Разработка автоматизированной системы управления участком теплового пункта процесса циркуляционного слива железнодорожных цистерн

Насосная станция располагается на единой раме под кожухом и обеспечивает работу установки размыва и слива.

Рис. 1.2. Внешний вид насосной станции (без теплоизоляции)

Собственно интересующий нас теплообменный аппарат представлен на рисунке 1.3. Он может иметь кожухотрубное (на рисунке) или пластинчатое исполнение. В теплообменный аппарат (ТО) горячий пар поступает через патрубок (поз. 4) (подача пара в ТО регулируется задвижкой).

 

Рис. 1.3. Теплообменный аппарат

Из расходной емкости нефтепродукт, температурой 30 °С поступает через патрубок (поз. 2) в нижнюю часть полости.

По трубному пучку (поз. 6) нефтепродукт поступает в поворотную камеру (поз. 10). Затем, по трубному пучку (поз. 6) – в верхнюю часть полости и выходит из патрубка (поз. 3) температурой 90 °С.

Из ТО пар выходит  в виде конденсата через патрубок (поз. 5) в дренажную систему. В расходной емкости находится запас нефтепродукта объемом 420 литров.

Запорно-регулирующая арматура представляет собой систему клиновых задвижек с выдвижным шпинделем, с условным проходом Dy100 (поз. 1, 2, 3 рисунок 1.4) и Dy80 (поз. 4).

Насос высокого давления подает разогретый нефтепродукт из ТО на сопловые насадки системы установки размыва и слива. Насос низкого давления откачивает разогретый нефтепродукт из сливного патрубка системы установки размыва и слива.

Регулирование температуры осуществляется подачей пара в теплообменник (рисунок 1.2, поз. 8) через задвижку. Как только температура нефтепродукта на выходе из теплообменника становится ниже заданной (115°С) даже незначительно (на 1°С) оператору необходимо увеличить подачу пара в теплообменник.

Так как расходная емкость и ТО находятся в единой теплоизоляционной оболочке, то за счет дополнительного обогрева ТО, нефтепродукт в расходной емкости так же разогревается (до 30°С).

Когда температура нефтепродукта  на выходе из теплообменника достигает нормы, подача пара в ТО оператором останавливается.

Контроль температуры  нефтепродукта на выходе из ТО осуществляется при помощи термодатчика (рисунок 1.2 поз. 11).

Таким образом, технологический процесс  можно упрощенно описать следующим  образом:

При включении насосов высокого давления (НВД) (рисунок 1.2 поз. 4) и насоса низкого давления (ННД) под действием НВД (рисунок 1.2 поз. 4) нефтепродукт, температурой 30 °С поступит из расходной емкости (рисунок 1.2 поз. 2) через задвижки 1,2 (рисунок 1.4) в ТО (рисунок 1.2 поз. 1).

Из ТО (рисунок 1.2 поз. 1) нефтепродукт, разогретый до температуры 115 °С через задвижку 3 (рисунок 1.4) поступит на напорный трубопровод установки размыва и слива.

 

 

Рис. 1.4. Технологическая схема системы слива вязких нефтепродуктов (мазута)

 

По напорному трубопроводу разогретый нефтепродукт поступит на сопла (рисунок 1.1 поз. 9) гидромонитора. Под давлением жидкости звенья гидромонитора раздвигаются, сопловая насадка (рисунок 1.1 поз. 9) вводится внутрь цистерны. Поворот рукоятки (рисунок 1.1 поз. 10) устанавливает направление струй разогретого нефтепродукта, которые активно размывают основную массу продукта, находящегося в цистерне.

Одновременно начнется откачка разогреваемого нефтепродукта ННД из сливного патрубка (рисунок 1.1 поз. 6) через задвижку 4 (рисунок 1.4) в расходную емкость (рисунок 1.2 поз. 2).

Когда объем нефтепродукта  в расходной емкости (рисунок 1.2 поз. 1) превысит 420 литров, откроется обратный клапан (рисунок 1.2 поз. 3) и нефтепродукт поступит в продуктовый коллектор.

Остановка системы осуществляется последовательным выключением насосов оператором.

1.3 Оценка качества функционирования объекта автоматизации, решение проблем средствами автоматизации

 

Пуск и останов насосов  высокого и низкого давления системы  слива осуществляются оператором, что, кроме того, что требует постоянного  его присутствия для, например, экстренного  выключения, так и порождает неодновременность  включения насосов, что может привести к выходу из строя насоса низкого давления в случае, если включить его ранее насоса высокого давления на промежуток времени больший десяти секунд. В случае же, если насос низкого давления не работает, а насос высокого давления подает разогретый мазут в цистерну, возможен перелив через горловину и загрязнение эстакады.

Кроме того, существующая система  предполагает также использование ручного труда оператора для управления подачей пара в теплообменник с целью поддержания необходимого значения температуры нефтепродукта на выходе из него. При этом оператор сверяется со значением температуры нефтепродукта, выдаваемым термодатчиком на выходе теплообменного аппарата и соответствующим образом корректирует положение задвижки подачи пара.

Естественно, что данный алгоритм управления далек от оптимального в силу отсутствия четкого закона регулирования и лишь, по сути дела, позволяет придерживаться некоего «среднего»  значения, что может негативно сказаться на качестве протекания процесса, т.е. размыве осадков нефтепродукта либо, напротив, приводит к перерасходу тепла для чрезмерного неэффективного нагрева нефтепродукта.

Также условия труда оператора  нельзя назвать комфортными в силу шумового и вибрационного воздействия, а специфика управления технологическим процессом требует постоянного нахождения рядом с насосной станцией без возможности отлучиться.

Монотонность выполняемых регулировочных воздействий приводит к быстрой  усталости и снижению вниманию, что  чревато несвоевременным реагированием  на изменение условий протекания процесса и появлением аварийных ситуаций.

В связи с вышесказанным  предлагается реализовать технологию циркуляционного разогрева, обеспечивающую управляемый процесс теплопередачи по контролируемому параметру температуры продукта на выходе теплообменника с сохранением номинальной производительности циркуляционного насоса, а также замены ручного управления расходом пара в теплообменник через задвижку на микроконтроллерное управление регулируемым клапаном расхода. Также необходимо реализовать контроль давления на выходе насосов высокого и низкого давления с целью мониторинга аварийных ситуаций и косвенно возможности перелива нефтепродукта.

Кроме того, во избежание  нахождения в непосредственной близости от установки и воздействия шума и вибрации, с целью сохранения функции мониторинга и управления предлагается организовать автоматизированное рабочее место оператора (АРМ) на базе персонального компьютера и SCADA-системы, позволяющее ему управлять включением и выключением насосов системы, отслеживанием аварийных ситуаций, а также контролировать соблюдение и изменять в случае необходимости (изменение сливаемого нефтепродукта) температуру подаваемого в цистерну из теплообменника нефтепродукта.

Таким образом, структурная  схема системы в результате планируемых преобразований будет иметь вид, показанный на рисунке 1.5.

Рис. 1.5. Структурная схема автоматизированной системы управления тепловым пунктом системы слива нефтепродуктов

1.4 Постановка цели и задач проектирования

 

Целью дипломного проекта является разработка автоматизированной системы управления участком теплового пункта процесса циркуляционного слива железнодорожных цистерн с применением программируемого логического контроллера (PLC) и автоматизированного рабочего места оператора (АРМ).

В связи с вышесказанным, в рамках данного дипломного проекта  ставятся следующие задачи:

• замена существующей ручной системы управления температурой в теплообменнике на цифровое управление микроконтроллером;
• разработка эффективного алгоритма поддержания заданной температуры нефтепродукта на выходе теплообменного аппарата, минимизирующего потери теплоты и времени для нагрева;
• реализация механизма двухконтурного теплообмена;
• реализация функции удаленного диспетчерского контроля и управления, а также мониторинга аварийных ситуаций (остановки насосов) посредством SCADA-системы и предотвращения перелива нефтепродукта через горловину.

Внедрение проектируемой  АСУ ТП предположительно позволит:

• реализовать эффективный алгоритм управления температурой на выходе теплообменного аппарата, позволяющий, в свою очередь, избежать излишних затрат средств на сообщение нужного количества теплоты и в тоже время сохранить эффективность технологического процесса размыва и слива нефтепродукта;
• улучшить условия труда оператора за счет исключения шумового и вибрационного воздействия, а также ликвидации необходимости визуального контроля температуры нефтепродукта на выходе теплообменника и реализации регулирования;
• избежать возникновения аварийных ситуаций и загрязнения в результате перелива нефтепродукта из цистерны за счет реализации своевременного контроля и управления технологическим оборудованием.

 

2 ОПИСАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Требования к технологическому  процессу

 

Основным требованием к технологическому процессу является время его осуществления, т.е. слива мазута марки М100 (как наиболее часто сливаемого нефтепродукта) из одной железнодорожной цистерны емкостью 72 м³, поскольку предварительный разогрев необходим именно для ускорения слива и осуществления его в полном объеме. Максимальное время слива не должно превышать 6 часов при температуре окружающей среды минус 40°С.

Диапазон температур, при которых возможно осуществление  слива, должен соответствовать климатическим реалиям нашей страны, учитывая разницу температур в северных и южных областях. Оптимальным диапазоном является диапазон от минус 40 до плюс 50°С.

Также учитывая вязкость сливаемых нефтепродуктов, температура  нефтепродукта на выходе теплообменника, поступающего затем в гидромонитор, должна составлять от 85 до 115°С в зависимости от вида сливаемого продукта, а на вход теплообменника нефтепродукт из расходной емкости (обогреваемой за счет теплопроводности от теплообменника) должен поступать с температурой в диапазоне от 30 до 36°С. Создаваемое при этом давление на выходе НВД должно составлять  1,6 МПа.

Технологический процесс  должен исключать загрязнение наружной поверхности цистерн, эстакады и  окружающей территории. Кроме того, весьма важным требованием является пожаро- и взрывобезопасность осуществления процесса.

Процесс разогрева нефтепродукта  в теплообменном аппарате должен быть «закрытого типа», т.е. за счет передачи теплоты пара нефтепродукту через стенку трубчатой решетки (пучка) без непосредственного контакта с ним, что исключает обводнение нефтепродукта. Температура теплоносителя (пара) при этом должна составлять от 150 до 180°С.

В таблице 2.1 приведены  основные требования к параметрам технологического процесса.

Таблица 2.1 – Основные требования к параметрам технологического процесса

Название параметра	Значение
Время разогрева и слива мазута марки М100 при температуре окружающего  воздуха -40°С, ч	6
Температура  окружающей  среды,  при  которой система работоспособна, °С	-40...+50
Теплообменный аппарат: - тепловой агент - массовый расход пара, т/час - температура, °С - давление, МПА - температура нефтепродукта, °С            при  входе            при  выходе	пар 0,8 150-180 1   32-36 85-120
Давление нефтепродукта на выходе сопел гидромонитора, МПа	0,4-0,7

2.2 Требования к технологическому оборудованию и его монтажу

 

Главным требованием  к оборудованию является обеспечение  возможности функционирования в бесперебойном режиме с заданными показателями качества.

Все устанавливаемое  оборудование должно удовлетворять требованиям взрывозащищенности. Взрывозащищенность должна обеспечиваться применением на установке комплектующих изделий во взрывозащищенном исполнении, соответствующих по классу защиты производственным площадкам класса В-1г. Все подвижные части установки, имеющие возможность при движении вызвать искру, должны быть выполнены из неискрящих материалов.

Монтаж оборудования следует производить руководствуясь главами 3-4 ПЭЭТ «Электроустановки во взрывоопасных зонах», а также главой 7 ПУЭ.

Учитывая условия работы, необходимо чтобы все электроэнергетическое оборудование было соответствующим образом заземлено в соответствии с положением о заземлении промышленных установок и отводе статического электричества.

Монтаж и демонтаж крышек и других элементов, обеспечивающих взрывозащищенность оборудования и приборов системы, следует производить при обесточенных приборах.

Установка насосной станции (и входящего в ее состав теплообменного аппарата) допускается только на строго горизонтальной поверхности на бетонном фундаменте. Теплообменник устанавливается двумя опорами на фундамент и крепится анкерными болтами. На рисунке 2.1 показаны привязочные размеры опорной рамы насосной станции, крепящейся к фундаменту.