3

47

РЕФЕРАТ

Дипломный проект состоит из графической части, объемом ХХ листов и пояснительной записки объемом ХХ страниц, содержащей ХХ таблиц, ХХ рисунков.

Рассматриваемый объект - аппараты воздушного охлаждения газа (АВО газа) ОАО «САМАРАТРАНСГАЗ» Сызранской газокомпрессорной станции.

Цель работы - разработка автоматизированной системы управления аппаратов воздушного охлаждения газа с применением современных средств цифровой и программной логики.

Рассмотрен алгоритм регулятора АВО газа. Определены динамические показатели САУ, построены графики тепловых характеристик АВО газа при различных режимах работы.

Разработана микропроцессорная система управления включающая в себя микроконтроллер построенный на базе технических средств микро-РС производства фирмы "Octagon Sistems".

Смоделирован технологический процесс в Rational Rose.

Разработаны: управляющая программа, подпрограмма регулирования (ППР), написанная на языке C++ и соответствующая его синтаксическим требованиям и моделирующая подпрограмма в составе
управляющей программы.

Выполнены технико-экономические расчеты.

Проработаны вопросы охраны труда и окружающей среды, техники безопасности.

ВВЕДЕНИЕ

Общеизвестно, что в настоящее время ни одна компания не имеет четко проработанных характеристик аппаратов воздушного охлаждения газа (АВО газа), которые позволяли бы сравнивать эффективность затрат энергии в них с затратами энергии в компрессорных цехах. Такое сравнение позволит назначать режимы для совместно работающих АВО и компрессорных цехов таким образом, что суммарные затраты на транспортировку газа в них будут минимально возможными благодаря перераспределению затрат между ними экстремально экономным образом.

Обычно используемые в практике характеристики позволяют рассчитать параметры рабочих режимов оборудования, для которого они построены, в зависимости от воздействия природных факторов (температуры, давления, влажности атмосферы и др.). Предлагаемые методики расчета характеристик АВО газа не могут считаться характеристиками в общепринятом смысле, т.к. не существуют самостоятельно независимо от другого оборудования и являются средствами сопряжения АВО газа с другим оборудованием газопроводов. Тем не менее, они достаточно удобны для изучения “веса” АВО газа относительно остального оборудования газопроводов и разработки концепции экстремально экономного регулирования.

Разработан адаптивный способ расчета текущих характеристик АВО газа с использованием специально разработанного для этой цели математического аппарата и создано на его основе программное обеспечение. Этот способ является безальтернативным, так как не требует установки на АВО газа никакого дополнительного оборудования.

Предполагается использовать регулятор, входящий в состав локальной интеллектуальной станции (ЛИС) построенной с применением программно-технических средств micro-PC фирмы Octagon Systems.

Обработка информации в ЛИС осуществляется в соответствии с алгоритмами управления АВО газа при этом обеспечивается выполнение функции управления:

-автоматическое управление исполнительными механизмами (вентиляторами) АВО газа по заданным алгоритмам;

-защиту технологических блоков АВО газа от развития аварийных ситуаций;

-дистанционное управление ИМ по командам оператора;

-запрет выполнения команд оператора при работе АВО газа в автоматическом режиме, если они не предусмотрены алгоритмами управления;

-выполнение аварийного останова (АО) АВО газа;

Вначале регулятор автоматически построит соответствующие приведенные характеристики, на основе обычной информации, которую он будет получать от АВО газа в течение некоторого времени. Предусмотрены два режима автоматической адаптации: пассивный и активный. Пассивный режим будет более продолжительным, например, в течение 3 суток (в действительности, продолжительность периода построения характеристик будет тем меньше, чем более активно персонал будет вручную изменять количество включенных вентиляторов). Режим активной адаптации регулятора предусматривает автоматическое переключение вентиляторов (и изменение подачи воды в систему орошения, если таковая существует) АВО газа по заданному алгоритму при соблюдении заданного уровня температуры газа на выходе из АВО. Продолжительность такой адаптации не превысит 7-8 часов.

После построения характеристик он перейдет в режим регулирования. В процессе регулирования построенные характеристики будут постоянно корректироваться в соответствии с происходящими изменениями.

Предлагаемый регулятор имеет функцию прогнозирования. Она обеспечивается математическим аппаратом, использующим ряд Маклорена для расчета ожидаемых значений контролируемых величин.

Опыт эксплуатации АВО на КС показывает, что снижение температуры газа в этих аппаратах можно осуществить примерно на значение порядка 15-25 °С. Одновременно опыт эксплуатации указывает на необходимость и экономическую целесообразность наиболее полного использования установок охлаждения газа на КС в годовом цикле эксплуатации, за исключением тех месяцев года с весьма низкими температурами наружного воздуха, когда включение всех аппаратов на предыдущей КС приводит к охлаждению транспортируемого газа до температуры, которая может привести к выпадению гидратов. Обычно это относится к зимнему времени года.

Очевидно также, что оптимизация режимов работы АВО должна соответствовать условию минимальных суммарных энергозатрат на охлаждение и компремирование газа на рассматриваемом участке работы газопровода.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

АВО - аппараты воздушного охлаждения газа;

АО - аварийный останов;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ГПА - газоперекачивающий агрегат;

ИМ - исполнительный механизм;

КТС - комплекс технических средств;

КЦ - компрессорный цех;

НСХП - номинальная статическая характеристика преобразования;

ОС - операционная система;

ПК - программный комплекс;

ПО - программное обеспечение;

ППЭВМ - промышленная персональная вычислительная машина;

ПУЭ - правила устройства электроустановок;

САУ - система автоматического управления;

ТП - преобразователь термоэлектрический ;

ТС - термопреобразователь сопротивления;

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

ЭД (ВЭ) - ведомость эксплуатационной документации;

ЭО - экстренный останов.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА ПОСЛЕ КОМПРЕМИРОВАНИЯ (СЖАТИЯ)

1.1 Системы охлаждения транспортируемого газа на компрессорных станциях

Компремирование (сжатие) газа на компрессорной станции (КС) приводит к повышению его температуры на выходе станции. Численное значение этой температуры определяется ее начальным значением на входе КС и степенью сжатия газа.

Излишне высокая температура газа на выходе станции, с одной стороны, может привести к разрушению изоляционного покрытия трубопровода, а с другой стороны - к снижению подачи технологического газа и увеличению энергозатрат на его компремирование (из-за увеличения его объемного расхода).

Наибольшее распространение на КС получили схемы с использованием аппаратов воздушного охлаждения АВО. Следует отметить, что глубина охлаждения технологического газа здесь ограничена температурой наружного воздуха, что особенно сказывается в летний период эксплуатации. Естественно, что температура газа после охлаждения в АВО не может быть ниже температуры наружного воздуха.

Взаимное расположение теплообменных секций и вентиляторов для прокачки воздуха практически и определяет конструктивное оформление АВО. Теплообменные секции АВО могут располагаться горизонтально, вертикально, наклонно, зигзагообразно, что и определяет компоновку аппарата.

1.2 Принцип работы АВО газа

АВО работает следующим образом: на опорных металлоконструкциях закреплены трубчатые теплообменные секции (рис. 1.1). По трубам теплообменной секции 1 пропускают транспортируемый газ, а через межтрубное пространство теплообменной секции с помощью вентиляторов 2, приводимых во вращение от электромоторов 6, прокачивают наружный воздух. За счет теплообмена между нагретым при компремировании газом, движущимся в трубах, и наружным воздухом, движущимся по межтрубному пространству, и происходит охлаждение технологического газа на КС.

Рис 1.1 - Аппарат воздушного охлаждения газа с верхним расположением вентилятора: 1 - теплообменная поверхность; 2 - вентилятор; 3 - патрубок; 4 - диффузор; 5 - клиноременная передача; 6 - электродвигатель

При проектировании компрессорной станции количество аппаратов воздушного охлаждения выбирается в соответствии с отраслевыми нормами ОНТП51-1-85. На основании этих норм температура технологического газа на выходе из АВО должна быть не выше 15-20°С средней температуры наружного воздуха.

Уменьшение температуры технологического газа, поступающего в газопровод после его охлаждения в АВО, приводит к уменьшению средней температуры газа на линейном участке трубопровода и, как следствие, к снижению температуры и увеличению давления газа на входе в последующую КС. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению степени сжатия на последующей станции (при сохранении давления на выходе из нее) и энергозатрат на компремирование газа по станции.

Следует также отметить, что аппараты воздушного охлаждения газа являются экологически чистыми устройствами для охлаждения газа, не требуют расхода воды, относительно просты в эксплуатации. В эксплуатации применяются следующие типы АВО газа: 2АВГ-75, АВЗД, фирм "Нуово Пиньоне" и "Крезо Луар".

В настоящее время установки охлаждения транспортируемого газа являются одним из основных видов технологического оборудования КС.

2. расчет характеристик АВО газа

На (рис 2.1) приведен пример тепловой характеристики, прилагаемой обычно к АВО газа изготовителями.

Рис. 2.1- Пример паспортной тепловой характеристики АВО газа

Приведенная здесь тепловая характеристика АВО газа прилагается изготовителем к аппарату при поставке его заказчику. Она устанавливает соотношение между, расходом газа через АВО, температурой газа на входе в АВО, температурой атмосферного воздуха и температурой газа на выходе из АВО. Это соотношение справедливо только в некоторых условиях, например, при отсутствии осадков, загрязненности поверхностей теплообмена и др.

Тепловая характеристика не устанавливает связь между интенсивностью теплообмена в АВО газа и количеством включенных вентиляторов, секций, групп вентиляторов. Она не дает возможности сравнить эффективность затрат на охлаждение газа в АВО с точки зрения их влияния на стоимость транспорта газа с затратами в другом оборудовании газопроводов.

Использование описываемой здесь тепловой характеристики АВО газа не дает возможности точно рассчитать, сколько именно вентиляторов должно быть включено в каждой конкретной ситуации чтобы обеспечить минимальные затраты при заданной производительности газопровода.

Паспортная тепловая характеристика, приведенная на (рис 2.1) устанавливает лишь связь между температурами атмосферы, газа на входе и выходе АВО, расходом газа через АВО, тепловым потоком при всех включенных вентиляторах в конкретных условиях эксплуатации. К этим условиям относится средний компонентный состав природного газа: метан - 83-98,5%, этан + пропан до 7%, бутан до 1,5%, азот до 13%, двуокись углерода до 1,2%, сероводород до 0,1%, механические примеси метанола или диэтиленгликоля размером 0,5-100 мкм - до 20 мр/нм³.

Очевидно, что реальная тепловая характеристика будет зависеть от гораздо большего количества параметров. К ним можно отнести количество включенных вентиляторов, количество включенных секций, загрязненность поверхностей, химический состав газа, интенсивность осадков, углы наклона лопастей вентиляторов, неодинаковость характеристик вентиляторов и характеристик секций между собой, их отличие от паспортных и т.д.

Например, если принять, что при всех прочих равных условиях, количество включенных вентиляторов будет постепенно уменьшаться от максимального числа, равного 44 шт., до 0, то угол наклона характеристики АВО будет изменяться от паспортного значения до минимального. Этот минимальный наклон будет соответствовать естественному конвективному теплообмену. Влияние такого выключения вентиляторов на тепловую характеристику АВО при постоянном расходе газа показано на (рис 2.2).

Рис. 2.2

Практика эксплуатации АВО показала, что вентиляторы, установленные первыми по потоку газа, имеют более высокую эффективность, чем вторые. Это объясняется более высоким перепадом температур в соответствующих им частях секций АВО между газом и атмосферой.

Именно поэтому, при необходимости уменьшить тепловую мощность АВО, вторые вентиляторы выключают в первую очередь, а при необходимости ее увеличения - их включают в последнюю очередь, только после того, как все первые вентиляторы уже включены. Такой порядок выключения и включения принят и при построении тепловой характеристики, приведенной на (рис 2.2). Именно этим объясняется то, что расстояния между верхними линиями меньше, чем между нижними. Другими словами, если уменьшать количество включенных вентиляторов, то тепловая мощность АВО будет уменьшаться. Уменьшаться она будет также и при выключении секций, загрязнении поверхностей теплообмена, уменьшении углов наклона лопастей вентиляторов и износе вентиляторов.

При атмосферных осадках тепловая мощность и угол наклона линии тепловой характеристики будут возрастать при прочих равных условиях. И это увеличение будет зависеть от интенсивности осадков. Более того, имеется возможность применять для увеличения тепловой мощности АВО водяное орошение с регулируемой подачей воды. Изменение угла наклона линии тепловой характеристики АВО газа при использовании водяного орошения показано на (рис 2.3).

Рис. 2.3 - Изменение угла наклона линии тепловой характеристики АВО газа при использовании водяного орошения.

Приведенные здесь линии тепловой характеристики аппарата 2АВГ-100 производства АО ТМЗ показывают влияние изменения процесса теплообмена при осадках или искусственном орошении водой его поверхностей теплообмена. Они рассчитаны для трех различных уровней интенсивности осадков или орошения при максимальном количестве включенных вентиляторов и четырех различных расходах газа G₁=100000 кг/час, G₂=150000 кг/час, G₃=200000 кг/час, G₄=250000 кг/час. Линии синего цвета соответствуют паспортным условиям эксплуатации, представленным на (рис 2.1).

Конкретные числовые величины интенсивности орошения или осадков здесь не приводятся, т.к. здесь рассматривается лишь качественное влияние этого воздействия. Т.е. как очевидное принимается, что всегда можно подобрать такой расход воды при орошении, который обеспечит именно приведенные здесь углы наклона линии тепловой характеристики АВО газа при принятых расходах.

Очевидным здесь считается и то, что для каждого сочетания расхода газа через АВО с уровнем интенсивности орошения или осадков существует своя совокупность линий тепловой характеристики, аналогичная приведенной выше на (рис 2.2).

Пример такой совокупности линий при расходе G₁=100000 кг/час и максимальном принятом уровне интенсивности орошения приведен ниже на (рис 2.4).

Рис. 2.4

Влияние других факторов, к которым можно отнести загрязнение поверхностей, выключение из работы секций и групп вентиляторов можно представить аналогично, т.е. в виде изменения углов наклона линий тепловой характеристики. Причем, все они в практике могут действовать одновременно в комбинации. Результатом таких комбинаций возможно сложение воздействий, когда направление их воздействий одинаковое, или взаимная компенсация, когда направление их воздействий противоположное.

От действия каждого фактора зависит эффективность использования энергии, затрачиваемой в АВО газа. Поэтому очень важно уметь точно рассчитать положение линий в текущий момент времени и сделать прогноз на изменение их положения.

Но математическая модель результирующего воздействия нескольких факторов на углы наклона тепловой характеристики АВО газа потребует не только длительной научно-исследовательской работы, но и больших затрат на реализацию ее результатов.

Использованный метод адаптивного расчета результата воздействия сразу всех факторов является «know how» и поэтому здесь не описывается.

Изменение некоторых параметров может неоднозначно влиять на величину тепловой мощности и наклон линии тепловой характеристики АВО. К этим параметрам относятся химический состав газа и отклонение реальных характеристик вентиляторов и секций от паспортных значений. При их изменении в ту или иную сторону величина тепловой мощности и угол наклона линии тепловой характеристики могут как уменьшаться, так и увеличиваться.

Если добавить к этому, что упомянутые выше параметры действуют в сочетании друг с другом, то для моделирования процессов теплообмена в АВО потребуется проводить очень большую научно-исследовательскую работу. Результатом такой работы могут быть рекомендации по установке в АВО газа такого количества разнообразных приборов контроля, которые сделают сам процесс его регулирования неэффективным.

Но и при решении проблемы моделирования работы АВО используемые в настоящее время их тепловые характеристики не дают возможности соотнести затраты энергии в них с тепловой мощностью и сравнить эффективность этих затрат с затратами в ГПА.

Именно это обстоятельство не позволяет построить саму концепцию регулирования АВО и, соответственно, регулировать данный тип оборудования. В то же самое время имеющиеся расчеты показывают, что существует возможность использования АВО как одного из средств регулирования газопроводов с целью уменьшения суммарных затрат на транспорт газа.

Анализ функционирования АВО газа в составе оборудования газопровода показывает, что его влияние на процессы можно представить качественно похожим на влияние компрессорного цеха. Отличие будет только в количественном выражении.

Этот вывод основан на следующих фактах. Энергия, затрачиваемая в компрессорных цехах, в основном направлена на преодоление гидросопротивления линейной части газопровода. Энергия, затрачиваема в АВО газа, в основном направлена на уменьшение гидросопротивления линейной части газопровода. И они связаны между собой таким образом, что при увеличении количества энергии, затрачиваемой в АВО газа, гидросопротивление линейной части газопровода уменьшается. И, следовательно, затраты энергии в компрессорном цехе будут уменьшаться при прочих равных условиях. Следовательно, существует реальная теоретическая база для создания характеристик АВО газа аналогичных характеристикам компрессорного цеха. Единственным отличием таких характеристик от характеристик КЦ является невозможность их построения в отрыве от параметров линейной части газопровода, следующей непосредственно за конкретным АВО газа.

Построим такие характеристики. Для этого воспользуемся широко применяющимся в практике математическим аппаратом.

Некоторые точные математические зависимости из различных областей знаний, связывающие с суммарными затратами на транспорт газа все климатические, конструктивные, режимные, геофизические, энергетические, химические, физические, термодинамические, экономические и др. параметры, которые были использованы при выводе формул экстремально экономного распределения нагрузки на оборудование газопроводов:

формула для расчета динамической вязкости газа;

(2.1)

формула для расчета граничной производительности переходного режима для каждого i-го участка газопровода;

(2.2)

формула для расчета коэффициента теплопередачи от поверхности грунта в воздух на каждом i-м участке газопровода;

(2.3)

формула для расчета коэффициента теплопроводности грунта - песка - на каждом i-м участке газопровода;

(2.4)

формула для расчета коэффициента теплопроводности грунта - суглинка - на каждом i-м участке газопровода;

(2.5)

формула для расчета коэффициента теплопроводности смешанного грунта - песка, глины, суглинка, супеси, песчаника, известняка - на каждом i-м участке газопровода;

(2.6)

формула расчета приведенного расстояния от поверхности почвы до оси трубопровода в случае отсутствия снежного покрова на каждом i-м участке газопровода;

(2.7)

формула для расчета приведенного расстояния от поверхности почвы до оси трубопровода при наличии снежного покрова на каждом i-м участке газопровода;

(2.8)

формула для расчета коэффициента теплопередачи от газа к грунту на каждом i-м участке газопровода;

 (2.9)

формула для расчета коэффициента, входящего в формулу, учитывающую эффект Джоуля-Томпсона, на каждом i-м участке газопровода;

(2.10)

формула для расчета давления в конце i-го участка газопровода, если задана величина l _i;

(2.11)

формула для расчета давления в начале i-го участка газопровода, если задана величина l _i;

(2.12)

формула для расчета давления в конце i-го участка газопровода, если задана величина Е_i;

(2.13)

формула для расчета давления в начале i-го участка газопровода, если задана величина Е_i;

(2.14)

формула для расчета расхода для негоризонтального i-го участка газопровода;

(2.15)

формула для расчета пропускной способности для многониточного участка газопровода;

(2.16)

формула для расчета эквивалентного диаметра для многониточного участка газопровода;

(2.17)

формула для расчета пропускной способности для участка газопровода с лупингом;

 (2.18)

формула для расчета коэффициент Джоуля-Томпсона для i-го участка газопровода;

(2.19)

формула для расчета среднего давления для i-го участка газопровода;

(2.20)

формула для расчета температуры в конце i-го участка газопровода;

(2.21)

формула для расчета средней температуры для i-го участка газопровода;

(2.22)

формула для расчета удельного веса газа на входе нагнетателя i-го ГПА;

 (2.23)

формула для расчета эффективной мощности нагнетателя i-го ГПА;

(2.24)

формула для расчета приведенной мощности нагнетателя i-го ГПА;

(2.25)

формула для расчета приведенной температуры перед турбиной i-го ГПА;

(2.26)

формула для расчета мощности ГТУ i-го ГПА при расчетных параметрах Т1i=Т10i, Та0i и Ра0i;

(2.27)

формула для расчета коэффициента технического состояния ГТУ i-го ГПА;

 (2.28)

формула Л. С. Цегельникова для расчета коэффициента, учитывающего влияние технического состояния ГТУ на расход топлива i-го ГПА;

(2.29)

формула для расчета располагаемой мощности ГТУ i-го ГПА;

(2.30)

формула для расчета коэффициента загрузки ГТУ i-го ГПА;

(2.31)

формула для расчета расхода топливного газа ГТУ i-го ГПА;

(2.31)

формула для расчета эффективного коэффициента полезного действия ГТУ i-го ГПА;

(2.32)

формула для расчета скорости движения газа в конце i-го участка газопровода;

(2.33)

формула для расчета адиабатической работы сжатия газа в нагнетателе i-го ГПА.

(2.34)

В начале построим характеристики, соответствующие паспортным, показывающие связь между затратами энергии в АВО, расходом газа через него и гидросопротивлением участка газопровода за ним. Для построения примем, что параметры газа на входе в АВО, количество включенных секций в АВО, атмосферные и геофизические условия, а также параметры линейной части участка газопровода за АВО не изменяются. Изменять будем только количество включенных вентиляторов в АВО и расход газа через него. При этом примем также, что все вентиляторы и секции АВО имеют одинаковые характеристики.

Выключать вентиляторы будем по одному. Вначале будем выключать вторые вентиляторы, а как только все они будут выключены, начнем выключать первые вентиляторы до тех пор, пока все они не будут выключены и процесс охлаждения газа в АВО станет полностью конвективным.

Расчеты проведем для нескольких фиксированных расходов газа в интервале от 100000 кг/час до 150000 кг/час.

Общеизвестно, что величина давления в конце участка газопровода при прочих равных условиях зависит от средней температуры и среднего давления газа на рассчитываемом участке - см. выше. А величина средней температуры при прочих равных условиях является функцией температуры газа на входе в участок, т.е. в нашем случае - функцией температуры газа на выходе из АВО.

Для определения температур газа на выходе из АВО при различном количестве включенных вентиляторов и минимальном расходе газа воспользуемся тепловой характеристикой АВО, показанной на (рис 2.2). Аналогично определим температуры газа на выходе из АВО и при других расходах газа (для сокращения объема материала тепловые характеристики при других фиксированных расходах при изменении количества включенных вентиляторов здесь не показаны). На (рис 2.5) представлены полученные таким образом графики изменения температуры газа на выходе из АВО при нескольких постоянных расходах газа в зависимости от количества включенных вентиляторов. На (рис 2.6) представлены графики изменения температуры газа на выходе из АВО при нескольких постоянных количествах включенных вентиляторов в зависимости от расхода газа.

Рис. 2.5

Рис. 2.6

Общеизвестно, что при прочих равных условиях гидросопротивление участка газопровода уменьшается при уменьшении температуры газа на его входе. Выражается это в увеличении давления на его выходе. Мы рассчитываем это давление по широко применяемой в практике методике, с учетом коэффициента Джоуля-Томпсона, сжимаемости газа, климатических условий, параметров трубы и др.

Максимальное гидросопротивление в этих условиях будет при полностью выключенных вентиляторах, т.е. при конвективном теплообмене. В этом случае и давление на выходе из участка газопровода минимальным.

Таким образом, в качестве результата от включения вентиляторов в АВО происходит уменьшение гидросопротивления. И этот эффект тем больше, чем больше включено вентиляторов, т.е. чем больше тратится в них энергии. Это аналогично тому, что происходит в компрессорном цехе при изменении затрат энергии в нем путем увеличения мощности за счет включения очередного ГПА или увеличения мощности уже включенных ГПА при изменении режима работы.

Следовательно, режим конвективного охлаждения в АВО (когда все вентиляторы выключены) можно принять в качестве режима, соответствующего выключенному компрессорному цеху. А включение в работу каждого следующего вентилятора - приравнять к повышению мощности компрессорного цеха, например, путем включения дополнительного ГПА или изменения режимов работы уже включенных ГПА. Тогда отношение давления на выходе из участка газопровода после включения очередного вентилятора к давлению при конвективном охлаждении можно считать условной степенью повышения давления во всех включенных в данный момент вентиляторах. И это будет справедливо, т.к. это отношение прямо связано с затратами энергии во включенных вентиляторах. Более того, если вентиляторы не включать, то для преодоления повышенного гидросопротивления потребуется увеличивать степень повышения давления и мощность компрессорного цеха.

В дальнейшем для простоты мы называем отношение давления на выходе из участка газопровода после включения очередного вентилятора к давлению при конвективном охлаждении степенью повышения давления в АВО газа. При этом мы понимаем, что это величина абсолютно условная.

Произведенные расчеты по описанной выше методике дали возможность построить графики изменения степени повышения давления в АВО газа при различных фиксированных расходах газа в зависимости от количества включенных вентиляторов в них (см. рис 2.7) и графики изменения степени повышения давления при различных фиксированных количествах включенных вентиляторов в зависимости от расхода газа (см. рис 2.8).

Рис. 2.7

Рис. 2.8

Для окончательного завершения построения характеристик АВО газа по подобию характеристик ГПА (т.е. в тех же координатах) необходимо определить эффективный коэффициент полезного действия этого агрегата. С этой целью вначале определены по известной из термодинамики формуле величину адиабатической механической работы, которую необходимо затратить для преодоления гидросопротивления участка газопровода при конвективном теплообмене (при полностью выключенных вентиляторах) для каждой величины расхода газа. В качестве степени повышения давления для этого расчета принято отношение давления газа на входе в участок газопровода к давлению на его выходе при принятых условиях. Затем определена по той же формуле величина адиабатической механической работы, которую необходимо затратить для преодоления гидросопротивления участка газопровода при каждом конкретном количестве включенных вентиляторов в АВО газа для тех же величин расхода газа.

Полезная адиабатическая работа каждого конкретного количества включенных в АВО газа вентиляторов при каждом расходе газа определена как разница между найденной выше соответствующей адиабатической механической работой при конвективном теплообмене и адиабатической механической работой при каждом конкретном количестве включенных вентиляторов в АВО газа.

В качестве фактических затрат энергии на совершения этой полезной адиабатической работы принята суммарная работа, совершаемая всеми включенными вентиляторами (принято, что при включении каждый из них имеет мощность 37 кВт).

Эффективный КПД АВО газа определен как отношение полезной адиабатической работы для каждого конкретного количества включенных вентиляторов при каждом расходе газа к соответствующим фактическим затратам энергии на совершение этой полезной работы. Результаты расчетов представлены на (рис 2.9) как зависимость эффективного КПД АВО газа от количества включенных вентиляторов при различных фиксированных расходах газа и на (рис 2.10) как зависимость эффективного КПД АВО газа от расхода газа при различных фиксированных количествах включенных вентиляторов.



Рис. 2.9

Рис. 2.10

3. ОХРАНА ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

3.1 Описание объекта с точки зрения охраны труда

Предлагаемые нововведения внедряются в САУ АВО газа, которые расположены на газоперекачивающей станции (ГПС).

Вредными и опасными физическими производственными факторами, характерными для данного объекта являются:

- повышенная загазованность воздуха, высокий уровень шума и вибраций, взрывоопасность среды, интенсивное электромагнитное поле промышленной частоты, электрошок.

Рабочие и служащие для защиты от воздействия опасных и вредных производственных факторов обеспечены спецодеждой, спецобувью и предохранительными приспособлениями.

3.2 Разработка требований безопасности труда для обслуживающего персонала

Эксплуатация электрооборудования должна производится в соответствии с требованиями "Правил технической эксплуатации и безопасности обслуживания электроустановок промышленных предприятий".

Персонал, занятый обслуживанием электрооборудования системы управления АВО газа, а также её наладкой и ремонтом, обязан:

- иметь допуск к обслуживанию электроустановок до 1000 В;

- знать действующие правила технической эксплуатации и безопасности обслуживания электроустановок промышленных предприятий;

- руководствоваться указаниями мер безопасности настоящего руководства;

- знать принцип работы электрооборудования и работу его системы автоматического управления.

Запрещается работать под напряжением без специального инструмента и спецодежды. При необходимости, работая под напряжением, следует пользоваться инструментом с диэлектрическими рукоятками, резиновыми ковриками и спецобувью, соблюдая максимальную осторожность.

При ремонте и перерывах в работе вводный выключатель должен быть обязательно отключен и заперт в отключенном состоянии замком.

Необходимо помнить, что при отключенном вводном выключателе его верхние зажимы и вводные клеммы находятся под напряжением питающей сети.

Запрещается работа при неисправности электрической цепи дистанционного отключения вводного выключателя от кнопки "Аварийный стоп".

Для предупреждения о наличии напряжения в станции управления установлено светосигнальное устройство.

Запрещается нарушать противопожарный режим, производственную и трудовую дисциплину: курение, проведение ремонтных работ с нарушениями требований пожарной безопасности и т. д.

Во избежание нарушений противопожарного режима весь персонал, обслуживающий объект, при зачислении на работу, а также при переводе на работу по другой, новой, профессии должен пройти инструктаж по мерам пожарной безопасности и в последующем на взрыво - пожароопасных объектах подготовку по пожарно-техническому минимуму.

3.2.1 Анализ опасности электроустановок (ГОСТ 12.1.019-79.ССБТ)

Все случаи поражения человека током в результате эл. удара, т.е. прохождение тока через человека, являются следствием его прикосновения не менее чем к двум точкам эл. цепи, между которыми существует некоторое напряжение. Опасность такого напряжения оценивается током, проходящим через тело человека I_П; или напряжением прикосновения U_ПР.

Зависит от ряда факторов:

- схемы включения человека в эл. сеть;

- напряжение эл. сети;

- схема самой сети;

- режима ее нейтрали;

- степени изоляции токоведущих частей от земли;

- емкости токоведущих частей относительно земли.

Схемы включения человека в цепь тока могут быть различными. Однако наиболее характерны две схемы включения человека между двумя фазами эл. сети и между одной фазой и землей.

Двухфазное прикосновение, как правило, более опасно, поскольку к телу человека прикладывается наибольшее в данной сети напряжение - линейное, а ток, проходящий через человека, оказываясь независимым от схемы сети, режима ее нейтрали и др. факторов, имеет наибольшее значение

(3.1)

где R_h - сопротивление тела человека.

Случаи двухфазного прикосновения происходят очень редко. Они являются, как правило результатом работы под напряжением в установках до 1000 В - на щитах, сборках, ВЛ эл. передач, применение несправных средств индивидуальной защиты и т.п.

Однофазное прикосновение менее опасно, чем двух фазное, поскольку ток, проходящий через человека, ограничивается влиянием многих факторов. Однако однофазное прикосновение возникает во много раз чаще. Поэтому нужно уделять очень большое внимание мерам предосторожности при работе с эл. установками.

Прикосновения к заземленному проводу нередко считают безопасным, полагая, что напряжение этого провода относительно земли незначительно. В действительности это не всегда так. При прикосновении к заземленному проводу человек оказывается под воздействием напряжения U_ПР, равного потере U в заземленном проводе на участке от места его заземления и до места касания

U_ПР=I_ПГr_ab (3.2)

где I_ПГ - ток касания;

r_ab - сопротивление провода на участке «ab».

В нормативных условиях U_ПР не велико, наибольшее его значение соответствует прикосновению человека к сети и составляет не более 5% от напряжения сети U (поскольку сечения проводов выбираются из условия потери напряжения не более 10%).

Стекание тока в землю происходит только через проводник, находящийся с ней в непосредственном контакте. Причинами стекания тока в землю является замыкание токоведущих частей на заземленный корпус эл. оборудования, падение провода на землю, использование земли в качестве провода и т.п. Во всех случаях происходит резкое снижение потенциала заземлившейся токоведущей части до значения, равного произведению тока, стекающего в землю I_З, на сопротивление, которое этот ток встречает на своем пути, т.е. сопротивление заземлителя растекания тока к.з.

(3.3)

Это явление, весьма благоприятное по условиям безопасности, используют как меру защиты от поражения током, при случайном появлении напряжения на металлических токоведущих частях, которые с этой целью заземляют.

3.2.2 Мероприятия по обеспечению безопасности электроустановок

Электрооборудование, токоведущие части и ограждения выбираются с ПУЭ. Для ограждения токоведущих частей в практике предусматриваются сетчатые и сплошные ограждения 1,7 м.

В сетях выше 1кВ осуществляется постоянный и переходный контроль за состоянием изоляции.

Для цеховых установок применяют следующие защитные мероприятия от поражения человека эл. током

1. Обеспечение недоступности токоведущих частей электроустановки

(шкафы, оградительные сооружения и т.п.)

2. Защитное заземление. (ГОСТ 12.1.019-79.ССБТ)

3. Зануление. (ГОСТ 12.1.030-81.ССБТ)

4. Защитное отключение. (ГОСТ 12.1.030-81.ССБТ)

5. Применение малых напряжений

Провода, питающие эл. приемник, располагаются в трубах, во избежание случайных повреждений.

В местах постоянного присутствия дежурного персонала для оказания первой помощи пострадавшим должны иметься: аптечка, развешены плакаты о правилах оказания первой помощи, о технике безопасности при работе на эл. установках.

Осмотр и ремонт РУ, ВЛ и КЛ проводится оперативным персоналом, с обязательным выполнением технических и организационных мероприятий.

К техническим мероприятиям относятся:

- Производственная необходимость отключения и принятия мер, препятствующих подаче напряжения к месту работы, вследствие ошибочного или самопроизвольного включения коммутирующей аппаратуры

- Вывешивание плакатов - предупреждений

- Заземление и проверка отсутствия напряжения

- Ограждение и сигнализация

Организационные мероприятия:

- Оформление работы нарядом.

- Допуск к работе.

- Надзор во время работы.

- Окончание работы.

Основной и легко исполняемой мерой защиты является зануление - преднамеренное электрическое соединение металлических нетоковедущих частей электроустановки, могущих оказаться под напряжением. Назначение зануления - устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим металлическим нетоковедущим частям, оказавшимся под напряжением относительно земли вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (ГОСТ 12.1.030-35. ССБТ).

Принцип действия зануления - превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание с целью вызвать ток, способный обеспечить срабатывание защиты и, тем самым, автоматически отключить поврежденную электроустановку от питающей сети. Кроме того, поскольку зануленные корпуса заземлены через нулевой защитный проводник, то в аварийный период проявляется защитное свойство этого заземления - снижение напряжения корпусов относительно земли.

Для того, чтобы снизить опасные потенциалы при замыкании на корпус, используются повторные заземлители с сопротивлением заземлителя не более 10 Ом.

Питание подводится алюминиевым проводом сечением 25 мм, а роль нулевого проводника выполняет стальная полоса сечением 50 мм.

При использовании зануления насосного преобразователя должны быть выполнены следующие условия [16]:

Iкз = k*Iном , (3.4)

где - коэффициент кратности номинального тока Iном (А) плавкой вставки предохранителя, k=3.

Номинальным током плавкой вставки Iном называется ток, значение которого указано непосредственно на вставке заводом-изготовителем. Номинальный ток Iном в помещении 40 А. Значение Iкз зависит от фазного напряжения сети и сопротивления цепи, в том числе от полного сопротивления трансформатора Zт, фазного проводника Zф, нулевого защитного проводника Zнз, внешнего индуктивного сопротивления петли "фазный провод - нулевой защитный провод" (петли "фаза-нуль") Xп, активного сопротивления заземлений нейтрали обмоток трансформатора Rо и повторного заземления нулевого защитного проводника Rп. Поскольку Rо и Rп, как правило, велики по сравнению с другими сопротивлениями, ими можно пренебречь.

Выражение для Iкз будет иметь вид:

Iкз = Uф/(Zт/3 + Zп), (3.5)

где Zп = Zф + Zнз + Xп - комплексное полное сопротивление петли "фаза-нуль".

Удельное сопротивление фазного провода:

p = 0,028 (Ом*мм)/м , Sсеч = 25 мм,

отсюда сопротивление фазного провода :

rф = р * (Lф / Sф) = 0,028 * 300 / 25 = 0,336 Ом.

Удельное сопротивление нулевого провода:

p = 0,058 (Ом*мм)/м , Sсеч = 50 (мм),

отсюда сопротивление нулевого провода:

Rнз = p * (L / S) = 0,058 * 300 / 50 = 0,348(Ом).

Значения Xф и Xнз малы, ими можно пренебречь.

Значение Xп можно определить по формуле:

Xп = 0,145*lg(dср/k* dф) (6.6)

где k = 0,3894,

dср - расстояние между проводниками,

dф - геометрический диаметр.

Расчеты дают значение Xп = 0,556 Ом.

Сопротивление электрической дуги берем равной

rд = 0,02 (Ом), Xд = 0.

В соответствии с мощностью трансформатора

rт = 0,0044 (Ом), Xт = 0,0127 (Ом)

Полное сопротивление петли "фаза-нуль":

(6.7)

Zп = 0,716 (Ом).

При использовании зануления по требованиям ПУЭ (правила устройства электроустановок):

Rнз/Rф = 0,348/0,336 < 2 , следовательно ПУЭ выполняется.

Iкз = Uф/(Zт/3+Zп) = 220/(0,013+0,716) = 301,6 А.

При попадании фазы на зануленный корпус электроустановки должно произойти автоматическое отключение.

Iкз > k*Iном

301,6 > 3*40 = 120

Защитное зануление выполнено правильно, следовательно, отключающая способность системы обеспечена.

Определим напряжение прикосновения и ток через человека до срабатывания защиты:

Uпр = Iкзh * Rh

(6.8)

Rпз = 0,348 (Ом), Rнп = 10 (Ом), Rо = 4 (Ом)

Rh = 1 (кОм)

Uпр = 29,9 (В)

Такое напряжение безопасно для человека при времени воздействия:

tдоп<=50/Ihрасч (6.9)

Iрасч =Uпр/Rh = 29.9/1000=29.9 (мА)

Предельно допустимое время пребывания человека под действием электрического тока:

tдоп <= 50/29,9 = 1,67 (с)

В качестве прибора защитного отключения можно выбрать автоматический выключатель, расчитанный на Iном = 40 А и tср = 0,3 (с) при Iкз = 301 (А).

Tср = tср* Iном/Iкз = 0,11 (с).

Это должно обеспечить надежную защиту, при этом должно выполняться:

K = Iкз/Iном >= 1,4

K = 301/40 = 7,5 >> 1,4

3.3 Мероприятия по производственной санитарии и гигиене труда

В подсистему обеспечения санитарных условий труда (СанПиН 2.2.2.540-96) входят следующие мероприятия:

- Обеспечение нормального микроклимата.

- Чистота воздуха рабочей зоны.

- Защита от электромагнитных полей.

- Защита от шума и вибрации.

3.3.1 Нормирование параметров микроклимата

Оптимальные микроклиматические условия - сочетание параметров микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивают сохранение нормального состояния органов человека. (ГОСТ 12.1.005-88.ССБТ)

Нормы оптимальных температур, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне, (СН 251-71) таблица 3.1.

Таблица 3.1 Параметры микроклимата.

Сезон	Категории работ	Температура воздуха, ? С	Допустимая относительная влажность, %	Скорость воздуха, м.с
Холодный	Легкая, средне-тяжелая	20 - 30	<= 75	<= 0,2
Теплый t > 10 ? С	1	22 - 25	<= 75	0,2
	2а	20 - 22	<= 75	0,3
	2б	20 - 22	<= 75	0,4
	3	18 - 20	<= 75	0,5

Поддержание на заданном уровне параметров, определяющих микроклимат, осуществляется с помощью кондиционирования и вентиляции.

3.3.2 Защита персонала от вредных веществ, содержащихся в воздушной среде

Классификация вредных веществ производится по ГОСТ 12.1.007-76.ССБТ.

Для оздоровления окружающей среды осуществляют следующие мероприятия:

- Дистанционное управление вредными технологическими процессами.

- На оборудовании, выделяющем вредные вещества, применяют пылеулавливание.

3.3.3 Мероприятия по устранению загазованности воздуха

Защита от вредных веществ осуществляется мероприятиями, которые в ряде случаев следует применять комплексно. Основные из них:

- совершенствование конструкций оборудования, при которых исключаются или резко уменьшаются вредные выделения в окружающую среду, что, возможно, например, при герметизации;

- применение газо-пылеулавливающего оборудования.

Защита от вредных газовыделений предусматривает устройство местной вытяжной вентиляции для отсоса газов. Местные отсосы следует по возможности устраивать конструктивно встроенными и сблокированными с оборудованием так, что агрегат нельзя пустить в ход при выключенном отсосе.

В дополнение к общим защитным средствам применяются индивидуальные средства защиты. Для защиты органов дыхания применяют промышленные противогазы и респираторы.

3.4 Мероприятия по устранению шумов и вибраций

Основные параметры шума (ГОСТ 12.1.003-83.ССБТ):

- Звуковое давление, дБ (ГОСТ 12.1.012-90.ССБТ);

- Колебательная скорость, м/с;

- Интенсивность, Вт/м;

- Частота, Гц.

Таблица 3.2 Допустимые уровни шума.

Рабочие места	Уровни среднеквадратичных звуковых давлений
	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000	*
Помещения конструкторских бюро	71	61	54	49	45	42	40	38	50
Подсобные рабочие места и рабочие зоны	99	92	86	83	80	78	76	74	85

* - уровень звукового эквивалента, дБ.

Защита от производственного шума (ГОСТ 12.1.029-80.ССБТ):

применение средств звукоизоляции, снижение шума вентиляционных установок, внедрение малошумящих технологий.

Вибрация оценивается с помощью следующих параметров:

- Амплитуда смещения, м;

- Колебательная скорость, м/с;

- Колебательное ускорение, м/с²;

- Частота, Гц.

Электроустановки являются источником общих и локальных технологических вибраций (действие на операторов стационарных машин).

Одним из методов уменьшения шума на объектах энергетического производства является снижение или ослабление шума в его источниках - в электрических машинах и трансформаторах, компрессорах, вентиляторах и др.

В машинах часто причиной недопустимого шума является износ подшипников, неточная сборка деталей при ремонтах и т. п. Поэтому в процессе эксплуатации всех видов машин необходимо выполнять соответствующие Правила технической эксплуатации. Ненормальный повышенный шум, создаваемый трансформаторами и электрическими машинами, часто бывает по причине неплотного стягивания пакетов стального сердечника, а в электродвигателях - при их перегрузке или работе при обрыве одного фазного провода в питающей цепи. Своевременное устранение этих причин позволяет снизить уровень шума.

Строительные нормы и правила предусматривают защиту от шума строительно-акустическими методами. При этом для снижения уровня шума предусматриваются следующие меры:

а) звукоизоляция ограждающих конструкций; уплотнение по периметру притворов окон, ворот, дверей; звукоизоляция мест пересечения ограждающих конструкций инженерными коммуникациями; устройство звукоизолированных кабин наблюдения и дистанционного управления; укрытия; кожухи;

б) звукопоглощающие конструкции и экраны;

в) глушители шума, звукопоглощающие облицовки в газовоздушных трактах вентиляционных систем с механическим побуждением и систем кондиционирования воздуха, а также газодинамических установок.

В качестве индивидуальных средств защиты от шума используют специальные наушники, вкладыши в ушную раковину, противошумные каски, защитное действие которых основано на изоляции и поглощении звука.

Одним из эффективных средств защиты от вибрации рабочих мест, оборудования и строительных конструкций является виброизоляция, представляющая собой упругие элементы, размещенные между вибрирующей машиной и основанием. Для виброизоляции электродвигателей применяют пружинные амортизаторы. Для уменьшения вибрации кожухов, ограждений и других деталей, выполненных из стальных листов, применяют вибропоглощение - нанесение на вибрирующую поверхность резины, пластиков, вибропоглощающих покрытий достигается также значительное снижение уровня производственного шума.

В качестве индивидуальной зашиты от вибраций, передаваемых человеку через ноги, рекомендуется носить обувь на войлочной или толстой резиновой подошве. Для защиты рук рекомендуются виброгасящие перчатки.

3.5 Меры по устранению вредного воздействия электромагнитного поля

Источником электромагнитных полей являются установки для индуктивной термообработки металлов, высоковольтные ЛЭП, ОРУ, конденсаторы, трансформаторы. Нормы уровней электрических полей приведены в ГОСТ 12.1.002-84.ССБТ.

Таблица 3.3 Допустимая длительность пребывания в электромагнитном поле

Напряженность поля, кВ/м	Допустимая продолжительность пребывания человека в течении суток в электрическом поле, мин
5	без ограничения
10	180
15	90
20	10
25	5

Примечание: Нормативы по п. 2, 3, 4, 5 действительны при условии:

а) остальное время рабочего дня человек находится в местах, где напряженность электрического поля меньше или равно 5 кВ/м;

б) исключена возможность воздействия на организм человека электрических разрядов.

Различают ближнюю, промежуточную и дальнюю зоны области распространения электромагнитных волн. Степень воздействия электромагнитного поля зависит от фазы, интенсивности воздействия, времени воздействия, размеров облучаемой поверхности, индивидуальных особенностей человека.

Применение средств индивидуальной защиты. Одними из средств защиты от электромагнитного поля являются экранирующие устройства, которые в зависимости от их конструкции и размеров, а также от места и условий размещения могут служить индивидуальными или коллективными средствами защиты людей от воздействия электрического поля при работах в действующих электроустановках промышленной частоты сверхвысокого напряжения. Экранирующие устройства обеспечивают снижение напряженности электрического поля в защищаемом пространстве до значения менее 5 кВ/м. Они в зависимости от их назначения и исполнения подразделяются на стационарные и переносные.

Стационарные экранирующие устройства являются неотъемлемой частью конструкции электроустановки и предназначены для защиты персонала при эксплутационных работах (осмотрах оборудования, оперативных переключениях, выполнении обязанностей наблюдающего за производством работ), а также при выполнении текущих и капитальных ремонтов выключателей и некоторых других работ. Они изготовляются из металла в виде плоских щитов - козырьков, навесов и перегородок.

Переносные экранирующие устройства предназначены для защиты персонал, выполняющего в течение длительного времени эксплутационные, ремонтные или монтажные работы на участках действующей электроустановки, не защищенных стационарными экранами. Они изготовляются в виде переносных или передвижных козырьков, навесов, перегородок, щитов, палаток и подобных им устройств из тех же материалов, что и стационарные экраны.

Заземление экранирующих устройств является исключительно важным для создания защитной зоны, поэтому оно должно выполняться особенно надежно. Каждый экран заземляется посредством присоединения его не менее чем в двух точках к контуру заземления электроустановки или к заземленным металлическим конструкциям.

3.6 Мероприятия по предотвращению электрошока

В электроустановках напряжением до 1000 В применение изолированных проводов уже обеспечивает достаточную защиту от напряжения при прикосновении к ним. Изолированные провода находящиеся под напряжением выше 1000 В, не менее опасны, чем неизолированные, так как повреждения изоляции обычно остаются незамеченными, если провод подвешен на изоляторах.