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

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Слив железнодорожных  цистерн является неотъемлемой частью процесса транспортировки нефтепродуктов, повсеместная применяемость которых очевидна. Как правило, транспортировка высоковязких продуктов, таких как мазут топочный, связана со значительными временными и денежными затратами. В большинстве случаев подобные затраты связаны с необходимостью предварительного разогрева продукта в цистерне перед разгрузкой, выполняемого в теплообменном аппарате установок слива, без которого процесс слива будет весьма длительным и неполным, и, соответственно, дорогим.

В настоящее время  для разогрева вязких продуктов в цистернах используется внешний циркуляционный разогрев, при котором из цистерны отбирается холодный продукт, разогревается во внешнем теплообменнике и возвращается в цистерну с целью нагревания (снижения вязкости) и размыва затвердевших осадков. Часть текучего мазута поступает  в резервуар для хранения, а часть после нагревания повторяет цикл, в связи с чем, данный процесс и назван циркуляционным.

Учитывая, что предварительный  разогрев требуется практически  всегда (особенно в холодные времена года, занимающие значительную часть времени в климате нашей страны), а также большие объемы сливаемого мазута, требуется значительное количество теплоты, передаваемое «рабочему» мазуту в теплообменнике. Эффективное регулирование процесса нагрева и поддержание минимально допустимой, но достаточной для сохранения эффективности процесса температуры является весьма нетривиальной задачей, сохраняющей значительное количество средств.

Кроме того, существующая в настоящий момент процедура  слива предполагает непосредственное участие человека для реализации управления, что приводит к дополнительным расходам на оплату труда и снижает эффективность работы в отличие от автоматизированных систем управления (АСУ). Использование АСУ ТП позволяет также применить системы удаленного диспетчерского контроля и управления для решения задач мониторинга и повышения безопасности в управлении.

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, минимизирующего потери теплоты и времени для нагрева;
• реализация механизма контроля давления с целью предотвращения выхода из строя насосов;
• реализация функции удаленного диспетчерского контроля и управления посредством SCADA-системы.

 

1 АНАЛИЗ ТЕПЛОВОГО ПУНКТА ПРОЦЕССА  ЦИРКУЛЯЦИОННОГО СЛИВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ЦИСТЕРН И ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ СОЗДАНИЯ АСУТП

1.1 Общие сведения о системе циркуляционного слива с предварительным разогревом

 

Сущность процесса циркуляционного  слива с предварительным разогревом заключается в разогреве, размыве  и сливе мазута из железнодорожных  вагоно-цистерн. Поскольку объектом автоматизации данного дипломного проекта является тепловой пункт системы слива, особое внимание следует уделить разогреву нефтепродуктов в системе.

В настоящий момент существуют четыре схемы, реализующие внешний циркуляционный разогрев:

• централизованный циркуляционный разогрев;
• групповой циркуляционный разогрев;
• индивидуальный циркуляционный разогрев через нижний сливной прибор цистерны («нижний разогрев»);
• индивидуальный циркуляционный разогрев через верхний люк цистерны («верхний разогрев»).

При централизованном циркуляционном разогреве холодный продукт отбирается одновременно из всех цистерн эстакады через нижние сливные приборы в общий приемный коллектор, из которого мощными насосами прокачивается через теплообменники и подается в напорный коллектор, откуда распределяется во всех цистернах через форсунки гидромониторов устройств нижнего слива (УСН) (первая реализация циркуляционного разогрева).

Групповой циркуляционный разогрев отличается от централизованного тем, что на эстакаде организуется несколько контуров циркуляции, обслуживающих по 5-6 цистерн (реализуется в предположении, что функциональные недостатки централизованного циркуляционного разогрева уменьшатся пропорционально уменьшению числа цистерн в одном контуре).

Суть индивидуальный циркуляционный разогрев через нижний сливной прибор цистерны («нижний разогрев») состоит в том, что система внешнего циркуляционного разогрева индивидуальна для каждой цистерны (полностью исключаются функциональные недостатки централизованного и группового разогрева).

Индивидуальный циркуляционный разогрев через верхний люк цистерны («верхний разогрев») характеризуется тем, что отбор холодного продукта из цистерны производится через верхний люк по погружаемому в цистерну устройству (модифицированный индивидуальный циркуляционный разогрев для цистерн с неисправным нижним сливным прибором).

Централизованный циркуляционный разогрев показал свою полную неработоспособность  и в настоящее время не принимается  к проектированию для оснащения  эстакад слива вязких и застывающих  продуктов.

Групповой циркуляционный разогрев, как вариант централизованного с присущими ему недостатками, так же оказался практически неработоспособным по далее приводимым причинам.

При применении групповой  системы предварительного подогрева  физически неизбежен перелив  продукта через верхний люк цистерны, приводящий к загрязнению территории эстакады, из-за неуправляемого подвода горячего и отвода холодного продукта в каждой цистерне группы. Предлагаемые способы предотвращения перелива методом визуального контроля уровня продукта в цистернах с ручным закрытием донного клапана цистерны при угрозе перелива недопустим из-за присутствия человеческого фактора, автоматическое отключение циркуляционного насоса по сигналу датчика уровня какой либо из цистерн в группе нельзя считать надежным из-за соотношения малого объема пустого пространства в цистерне и производительности насоса (около 400 м3/час) с учетом времени его полного останова с закрытием отсечной арматуры. Кроме того, отключение насоса приводит к остановке процесса разогрева до устранения причины перелива и задержке маршрута на эстакаде.

Применение комбинированной  насадки гидромонитора УСН обеспечивает фиксированный неуправляемый расход горячего продукта в направлении  донного клапана и процесс  разогрева не может быть оптимизирован по начальной температуре продукта в цистерне и в зависимости от изменения температуры в процессе разогрева. В первом случае расхода горячего продукта может не хватить для образования смеси с достаточной текучестью и придется снижать производительность насоса или прикрывать донный клапан цистерны, во втором случае, когда расход горячего продукта избыточен, существенно снижается эффективность подвода тепла к продукту в теплообменнике из-за его повышенной температуры.

Для уменьшения вероятности  перелива продукта через верхний люк цистерны, помимо датчиков уровня, предусмотрено снижение производительности насоса при циркуляции в два раза — до 30 м3/час на каждую цистерну по отношению к номинальному расходу применяемых насосов, что пропорционально увеличивает время замещения холодного продукта в цистерне горячим, подаваемым через цилиндрические сопла комбинированной насадки гидромонитора УСН.

При транспортировке  цистерн через климатические  районы с низкой температурой, на стенках  котла и, особенно на его нижней части, образуются отложения с гораздо более низкой температурой, чем средняя расчетная температура по цистерне. Эти отложения практически не движутся к сливному прибору в процессе разогрева и не замещаются разогретым продуктом. При отсутствии специальных средств размыва донных отложений слив из цистерн будет неполным.

При использовании группового подогрева и слива применяемое  оборудование имеет большие габариты и вес и при его размещении внутри строительной конструкции эстакады доступ к нему для проведения планового технического обслуживания или ремонта значительно затруднен. При невозможности проведения ремонта на площадке требуется использование грузоподъемного оборудования, что приведет к остановке эксплуатации всей эстакады.

При выходе из строя оборудования группового подогрева и слива не слитыми остаются все шесть цистерн группы, так как резервирование насосного и теплообменного оборудования не предусмотрено. Предлагаемое косвенное резервирование — возможность подключения на оборудование соседней группы, увеличивает время обработки всей подачи в два раза, так как насосное и тепловое оборудование рассчитано номинально на работу с одной группой цистерн и не более. В реальности шесть цистерн будут выведены с эстакады без обработки, а с учетом низкой ремонтопригодности оборудования неработоспособное состояние группового места составляет значительное время.

В связи с вышеприведенным, в проекте рассматривается индивидуальный циркуляционный разогрев через нижний сливной прибор цистерны как наиболее простой и эфективный.

1.2 Описание технологического процесса системы разогрева, размыва и слива мазута

 

В состав системы слива  входят:

• установка размыва и слива вязких нефтепродуктов (рисунок 1.1);
• насосная станция (рисунок 1.2).

Установка размыва и  слива вязких нефтепродуктов предназначена, как следует из ее названия, для организации слива текучей части мазута через сливной патрубок и подачи ее в насосную станцию, а также размыва имеющегося в цистерне осажденного вещества нагретым мазутом через гидромонитор, поступившим от насосной станции.

Установка размыва и слива состоит из:

• подвижного шарниросочлененного трубопровода;
• оголовника, внутри которого располагается гидромонитор;
• основания со сливным патрубком.

На рисунке 1.1 представлен  общий вид установки размыва и слива. Установка представляет собой шарниросочлененный трубопровод (поз. 1), имеющий два колена. Колена подвижны друг относительно друга в горизонтальной и вертикальной плоскости. Подвижность и герметичность шарниросочлененному трубопроводу (поз. 1) обеспечивают подшипниковые узлы (поз. 14). Внутри шарниросочлененного трубопровода проходит напорный трубопровод, подающий разогретый нефтепродукт на сопла (поз. 9) гидромонитора.  С одной стороны к шарниросочлененному трубопроводу присоединен оголовник (поз. 2), с другой – основание (поз. 5)

Рис. 1.1. Общий вид установки размыва и слива вязких нефтепродуктов

Шарнирносочлененный трубопровод имеет 4 шарнира (поз. 14), позволяющих подвести и подключить оголовник (поз. 2) к нижнему сливному прибору железнодорожного вагона-цистерны.

Оголовник представляет собой присоединительный патрубок с горловиной, снабженной защитной манжетой, обеспечивающей 100% герметичность  слива.

Присоединение оголовника к сливному патрубку цистерны осуществляется при  помощи механического винтового зажима с захватами (поз. 3), закрепленными на поворотном кольце. Кольцо позволяет вращать захваты относительно оси оголовника на 360°, позволяющее произвести присоединение оголовника в любом положении нижней крышки сливной горловины.

Зажим крючков захвата за бурт железнодорожной цистерны осуществляется одновременно с обеих сторон вращением штурвала (поз. 13). Внутри оголовника находится гидромонитор телескопического типа, соединенный через напорный трубопровод с насосом высокого давления (НВД) (рис. 1.2 поз 4). По напорному трубопроводу на сопла (поз. 9) гидромонитора поступает разогретый нефтепродукт.

Сопла гидромонитора  направлены под углом 15° вверх. Положение  сопел внутри цистерны меняется рукояткой (поз. 10).

Основание представляет собой опорную тумбу со сливным  патрубком для подключения установки  к насосу низкого давления (ННД) и фланцем (поз. 17) для подключения напорного трубопровода к НВД.

Напорный трубопровод  имеет нормально открытый клапан для слива нефтепродукта в сливной коллектор после окончания работы. При необходимости клапан может быть установлен с противоположной стороны основания.

Подошва основания устанавливается  на специально подготовленный фундамент  на анкерные болты.

На фланце коренного  шарнира установлено гаражное устройство (поз. 15). Гаражное устройство фиксирует установку в нерабочем положении (установка выведена из зоны движения вагонов-цистерн), а также снимает консольную нагрузку на коренной шарнир.

В состав насосной станции, предназначенной для откачки разогретого мазута в сливной коллектор и подачи части его на сопла гидромонитора, входят:

• теплообменный аппарат;
• расходная емкость;
• запорно-регулирующая арматура;
• насос высокого давления;
• насос низкого давления;
• датчик температуры.