Система автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения природного газа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)

Отчет

по научно-исследовательской практике Система автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения природного газа

Студент гр. з-М67 С.С.Бойко

Задание

на научно-исследовательскую практику

Студенту Бойко Степану Сергеевичу

Группа з-М67 заочный и вечерний факультет

Срок практики с 18.03.2019 по 21.07.2019

1 Тема индивидуального задания: «Система автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения природного газа»

2 Цель и исходные данные к заданию: обоснование актуальности темы, поиск и обзор существующих аналогов, конкретизация темы магистерской диссертации

3 Перечень вопросов, подлежащих разработке:

а) поиск и обзор существующих решений;

б) анализ известных топологий;

в) конкретизация целей и задач для магистерской диссертации

4 Форма отчетности - отчет на бумажном носителе

Содержание

Введение

1. Основная часть

1.1 Обоснование актуальности темы

1.2 Патентный поиск и анализ решений

1.3 Конкретизация целей и задач диссертации

2. Разработка схем

2.1 Структурная схема

2.2 Функциональная схема

2.3 Принципиальная схема

3. Разработка управляющей программы

3.1 Блок-схема алгоритма

3.2 Листинг управляющей программы

Заключение

Список используемых источников

Введение

Компримирование (сжатие) природного газа на компрессорной станции приводит к повышению его температуры на выходе станции. Численное значение этой температуры определяется ее начальным значением на входе компрессорной станции и степенью повышения давления газа. Излишне высокая температура газа на выходе станции может привести к разрушению изоляционного покрытия трубопровода и преждевременной его коррозии. Так же повышенная температура газа, с одной стороны, приводит к недопустимым температурным напряжениям в стенке трубы и возникновению аварийных ситуаций, а с другой стороны, к снижению подачи технологического газа и увеличению энергозатрат на его транспортировку.

Исследованиями эффективности охлаждения природного газа на компрессорных станциях и ее повышением занимаются уже на протяжении более 30 лет. В середине XX века охлаждение газа проводили в оросительных холодильниках под градирней, что приводило к большим потерям давления и значительным капитальным затратам [1]. В настоящее время регулирование температуры осуществляется управлением работой аппаратов воздушного охлаждения газа(АВО) в зависимости от температуры газа на выходе компрессорной станции. При использовании этих аппаратов возникают такие вопросы как уменьшение затрат на электроэнергию, повышение эффективности охлаждения газа.

1. Основная часть

1.1 Обоснование актуальности темы

В настоящее время на предприятиях газовой промышленности в соответствии с «Концепцией энергосбережения и повышения энергоэффективности ОАО «Газпром» на период 2011 - 2020 гг.» большое внимание уделяется совершенствованию и повышению энергетической эффективности технологических процессов. Охлаждение газа после компримирования является одной из технологических операций при транспорте природного газа по магистральным газопроводам.

Типовые установки охлаждения газа, устанавливаемые на компрессорных станциях, содержат параллельно включенные аппараты воздушного охлаждения с вентиляторами, приводимыми в движение асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором. В состав узла охлаждения газа, как правило, входит определенное количество АВО газа. Наиболее распространенные технологические схемы представлены на рисунке 1.1 и 1.2

Рисунок 1.1



Рисунок 1.2

Необходимость охлаждения газа определяется рядом обстоятельств:

1) В случае повышенной температуры газа на выходе компрессорной станции возникает значительный температурный перепад по длине трубопровода, что снижает его продольную устойчивость. Особенно резко этот эффект проявляется для трубопроводов большого диаметра, т.к. с ростом диаметра уменьшается относительная величина теплообмена с окружающей средой.

2) Снижение температуры газа позволяет повысит пропускную способность трубопровода и обеспечить экономию топливного газа на работу газоперекачивающих агрегатов. Расчеты показывают, что в среднем снижение температуры транспортируемого газа на 3°С позволяет повысит пропускную способность трубопровода на 1%. [2]

3) Снижение температуры транспортируемого газа и ее стабилизация позволяет снизить интенсивность процессов коррозии. Колебания температуры газа ведут к коррозии трубы и, соответственно, к сокращению срока службы трубопровода. Причем наиболее неблагоприятный режим работы трубопровода возникает при неэффективной стабилизации температуры газа. А в случае, когда охлаждение газа отсутствует, колебания температуры газа близки к колебаниям температуры наружного воздуха. Следовательно, необходимо не только охлаждать газ после компримирования, но и обеспечивать стабилизацию его температуры с требуемой точностью. [3]

4) Особенно актуален вопрос охлаждения газа для северных месторождений страны, расположенных в зоне многолетнемерзлых грунтов. Без надлежащего охлаждения газа возможно растепление газопроводов и образование зон протаивания в летний период. Последующее их замерзание в зимний период приводит к возникновению недопустимых по механической прочности трубопровода продольных и поперечных сил.

При управлении режимами работы установок охлаждения необходимо обеспечить: во-первых, достаточно жесткие требования по поддержанию требуемой температуры газа на выходе установки, во-вторых, энергосберегающие режимы работы АВО, т.к. установленная мощность электроприводов АВО составляет около 1 МВт, и на нужды охлаждения газа на компрессорных станциях с газотурбинным приводом приходится около 70% расхода электроэнергии, потребляемой на производственные нужды. Эффективным способом решения указанных задач является использование систем автоматического управления на базе частотно-регулируемого привода вентиляторов АВО, что определяет актуальность темы исследования.

1.2 Патентный поиск и анализ решений

Система автоматического управления(САУ) АВО природного газа, патент РФ №2291474, МПК G05D 1/00, F28F 27/00, содержащая частотно-регулируемый привод, управляющий работой электродвигателей вентиляторов и электрически связанный через блок обработки измерительной информации и автоматического управления с датчиками температуры, а также электронный блок датчиков температуры, вычислительный блок и два исполнительных устройства, электрически связанных с блоком обработки измерительной информации и автоматического управления и частотно регулируемым приводом.

Одним из недостатков вышеприведенной системы является достаточная сложность ее аппаратного оформления, что может влиять на снижение отказоустойчивости, надежности работы системы.

САУ АВО, патент РФ №2330993, МПК F04D 27/00, содержащая регулятор и датчик температуры охлаждаемой среды, вентиляторы с приводом, группу теплообменников, трубопроводы подвода к ним охлаждаемой среды и ее отвода в коллектор, из которого охлажденная среда поступает в отводящий трубопровод. Приводы имеют устройство изменения их частоты вращения, на вход которых поступает сигнал с выхода регулятора температуры, на первый вход регулятора поступает сигнал с датчика температуры, а на второй вход - сигнал о требуемой температуре охлаждаемой среды, при этом в качестве привода вентиляторов используются асинхронные электродвигатели.

Основным недостатком данной системы является низкое обеспечение отказоустойчивости, поскольку при аварийном отключении центрального регулятора температуры, задающего базовую скорость вращения рабочих колес вентиляторов, прекращается работа всей системы охлаждения в целом.

САУ производительностью вентиляторов для охлаждения теплообменников АВО, содержащая регулируемый вентилятор с электродвигателем постоянной частоты вращения, устройство позиционирования лопастей рабочего колеса, датчик температуры охлаждаемой среды (патент РФ №2183290, 2000 г.).

Недостатком этой системы является сложность механической системы для изменения положения лопастей рабочего колеса и ее чувствительность к отказам.

САУ АВО газа путем частичного (дискретного) отключения работающих вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения, содержащая блок управления, датчик температуры охлаждаемой среды, вентиляторы с электродвигателем, группу теплообменников. [4]

Недостатком этой системы является низкая точность поддержания температуры охлаждаемой среды, работа на режимах максимальной мощности и возникновение зон рециркуляции воздуха при отключении отдельных АВО, которые вызывают дополнительные потери электроэнергии.

САУ АВО РФ №2330993 F04D 27/00, которая содержит регулятор и датчик температуры охлаждаемой среды, вентиляторы с приводом, группу теплообменников, трубопроводы подвода к ним охлаждаемой среды и ее отвода в коллектор, из которого охлажденная среда поступает в отводящий трубопровод. Приводы имеют устройство изменения их частоты вращения, на вход которых поступает сигнал с выхода регулятора температуры, на первый вход регулятора поступает сигнал с датчика температуры, а на второй вход - сигнал о требуемой температуре охлаждаемой среды, при этом в качестве привода вентиляторов используются асинхронные электродвигатели, частота вращения которых изменяется устройством в виде преобразователя частоты тока питающей электродвигатели сети.

Недостатком устройства является не высокие показатели качества переходных процессов, в частности, переходного процесса изменения частоты вращения вентиляторов при ступенчатом изменении сигнала задания температуры.

1.3 Конкретизация целей и задач диссертации

Известен ряд научных работ, посвященных исследованию проблемы повышения энергоэффективности управления режимами работы АВО газа. Среди них следует отметить публикации С. В. Алимова, И. И. Артюхова. [5] [6] В них показано, что использование частотного регулирования скорости вентиляторов АВО вместо используемого на большинстве КС дискретного регулирования (включения/выключения) двигателей вентиляторов оператором, обеспечивает существенную экономию электроэнергии на цели охлаждения. Исследованы вопросы математического описания АВО, оценено влияние алгоритмов управления на энергетические характеристики процесса охлаждения природного газа, рассмотрены оптимальные алгоритмы дискретного управления стационарными режимами АВО с учетом энергетической эффективности каждого аппарата, рассмотрены способы совершенствования энергетических характеристик АВО и снижения затрат на нужды охлаждения газа за счет прогнозирования электропотребления, обсуждаются вопросы совершенствования алгоритмов управления АВО газа, предложены решения по обеспечению электромагнитной совместимости группы частотных преобразователей с питающей сетью.

САУ АВО газа имеют ряд специфических особенностей, в частности, параметры объекта управления могут варьировать в значительных пределах вследствие изменения внешних условий и режима работы газопровода. Кроме того, для таких систем алгоритмы управления должны строиться таким образом, чтобы обеспечить требуемое качество переходных процессов не только для температуры газа, но и для частоты вращения вентиляторов.

Несмотря на значительное количество публикаций, ряд вопросов совершенствования САУ АВО газа с учетом отмеченных требований к качеству управления и специфических особенностей объекта до настоящего времени остаются открытыми. Указанные обстоятельства определяют актуальность проблемы совершенствования алгоритмов управления.

Цели диссертации:

1. Повышение точности поддержания требуемых технологических режимов работы АВО газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов;

2. Обеспечение энергетической эффективности функционирования АВО газа;

Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать статические и динамические характеристики АВО газа как объекта управления;

2. Выявить требования к характеристикам системы автоматического управления АВО газа;

3. Разработать методику синтеза САУ АВО газа и исследовать показатели качества регулирования;

4. Разработать САУ АВО газа с использованием регуляторов в цепи обратной связи и исследовать показатели качества регулирования;

охлаждение газ температура компримирование

2. Разработка схем

2.1 Структурная схемы САУ АВО

При разработке структурной схемы нужно учесть, что необходим постоянный контроль температуры газа на выходе АВО. Для этого нужно использовать комплекс датчиков, напрямую связанный с микроконтроллером intel 8051.

Так же необходимы исполнительные устройства, с помощью которых микроконтроллер будет управлять работой вентиляторов.

Автоматизированное рабочее место(АРМ) оператора должно обеспечить контроль за процессом. Обмен данными между микропроцессором и автоматическим рабочим местом(АРМ) осуществляется по интерфейсу

RS-232. Структурная схема САУ АВО газа приведена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1

2.2 Функциональная схема САУ АВО газа

Для контроля температуры газа на выходе АВО используются термометры сигнализирующие ТКП-16СгВ3Т4. Они выпускаются во взрывозащитном исполнении, имеют заданный диапазон температур (Рисунок 2.2).

Рисунок 2.2

Сработка термометра происходит при выходе температуры за пределы заданного диапазона.

Промежуточными приборами между контроллером и термометрами является блок расширения шлейфов сигнализации(БРШС). Он имеет два искробезопасных шлейфа сигнализации и два нормально замкнутых выхода (рисунок 2.3), которые размыкаются при сработке соответствующего шлейфа.

Рисунок 2.3

Микроконтроллер управляет работой реле, которые, в свою очередь, дают сигнал на запуск асинхронных двигателей АВО.

Асинхронный двигатель благодаря своей надёжности, простоте, невысокой стоимости успешно применяется во всех областях промышленности. В настоящее время наибольшее распространение получил электропривод на базе асинхронного двигателя с преобразователем частоты. Однако, для механизмов, не требующих регулирования скорости, часто встречается «прямое» включение асинхронного двигателя к сети. Как известно, при «прямом» пуске ток электродвигателя в 6-10 раз превышает номинальный, что отрицательно влияет на питающую сеть и работу остальных потребителей. Кроме того, при прямом пуске имеют место удары существенно сокращающие срок службы всего механизма. Во избежание этого применяются устройства плавного пуска (УПП).

В данной системе применяется УПП ДМС2 (софт-стартер), которое уменьшает и ограничивает пусковой ток асинхронного электродвигателя. Принцип действия софт-стартера заключается в регулировании действующего значения выходного напряжения (необходимого для поддержания заданного тока) при неизменной частоте сети (50 Гц.).

Помимо снижения пусковых токов электродвигателя, он снижает механические нагрузки (удары), обеспечивает защиту при аварийных режимах работы, имеет возможность плавной регулировки пускового тока. Управляется софт-стартер путем замыкания (пуск) и размыкания (стоп) контактов на клеммах управления.

В данном проекте используются АВО газа 2АВГ-75С. Эти аппараты рассчитаны на давление в 7.5 МПа, снабжены электродвигателем мощностью 37кВт и имею 528 труб. Функциональная схема приведена на рисунке 2.4

2.3 Принципиальная схема САУ АВО газа

Подключение выходов БРШС к портам микроконтроллера.

Контакты БРШС подключены к портам микроконтроллера как кнопки.

Используются подтягивающие резисторы R13…R24 10кОМ. К шлейфам сигнализации БРШС подключены термометры через оконечные резисторы R25…R36. В дежурном режиме (температура газа на выходе в пределах заданного диапазона) контакты максимум-общий и минимум-общий находятся в замкнутом состоянии и, как следствие, шлейфа сигнализации не переходят в тревожный режим. Выходы БРШС так же замкнуты, что приводит к считыванию логического нуля портами микроконтроллера.

Рисунок 2.4

При превышении верхнего порога происходит обрыв между контактами максимум и общий на термометре. БРШС переходит в тревожный режим и размыкает соответствующий выход. Это приводит к считыванию логической единицы портом, который подключен к этому выходу. Далее программа управления через исполнительные устройства запускает вентиляторы на АВО, где температура оказалась выше допустимой.

По аналогичной схеме происходит и отключение вентиляторов на АВО.

При достаточно низкой температуре газа на выходе данного АВО происходит обрыв между контактами минимум-общий и сработка второго шлейфа сигнализации на БРШС. Это приводит к размыканию контактов на втором выходе БРШС и к считыванию логического нуля портом. Программа управления отключает вентиляторы.

АВО газа на компрессорных станциях потребляют до 70 процентов электроэнергии, поэтому нет необходимости в работе АВО, если температура газа находится в пределах нормы.

Исполнительные устройства

В данной схеме используется реле TRS-12VDS-5B-L15 с сопротивлением обмотки 720Ом. Для управления реле можно применять транзисторный ключ (BC548). На рисунке 2.5 показан пример схемы с реле.

Рисунок 2.5

Если R=300Ом, максимальное напряжение вывода микроконтроллера при подаче в порт единицы равно 5 вольтам, то ток будет равен 16мА при допустимых 20мА (падением напряжения в 0.7 вольт на База-Эмиттерном переходе можно пренебречь). Однако, такую схему использовать нельзя, так как катушка имеет индуктивность. Для защиты от ЭДС самоиндукции, появляющейся в процессе коммутации обмотки, необходимо подключить диод (рисунок 2.6) параллельно обмотке реле.

При включенной обмотке ток равен:



Рисунок 2.6

Iреле=Uпит/Rреле

Сразу же после отключения обмотки реле за счёт самоиндукции ток будет поддерживаться неизменным, только протекать этот ток будет уже по диоду.

Максимальное значение тока через диод будет:

Iмакс=Uпит/Rреле

Iмакс=12В/720Ом=16мА

Таким образом подойдёт диод IN4004 с максимальным обратным напряжением 400В и максимальным прямым током 1А.

Эти реле, в свою очередь управляют устройствами плавного пуска асинхронных двигателей. Структурная схема приведена на рисунке 2.7



Рисунок 2.7

3. Разработка управляющей программы

3.1 Блок-схема алгоритма

Блок-схема управляющей программы показана на рисунке 3.1

Рисунок 3.1

3.2 Листинг управляющей программы

sjmp 80H ; Обход векторов прерываний

org 80H ; Организовать программу по адресу 10000000B

Avo1on : jnb p0.0 , Avo1off ; Если бит p0.0 не установлен (температура газа на

; АВО1 не превышена), то перейти

; на метку Avo1off

setb p1.0 ; Если бит p0.0 установлен (температура газа на

setb p1.1 ; АВО1 превышена, то битам р1.0 и р1.1

; присваиваются логические единицы

; (запускаются двигатели M1 и M2 на АВО1)

Avo1off : jnb p0.1 , Avo2on; Если бит р0.1 не установлен (температура газа на

; АВО1 не ниже допустимой), то перейти на метку

; Avo2on

clr p1.0 ; Если бит р0.1 установлен (температура газа на

clr p1.1 ; АВО1 ниже допустимой), то битам р1.0 и р1.1

; присваиваются логические нули (остановка

; двигателей М1 и М2 на АВО1)

Avo2on : jnb p0.2 , Avo2off ; Если бит p0.2 не установлен (температура газа на

; АВО2 не превышена), то перейти

; на метку Avo2off

setb p1.2 ; Если бит p0.2 установлен (температура газа на

setb p1.3 ; АВО2 превышена, то битам р1.2 и р1.3

; присваиваются логические единицы

; (запускаются двигатели M3 и M4 на АВО2)

Avo2off : jnb p0.3 , Avo3on; Если бит р0.3 не установлен (температура газа на

; АВО2 не ниже допустимой), то перейти на метку

; Avo3on

clr p1.2 ; Если бит р0.3 установлен (температура газа на

clr p1.3 ; АВО2 ниже допустимой), то битам р1.2 и р1.3

; присваиваются логические нули (остановка

; двигателей М3 и М4 на АВО2)

Avo3on : jnb p0.4 , Avo3off ; Если бит p0.4 не установлен (температура газа на

; АВО3 не превышена), то перейти

; на метку Avo3off

setb p1.4 ; Если бит p0.4 установлен (температура газа на

setb p1.5 ; АВО2 превышена, то битам р1.4 и р1.5

; присваиваются логические единицы

; (запускаются двигатели M5 и M6 на АВО4)

Avo3off : jnb p0.5 , Avo4on; Если бит р0.5 не установлен (температура газа на

; АВО3 не ниже допустимой), то перейти на метку

; Avo4on

clr p1.4 ; Если бит р0.5 установлен (температура газа на

clr p1.5 ; АВО3 ниже допустимой), то битам р1.4 и р1.5

; присваиваются логические нули (остановка

; двигателей М5 и М6 на АВО3)

Avo4on : jnb p0.6 , Avo4off ; Если бит p0.6 не установлен (температура газа на

; АВО4 не превышена), то перейти

; на метку Avo4off

setb p1.6 ; Если бит p0.6 установлен (температура газа на

setb p1.7 ; АВО4 превышена, то битам р1.6 и р1.7

; присваиваются логические единицы

; (запускаются двигатели M7 и M8 на АВО4)

Avo4off : jnb p0.5 , Avo5on; Если бит р0.7 не установлен (температура газа на

; АВО4 не ниже допустимой), то перейти на метку

; Avo5on

clr p1.6 ; Если бит р0.7 установлен (температура газа на

clr p1.7 ; АВО4 ниже допустимой), то битам р1.6 и р1.7

; присваиваются логические нули (остановка

; двигателей М7 и М8 на АВО4)

Avo5on : jnb p2.7 , Avo5off ; Если бит p2.7 не установлен (температура газа на

; АВО5 не превышена), то перейти

; на метку Avo5off

setb p2.3 ; Если бит p2.7 установлен (температура газа на

setb p2.2 ; АВО5 превышена, то битам р2.3 и р2.2

; присваиваются логические единицы

; (запускаются двигатели M9 и M10 на АВО5)

Avo5off : jnb p2.6 , Avo6on; Если бит р2.6 не установлен (температура газа на

; АВО5 не ниже допустимой), то перейти на метку

; Avo6on

clr p2.3 ; Если бит р2.6 установлен (температура газа на

clr p2.2 ; АВО5 ниже допустимой), то битам р2.3 и р2.2

; присваиваются логические нули (остановка

; двигателей М9 и М10 на АВО5)

Avo6on : jnb p2.5 , Avo6off ; Если бит p2.5 не установлен (температура газа на

; АВО6 не превышена), то перейти

; на метку Avo6off

setb p2.1 ; Если бит p2.5 установлен (температура газа на

setb p2.0 ; АВО6 превышена, то битам р2.1 и р2.0

; присваиваются логические единицы

;(запускаются двигатели М11 и М12 на АВО6)

Avo6off : jnb p2.4 , End ; Если бит р2.4 не установлен (температура газа на

; АВО6 не ниже допустимой), то перейти на метку

; end

clr p2.1 ; Если бит р2.4 установлен (температура газа на

clr p2.0 ; АВО6 ниже допустимой), то битам р2.1 и р2.0

; присваиваются логические нули (остановка

; двигателей М11 и М12 на АВО6)

End: sjmp Avo1on ; Переход на начало программы

Заключение

В ходе научно-исследовательской работы была обоснована актуальность темы. Был проведен патентный поиск и анализ существующих решений. В результате были сформулированы цели и задачи диссертации. Так же были разработаны структурная, функциональная и принципиальная схемы, блок-схема алгоритма и управляющая программа предложенной системы автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения газа.

Список используемых источников

1 Степанов О.А, Иванов В.А. Охлаждение газа и масла на компрессорных станциях магистральных газопроводов. -Л.: Недра. 1982.

2. Крылов Г.В. Эксплуатация газопроводов Западной Сибири / Г.В. Крылов, А.В. Матвеев, О.А. Степанов, Е.И. Яковлев. - М. : Недра, 1985. - 288 с

3. Гаррис Н. Активизация коррозионных процессов на магистральных газопроводах большого диаметра при импульсном изменении температуры / Н. Гаррис, Г. Аскаров // Нефтегазовое дело. - 2006. -Вып. № 1.

4. «Эксплуатация газопроводов Западной Сибири», Л.: Недра

5. Алимов С.В. Повышение энергоэффективности стационарных режимов работы установок охлаждения газа с частотно-регулируемым электроприводом: автореф. дис. канд. технических наук / С.В. Алимов. -Самара, 2011. - 24 с.

6. Артюхов И.И. Применение энергосберегающего электропривода в системах автоматического регулирования температуры агрегатов воздушного охлаждения / И.И. Артюхов, И.П. Крылов, Н.В. Погодин // Вопросы преобразовательной техники, частотного электропривода и управления: межвузовский науч. сборник. - Саратов : Саратовский Гос. технический ун-т, 1997. - С. 53 - 56.

Размещено на Allbest.ru