Автоматизация оборудования

Введение

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

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

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

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

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

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Подогреватели газа

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

В качестве методов по предотвращению гидратообразования применяют:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

 

 

1.1. Подогреватели углекислого газа для дуговой полуавтоматической сварки.

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

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

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

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

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

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

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

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

В настоящее время используются следующие конструктивные типы подогревателей:

тип 1 – проточный прямого  нагрева;

тип 2 - накладной на корпус регулятора;

тип 3 - проточный косвенного нагрева с каналом теплообмена;

тип 3а - проточный косвенного нагрева;

тип 3б - косвенного нагрева  встроенный в регулятор;

тип 4 - проточный косвенного нагрева с завихрителем.

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

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

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

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

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

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

 Низкая надежность из-за:  

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

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

  3.  хрупкости керамического изолятора;

  4. слабого крепления подогревателя к корпусу регулятора.

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

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

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

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

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

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