关。其发油泵设计流量为139 m3，拖动电机型号为YB2225M－4，功率为45 kW。系统对电气控制的要求如下:

(1)发油泵运行、停止由装车台远程控制，有任意一发油口处于开放状态发油泵运行，无发油口开放时发油泵停止。

(2)发油泵转速与装车台发油口开放数量对应，即开放1口33%转速，开放2口66%转速，开放3口100%转速。

(3)装车台现场装设变频器运行、停止、故障指示，以及现场急停装置。

3.1 硬件设计

根据该公司成品油发油实际控制要求，利用LOGO!与富士变频器作为发油泵的主要控制元件，所构成的成品油发油泵控制系统原理图如图2所示。

图2 成品油发油泵控制系统图

图2 中 S11、S12，S21、S22，S31、S32 分别为 3个发油口现场操作柱发油开始和停止按钮，HD1、HD2、HD3为现场操作柱状态指示灯，YD为变频器故障指示灯。现场安装的急停开关1个，在紧急情况下切断系统控制电源。变频器型号为FRN45G11S－4CX，不仅用于对电机调速控制，还用来完成电机的过载、过流、过电压、失压及自身故障停机等保护功能，30B、30C为变频器的总报警输出，有输出则油泵停机，现场YD灯点亮。LOGO!作为逻辑控制单元，对装车台发油口开放及停止状态进行采集和编程，控制变频器的输出频率，其I/O组态如表2所示。

表2LOGO!I/O组态表

3.2 软件设计

LOGO!输入端子连3个接现场操作柱的起动、停止按钮，经过内部逻辑编程，输出不同的编码组合至变频器的多功能输入端子X1～X3。根据表1，将变频器的多级频率设定为 C05=16.5 Hz，C06=33 Hz，C08=50 Hz，则 LOGO!的逻辑关系应满足:当现场发油口只有1个运行时Q1、Q2输出，当现场发油口有任意2个运行时Q1、Q3输出，当现场发油口3个全部运行时Q1、Q4输出。使现场发油口开放数量与变频器的多级频率形成对应关系，完成对成品油发油流量的多级控制。LOGO!的逻辑图如图3所示。

图3LOGO!逻辑图

4 结语

该成品油发油系统控制方案使用LOGO!和富士变频器控制发油泵拖动电机的起动和多级转速运行。与传统发油系统控制方式相比，存在较大优势:

(1)节电效益高。用变频调速实现流量控制，消除了调节阀控制在低流量时的能量损失，由于实际使用中泵经常运行在33%额定转速和66%额定转速，该系统平均节电率约为30%，节电效果明显。

(2)系统稳定性高。使用LOGO!及富士变频器完成系统控制，有效减少了电机的起动次数、阀门的频繁调节和机泵磨损，延长了设备的使用寿命，大幅降低了设备维护频次，提高了设备运行的安全性、可靠性。

通过多年在生产实践中的使用证明，该改造方案满足成品油发油系统的控制要求，操作简便，运行稳定，结构简单，为中小型石油化工企业发油系统的控制提供了有效途径，具有推广性。

［1］原魁，刘伟强，邹伟，等.变频器基础及应用［M］.2版.北京:冶金工业出版社，2004.

［2］姚锡禄.变频器控制技术与应用［M］.福州:福建科学技术出版社，2005.

［3］杨诗成，王喜魁.泵与风机［M］.3版.北京:中国电力出版社，2007.

［4］王仁祥，王小曼.通用变频器选型、应用与维护［M］.北京:人民邮电出版社，2005.

［5］西门子中国有限公司.LOGO!编程参考手册［G］.2003.