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

Рис. 2.1. Опорная рама  насосной станции

Для осуществления полноценного процесса теплопередачи в теплообменном аппарате суммарная площадь нагреваемой трубчатой решетки должна составлять 43 м² и более. Структура рекомендуемой трубчатой решетки показана рисунке 2.2. При этом давление нефтепродукта на входе теплообменника, создаваемое насосом высокого давления, должно составлять 10 кг/см². Теплообменный аппарат следует устанавливать с уклоном 2…3° в сторону слива конденсата.

Рис. 2.2. Структура трубчатой решетки теплообменника

Теплообменный аппарат  должен быть соответствующим образом теплоизолирован от внешней среды во избежание потерь теплоты от поступающего пара и, соответственно, неэффективного расходования средств. Предлагается использование мат на базальтовой основе МП-75.

Насосная станция (и  входящий в ее состав теплообменный аппарат) должны быть защищены от воздействия атмосферных осадков.

Питание электродвигателей  насосов должно производиться штатным напряжением 380 В при частоте 50 Гц.

Насос высокого давления (НВД) должен обеспечивать производительность 35 м³/час, что соответствует мощности электродвигателя 18,5 кВт.

Насос низкого давления (ННД) должен обеспечивать давление на выходе в диапазоне 0,8…1.3 кг/см². Его производительность должна составлять не менее 30 м³/час, что при данных условиях соответствует необходимой мощности двигателя, равной 3 кВт.

Для управления подачей  мазута целесообразно использовать задвижки Ду65 и Ду80 и Ду100. Задвижка, регулирующий подачу пара в теплообменник, должна иметь время полного открытия/закрытия не более 15 с, диаметр условного прохода не менее 50 мм для того обеспечить массовый расход пара не менее 0,8 т/час,  а также рабочее давление свыше 1 Мпа и иметь возможность контроля текущего положения рабочего органа задвижки.

Максимальный вылет  от оси опорного шарнира до оси оголовника установки размыва и слива нефтепродукта должен составлять 3032 мм, а диаметр сопел гидромонитора – 14 мм.

Установка АРМ оператора, состоящего из монитора и системного блока с периферийным оборудованием, допускается только в помещении с условиями:

• диапазон температур –10…35 °С;
• относительная влажность воздуха 30…80% (при температуре 30°С).

Контроллер устанавливается  непосредственно на насосной станции, поэтому должен иметь соответствующий  класс влагозащищенности IP66-IP68. Также должен иметь не менее четырех аналоговых входов (два датчика давления, один датчик температуры, один резервный), не менее шести дискретных выходов (четыре для управления насосами, один для выдачи сигнала тревоги на внешние модули, один резервный) и не менее двух аналоговых выходов для управления задвижкой подачи пара. К производительности контроллера требования не предъявляются в силу достаточности минимальных показателей в 1000 операций в секунду у любого контроллера. Обмен с АРМ должен происходить по последовательному порту или Ethernet.

Необходимо, чтобы периоды между плановыми обслуживаниями составляли не менее полугода. Технический осмотр установки рекомендуется проводить не реже одного раза в месяц. При этом необходимо проверять:

• плавность хода звеньев гидромонитора;
• отсутствие засорения сопел насадки гидромонитора;
• герметичность подшипников и фланцевых соединений;
• состояние заземления устройства.

2.3 Требования к средствам измерения  автоматизируемого технологического  процесса

 

Поскольку в случае объекта  автоматизации, принятого в данном дипломном проекте, главную роль для соблюдения параметров технологического процесса играет значение температуры нефтепродукта на выходе теплообменного аппарата, основным средством измерения будет являться термодатчик (термопреобразователь сопротивления).

Кроме того, необходимо будет  формулирование требований к датчикам давления, измеряющим показания на выходе насосов низкого и высокого давления.

Используемый датчик температуры должен удовлетворять основным требованиям, перечисленным в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Требования к датчику  температуры

Характеристика	Значение
Измеряемая среда	Вязкие жидкости
Номинальная статическая характеристика (НСХ)	Pt100
Диапазон измерения температуры, °С	20...160
Предел допускаемой относительной погрешности при измерении, %	0,5
Выходной сигнал	4…20 мА
Категория пылевлагозащищенности	IP65
Межповерочный интервал, лет	2
Показатель тепловой инерции, не более, с	15
Условное рабочее давление (без  защитных гильз), не менее, МПа	1,2
Материал защитной арматуры	сталь
Взрывобезопасность	+

 

Данные требования являются основополагающими и критичны для  реализации процесса контроля температуры  нефтепродукта на выходе теплообменника. Остальные параметры опциональны.

Подключения термопреобразователей (термометров) сопротивления к регулятивным приборам (микроконтроллеру) обычно осуществляется медным проводом по трехпроводной схеме, которая позволяет уменьшить погрешность измерения, возникающую при изменении сопротивления проводов (например, при изменении их температуры). К одному из выводов терморезистора подсоединяются два провода, а третий подключается к другому выводу.

При этом необходимо соблюдать  условие равенства сопротивлений  всех трех проводов.

Термопреобразователи  сопротивления могут подключаться к аналоговым входам контроллера и с использованием двухпроводной линии, но при этом отсутствует компенсация сопротивления соединительных проводов и поэтому будет наблюдаться некоторая зависимость показаний от колебаний температуры проводов.

Рекомендуемые параметры линии соединения датчика (термометра сопротивления ТСМ, ТСП) с вторичным прибором (измерителем – регулятором): конструктивное исполнение линии – трехпроводная линия, медные провода равной длины и сечения, максимальная длина линии – до 100 м, максимальное сопротивление линии – до 10 Ом.

Требования к датчикам давления (для обоих насосов) приведены  в таблице 2.3.

Таблица 2.3 – Требования к датчикам давления

Характеристика	Значение
	НВД	ННД
Диапазон измерения, МПа	0,...2	0…0,25
Предел допускаемой относительной погрешности при измерении, %	1	1
Температура измеряемой среды	20…90	-40…90
Выходной сигнал	4…20 мА	4…20 мА
Категория пылевлагозащищенности	IP65	IP65
Межповерочный интервал, лет	3	3
Показатель инерционности, не более, с	1	1
Материал защитной арматуры	сталь	сталь
Взрывобезопасность	+	+

 

Как и в случае датчика температуры, соблюдение вышеуказанных параметров обязательно, остальных – опционально. Возможно подключение по двухпроводной линии.

 

3 Разработка математической  модели участка теплового пункта

3.1 Разработка функциональной схемы  участка

 

В состав теплового пункта входят СП-силовой преобразователь, ЭД-электродвигатель, КЛ-клапан, ТП-теплообменник. В связи с чем, функциональную схему участка можно представить следующим образом (рисунок 3.1).

 

u                         U                                           F                          T

 

W_сп - передаточная функция силового преобразователя; W_дв -передаточная функция электрического двигателя; W_нас - передаточная функция клапана;

W_к - передаточная функция теплообменника.

Рис. 3.1.  Структурная схема исходного объекта управления

 

За выходную координату целесообразно принимать технологический  параметр, наиболее полно характеризующий  качество технологического процесса. В нашем случае за выходную координату берём температуру сырья в теплообменнике, которую будем регулировать с помощью положения задвижки. А входную координату (управляющее воздействие) следует выбирать таким образом, чтобы она оказывала наибольшее влияние на выходную координату. 

3.2 Анализ элементов системы  и определение параметров их  передаточных функций

 

Передаточную функцию  силового преобразователя можно  представить в виде апериодического  звена первого порядка

,     (3.1)

где - коэффициент передачи силового преобразователя;

 - постоянная времени силового преобразователя;

Определим коэффициент передачи силового преобразователя

                                       (3.2)

Параметры передаточной функции определим из следующего:

 - напряжение на выходе силового преобразователя равное 220 В;

 - управляющее напряжение равное 10В;

- постоянная времени силового преобразователя равная 0.005с.

Таким образом, передаточная функция силового преобразователя  будет равна

      (3.3)

Передаточную функцию  электродвигателя можно представить  в виде апериодического звена  второго порядка

,    (3.4)

где - коэффициент передачи электродвигателя;

- электромагнитная постоянная времени равная 0.003с;

- электромеханическая постоянная времени равная 0.06с.

Определим коэффициент передачи электродвигателя:

     (3.5)

где - угловая скорость вращения двигателя равная 157 рад/с;

    - напряжение на выходе силового преобразователя равное 220В.

Таким образом, получим

  (3.6)

 

 

Передаточную функцию  клапана можно представить в  виде

,      (3.7)

где - коэффициент передачи клапана;

 - постоянная времени клапана равная 0.5 с;

Определим коэффициент передачи клапана:

_,      (3.8)

где - расход через клапан 0.8 т/ч;

 - угловая скорость вращения двигателя равная 157 рад/с.

Таким образом, получим

      (3.9)

Передаточную  функцию теплообменника представим в виде апериодического звена 1-го порядка:

      (3.10)

Коэффициент передачи теплообменника будет равен:

        (3.11)

Температуру находим как разность требуемой температуры (установившейся), равной температуре нефтепродукта на выходе теплообменника ºС, и начальной температуры, равной температуре на входе теплообменника нефтепродукта из расходной емкости ºС, т.е. ºС

Постоянную  времени Т_ТП  теплообменника берём равной 35.

Таким образом, получим:

    (3.12)

3.3 Составление структурной схемы  участка теплового пункта

 

На основании функциональной схемы (рис.3.1) построим структурную  схему (рисунок 3.2), содержащую все функциональные элементы участка теплового пункта.

 

Рис. 3.2. Структурная схема участка теплового пункта

3.4 Анализ полученной структуры  в пакете MatLAB

 

В результате полученная нами структурная схема системы  в пакете MatLAB выглядит следующим образом (рисунок 3.3)

Рис. 3.3. Модель системы, построенная в пакете MatLAB

 

По графикам переходных процессов (рисунок 3.4-3.7) можно сделать вывод о том, что все параметры технологического процесса и полученная нами модель эквивалентны объекту автоматизации.

 

Рис.3.4. Переходный процесс по напряжению силового преобразователя

 

Рис.3.5. Переходный процесс угловой скорости электродвигателя

 

Рис.3.6. Переходный процесс по расходу пара