Система автоматического контроля и управления турбиной нагнетателя ГПА-16 на базе микроконтроллера SLC 5/04 американской фирмы ROCKWELL AUTOMATION.

ВВЕДЕНИЕ

Предприятия газовой промышленности относятся к классу объектов с  повышенной техногенной опасностью, поэтому важнейшим требованием  к системам автоматизации является повышенная надежность (здесь недопустимы  даже мелкие аварии из-за возможного значительного экологического и материального ущерба). На выполнение этого требования ориентируются при выборе программно-аппаратных средств, используемых на всех уровнях автоматизации.

Объектом исследования в данной курсовой работе является турбина нагнетателя газоперекачивающего агрегата (ГПА), который является неотъемлемой частью компрессорной станции (КС). При движении газа по газопроводу часть его энергии расходуется на преодоление сил трения, в результате скорость газа в трубопроводе уменьшается, происходит падение давления по всей длине и это вызывает снижение пропускной способности газопровода. Для восстановления прежних параметров газа необходимо периодически, через определенные расстояния, сообщать соответствующее количество энергии транспортируемому газу. Этот процесс подвода энергии выполняется в специальных сооружениях газопровода, называемых компрессорными станциями (КС).

Важную роль в функционировании КС играют информационно-измерительные системы, так как успешный процесс транспортирования газа трубопроводным транспортом зависит от строгого контроля и поддержания в заданном режиме таких параметров как давление, температура, расход, а также и от контроля качества выходного продукта. Поддержание с заданной точностью на заданном уровне параметров быстротекущих технологических процессов при ручном управлении оказывается невозможным. Поэтому технологический процесс, отвечающий современным требованиям немыслим без оснащения технологических установок соответствующими системами автоматического управления.

Система автоматизации предназначена для централизованного контроля, защиты и управления оборудованием.  Система автоматизации должна обеспечивать автономное поддержание заданного режима работы и его изменение.

Объектом исследования является турбина нагнетателя ГПА-16.

 

1 ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

Придание перекачиваемому по трубопроводу продукту дополнительной кинетической энергии происходит по следующей  схеме. Газ от узла подключения станции к газопроводу поступает на вход КС и проходит на установку очистки газа, где очищается от механических примесей в пылеуловителях. Затем основная часть очищенного газа направляется в компрессорный цех для компримирования, а другая, меньшая – отбирается на установку подготовки газа. После сжатия в компрессорном цехе газ подаётся на установку охлаждения, затем через узел подключения КС к газопроводу возвращается в магистраль.

 Кинетическая энергия турбины низкого давления передаётся силовой турбине нагнетателя (ТН) природного газа RF-2BB-30, используемого для компримирования природного газа. Вращательный момент, созданный силовой турбиной, передается на вал компрессора (нагнетателя), на котором закреплены рабочие колеса. Газ поступает через циклонный пылеуловитель (скруббер) на вход нагнетателя, частицам газа, находящимся между лопатками рабочего колеса, сообщается вращательное движение, благодаря чему на них действуют центробежные силы. Под действием этих сил газ перемещается  от оси компрессора к периферии рабочего колеса, претерпевает сжатие и приобретает скорость. Сжатие продолжается в кольцевом диффузоре из-за снижения скорости газа, то есть преобразования кинетической энергии в потенциальную. После прохождения через компрессор газ может быть направлен при помощи переключения клапанов в коллектор нагнетателя, коллектор рециркуляции или выбрасывается в атмосферу в зависимости  от величины расхода и режима, в котором работает агрегат. К примеру, при малом значении расхода для предотвращения помпажа – разрушительного для агрегата явления,  часть газа с выхода нагнетателя может подаваться  на его вход через систему рециркуляции, работа которой определяется антипомпажным клапаном. Техническая характеристика нагнетателя представлена в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Технические характеристики нагнетателя

Параметр	Значение
Тип	Центробежный
Номинальная мощность, кВт	11 900
Номинальная частота вращения, об/мин	4900
Максимальная частота вращения, об/мин	5500
Номинальная степень сжатия	1,5
Максимальное давление газа на выходе, МПа	8,89
Максимальное рабочее давление газа на выходе, МПа	7,6
Максимальная температура газа на нагнетании, 0С	112
Максимальная рабочая температура  газа на нагнетании, 0С	90
Количество ступеней сжатия, шт.	2
Давление смазочного масла, КПа	140
Расход масла, кг/ч	0,62
Диаметр фланцев на стороне всаса и нагнетания, мм	768
Масса компрессора с баком уплотнительного  масла, кг	30682
Зазоры в подшипниках и уплотнениях (диаметрально)
Коренные, мм		0,203¸0,254
Упорный подшипник (осевая игра), мм		0,279¸0,432
Плавающие уплотнительные кольца, мм		0,127¸0,165
Лабиринтные уплотнения со стороны  крышки, мм		0,457¸0,520
Лабиринтное уплотнение со стороны  привода, мм		0,432¸0,483
Лабиринтное уплотнение разгрузочного  поршня, мм		0,279¸0,381
Лабиринтное уплотнение рабочего колеса, мм		0,686¸0,787

  Компрессор установлен на плите основания, на которой расположены также насосы уплотняющего масла, дренажные ловушки и щит с манометрами и выключателями. Из отдельно расположенной установки для подачи масла, на силовую турбину подаётся смазочное масло, а так же смазочное и уплотнительное масло подаётся на компрессор.

 

2 АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТН

2.1 Описание функциональной схемы автоматизации

Одним из требований к современным системам автоматического  управления и регулирования является возможность сосредоточения всех функций, связанных с управлением технологическим процессом, в одной точке – диспетчерском пункте, с которого дежурный оператор имеет возможность дистанционно контролировать состояние всех технологических параметров ГПА.

Для предотвращения помпажа – процесса, ведущего к разрушению рабочих органов нагнетателя и возникающего при работе нагнетателя в условиях низкого расхода, система автоматизации включает в себя контур антипомпажного регулирования (контур управления рециркуляцией). При уменьшении расхода, соответствующего определенному перепаду давления на конфузоре нагнетателя, до заданного минимального значении, определяемого техническими характеристиками компрессора, антипомпажный клапан по команде антипомпажного регулятора переходит в определенное состояние  для отбора  из трубопровода, по которому газ поступает к коллектору нагнетателя, необходимого для устойчивой работы компрессора количества газа.

В случае аварийной  ситуации Системой предусмотрен автоматический переход к двум типам останова: нормальный и аварийный. В первом случае производится автоматическое приведение исполнительных механизмов в положение, упрощающее техническое обслуживание узлов и агрегатов, во втором в зависимости от аварийной ситуации узлы и агрегаты приводится в состояние, призванное снизить ущерб от нештатной ситуации.

 

 

 

2.2 Выбор технических средств автоматизации нижнего уровня

Правильный подбор измерительных  приборов имеет огромное значение, так как именно достоверность источника информации во многом определяет успех в выполнении поставленных задач. Отечественными и зарубежными производителями выпускается множество различных марок датчиков с различными характеристиками, предоставляя разработчику свободу выбора и возможность адекватного подбора комплектующих с необходимыми техническими характеристиками.

2.2.1 Датчики для измерения давления

Датчик перепада давления Yokogawa EJX130A с капсулой Н предназначен для измерения расхода (при диафрагменном методе измерения), для измерения уровня и плотности гидростатическим методом при высоком статическом давлении. Благодаря функции измерения рабочего давления одновременно может работать также как сигнализатор давления. Характеристики приведены в таблице 2.1 [1].

Таблица 2.1 – Технические характеристики EJX130A с капсулой Н

Пределы измерений	–5…5МПА;
Выходной сигнал	4…20 мА с функцией цифровой  связи по BRAIN или HART протоколу
Погрешность	±0,04 %
Материал, контактирующий со средой	стандартно: мембрана – Hastelloy C-276, тантал, монель. остальное – нержавеющая сталь 316L SST с тефлоновым покрытием
Температура окружающей среды	-40…85 ˚С (без индикатора) -30…80 ˚С (с индикатором)˚С
Питание	10,5...42 В постоянного тока

 

2.2.2 Датчик контроля вибрации

Таблица 2.2 – Технические характеристики приборов контроля вибрации [1].

Параметр	Metrix
Виброскорость: диапазон: погрешность:	0–75 мм/с 2%
Осевой сдвиг ротора: диапазон: погрешность:	±0,75 мм 5%
Температура эксплуатации:	от -40 до +66 °C

 

3 ВЫБОР ПРОГРАММИРУЕМОГО ЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЛЕРА

 В области автоматизации за последнее десятилетие произошли революционные изменения. Особенно это касается России. Надо сразу же отметить, что отечественные программно-технические комплексы и прикладное программное обеспечение сейчас являются вполне конкурентоспособными на российском рынке средств и систем управления, но по техническим характеристикам всё же уступают зарубежным аналогам. Существенным критерием отбора была область применения рассматриваемых технических средств - автоматизация технологических процессов добычи, подготовки, транспорта, хранения и переработки нефти и газа. Специфика таких объектов хорошо известна, и далеко не любые комплексы контроллеров могут быть при этом использованы. Чтобы правильно подобрать ПЛК для своего курсового проекта, я произведу сравнительную характеристику между ПЛК малого типа отечественного производителя и зарубежного.

3.1 Сравнительный анализ ПЛК

Компания Allen-Bradley Rockwell Automation существует уже более 90 лет. Она проектирует, производит и поддерживает широкий диапазон продуктов автоматизации во всем мире. Производимые компанией продукты включают в себя логические контроллеры, устройства питания, интерфейсы оператора, датчики и программное обеспечение.

Компания предлагает несколько семейств контроллеров: микроконтроллеры MicroLogix 1000, MicroLogix 1200, MicroLogix 1500, малые логические контроллеры SLC (Small Logic Controller),  контроллеры ControlLogix, программируемые логические контроллеры семейства PLC и другие.

Для разработки моего курсового проекта вполне подойдет малый логический контроллер SLC 500.

Семейство SLC 500 – семейство малых программируемых контроллеров, построенное на двух аппаратных модификациях:

- фиксированные  контроллеры с опцией расширения  при помощи двухслотного шасси;

-  модульные  контроллеры с количеством точек  ввода/вывода до 960.

Фиксированные контроллеры SLC 500 – серия контроллеров с широкими сетевыми возможностями, обеспечивающая до 104 вводов/выводов. Фиксированные SLC 500 включают центральный процессор  с возможностью подключения к  сети DH-485, встроенный источник питания и определенное количество каналов ввода/вывода.

 Существует 24 конфигурации контроллеров, отличающиеся  количеством вводов/выводов (20, 30, 40), уровнем сигналов и источниками  питания. 

Конфигурация на 20 точек (11 моделей) обеспечивает 12 DI (120, 240 VAC и 24 VDC) и 8 DO (реле, ключ, транзистор).

Конфигурация на 30 точек (6 моделей) обеспечивает 18 DI и 12 DO.

Конфигурация  на 40 точек (7 моделей) обеспечивает 24 DI и 16 DO.

Шасси расширения на 2 слота обеспечивает подключение 64 дополнительных вводов/выводов.

Модульные контроллеры  серии SLC 500 предлагают дополнительную гибкость конфигурирования системы, более  мощные процессоры и большую емкость  ввода/вывода.

Выбирая соответствующие  шасси, источники питания, процессоры, дискретные или специальные модули ввода/вывода, можно создать систему управления для различных применений. Имеется четыре типа процессоров:

Контроллеры семейства SLC имеют 4 различных размера шасси: на 4, 7, 10, 13 слотов [9].

 

 Контроллеры  фирмы ЭМИКОН

Контроллер представляет собой изделие, комплектуемое проектным путем из компоновочных изделий и модулей:

1. Блок системный

каркас компоновочный (6 типов);

модуль центрального процессорного устройства (2 типа - СPU-03A, 

     СPU-03В);

модуль питания (2 типа- PU-01A, PU-01В).

2. Панель оператора UniOP фирмы EXOR.

3. Блок питания  SU.

4. Модули связи  с объектом (до 12 модулей на контроллер).

5. Шкаф (3 типа)

6. Панель кроссовая  CR в зависимости от типоразмера  контроллера:

- клемма (до 600);

- шина DIN 35 (до 3,5 м).

Контроллеры в зависимости от своей  конфигурации могут быть отнесены к  контроллерам как малого (до 64 входов/выходов), так и среднего (до 480 входов/выходов) класса. При объединении нескольких контроллеров в локальную сеть можно  обеспечить любое требуемое количество входов/выходов.

Конструктивно контролеры состоят  из блока вычислительного и блока  кроссового, соединенных между собой кабелями.

В двухкорпусном варианте каждый блок имеет собственный кожух, в однокорпусном  варианте вычислительный и кроссовый  блоки расположены в общем защитном кожухе.