Контроль и метрологическое обеспечение средств и систем автоматизации

ОАО «ГАЗПРОМ»

НОУ СПО «Волгоградский колледж газа и нефти»


УТВЕРЖДАЮ
Директор ВКГН




__ В.Л
__»__________2002 г.





ЗАДАНИЯ ДЛЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ПМ 01 «Контроль и метрологическое обеспечение средств и систем автоматизации»
МДК 3 «Теоретические основы контроля и анализа функционирования систем автоматического управления»
для специальности 220703
«Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)»

















Волгоград, 2013


Одобрены цикловой комиссией факультета «АСУ и ВТ и КМ »
Протокол № ___
от «__» ______________2013г. Составлены в соответствии
с Государственными требованиями
к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников по
специальности 220301

«Утверждаю»
Председатель цикловой комиссии
_______________ Н.В.Казаков Заместитель директора по учебной работе:
___________________ В.В. Новиков
«___» ________________2013г.













Составитель: Н.В. Казаков– к. ф.-м.н., доцент, преподаватель ВКГН



















1. Обоснование актуальности темы курсового проектирования.

Охлаждение газа является неотъемлемой частью технологического процесса при его транспортировке по магистральным газопроводам (МП) [ 1-5]. Снижение температуры газа происходят в установках охлаждения газа (УОГ), которые со¬стоят из определенного количества секций аппаратов воздушного охлаждения (АВО). В состав УОГ обычно входит 12 и более секций АВО с двумя электроприводными вентиляторами в каждой секции. Технологическая схема охлаждения газа показана на рисунке 1.
Линия подачи охлажденного газа на вход МГ

Линия подачи от ГПА КЦ технологического (охлаждаемого) газа после компримирования
Рис.1. Технологическая схема охлаждения газа
После компремирования газ под рабочим давлением около 7,5 МПа проходит по трубчатым теплообменным секциям АВО-1 ... АВО-N. Через межтрубное пространство теплообменной секции с помощью электроприводных вентиляторов прокачивается воздух. За счет теплообмена с принудительно перемеща¬емым потоком воздуха проис¬ходит снижение температуры газа. В качестве привода вентиляторов используются электродвигатели отечественного (установки АВО типа 2АВГ-75С, АВГ-85МГ, АВЗ-64-Б1-ВЗТ, АВЗ-64-Б1-ВЗТ) и импортного производства (установки АВО типа «Ничимен», «Крезо-Луар», «Хадсон-Итальяна»).
Аппараты воздушного охлаждения (АВО) представляют собой довольно сложную пространственную конструкцию, состоящую из нескольких секций, которые размещены на опорной металлоконструкции, коллекторов ввода и вывода охлаждаемого продукта, вентиляторов и диффузоров. Секция АВО состоит из двух камер (сварных или разъемных) прямоугольной формы с густоперфорированными трубными досками и крышками (для разъемной камеры) или задними стенками (для сварной камеры) и трубного пучка из оребрённых труб. Из-за невысоких значений коэффициента теплопередачи (16...60 Вт/(м2·К) АВО имеют более значительные габариты и металлоемкость по сравнению с аппаратами, охлаждаемыми водой. Однако эксплуатационные затраты на АВО значительно меньше. Кроме того, при использовании АВО исключается опасность загрязнения накипью со стороны охлаждающей среды, а пневматическая или гидравлическая очистка требуется лишь через значительные промежутки времени. Современные достижения технологии для изготовления биметаллических труб с высоким оребрением позволяют существенно улучшить теплоаэродинамические характеристики АВО, снизить их материалоемкость. Результаты эксплуатации АВО свидетельствуют о возможности их использования при температуре окружающего воздуха от —55 до +55 °С. В соответствии с технологическим регламентом КС температура газа на выходе ABО должна быть такой, чтобы на входе следующей станции его температура была близкой к температуре грунта. Тепловая производительность АВО зависит от многих возмущающих факторов, главными из которых являются расход и температура технологического газа после компремирования, степень загрязнения поверхности теплообменников, температура наружного воздуха. Первые три вышеперечисленных фактора являются примерно постоянными для заданного режима транспорта газа, поэтому колебания температуры наружного воздуха (суточные и сезонные) являются основным возмущающим фактором, непосредственно влияющим на процесс охлаждения газа. Для поддержания температуры технологического газа в заданных пределах возникает необходимость регулирования охлаждающего эффекта АВО. Это достигается за счет изменения расхода через АВО охлаждающего воздуха, на который влияет количество одновременно работающих вентиляторов, частота вращения рабочего колеса вентилятора, угол "атаки" лопастей.
Технология охлаждения компримированного газа, основанная на дискретном изменении расхода воздуха, осуществляется за счет включения (отключения) вентиляторов в сочетании с сезонной регулировкой угла "атаки" лопастей. Эта технология имеет ряд существенных недостатков.
Распределение потоков газа, поступающего от ГПА к АВО газа, зависит от взаимного расположения работающих ГПА и трубопроводов (шлейфов), соединяющих выход ГПА и вход АВО газа. Указанное обстоятельство вызывает неравномерное распределение потоков (расходов) газа по секциям АВО. В существующих системах управления КС контроль температуры газа после АВО предусмотрен после его смешения в выходном коллекторе. Включение вентиляторов по секциям производится без учета фактического распределения газовых потоков.
Из-за конструктивных особенностей АВО при работе вентилятора, часть нагнетаемого им воздуха возвращается через соседний неработающий вентилятор, при достаточной интенсивности потока обеспечивая его вращение в обратную сторону. Такая рециркуляция воздуха оказывает большое влияние на энергоэффективность процесса охлаждения газа, увеличивая потери электрической энергии и снижение КПД установки в целом. К тому же последующий прямой пуск двигателя вентилятора, вращающегося в противофазе, вызывает электрические и механические пусковые ударные нагрузки, многократно превышающие номинально допустимые для системы двигатель - вентилятор. Серьезной нагрузкой на узлы вентилятора является кратковременное отключение электроэнергии, в результате которого вентилятор выключается и после восстановления электропитания повторно запускается.
В годовом цикле АВО всех типов, используемые в ОАО "Газпром", эксплуатируются в широком диапазоне температур наружного воздуха. Например, для всей зоны деятельности ООО "Газпром трансгаз Югорск" этот диапазон составляет +30...-45 °С. При таких значительных сезонных изменениях температуры наружного воздуха меняется и плотность воздуха, что вызывает соответствующие колебания потребляемой электродвигателем мощности (до 30%). Согласование потребляемой вентилятором и располагаемой электродвигателем мощности достигается перестройкой дважды в год (весной и осенью) углов установки лопастей вентиляторов. Эта технологическая операция трудоемка и травмоопасна, требует выполнения серьезных организационных и технических мероприятий для обеспечения безопасного выполнения работ. Однако сезонное регулирование углов "атаки" лишь частично компенсирует дополнительные затраты (потери) электроэнергии: мехатронная система электродвигатель-вентилятор оказывается настроенной на некий оптимум для некоторого усредненного значения температуры, при которой производится эта регулировка. Отклонение температуры наружного воздуха от этого значения приводит к работе электродвигателей и вентиляторов с ухудшенными энергетическими показателями.
Оптимизация режима работы АВО газа, эксплуатируемых в условиях резко континентального климата, может быть достигнута за счет частотного регулирования производительности вентиляторов. Идея применения преобразователей частоты (ПЧ) не нова, однако внедрение управляемого привода на АВО газа ранее сдерживалось высокой ценой преобразователей и относительно низкими тарифами на электрическую энергию.
Производительность вентилятора пропорциональна частоте его вращения. Мощность, потребляемая мехатронной системой электродвигатель - вентилятор, зависит от частоты вращения вентилятора примерно в третьей степени. Поэтому затраты электроэнергии на поддержание заданной температуры газа за счет частотного регулирования производительности вентиляторов оказываются меньше, чем при дискретном управлении.
Снижение температуры газа после КС на входе в МГ приводит к повышению его плотности, снижению скорости течения и потери давления в газопроводе. Это позволяет увеличить пропускную способность МГ и сэкономить топливный газ на работу ГПА. Кроме того, снижение температуры в УОГ предохраняет изоляцию труб от разрушения при высоких температурах транспортируемого газа (более 45 °С) после его сжатия на КС. Нарушение изоляции приводит к ускорению по времени и усилению по интенсивности протекания процессов коррозии металла труб и соответственно к сокращению срока службы МГ.
Охлаждение технологического (транспортируемого) газа в АВО является энергоемким процессом. Мощность, потребляемая электродвигателями АВО одного компрессорного цеха (КЦ), составляет сотни киловатт, что существенно влияет на структуру электропотребления КС, особенно с газотурбинным приводом нагнетате¬лей. В этих случаях АВО газа следует считать самостоятельным технологическим объектом энергопотребления КС. Расход электроэнергии на охлаждение компримированного газа может составлять 60-70% и более общего элект-ропотребления на товаротранспортную работу.
Таким образом, повышение эффективности работы установок, осуществляющих охлаждение компримированного газа, является важным фактором экономии топливно-энергетических ресурсов и снижения себестоимости транспорта газа и привитие студентам практических навыков по её реализации является важным этапом в подготовке специалистов в системе непрерывного фирменного образования ОАО «ГАЗПРОМ» .
Задание №1
«ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АППАРАТОВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА НА КС С ПОМОЩЬЮ ДИСКРЕТНОЙ ЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ»
Как было указано выше, при компремировании газа на компрессорной станции повышается не только его давление, но и температура. Дня обеспечения повышенной производительности по массовому расходу газа и заданного срока службы изоляции труб газопровода применяют аппараты воздушного охлаждения (АВО) с целью принудительного охлаждения газа до приемлемых температур после выхода из компрессора. АВО представляет собой трубчатый теплообменник с принудительным воздушным или жидкостным охлаждением. Кроме того, в местах прохождения газопроводов по территории вечной мерзлоты необходимо охлаждать газ до существенно более низких температур (около 0 °С) для исключения размораживания грунта. В этом случае используют специальные холодильные агрегаты. В любом случае наличие установки охлаждения газа приводит к существенным материальным и энергетическим затратам для питания электроприводов вентиляторов (или насосов) принудительного охлаждения. В системах охлаждения КС допустимы колебания охлаждаемых веществ не превышающие ±5 °С при номинальной температуре от 30 до 75 С. Тепловой режим работы аппаратов регулируется по расходу или температуре охлаждающего воздуха, частичному перепуску охлаждаемой среды, а также изменению поверхности охлаждения. Наиболее распространено регулирование охлаждающим воздухом, осуществляемое следующими способами:
1. Регулирование расхода воздуха посредством:
1.1 Поочередного отключения вентиляторов;
1.2 Жалюзийных устройств;
1.3 Изменением угла наклона лопастей;
1.4 Изменением частоты вращения вала вентилятора.
2. Регулирование температуры воздуха посредством:
2.1 Частичного перепуска воздуха;
2.2 Подогревом воздуха;
2.3 Увлажнением воздуха.
Наиболее простым способом существенного уменьшения затрат электроэнергии на охлаждение является способ 1.1, предусматривающий ступенчатое регулирование количества подключенных вентиляторов принудительного охлаждения газа в АВО на выходе из ресивера компрессора. В соответствии с ним необходимо разработать принципиальную электрическую схему системы управления работой вентиляторов АВО согласно варианту. Ввиду напряженных условий работы датчиков температуры и ответственности данного устройства регулирования необходимо предусмотреть измерение температуры выходного газа не менее чем тремя термодатчиками с выработкой результирующего сигнала схемой мажорирования и определением неисправного датчика. При достижении нижнего порога температуры газа включается первый вентилятор. При дальнейшем повышении температуры выходного газа на величину заданной дискреты включается второй вентилятор и т.д. Если, тем не менее, температура превышает верхний порог - система должна вырабатывать сигнал предупреждения. Согласно заданию необходимо спроектировать логическую систему дискретного включения и выключения вентиляторов АВО.
ВАРИАНТЫ ПО ПЕРВОМУ ЗАДАНИЮ.
параметры варианты
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Нижний порог температуры, °С 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
Дискретность по температуре ,°С 2 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1
Количество вентиляторов (шт) 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Наличие выдачи сигнала превышения предельной температуры + + + + + + + + + +
параметры варианты
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Нижний порог температуры, °С 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49
Дискретность по температуре ,°С 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
Количество вентиляторов (шт) 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42
Наличие выдачи сигнала превышения предельной температуры + + + + + - - - - -
параметры варианты
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Нижний порог температуры, °С 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59
Дискретность по температуре ,°С 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
Количество вентиляторов (шт) 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42
Наличие выдачи сигнала превышения предельной температуры - - - - - - - - - -

3.ЗАДАНИЕ №2
«ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АППАРАТОВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА НА КС С ПОМОЩЬЮ НЕПРЕРЫВНОЙ (АНАЛОГОВОЙ) СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ»


Другим способом обеспечения эффективности воздушного охлаждения является плавное регулирование частоты вращения вентиляторов охлаждения. Газ после компремирования поступает в теплообменник, в котором охлаждается воздухом из окружающей среды. Температура газа на выходе теплообменника измеряется термопреобразователем и сравнивается с сигналом задатчика. Напряжение рассогласования поступает на вход усилителя, осуществляющего предварительное усиление для нормальной работы следующего за ним инвертора (частотного преобразователя). Напряжение с плавно изменяемой частотой поступает на параллельно подключенные вентиляторы, количество которых определено в задании №1. Вентиляторы продувают воздух через теплообменник, на выходе которого установлен уже упоминавшийся термопреобразователь. Необходимо синтезировать систему автоматического регулирования температуры газа на выходе теплообменника, удовлетворяющую заданным показателям качества управления.

Уравнения элементов имеют следующий вид:
Элемент сравнения
Усилитель
Частотный преобразователь
Электродвигатель
Теплообменник
Термопреобразователь ,
Где kу – коэффициент усиления усилителя,
kп – коэффициент передачи частотного преобразователя,
kэд – коэффициент передачи электродвигателя по частоте,
kT – коэффициент передачи теплообменника,
kТП - коэффициент передачи термопреобразователя,
Тп – постоянная времени частотного преобразователя,
Тэд – постоянная времени электродвигателя по частоте,
ТT – постоянная времени передачи теплообменника,
ТТП - постоянная времени термопреобразователя.



ВАРИАНТЫ ПО ВТОРОМУ ЗАДАНИЮ.
параметры варианты
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
kу 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
kп 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
kэд 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60
kT 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19
kТП 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001
Тп 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
Тэд 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
ТT 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7
ТТП 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

σ % 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6
tр , сек 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

параметры варианты
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
kу 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
kп 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
kэд 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60
kT 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19
kТП 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001
Тп 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
Тэд 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
ТT 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7
ТТП 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

σ % 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6
tр , сек 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

параметры варианты
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
kу 50 52 54 56 58 60 62 64 66 70
kп 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
kэд 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60
kT 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19
kТП 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001
Тп 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
Тэд 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
ТT 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7
ТТП 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

σ % 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6
tр , сек 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

4. Содержание курсового проекта по МДК 01.03 «Теоретические основы контроля и анализа функционирования систем автоматического управления»

1.Общая часть.
1.1.Словесное описание технологического процесса и оборудования для которого проектируется система автоматического управления.
1.2.Цель синтеза данной САУ.

2.Специальная часть.
2.1.Построение функциональной схемы САУ по заданному описанию.
2.2.Построение таблицы истинности и принципиальной логической схемы системы управления по первому заданию.
2.3. Подбор и расчет элементной базы САУ, построение принципиальной электрической схемы логической САУ.
2.4.Построение структурной схемы САУ и определение её передаточной функции по второму заданию.
2.5.Анализ исходной системы автоматического управления аналитическими методами или путем моделирования на ЭВМ ( по выбору студента).
2.5.1.Определение устойчивости исходной системы по частотному критерию или непосредственно по графику переходного процесса.
2.5.2.Анализ возможности применения последовательного, параллельного или встречно-параллельного корректирующего устройства на основе построения желаемых частотных характеристик САУ или параметрической оптимизации предполагаемого корректирующего звена с использованием ЭВМ на основе интегрального критерия качества (по выбору студента). Выбор и обоснование оптимального способа коррекции и корректирующего звена для обеспечения устойчивости и заданных параметров качества регулирования.
2.5.3.Проверка устойчивости САУ и выполнения требований по качеству регулирования после проведения коррекции частотным методом или путем моделирования на ЭВМ (по желанию студента). Проведение дополнительной коррекции в случае обнаружения неустойчивости или невыполнения требований по качеству регулирования.
2.4. Определение качества управления итоговой синтезированной САУ. Построение её принципиальной схемы и расчет элементов САУ.

3.Графическая часть
3.1.Функциональная и структурная схемы исходной САУ.
3.2.Принципиальная логическая схема САУ по первому заданию.
3.3.Принципиальная электрическая схема САУ по первому заданию.
3.3.Частотные характеристики исходной САУ по второму заданию. График переходного процесса исходной САУ. Определение запасов устойчивости и показателей качества регулирования.
3.4.Частотные характеристики скорректированной САУ и график переходного процесса по отношению к задающему воздействию. Определение запасов устойчивости и показателей качества регулирования.
3.5.Структурные и принципиальные схемы САУ по второму заданию.

ПРИМЕЧАНИЕ: Элементы графической части могут отдельно не выделяться, а располагаться по тексту пояснительной записки рядом с необходимыми пояснениями и расчетами.

Литература

1. Артюхов И. И., Аршакян И. И., Крылов И. П., Автоматическое управление аппаратами воздушного охлаждения на объектах магистрального транспорта газ.// Мехатроника, автоматизация, управление. – 2003.- № 1.
2. Аршакян И. И., Тримбач А. А. Повышение эффективности работы установок охлаждения газа.//Газовая промышленность.-2006.-№6.
3. Алимов С.В., Лифанов В.А., Миатов О.Л., Аппараты воздушного охлаждения газа опыт эксплуатации и пути совершенствования.// Газовая промышленность.-2008.-№6.
4. Новгородский Е.Е., Крупин В.А., Василенко А.И., Широков В.А., Снижение электропотребления газоиспользующими установками.// Газовая промышленность.-2004.-№1.
5. Гуманюк В.О., Сальников С.В. , Сердобинцев С.П., Энергосберегающая технология подготовки газа на КС.// Газовая промышленность.-2004.-№1.