Автоматизация оборудования

Введение

Автоматизация - это применение комплекса средств, позволяющих  осуществлять производственные процессы без непосредственного участия  человека, но под его контролем. Автоматизация  производственных процессов приводит к увеличению выпуска, снижению себестоимости  и улучшению качества продукции, уменьшает численность обслуживающего персонала, повышает надежность и долговечность  машин, дает экономию материалов, улучшает условия труда и техники безопасности.

Автоматизация освобождает  человека от необходимости непосредственного  управления механизмами. В автоматизированном процессе производства роль человека сводится к наладке, регулировке, обслуживании средств автоматизации и наблюдению за их действием. Эксплуатация средств  автоматизации требует от обслуживающего персонала высокой техники квалификации.

Газораспределительная станция (ГРС) является основным объектом в  системе магистральных газопроводов, функцией которой является понижение  давления газа в трубопроводе и его  подготовка для потребителя. Современные  ГРС - сложные, высокоавтоматизированные и энергоемкие объекты. Эксплуатация газопроводов может происходить  при различных режимах, смена  которых происходит при изменении  вариантов включения в работу агрегатов. При этом возникает задача выбора наиболее целесообразных режимов, соответствующих оптимальной загрузке газопровода.

С развитием электронной  вычислительной техники стало возможным  автоматизированное управление ГРС. В  настоящее время на объектах ГРС  широко используются как отечественные  системы автоматизации, так и  зарубежные контрольно-измерительные  приборы, системы автоматики и телемеханики.

Назначение станции - понижение  рабочего давления до заданного значения. Система управления должна быть достаточно сложной, чтобы учесть все разнообразие статических и динамических характеристик станции. Затраты на систему управления несоизмеримы с потерями от аварий. Систему защиты можно сравнить с противопожарными системами, которые окупаются сразу после установки за счет экономии от несостоявшихся пожаров.

Задача систем автоматизации заключается в управлении агрегатом в соответствии с командами, поступающими от оператора, контроле технологических параметров, обеспечении защиты магистральной газораспределительной станции. Решение данных задач на сегодняшний день является актуальной темой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Подогреватели газа

Наибольшие трудности  при редуцировании газа возникают  из-за образования гидратов, которые  в виде твердых кристаллов оседают  на стенках трубопроводов в местах установки сужающих устройств, на клапанах регуляторов давления газа, в импульсных линиях контрольно-измерительных приборов (КИП). Наиболее благоприятны для образования  гидратов падение температуры и  давления, что влечет за собой уменьшение как упругости водяных паров, так и влагоемкости газа, в результате чего происходит образование гидратов.

В качестве методов по предотвращению гидратообразования применяют:

1. общий или частичный подогрев газа;
2. местный обогрев корпусов регуляторов давления;
3. ввод метанола в коммуникации газопровода.

Наиболее широко применим первый метод, второй — менее аффективен, третий — очень дорогостоящий.

Для общего подогрева газа применяют огневые (ПГА-5, ИГА-10, ПГА-100, ПГА-200 и ПТА-1) и водяные [ПГ-3, ПГ-10, 9ПГ64-2М (ЗМ), ПТПГ-30 и ПТГ-15] подогреватели. Для эксплуатации ПГ-3 и 9ПГ64-2М(ЗМ) необходимы мощные котельные установки, стационарные или передвижные, а также постоянные инженерные коммуникации по водоснабжению, канализации и электроснабжению.

Поскольку химическая подготовка и очистка воды отсутствует, происходит быстрое нарастание накипи на внутренних стенках водопроводных труб, уменьшающих проходное сечение последних, что приводит к плохому теплообмену между горячей водой и газом, к утрате эффективности подогрева газа теплообменниками.

При использовании в системах подготовки и транспорта природного газа теплоиспользующих установок  одним из ключевых вопросов является экономия расхода газа на собственные  нужды, для обеспечения которой  требуется тщательный расчёт, подбор необходимого количества подогревателей газа определённых типов и организация их работы в номинальных режимах, с достижением наивысших значений КПД.

В составе технологического оборудования газораспределительных  станций (ГРС), компрессорных станций (КС) присутствуют подогреватели газа с промежуточным теплоносителем, предназначенные для подогрева  газа перед дросселированием.

Основным параметром работы ГРС, КС является их пропускная способность. Соответственно, проектными организациями  при подборе подогревателей газа для использования в составе  ГРС, КС, за основу принимается соответствие  их пропускной способности параметрам  ГРС,  КС.  При этом,  теплопроизводительность  подогревателей при работе в реальных условиях, как правило,  не  проверяется,  при подборе оборудования  не учитывается.

Фактическая загрузка ГРС, как  правило, намного ниже проектной (отражаются последствия экономического спада). Подогреватели работают на режимах, в 8-10 раз ниже проектных, что отрицательно отражается на результатах их работы (обильное конденсатообразование, ненадёжная работа горелок, отказы в работе системы  автоматизации).

Проектирующие и эксплуатирующие  организации вынуждены использовать при нагреве газа метод смешения, заключающийся в том, что нагреву  подвергается лишь часть газа, но до высокой температуры (чтобы подогреватели  работали в номинальных режимах), после чего горячий газ смешивается  с холодным и смесь приобретает  необходимую для предотвращения гидратообразования температуру. Однако, на сегодняшний день отсутствуют  какие-либо методики для корректного  решения данной технологической  задачи.

 

 

 

1.1. Подогреватели углекислого газа для дуговой полуавтоматической сварки.

Наиболее распространенным способом сварки в промышленности является полуавтоматическая сварка плавящимся электродом в среде защитных газов. Во время сварочных работ в системе подачи защитного углекислого газа могут возникать следующие проблемы:

1. При перемерзании регулятора  возникают пульсации скорости  истечения газа из сопла, что  приводит к нарушению защитной  газовой завесы и ухудшению  качества шва;

2. При перемерзании регулятора  расхода в паузах сварки часто  происходит сброс газа через  его предохранительный клапан  из-за нарушения герметичности  редуцирующего клапана, что приводит  к перерасходу газа и снижению  производительности в связи с  необходимостью перекрытия вентиля  баллона и обеспечения выдержки  времени на размораживание регулятора;

3. Холодный газ (до  минус 20°С) в системе подачи  газа полуавтомата нарушает работу  пневматического клапана, что  приводит к нарушению его герметичности  и потерям газа в паузах  сварки;

4. Частые и с высокой  амплитудой перепады температуры  газа, подаваемого из регулятора, резко снижают ресурс работы  пневматического клапана и всей  системы подачи газа;

5. При истечении холодного  газа из сопла в потоке завесы  из-за повышения вязкости газа  резко возрастает вероятность  возникновения макро вихрей, что  приводит к образованию вокруг  сварочной ванны "рваной" газовой  завесы, пропускающей кислород, и  ухудшению качества шва;

6. Интенсивное охлаждающее  действие холодного углекислого  газа приводит к повышению  напряжения дуги, что снижает  ее устойчивость и ухудшает качество шва.

Все вышеперечисленные проблемы можно решить только при использовании  подогревателя, обеспечивающего положительную  температуру газа на выходе регулятора расхода, близкую к температуре окружающей среды во всем диапазоне расхода газа (до 30 л/мин) с минимальными перепадами температуры газа при переходных процессах.

В настоящее время используются следующие конструктивные типы подогревателей:

тип 1 – проточный прямого  нагрева;

тип 2 - накладной на корпус регулятора;

тип 3 - проточный косвенного нагрева с каналом теплообмена;

тип 3а - проточный косвенного нагрева;

тип 3б - косвенного нагрева  встроенный в регулятор;

тип 4 - проточный косвенного нагрева с завихрителем.

Подогреватель проточного типа прямого нагрева (тип 1) представляет собой герметичный сосуд, внутри которого расположен керамический изолятор с электрическим нагревателем (спираль нихромовая). Из-за очень низкой надежности этот подогреватель в настоящее время снят с производства.

Подогреватель накладной  на корпус регулятора (тип 2), выпускаемый и в настоящее время в РФ, имеет подвод тепла, осуществляемый через корпус регулятора расхода, и имеет ряд существенных недостатков:

I. Hизкий коэффициент полезного  действия, так как большая часть  тепловой энергии уходит в  окружающую среду;

II. Чрезвычайно сильная  зависимость эффективности от  температуры окружающей среды  и влажности; 

III. Зависимость от конструкции  регулятора расхода, т.е. от  теплового сопротивления пути  прохождения теплового потока;

IV. Часто имеет температуру  корпуса подогревателя более  80°С (ограничение по технике безопасности);

 Низкая надежность из-за:  

1. значительного перегрева спирали в связи со слабым отводом от нее тепла (конвекция по воздуху); 

2.  нестабильности работы и малого ресурса биметаллического регулятора температуры открытого типа;

  3.  хрупкости керамического изолятора;

  4. слабого крепления подогревателя к корпусу регулятора.

Подогреватель проточного типа косвенного нагрева с каналом  теплообмена (тип 3), производимый в 2003 году в РФ, представляет собой корпус со встроенным в него нагревательным элементом и удлиненным каналом теплообмена для прохождения газа. В этом подогревателе применён нагревательный элемент, выполненный из специального углеродного материала. Слабая эффективность теплообмена этого подогревателя обуславливалась большим размером зазора в канале теплообмена (более 2 мм). В качестве регулятора температуры применен более надежный термостат закрытого типа. Из-за больших габаритов и высокой цены нагревательного элемента этот подогреватель был снят с производства.

Подогреватель проточного типа косвенного нагрева (тип 3 а), производство которого освоено в начале 2004 года в РФ, представляет собой корпус с встроенным в него нагревательным элементом и простыми каналами для прохождения газа. Подогреватель осуществляет частичный нагрев газа и через материал входного штуцера нагревает регулятор расхода. В данной конструкции применен более надежный нагревательный элемент. В качестве регулятора температуры применен более надежный термостат закрытого типа. Однако этот подогреватель также имеет ряд существенных недостатков:

• низкий коэффициент полезного действия, так как большая часть тепловой энергии уходит в окружающую среду при низкой теплоотдаче проходящему через него газу и высоком сопротивлении тепловому потоку от корпуса подогревателя к корпусу регулятора расхода;
• сильная зависимость его эффективности от температуры окружающей среды и влажности;
• зависимость от конструкции регулятора расхода, т.е. от теплового сопротивления пути прохождения теплового потока.

Этот подогреватель решает только часть проблем - обеспечивает работоспособность регулятора расхода  в малом диапазоне расхода  газа и при использовании углекислого  газа высшего сорта с малым  содержанием влаги.

Следующий тип - подогреватель косвенного нагрева, встроенный в регулятор расхода (тип 3 б). В этой конструкции повышен коэффициент полезного действия за счет значительного снижения теплового сопротивления от нагревательного элемента до редуцирующего клапана. При этом регулятор работает устойчиво при больших расходах газа. Однако, из-за низкой теплопередачи проходящему через него газу, на выходе регулятора температура газа недостаточна для нормальной работы (ниже нуля), и в этом случае проблемы решаются лишь частично - только для редуцирующего клапана регулятора. Кроме того, совмещенная конструкция регулятора и подогревателя не всегда удобна в эксплуатации.

В подогревателе  проточного типа косвенного нагрева  с завихрителем (турбулизацией) газового потока (тип 4) сделана серьезная попытка резко повысить теплопередачу от нагревательного элемента к проходящему через него газу. Эта задача решена известным способом – повышение интенсивности теплообмена обеспечивается срывом и разрушением вязкого подслоя выступами шероховатости и возникновением вихревых зон в потоке нагреваемого газа. Конструктивно этот способ заключается в том, что газ пропускается через зазор между поверхностью отверстия с резьбой М8 и стержня с резьбой М6. Выступы резьбы М8 и М6 с разным шагом и являются завихрителями газового потока. Из-за ограничений на температуру корпуса подогревателя (не более 80°С, согласно приложения ГОСТ 12.2.007.9-93 ), температура теплообменных поверхностей ограничена. При этом эффективности вихревого теплообмена оказалось недостаточно, что резко ограничило производительность подогревателя (до 8 л/мин).

Все вышеописанные типы подогревателей, как показали испытания, не выполняют  поставленной задачи:

• даже при расходе газа 15 л/мин температура газа в установившемся режиме падает более чем в два раза по отношению к первоначальной (от +12°С у подогревателя 2-го типа до минус 2°С у подогревателя типа 3а);
• все подогреватели имеют отрицательную температуру газа на выходе регулятора расхода в установившемся режиме при расходе газа 30 л/мин (от минус 1°С у подогревателя 2-го типа  до минус 18°С у подогревателя типа 3а);

Для выполнения поставленной задачи необходимо решить следующие  технические проблемы при разработке подогревателей:

• резко повысить эффективность теплопередачи проходящему газу;
• упростить конструкцию подогревателя;
• повысить надежность подогревателя и его ресурс работы;
• уменьшить массу подогревателя, а, следовательно, снизить его тепловую постоянную времени, что повысит быстродействие подогревателя и снизит перепад температур при переходных процессах;
• обеспечить ограничение температуры корпуса подогревателя не более 80°С, согласно требованию ГОСТ 12.2.007.9.

 

 

 

 

 

 

 

1.2. Принципиальная схема технологии смешения

Наиболее часто при  подогреве газа на ГРС, либо КС различной  производительности используется технология смешения, принципиальная схема которой  приведена на рисунке 1.

Поступающий на ГРС, КС газ  с помощью регулирующих клапанов делится на два потока, один из которых  направляется в подогреватели газа, где нагревается до заданной температуры. Оставшийся поток холодного газа смешивается в смесителях, либо непосредственно  в газопроводе с горячим газом, поступающим после нагрева в  подогревателях. Смесь газа направляется для снижения давления в узел редуцирования.

Рисунок 1.

 

На рисунке 1 приведены следующие обозначения:

1 — узел переключения,

2 — узел подогрева  газа,

3 — сместитель,

4 — узел редуцирования 

Gгг — расход горячего  газа, подаваемого на смешение, нм3/ч;

Gхг — расход холод  ного газа, подаваемого на смешение, нм3/ч;

G — расход газа на  входе в ГРС, КС; нм3/ч;

Cгг, Cвх — теплоемкости  горячего, холодного газа, ккал/(м3  · °С);

Cсм — теплоемкость  смеси горячего с холодным  газом, ккал/(м3 · С);

Cвых — теплоемкость  газа на выходе из узла редуцирования,  ккал/(м3 · °С);

tгг — температура  горячего газа, °С;

tвх — температура  газа на входе в ГРС, °С;

tсм — температура  смеси горячего с холодным  газом, °С;

 Рвх — давление  газа на входе в узел редуцирования  МПа;

 Рвых — давление  газа на выходе из узла редуцирования,  МПа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Счетчики газа с датчиками температур

  Целью учета расхода газа является определение объема природного газа, проходящего через каждого участника сети газораспределения для проведения взаимных расчетов. Поскольку проходящие объемы газов измеряются при различных температурах, давлении, плотности, то измеренные объемы газа необходимо привести к единым, постоянным параметрам. Центральными вопросами учета природного газа являются достоверность учета и обеспечение совпадения результатов измерения на узлах учета поставщика и потребителей: приведенный к стандартным условиям объем газа, отпущенный поставщиком, должен быть равен сумме приведенных к стандартным условиям объемов газа, полученных всеми потребителями. Последняя задача называется сведением балансов в пределах устойчивой структуры газораспределения. Следует отметить различие, существующее между измерением расхода и количества, и их учетом. В отличие от результатов измерений, всегда содержащих погрешность, учет осуществляется между поставщиком и потребителем по взаимосогласованным правилам, обеспечивающим формирование значения объема природного газа в условиях, не содержащих никакой неопределенности.

Классификация счетчиков:

1. Существующие устройства учета расхода газа по пропускной способности можно классифицировать на следующие группы:

• бытовые — с пропускной способностью до 10 м?/ч;
• коммунально-бытовые — с пропускной способностью от 10 до 40 м?/ч;
• промышленные — с пропускной способностью свыше 40 м?/ч.

2. По методу измерения можно классифицировать на следующие группы:

• основанные на гидродинамических методах:
• переменного перепада давления (расходомеры переменного перепада давления с суживающими устройствами);
• обтекания (ротаметры, поплавковые, поршневые, поплавково-пружинные и с поворотной осью);
• вихревые (струйные, вихревые).

3. С непрерывно движущимся телом:

• тахометрические (турбинные, камерные, барабанные, ротационные, мембранные объемные счетчики и др.);
• силовые (массомеры газа, в работе которых используется Кориолисов эффект).

4. Основанные на различных физических явлениях:

• тепловые (калориметрические, с внешним нагревом, термоанемометрические);
• акустические (ультразвуковые);
• электромагнитные;
• оптические (лазерно-доплеровские анемометры).

5. Основанные на особых методах:

• меточные;
• концентрационные.  

   Рассмотрим мембранные (диафрагменные, камерные) газовые счётчики.

         Мембранный счетчик газа (ещё  их называют: диафрагменный или  камерный) – это газовый счетчик,  принцип действия которого основан  на том, что при помощи различных  подвижных преобразовательных элементов  газ разделяют на доли объема, а затем производят их циклическое суммирование.

       Диафрагменный  газовый счетчик состоит из: корпуса 1, крышки 2, измерительного механизма 3, кривошипно-рычажного механизма 4, связывающего подвижные части диафрагм (мембран) с верхними клапанами 5 газораспределительного устройства, сёдел клапана (нижняя часть распределительного устройства) и счетного механизма.  Корпус и крышка счетчика могут быть:

- стальными, штампованными  с покрытием против искрообразования  и коррозии. Соединение стального  штампованного корпуса и крышки  осуществляется посредством герметизирующего  материала и стяжной пластины 6, они обеспечивают плотное прилегание двух частей друг к другу;

- алюминиевыми, литыми.

 

 

1. Счетчик газа BK G10T с корректором объема газа ТС220 и датчиком температуры

Счетчик газа BK G10T с корректором  объема газа ТС220 и датчиком температуры  предназначен для измерения количества газапрошедшего через счетчик - природного, сжиженного, нефтяного и других неагресивных газов. Основная область применения счетчиков газа - жилищно-коммунальное хозяйство.

Параметры:

 Максимальный расход: 25 м3/ч

Минимальный расход: 0,1 м3/ч

Максимальное рабочее  давление: 100 кПа

Температура эксплуатации: -20...+50

 Масса: 6 кг

Габаритные размеры: 405x330x234 мм

Размер резьбы штуцеров: G1 1/2 дюйм

Межосевое расстояние: - мм

Диаметр условного прохода: 40 мм

Межповерочный интервал: 10 лет

Корректор объема газа ТС 220

Назначение: Корректор объема газа ТС220 предназначен для приведения рабочего объема газа, прошедшего через счетчик, к стандартным условиям (давление газа - 760 мм. рт.ст., температура газа +20°С) путем вычисления коэффициента коррекции с использованием измеренного значения температуры газа, подстановочных значений давления и коэффициента сжимаемости газа. Является продолжением и развитием корректоров серии ТС.

Область применения:

Совместно со счетчиками газа в промышленных и бытовых узлах  коммерческого учета природного газа.

Конструкция:

Корпус корректора состоит  из двух отсеков: микропроцессорного и  батарейного. Клеммные колодки для  подключения входных и выходных цепей расположены в батарейном отсеке. Интерфейс информативен и  прост. Буквенно-цифровой дисплей и 2-х кнопочная клавиатура, а так  же оптический последовательный порт передачи данных, расположены на лицевой  панели прибора. Подключение к RS232/RS485 интерфейсу осуществляется по разъему, расположенному на правой боковой панели прибора. Датчик температуры входит в состав изделия и поставляется предустановленным. Срок службы автономного  источника питания при номинальном  режиме работы составляет 5 лет. Возможность  подключения внешнего источника  питания постоянного тока +5...9В.

 Выполняемые  функции: 

• Вычисление стандартного объема газа;
• Учет объема газа при рабочих условиях;
• Измерение температуры газа;
• Вычисление коэффициента коррекции;
• Мониторинг несанкционированного вмешательства в работу корректора;
• Формирование выходных импульсов, пропорционально значению рабочего / стандартного объема газа;
• Архивация данных;
• Передача данных по интерфейсам RS232/RS485 и оптическому интерфейсу;
• Передача данных по GSM/GPRS каналам.

Технические характеристики:

• Формирование архива объемом более 2300 записей с интервалом час, день или месяц;
• Архивирование значений параметров расхода газа (стандартный Vс и рабочий V объемы газа, давление Р, температура Т, коэффициент коррекции С, статусная информация), необходимых для коммерческого учета;
• Просмотр архива на дисплее корректора;
• Сигнализация о нештатных ситуациях (несанкционированное вмешательство, нарушение границ измеряемых параметров и т. п.);
• 2-х кнопочная клавиатура для удобной навигации по спискам меню;
• Оптический интерфейс, не требующий коммутации проводов;
• Проводной последовательный интерфейс RS232/RS485;
• Протокол передачи данных в соответствии с международным стандартом ГОСТ Р МЭК 61107;
• Оптимизирован для подключения коммуникационных модулей БПЭК-03/Т, БПЭК-04/ТС;
• Встроенная в корректор функция передачи данных по GPRS каналу (через коммуникационные модули БПЭК-03/Т, БПЭК-04/ТС;);
• Унифицированная конструкция корпуса корректора позволяет устанавливать прибор на все типы механических счетчиков газа, выпускаемых ООО "ЭЛЬСТЕР Газэлектроника". Предлагаемые комплекты монтажных частей предназначены для установки на счетчики газа СГ, TRZ, RVG, BK, на трубопровод ли на стену. Вариант монтажа оговаривается в процессе формирования заказа;
• 2 счетно-импульсных входа;
• 2 импульсных (сигнальных) выхода;
• Cрок работы от встроенного элемента питания более 5 лет при стандартных условиях;
• Замена элемента питания без потери данных;
• Температура окружающей среды -30°С до +60°С;
• Взрывозащищенное исполнение;
• Класс защиты IP 65;
• Совместимость с программным обеспечением СОДЭК, WinPADS;
• Возможность подключения внешнего источника питания постоянного тока +5...9В;
• Межповерочный интервал 5 лет.