Управление в технических системах
Газ из магистральных газопроводов поступает в городские, поселковые и промышленные системы газоснабжения через газораспределительные станции (ГРС). На ГРС давление газа снижают до величины, необходимой для этих систем, и поддерживают постоянным. Оборудование ГРС рассчитывается на рабочее давление в 5,5; 7,5 МПа, т.е. на максимально возможное давление в газопроводе. Кроме того, ГРС характеризуется большими пропускными способностями (100…200 тыс. м3/ч и более), в связи с этим дросселирование газа на них осуществляют в несколько ниток и на каждой из них устанавливают соответственно регулятор давления большой пропускной способности.
Для непрерывного снижения давления газа на ГРС используют узел редуцирования давления газа. Узел редуцирования давления газа — система для снижения давления транспортируемого газа с целью перепуска его из газопровода с более высоким давлением в газопровод с более низким давлением. Входит в линейную часть газопровода.
Существующая ГРС г. Енакиево имеет 12 ниток редуцирования газа, точность поддержания давления газа при этом от 0,1 до 0,3 кгс/см2 обеспечивается самим регулятором давления газа. Технические характеристики отечественных регуляторов давления газа имеют несколько худшую точность поддержания давления по сравнению с зарубежными регуляторами. Таким образом, задача автоматизации процесса редуцирования газа, является актуальной и заключается в разработке системы автоматического регулирования давления на выходе газораспределительной установки.
Применение в проволоке того или иного порошкового наполнителя (или порошкового сердечника, как его иногда называют), обусловлено конкретным производственным процессом.
Газ из магистральных газопроводов поступает в городские, поселковые и промышленные системы газоснабжения через газораспределительные станции (ГРС). На ГРС давление газа снижают до величины, необходимой для этих систем, и поддерживают постоянным. Оборудование ГРС рассчитывается на рабочее давление в 5,5; 7,5 МПа, т.е. на максимально возможное давление в газопроводе. Кроме того, ГРС характеризуется большими пропускными способностями (100…200 тыс. м3/ч и более), в связи с этим дросселирование газа на них осуществляют в несколько ниток и на каждой из них устанавливают соответственно регулятор давления большой пропускной способности.
При нулевом расходе газа затворы пилота и исполнительного механизма герметично закрываются за счет повышения выходного давления. В случае прекращения подачи газа на вход регулятора гильза под воздействием пружины поджимается к клапану. Регулятор закрыт. В рассматриваемой газораспределительной системе применяется астатический регулятор.
Целью магистерской диссертации является – повышение точности регулирования и надежности подачи газа потребителям за счет модернизации функции дистанционного управления редукторами - задатчиками регуляторов давления.
Основные задачи исследования:
Объект исследования: система автоматического регулирования давления на выходе газораспределительной станции.
Предмет исследования: газораспределительные станции (ГРС).
В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:
Выполнен анализ принципа работы узла редуцирования газа в условиях газораспределительной станции г. Енакиево. Проведен анализ узла редуцирования газа как объекта автоматического управления. Обосновано направление разработки САУ узла редуцирования газа в условиях ГРС. Разработана функциональная схема САУ узла редуцирования газа с учетом состава и структуры функциональных узлов системы управления. Разработано техническое задание на проектирование. Выполнено проектирование САУ. Выбраны необходимые средства для технической реализации разработанной системы. Разработана принципиальная электрическая схема САУ. Разработан алгоритм работы системы автоматического управления САУ узла редуцирования газа в соответствии с выбранной технической базой.
Газ из магистральных газопроводов поступает в городские, поселковые и промышленные системы газоснабжения через газораспределительные станции (ГРС). На ГРС давление газа снижают до величины, необходимой для этих систем, и поддерживают постоянным. Оборудование ГРС рассчитывается на рабочее давление в 5,5; 7,5 МПа, т.е. на максимально возможное давление в газопроводе. Кроме того, ГРС характеризуется большими пропускными способностями (100…200 тыс. м3/ч и более), в связи с этим дросселирование газа на них осуществляют в несколько ниток и на каждой из них устанавливают соответственно регулятор давления большой пропускной способности.
ГРС дополнительно обрабатывает газ. Кроме очистки газа в фильтрах на них предусматривают его одоризацию и подогрев. Так как перерыв в газоснабжении городов, поселков и крупных промышленных потребителей допускать нельзя, то защитную автоматику ГРС создают по принципу резервирования, а не отключения потока газа при отказах регулирующего оборудования.
Газораспределительная станция г. Енакиево предназначена для подачи газа с двух газопроводов высокого давления (до 5,5 МПа) коммунально-бытовым и промышленным потребителям г. Енакиево с предыдущим очищением газа, измерением его количества и одоризации.
Проектная производительность ГРС – 650 тыс. м3/год. Давление на входе ГРС - проектный – 55 кгс/см2.
ГРС-1 г. Енакиево построена по индивидуальному проекту и введена в эксплуатацию в 1989 году.
Замена всего оборудования ГРС была проведена на протяжении 2001-2002 годов.
Технологическое оборудование располагается в здании и на открытой площадке ГРС. В здании ГРС находятся помещения зала редуцирования газа, помещение измерительной, аппаратной, мастерские, котельные и два вспомогательных помещения.
Управление технологическими процессами ГРС осуществляется с помощью САУ ГРС «MOSCAD», разработанной СУРФ «ИНЕК», и введена в эксплуатацию в 2000-2001 годах.
Данная система имеет двухуровневую структуру.
Верхний уровень системы составляют рабочая станция оператора с системой радиосвязи, пульт контроля и управления, расположенный в операторной ГРС.
К нижнему уровню управления относятся шкаф автоматизации САУ и шкаф бесперебойного питания, первичные преобразователи и сигнализаторы технологических параметров, устройства управления кранами и система контроля загазованности воздуха в помещениях ГРС.
Регуляторы давления газа типа РДП-150, РДУ-50, РДУ-40 и модель 399А Ду150 оборудованы только ручным управлением и к САУ не подключены.
На ГРС редуцирование газа проводится в одну степень с двенадцатью нитками, расположенными параллельно от общего (входного) коллектора.
ГРС г. Енакиево оснащена регуляторами давления газа со вспомогательной энергией (управляемыми пилотами) на узле редуцирования. Регуляторы РДП-150, РДУ-50, РДУ-40 с редукторами-задатчиками давления ручной настройки и регуляторы давления «FISHER» DN150 с редукторами-задатчиками давления без электроприводов, которые обеспечивают регулирование давления газа, поступающего потребителям, с отклонением от 0,1 до 0,3 кгс/см2.
Параметры газа на выходе ГРС по потребителям приведено в табл 1
Таблица 1 – Параметры газа на выходе ГРС по потребителям
После редуцирования газопроводы (по каждому потребителю) соединяются и имеют выходные коллекторы таких размеров:
Узел Редуцирования имеет:
Принцип работы регуляторов давления осуществляется за счет энергии проходящей рабочей среды (рис.1).
Рисунок 1 – Схема регуляторов давления РДП
Входное давление поступает в исполнительный механизм и на вход стабилизатора. Выходное давление стабилизатора подается на вход пилота. У Регулятора РДП-В входное давление подается непосредственно на вход Пилота. При полностью свободной пружине пилота, клапан пилота находится в закрытом состоянии. Регулятор выключен. Настройка Регулятора на заданное давление осуществляется вращением регулировочного винта пилота. Пилот открывается, управляющее давление поступает в правую полость мембранной камеры исполнительного механизма. При работе регулятора давление перед дросселем сбросной линии, а, следовательно, и в правой полости мембранной камеры исполнительного механизма всегда выше давления за регулятором. Разница давлений на мембране исполнительного механизма создает аксиальное усилие. Затвор регулятора открывается (гильза отходит от клапана). В установившемся режиме движущиеся элементы регулятора находятся в равновесном состоянии. Любое изменение входного давления или расхода газа вызывает изменение выходного давления и, следовательно, давления в левой полости мембранной камеры исполнительного механизма, что приводит к перемещению подвижной системы в новое равновесное состояние, при котором выходное давление возвращается к заданной величине.
При нулевом расходе газа затворы пилота и исполнительного механизма герметично закрываются за счет повышения выходного давления. В случае прекращения подачи газа на вход регулятора гильза под воздействием пружины поджимается к клапану. Регулятор закрыт.
В рассматриваемой газораспределительной системе применяется астатический регулятор (рис.2).
Рисунок 2 – астатический регулятор, где: 1 — регулирующий (дроссельный) орган; 2 — мембранно-грузовой привод; 3 — импульсная трубка; 4 — объект регулирования — газовая сеть Рисунок 2 - Схема астатического регулятора давления
(скорость анимации – 7 количество кадров – 12)
В астатических регуляторах на чувствительный элемент (мембрану) действует постоянная сила от груза 2. Активная (противодействующая) сила — это усилие, которое воспринимает мембрана от выходного давления P2. При увеличении отбора газа из сети 4 будет уменьшаться давление P2, баланс сил нарушится, мембрана пойдет вниз и регулирующий орган откроется. Такие регуляторы [1] после возмущения приводят регулируемое давление к заданному значению независимо от величины нагрузки и положения регулирующего органа. Равновесие системы может наступить только при заданном значении регулируемого давления, причем регулирующий орган может занимать любое положение. Такие регуляторы следует применять на сетях с большим самовыравниванием, например, в газовых сетях низкого давления достаточно большой ёмкости.
В рассматриваемых условиях регуляторы давления газа типа РДП-150, РДУ-50, РДУ-40 и модель 399А Ду150 оборудованы только ручным управлением и к САУ не подключены. Регуляторами давления газа управляют по разомкнутому принципу путём изменения уставки вручную для поддержания требуемого давления газа на выходе ГРС. Точность поддержания давления газа при этом от 0,1 до 0,3 кгс/см2 обеспечивается самим регулятором давления газа.
Технические характеристики отечественных регуляторов давления газа имеют несколько худшую точность поддержания давления по сравнению с зарубежными регуляторами. Поэтому, с целью повышения точности регулирования и надежности подачи газа потребителям имеет смысл установить на ГРС систему автоматического регулирования давления (АРД), которая дополнит функции существующей системы автоматизированного управления (САУ) ГРС в части дистанционного управления редукторами-задатчиками давления. Программно-технический комплекс (ПТК) АРД должен состоять из шкафа управления, исполнительных механизмов и каналов обмена информацией.
Анализ принципа работы узла редуцирования газа в условиях газораспределительной станции показал, что управление гидравлическим режимом работы системы газораспределения осуществляется с помощью регуляторов давления. Регулятор давления газа (РД) – это устройство для редуцирования (понижения) давления газа и поддержания выходного давления в заданных пределах вне зависимости от изменения входного давления и расхода газа, что достигается автоматическим изменением степени открытия регулирующего органа регулятора, вследствие чего также автоматически изменяется гидравлическое сопротивление проходящему потоку газа.
Проанализируем процесс редуцирования газа в регуляторе давления как объект управления. РД реализует разомкнутую систему автоматического регулирования давления на выходе ГРС и представляет собой совокупность следующих компонентов:
Д – датчик, который осуществляет непрерывный мониторинг текущего значения регулируемой величины и подает сигнал к регулирующему устройству; З – задатчик, который вырабатывает сигнал заданного значения регулируемой величины (требуемого выходного давления) и также передает его на регулирующее устройство (Р);
Р – регулирующее устройство, которое осуществляет алгебраическое суммирование текущего и заданного значений регулируемой величины и подает командный сигнал к исполнительному механизму (ИМ);
ИМ – исполнительный механизм преобразует командный сигнал в регулирующее воздействие, и в соответствующее перемещение регулирующего органа за счет энергии рабочей среды.
В качестве датчика выступает контролируемое давление или так называемый «импульс», задатчиком является пневмозадатчик (пилот), а регулирующим устройством выступает мембрана или эластичный затвор. ИМ представляет собой части корпуса регулятора с мембраной в качестве разделителя сред и регулирующий орган. Составные элементы РД с пневматическим задатчиком показаны на рис.1.3. Эту схему можно рассматривать в контексте анализа процесса редуцирования газа посредством регулятора давления как объекта управления.
Рисунок 3 - Составные элементы РД с пневматическим задатчиком
Данный анализ требует рассмотрения идеологии построения существующих САУ ГРС, в которых реализованы системы автоматического регулирования давления на выходе.
На ГРС-1 г.Енакиево используются регуляторы давления типа РДП-150, РДУ-50, с редукторами-задатчиками давления ручной настройки, а также регуляторы давления Fisher-Rosemount
модели 399 А Д в 150 с редукторами-задатчиками давления (пилотными клапанами 161) без электроприводов, обеспечивающих регулирование давления газа, подаваемого потребителям, с отклонением от 0,1 до 0,3 кгс/см 2 от значений уставки давления, установленного техническим управлением газового хозяйства с потребителями.
С целью повышения точности регулирования и надежности подачи газа потребителям предусматривается установление на ГРС системы автоматизированного регулирования давления (АРД), которая дополнит функции существующей системы автоматизированного управления ГРС в части дистанционного управления редукторами-задатчиками давления.
Узел редуцирования является наиболее сложным и ответственным узлом ГРС с точки зрения автоматизации. Для централизованной формы обслуживания ГРС необходима его полная автоматизация.
Для решения этой задачи необходимо разработать программно-технический комплекс автоматического регулирования давления (расхода) газа (ПТК АРД) на выходе ГРС с регуляторами давления газа со вспомогательной энергией (управляемыми пилотами) на узле редуцирования.
Разработка АРД позволит:
Управление регуляторами давления газа во всем диапазоне их пропускной способности в автоматическом режиме необходимо осуществляеть постоянно (тактировано) с обратной связью по давлению (расходу) на выходе ГРС, получаемому с помощью устанавливаемых датчиков давления (расхода) газа. Зарубежные фирмы управляют регуляторами давления газа в разомкнутой схеме путем изменения уставки для поддержания давления газа. Точность поддержания давления газа при этом обеспечивается самим регулятором давления газа. Такая разница подходов вызвана, в основном, особенностями подачи газа потребителю в Украине и техническими характеристиками отечественных регуляторов давления газа, имеющих несколько худшую точность поддержания давления по сравнению с зарубежными регуляторами.
Работа комплекса АРД, как и всей газораспределительной станции, должна быть возможна в автоматическом, дистанционном или местном режимах.
Основные функции:
Состав ПТК АРД:
Управление параметрами комплекса АРД, как и параметрами всего остального оборудования ГРС, может осуществляться с местного пульта контроля и управления или с рабочей станции оператора ГРС (специалистов ЛПУ МГ). Технические средства ПТК АРД, устанавливаемые во взрывоопасных зонах, имеют взрывобезопасное исполнение. Исполнение пылевлагозащищенное, степень защиты конструктивов монтажных шкафов – не ниже IP-54 по ГОСТ 14254-96 (МЭК529-89), помехозащищенность в соответствии с МЭК801-2-88, МЭК801-4-88, МЭК801-5-88. При разработке САУ ГРС необходимо использовать современные методы управления и синтеза многоуровневых иерархических систем с использованием высокопроизводительных мультипроцессорных комплексов. Современные САУ строятся как распределенные и децентрализованные на основе декомпозиции алгоритмов контроля и управления на компоненты в соответствии с естественным разбиением технологических функций объекта и алгоритмов контроля и управления узлами редуцирования. Основная задача САУ ГРС - обеспечение надежной и эффективной работы ГРС за счет оптимального управления режимами работы технологического оборудования. Современная концепция построения системы автоматизации ГРС приведена на рис.4
Рисунок 4 – Структура системы автоматизации ГРС
Основным звеном в системе является программируемый логический контроллер, связанный с верхним уровнем системы и обеспечивающий:
Дополнительно контроллер осуществляет сбор информации о состоянии оборудования и формирует данные о его состоянии для предоставления оператору или передачи в системы верхнего уровня.
На ПЛК предполагается реализация двенадцати (четыре потребителя по три линии редуцирования газа на каждый) локальных систем регулирования давления газа на выходе ГРС.
При выборе семейства контроллеров в первую очередь необходимо учитывать их надежность в промышленных условиях эксплуатации, ширину гаммы взаимосогласованных программно-аппаратных средств, высокое качество изготовления. Такими качествами обладают промышленные контроллеры фирмы Овен. Названные производители представляют широкий спектр средств автоматики для решения задачи автоматизации в условиях газораспределительных станций, а также удачно согласуются с готовыми исполнительными системами, т.е. электроприводными задатчиками для регуляторов давлений, которые будут применены в рамках курсового. Весь программный инструментарий поставляется вместе с модулями. Программы управления записываются в память контроллера и генерируют управляющие воздействия для исполнительных органов и систем.
