CC BY
87
УДК 681.5
Лялин1 В.Е., Краснов2 А.Н.
1ФГБОУ ВО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова», Ижевск, Россия
2ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Уфа, Россия
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА
В статье описывается способ обеспечения оптимального режима функционирования аппаратов воздушного охлаждения (АВО) сырого природного газа, преимущественно на дожимных компрессорных станциях газовых промыслов Крайнего Севера, предназначенный для предотвращения гидратообразования в теплообменных трубках АВО газа. Предлагаемая система автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения природного газа позволяет существенно снизить капитальные вложения, затраты на электроэнергию и ремонт теплообменных трубок АВО газа. Ключевые слова:
автоматическое управление, охлаждение природного газа, АВО, гидратообразование.
Известны способы автоматического управления процессом охлаждения природного газа [1], основанные на измерении температуры газа на выходном коллекторе АВО и не учитывающие образование гидратов углеводородных газов на внутренних поверхностях теплообменных трубок АВО газа.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ автоматического управления процессом охлаждения природного газа [2], заключающийся в измерении температуры стенок теплообменных трубок нижних рядов АВО газа, измерении температуры окружающего воздуха, измерении температуры газа на входе и выходе АВО газа, измерении расхода газа, вычислении оптимального значения температуры стенок теплообменных трубок и поддержании его на неизменном уровне.
При практическом использовании выбранного в качестве прототипа способа автоматического управления процессом охлаждения природного газа возникают проблемы, обусловленные недостаточно высоким качеством регулирования, рассчитанного на поддержание одного фиксированного значения температуры стенок теплообменных трубок АВО газа.
Технический результат достигается тем, что в известном способе автоматического управления
процессом охлаждения природного газа в АВО, в отличие от прототипа, дополнительно измеряют давление и плотность газа, строят с учетом измеренных параметров равновесную кривую гидрато-образования, при помощи которой с учетом измеренных параметров определяют минимальное значение температуры наружной поверхности стенок теп-лообменных трубок АВО газа, при котором гидра-тообразование минимально, определяют с учетом особенностей данного технологического процесса максимально допустимое значение температуры газа на выходе АВО, при помощи которого с учетом измеренных параметров определяют максимальное значение температуры наружной поверхности стенок теплообменных трубок АВО газа, сравнивают полученные минимальное и максимальное значения температуры наружной поверхности стенок теплообмен-ных трубок АВО газа с температурой, измеренной на наружной поверхности стенок теплообменных трубок нижних рядов АВО газа, и по результатам сравнения температур вырабатывают соответствующий электрический сигнал, управляющий частотой и направлением вращения электродвигателей вентиляторов.
Рисунок 1 - Схема способа автоматического управления процессом охлаждения
Схема для практической реализации предлагаемого способа автоматического управления процессом охлаждения природного газа приведена на рис. 1. На рисунке обозначено:
1 - секция аппарата воздушного охлаждения газа (например, для АВО типа 2АВГ-75С - это пучок из 528 поперечнооребренных биметаллических трубок, расположенных в шахматном порядке, снабженных входным и выходным коллекторами и охлаждаемых при помощи вентиляторов 2 и 3, которые работают от асинхронных электродвигателей); 4 - датчик давления газа в технологическом трубопроводе; 5 - элек-
тронный блок измерителя давления газа, преобразующий с помощью интерфейса RS-4 85 измеренное значение давления газа в сигнал, удобный для обработки в вычислительном устройстве; 6 - датчик температуры газа на входе АВО; 7 - электронный блок измерителя температуры газа на входе АВО, преобразующий с помощью интерфейса RS-4 85 измеренное значение температуры газа на входе АВО в сигнал, удобный для обработки в вычислительном устройстве; 8 -датчик измерителя расхода газа в технологическом трубопроводе; 9 - электронный блок измерителя расхода газа, преобразующий с помощью интерфейса RS-4 85 измеренное значение расхода газа в сигнал,
удобный для обработки в вычислительном устройстве; 10 - датчик измерителя плотности газа; 11 - электронный блок измерителя плотности газа, преобразующий с помощью интерфейса RS-4 85 измеренное значение плотности газа в сигнал, удобный для обработки в вычислительном устройстве; 12 - датчик температуры окружающего воздуха; 13 - электронный блок измерителя температуры окружающего воздуха, преобразующий с помощью интерфейса RS-4 85 измеренное значение температуры окружающего воздуха в сигнал, удобный для обработки в вычислительном устройстве; 14 - датчик температуры газа на выходе АВО; 15 - электронный блок измерителя температуры газа на выходе АВО, преобразующий с помощью интерфейса RS-485 измеренное значение температуры газа на выходе АВО в сигнал, удобный для обработки в вычислительном устройстве; 16 -18 - датчики температуры стенок теплообменных трубок АВО газа; 19 - электронный блок датчиков температуры стенок теплообменных трубок АВО газа, преобразующий с помощью интерфейса RS-4 85 измеренные значения температуры стенок теплообменных трубок АВО газа в сигнал, удобный для обработки в вычислительном устройстве; 20 - вычислительное устройство, управляющее системой автоматического управления АВО газа; 21 - частотно регулируемый привод, предназначенный для плавного пуска и управления частотой и направлением вращения электродвигателей вентиляторов 2 и 3 по сигналу вычислительного устройства.
После измерения параметров и дополнительных параметров строят равновесную кривую гидратооб-разования (зависимость давления газа от его температуры при постоянной плотности газа). По кривой гидратообразования, по измеренному значению давления газа определяют температуру начала гид-ратообразования.
Минимально допустимое значение температуры наружной поверхности стенок теплообменных трубок нижних рядов АВО газа определяют по измеренным значениям расхода газа и температуры газа на входе и выходе АВО газа по формуле:
-ОгРгСг (*г1
г = г — К -
N
(1)
и условию выпадения гидратов на внутренней поверхности теплообменной трубки АВО газа:
*ст = *гидр ' (2)
В формулах (1), (2) обозначено: К - коэффициент, зависящий от типа АВО (например, для АВО типа 2АВГ-75С К=1,4-10-6); Ог - расход газа через
АВО, м3/с; Рг - плотность газа, кг/м3; Сг -
удельная теплоемкость газа, Дж/(кг-К); и
1г 2 - соответственно температуры газа на входе и * в
выходе АВО, С; ст и Ь - соответственно температуры наружной и внутренней стенок теплооб-менных трубок АВО газа, °С; N - число включенных секций АВО газа; *гидр - температура начала гид-
ратообразования, °С.
Максимально допустимое значение температуры наружной поверхности стенок теплообменных трубок нижних рядов АВО газа определяют по измеренным значениям температуры окружающего воздуха и расхода газа и заданному максимальному значению температуры газа на выходе АВО по формулам:
С = *г (1 - С)+ае, (3)
с = * = Г (^)
и по формуле (1). В формулах (3), (4) обозначено: - температура окружающего воздуха, °С; к -
коэффициент теплопередачи, Вт/м2-К; аг
коэф-
фициент теплоотдачи со стороны газа, Вт/м2-К; ^ - коэффициент увеличения поверхности аппарата.
Повышение качества регулирования достигается вследствие того, что температура начала гидрато-образования корректируется в зависимости от изменения давления газа в АВО. В связи с этим корректируется и диапазон температур, в рамках которого должна лежать температура наружной стенки тепло-обменных трубок нижних рядов АВО газа. Поддержание указанной температуры в данном диапазоне обеспечит недопущение гидратообразования в теплообменных трубках АВО газа и требования технологического процесса. Таким образом поддерживается оптимальный режим работы аппаратов воздушного охлаждения сырого природного газа.
Известна система автоматического управления АВО масла [3], основанная на изменении частоты вращения электродвигателей вентиляторов. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению является система автоматического управления АВО природного газа [4], содержащая датчики температуры стенок теп-лообменных трубок АВО газа, частотно-регулируемый привод и блок обработки измерительной информации и автоматического управления.
При практическом использовании выбранной в качестве прототипа системы автоматического управления АВО газа возникают проблемы, обусловленные необходимостью использования с электродвигателем каждого вентилятора АВО газа дорогостоящего частотно-регулируемого привода, что, особенно в зимнее время, приводит к значительному расходу электроэнергии.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение и удешевление аппаратного оформления системы автоматического управления АВО природного газа.
Сущность изобретения поясняется рис. 2. На рисунке обозначено:
1 - секция аппарата воздушного охлаждения газа (например, для АВО типа 2АВГ-75С - это пучок из 528 поперечнооребренных биметаллических трубок, расположенных в шахматном порядке, снабженных входным и выходным коллекторами и охлаждаемых при помощи двух вентиляторов, которые работают от асинхронных электродвигателей); 2, 3, 4 - датчики температуры стенок теплообменных трубок АВО газа; 5 - электронный блок датчиков температуры стенок теплообменных трубок АВО газа, преобразующий с помощью интерфейса RS-4 85 измеренные значения температуры стенок теплообменных трубок АВО газа в сигнал, удобный для обработки в блоке обработки измерительной информации и автоматического управления; 6 - блок обработки измерительной информации и автоматического управления, управляющий системой автоматического управления АВО природного газа; 7 - вычислительный блок, обеспечивающий работу исполнительных устройств в требуемых режимах; 8 -исполнительное устройство, которое осуществляет подключение частотно-регулируемого привода к электродвигателям соответствующих вентиляторов, осуществляя, таким образом, их плавный запуск, и подключение к сети переменного тока включенных электродвигателей вентиляторов для функционирования их в рабочем режиме; 9 - исполнительное устройство, которое осуществляет переключение частотно-регулируемого привода в режим автоматического поддержания заданной температуры стенок теплообменных трубок АВО газа; 10 - частотно-регулируемый привод, предназначенный для плавного пуска и управления частотой и направлением вращения электродвигателей группы вентиляторов 11, 12.
Предлагаемая система автоматического управления АВО природного газа работает следующим образом.
Вначале блок обработки измерительной информации и автоматического управления на основании измерительной информации, поступающей через электронный блок от датчиков температуры, определяет, какие вентиляторы необходимо использовать в работе, и посылает соответствующий управляющий электрический сигнал в дополнительный вычислительный блок.
а
Рисунок 2 - Схема системы автоматического управления АВО
С помощью дополнительного вычислительного блока исполнительное устройство 8 осуществляет плавный запуск электродвигателей выбранных вентиляторов путем их поочередного подключения к частотно-регулируемому приводу, а затем подключает включенные в работу электродвигатели вентиляторов к сети переменного тока. После запуска всех выбранных вентиляторов и перевода их в рабочий режим блок обработки измерительной информации и автоматического управления определяет факт отклонения значений температуры стенок теплообменных трубок всех секций АВО газа от допустимых значений. В случае указанного отклонения исполнительное устройство 9 с помощью дополнительного вычислительного блока подключает к частотно-регулируемому приводу электродвигатель вентилятора секции, в которой значение температуры стенок теплообменных трубок отличается от заданного значения, для его работы в режиме автоматического поддержания заданной температуры стенок теплообменных трубок выбранной секции АВО газа. По мере достижения температуры стенок теплообменных трубок выбранной секции АВО газа заданного значения исполнительное устройство 9 отключает электродвигатель вентилятора от частотно-регулируемого привода и переводит его на сеть переменного тока. При необходимости исполнительное устройство 9 производит аналогичные операции с электродвигателями других вентиляторов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Крюков Н.П. Аппараты воздушного охлаждения. - М.: Химия, 1983. - 168 с.
2. Научно-технический сборник. Природный газ в качестве моторного топлива. Подготовка, переработка и использование газа. - М.: Ротапринт ИРЦ Газпром, 1997, №9, 10, стр.45-52.
3. Артюхов, И.И. Автоматическое управление аппаратами воздушного охлаждения на объектах магистрального транспорта газа / И.И. Артюхов, И.И. Аршакян, И.П. Крылов // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2003. - №1. - С. 33-36
4. Руководство по эксплуатации системы автоматического управления АВО сырого газа с рециркуляцией воздуха СУ-99. Чебоксары, 2003.
5. Патент РФ на изобретение №2285283 от 10.10.2006. Способ автоматического управления процессом охлаждения сырого природного газа. Краснов А.Н., Ланчаков Г.А., Ставицкий В.А., Кульков Н.А.
6. Патент РФ на изобретение №2291474 от 10.01.2007. Система автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения природного газа. Краснов А.Н., Ланчаков Г.А., Ставицкий В.А., Кульков Н.А.
Упрощение и удешевление аппаратного оформления системы достигается за счет уменьшения количества дорогостоящих частотно-регулируемых приводов (в предлагаемой системе автоматического управления АВО природного газа для поочередного плавного запуска группы вентиляторов, а также для работы необходимых вентиляторов в режиме автоматического поддержания заданной температуры стенок теплообменных трубок АВО газа используется только один частотно-регулируемый привод).
Предлагаемая система автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения природного газа обеспечивает высокую эффективность работы аппаратов в течение всего года. Особо важное значение имеет использование предлагаемой системы в зимнее время, когда существует возможность образования газовых гидратов в теплообменных трубках АВО газа.
В результате использования предлагаемой системы автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения природного газа существенно снижаются капитальные вложения, затраты на электроэнергию и ремонт теплообменных трубок АВО газа.
