CC BY
11
Gorshkov Aleksey Anatol'yevich, candidate of technical sciences, employee, gorschainhox. ru, Russia, Orel, Academy of the Federal Security' Service of the Russian Federation,
Lopatin Denis Anatol 'yevich, employee, de-lopaayandex.ru, Russia, Orel, Academy of the Federal Security' Service of the Russian Federation
УДК 681.5
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕМОНТНЫХ
КОМПЛЕКТОВ ПЕНОПОЛИМЕРМИНЕРАЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
ТРУБОПРОВОДОВ
Ю.Э. Голодков, Ю.А. Хегай
Рассмотрена проблема ремонта пенополимерминеральной изоляции трубопроводов, которая состоит в рациональном использовании компонентов, полиола и изоци-аната, характеризующихся повышенной вязкостью и свойством быстрого застывания. Предложен проект автоматизации процесса розлива полиола и изоцианата в емкости заданного объема, достаточного для ремонта одного стыка трубопроводов с пенополимерминеральной изоляцией. При этом объем фасовки для однократного использования компонентов соответствует определенному диаметру трубопроводов, выпускаемых отечественной промышленностью.
Ключевые слова: автоматизация, вязкие жидкости, полиол, изоционат, пено-полимерминеральная изоляция
В настоящее время в теплоэнергетике применение трубопроводов остается актуальным решением в организации теплосетей для осуществления транспортировки тепла к потребителю. Для защиты труб от внешних воздействий, снижения тепловых потерь разработаны специальные трубы с пенополимерминеральной (ППМ) изоляцией [1]. Трубы и детали трубопроводов в ППМ изоляции имеют свободные от изоляции концы. После сварки трубопровода для теплоизолирования таких участков используются специальные комплекты для заделки стыков.
Трубопроводы в ППМ изоляции обладают высокой ремонтопригодностью. В случае необходимости вскрыть изоляцию на трубопроводе или в случае, если она оказалась повреждена при проведении земляных работ, то восстановить ее с сохранением всех присущих ППМ изоляции качеств можно достаточно просто и дешево при использовании соответствующих комплектов оснастки для труб разного диаметра. При этом, залитый в полевых условиях стык не уступает по свойствам и качеству теплоизоляции, нанесенной в заводских условиях, образовывая на теле трубопровода монолитную конструкцию [2]. Результаты постоянных наблюдений за трубопроводами в ППМ изоляции позволяют рассматривать данную конструкцию как одну из современных и перспективных для трубопроводов тепловых сетей, прошедшую натурные испытания временем [3].
Комплект для заделки стыков в ППМ изоляции состоит из специальной смеси жидкостей - полиола (компонент А) и изоционата (компонент Б). Эти вещества относятся к группе жидкостей повышенной вязкости, что приводит к определенным трудностям при их фасовке.
На производстве данные компоненты чаще всего разливают в ёмкости большого объема, встречаются предложения от 5-25 и до 200 л [4]. Такой объем предлагаемых продуктов нерационален, поскольку полиол и изоционат обладают свойством быстрого застывания, вследствие чего целесообразней осуществлять розлив в тару меньшего объема. В связи с этим на производстве ППМ изоляции возникает необходимость разработать автоматизированную систему розлива компонентов повышенной вязкости таким образом, чтобы объём одной емкости полиола и изоционата был рассчитан ровно на 1 стык в зависимости от диаметра трубы. В соответствии с рекомендациями Инструкции по ППМ изоляции стыка [5] для ремонта стальной трубы диаметром 57 мм расход реагентов с учетом их плотности составляет, соответственно, 0,34 л компонента А и 0,45 л компонента Б, а для трубы диаметром 820 мм расход реагентов составляет, соответственно, 5,9 л компонента А и 7,8 л компонента Б. Таким образом, анализ диаметров трубопроводов, выпускаемых отечественной промышленностью, показал, что наиболее востребованный диапазон объема ремонтных комплектов пенополимермине-ральной изоляции составляет от 0,3 до 8 л.
Целью данного исследования является разработка автоматизированной установки для розлива жидкостей повышенной вязкости - полиола и изоционата в емкости малого объема, достаточного для проведения ремонта одного участка пенополимерми-неральной изоляции трубопровода определенного диаметра. Основными задачами являются обеспечение диапазона дозирования от 0,3 до 8 л, проектирование автоматизированной системы дозирования и интерфейса системы управления.
В настоящее времени разработано большое количество установок-дозаторов для розлива жидкостей. Так, известен шнековый дозатор МДШ-600 для дозированной подачи порошкообразных, вязких и густых материалов во флаконы [6]. Поршневой автомат-дозатор ПАККА-Р3-10М для розлива вязких продуктов, масел, бытовой химии, когда дозируемые компоненты относятся к менее вязким веществам [7]. Однако все существующие системы предназначены для розлива пищевых, фармацевтических продуктов и, как следствие, имеют высокую стоимость по причине использования дорогих конструктивных решений и не гарантируют заданной точности дозирования густого вязкого продукта.
Авторы [8] обращают внимание на то, что основные факторы, влияющие на точность дозирования жидкости (пищевых продуктов) автоматами, сводятся к конструктивным особенностям автомата розлива, условиям эксплуатации и внешним воздействиям. По существу данные факторы являются регламентными, которые необходимо соблюдать в соответствии с руководством по эксплуатации автомата розлива.
ППМ-изоляция может выполнять функции не только тепловой защиты, но и защиты от проникновения воды и влаги к стальной трубе, то есть функции гидроизоляции [9].
Рассмотрим кратко процесс изолирования стыков после сварки трубопроводов в ППМ изоляции [5]. Соединительные участки необходимо изолировать для обеспечения целостности трубопровода, защиты от внешних воздействий и коррозии. Заделка стыков происходит в несколько этапов:
- подготовка стыка к заливке;
- подготовка инвентарной опалубки;
- установка инвентарной опалубки на стык;
- дозировка и подготовка компонентов к смешиванию;
- смешивание компонентов и заделка стыка;
- выдержка и распалубка отформованного стыка.
Комплект для заделки стыков состоит из двух ёмкостей, которые содержат компоненты для смешивания - компонент А и компонент Б. Компонент А - это полиол, который является смесью полифункциональных гидроксилсодержащих продуктов (по-лиолов), вспенивающих агентов физического или химического действия, катализато-
ров, пенорегуляторов и специальных пламегасящих добавок (антипиренов). Это гомогенная суспензия белого цвета. Полиол обладает динамической вязкостью 500 мПа- с и плотностью 1027 кг/м [10].
Компонент Б - это изоционат, который после смешивания с компонентом А создает каркас ППМ изоляции, представляет собой летучую токсичную смесь с ярко выраженным запахом. Изоционат [11] обладает динамической вязкостью 200 мПа- с и плотностью 1250 кг/м3.
Использование исходных компонентов с такими физическими свойствами обеспечивает оптимальную плотность готовой ППМ изоляции при напылении для утепления трубопроводов 30-40 кг/м .
Процесс приготовления смеси заключается в том, что компонент А сливается в емкость вместе с компонентом Б при непрерывном перемешивании. Время приготовления смеси 30-40 секунд. Готовая смесь сливается в заливочное отверстие опалубки и стягивается бандажной лентой.
Автоматизированная система дозирования должна обеспечивать выдачу дозы одного или двух продуктов в заданной временной последовательности, поэтому было принято решение спроектировать систему на базе расходомеров. На рис. 1 представлена функциональная схема, на базе которой был выполнен подбор необходимого оборудования.
Рис. 1. Функциональная схема системы дозирования
Исходные компоненты А и Б изначально размещаются в баках объемом 2000 л, из которых жидкости под собственным давлением перемещаются к насосу через соединительные шланги.
Важным этапом разработки был выбор насоса, потому что необходимо было учитывать вязкость и плотность жидкости, а также потери давления в трубопроводе. Вначале были выполнены соответствующие расчеты для выбора электродвигателя -рассчитаны мощность электродвигателя для предполагаемого насоса, развиваемый электродвигателем момент и входное давление жидкости. Расчет мощности электродвигателя для насоса проводили по формуле (1)
кВт, (1)
з П "П
■нас 'пер
где Кз - коэффициент запаса; Q - производительность насоса, м3/ч; Н - высота подъема (расчетная), м; р - плотность перекачиваемой насосом жидкости, кг/м ; п - КПД насоса; ппер - КПД передачи.
Расчет момента электродвигателя проводили по формуле (2):
М=9,55- --103 Нм , (2)
п
где п - частота вращения вала, об/мин.
Так как из баков 1 и 2 компоненты А и Б будут течь самотеком по шлангу непосредственно в насос, то для этого рассчитали входное давление жидкости по формуле (3):
Р=р^Н Па, (3)
где g - ускорение свободного падения, м/с2.
Для проведения расчетов принимаем следующее: производительность насоса составит 0,48 м3/ч, исходя из расчета изготовления 60 штук пакетов максимальной емкостью 8 л в 1 ч; высота подъема принята 1,5 м; у шестеренных насосов п~0,85; при дисковом муфтовом соединении п~1; остальные значения приведены в табл.1.
Таблица 1
Исходные данные
Кз д, м3/ч Н, м р, кг/м3 полиол р, кг/м3 изоцианат П ■нас П ■пер Ц об/мин
1,2 0,48 1,5 1027 1250 0,85 1 750
Результаты расчетов представлены в табл. 2.
Таблица 2
Расчетные значения для выбора насоса_
№ п/п Мощность электродвигателя, кВт Момент электродвигателя, Н • м Входное давление жидкости, кПа
1 Для компонента А - полиола
0,29 3,69 15,1
2 Для компонента Б - изоцианата
0.36 4,56 18,4
С учетом приведенных данных был выбран шестеренчатый (шестерный или объемный) насос фирмы УапБСО 010 [12]. Выбор объясняется рядом причин. Во-первых, данные насосы применяются для перекачки вязких жидкостей с любой вязкостью, способны перекачивать химические вещества, включая изоцианат и полиол, имеют фиксированную производительность, которая строго пропорциональна скорости вращения привода насоса и не зависит от создаваемого давления. Шестеренчатые насосы УапБСО имеют возможность осевой регулировки положения ротора, что позволяет перекачивать одним и тем же насосом жидкости различной вязкости. Во-вторых, эти насосы обладают высокой точностью дозирования, т.к. объём перемещаемой жидкости за 1 оборот составляет ± 0,009 литров. Это позволяет отмерить за 1 оборот 9 мл перемещаемой жидкости и добиться получения практически любых объемов дозирования компонентов ППМ изоляции в пределах от минимального значения 0,3 л до максимального 8 л. В-третьих, мощность электродвигателя насоса рассчитана до 0,55 кВт, что соответствует условиям выполненных расчетов.
По параметру вязкости перекачиваемых компонентов был выбран шестеренчатый расходомер объемного типа марки Б1КЛ серии У2 0.2Б, который предназначен для контроля над соотношением полиола и изоцианата [13]. Для формирования 2-х канального частотного сигнала, пропорционального расходу, измерительный блок содержит два считывающих датчика, повернутые по окружности на 1/4 шага зубца. Бесконтактные датчики, которые расположены внутри расходомера, считывают движение зубчатой пары и обрабатывают сигнал, т.е. импульс, который генерирует каждый отдельный зубец. Данные расходомеры особенно подходят для работ, связанных с измерением малых и очень малых объемов, и точность измерений увеличивается при работе с высоковязкими жидкостями.
Для предотвращения стекания оставшейся жидкости из сопла, которая может препятствовать запаковке пакета, было принято решение поставить запорный клапан. Также он позволяет легко перекрыть участок трубопровода при аварии для проведения ремонтных работ. Для этой цели выбран автоматический запорный клапан для вязких, загрязненных сред марки ЛБУ-М производителя Бап^ОББ [14].
В систему управления электрическим двигателем насоса включили контроллер, частотный преобразователь, ЖК-экран, кнопки, датчики и переключатели. Для того, чтобы обеспечить гибкость проектируемой установки - диапазон дозирования от 0,3 л до 8 л, был выбран векторный преобразователь частоты фирмы Веспер Е4 8400-001H с трехфазным питанием 380 В, рассчитанный на регулирование скорости вращения электродвигателя мощностью до 0,75 кВт [15]. Векторное управление асинхронным двигателем обеспечивает расширенный диапазон регулирования частоты при номинальном моменте, что и требуется добиться в проектируемой установке.
Проанализировав технические и экономические характеристики контроллеров, которые соответствуют требованиям системы управления, был выбран контроллер фирмы «Овен» ПЛК 154-220-А-М для средних систем автоматизации [16]. Он отличается тем, что имеет аналоговые и дискретные входы и выходы, поэтому с помощью него можно получить сигналы от дискретных устройств - датчиков, а также плавно управлять устройствами благодаря наличию аналоговых выходов. Наличие протокола ModBus на базе Ethernet позволяет интегрировать контроллеры со SCADA-системами.
ЖК сенсорная панель была выбрана той же фирмы, что и контроллер - ОВЕН СП310-Б. Сенсорная панель очень удобна в использовании, поскольку она защищена от попадания влаги из-за отсутствия кнопок, в зазоры которых могла бы попасть вода. Для того чтобы обеспечить безопасность работы, были продублированы кнопки основных операций - «Пуск», «Стоп», «Пауза» и «Аварийный останов».
Спроектированная панель управления оператора представлена на рис. 2.
Рис. 2. Панель управления оператора
Для контроля уровня жидкости в баках предусмотрен радарный датчик уровня, который устанавливается внутри емкости.
После проектирования системы управления приступили к составлению электрической схемы. В электрическую схему включили следующие компоненты: датчик уровня жидкости, частотный преобразователь, контроллер, 3 кнопки, 1 переключатель, 2 расходомера, 2 насоса, экран.
С помощью программы трехмерного параметрического моделирования SolidWorks была разработана демонстрационная схема автоматизированной установки розлива жидкостей повышенной вязкости на примере дозирования компонентов (полиола и изоцианата) для изготовления ремонтных комплектов пенополимерминераль-ной изоляции трубопроводов.
Внешний вид спроектированной установки представлен на рис. 3 и 4.
Рис. 3. Общий вид автоматизированной установки
Рис.4. Вид сверху автоматизированной установки: 1 — лестница; 2 — лебедка; 3 - основание под баки; 4 — бак; 5 — насос; 6 - фасовочный пакет; 7, 8 — трубопровод; 9 - стойка оператора; 10 — конвейер; 11 - основание
Дальнейшее использование системы управления автоматическим процессом дозирования вязких компонентов в режиме реального времени возможно путем разработки программы в среде «TraceMode», которая представляет программную систему для автоматизации технологических процессов (АСУ ТП), телемеханики, диспетчеризации, учета ресурсов [17].
Таким образом, в статье рассмотрен проект установки для автоматического розлива жидкостей повышенной вязкости, предназначенных для изготовления ремонтных комплектов пенополимерминеральной изоляции трубопроводов. Установка состоит из системы дозирования и системы управления. Данная разработка представляет практический интерес, т.к. она имеет широкий диапазон дозирования и гибкость розлива жидкости объемом от 0,3 л до 8 л, что обеспечивает наполнение компонентов (полиола и изоцианата) в отдельные пакеты заданного объема, достаточного для заделки одного стыка трубопроводов с ППМ изоляцией определенного диаметра, выпускаемых отечественной промышленностью. Точное дозирование и целевое изготовление ремонтных комплектов пенополимерминеральной изоляции трубопроводов позволяет экономически выгодно использовать полиол и изоцианат.
Список литературы
1. Характеристики ППМ-изоляции. [Электронный ресурс] URL: https:// ppmirk.ru/advantages (дата обращения: 15.12.2020).
2. Умеркин Г.Х., Романов С.В., Мишина А.М. Устранение повреждений на трубопроводах в пенополимерминеральной изоляции в полевых условиях // Новости теплоснабжения. 2008. № 9. С. 34-36.
3. М.Е. Мишин. Трубы в ППМ изоляции - современный способ строительства тепловых сетей // Новости теплоснабжения. 2010. № 3 (115). [Электронный ресурс] URL: https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=2751 (дата обращения: 15.12.2020).
4. Компоненты ППУ и производители. [Электронный ресурс] URL: https:// vzsto.ru/article/ppucomponents/ (дата обращения: 15.12.2020).
5. Инструкция по ППМ изоляции стыка. [Электронный ресурс] URL: http:// rosgrup.ru/stikppmi (дата обращения: 15.12.2020).
6. Шнековый дозатор. Серия МДШ-600. [Электронный ресурс] URL: https://aurora-pack.nt-rt.ru/images/manuals/06-07-03.pdf (дата обращения: 15.12.2020).
7. Автомат розлива ПАККА-РЗ-10М (поршневое дозирование). [Электронный ресурс] URL: https://pakka.ru/product/oborudovanie-rozliva/avtomaticheskij-rozliv-pakka-rz-10m-porshnevoe-obemnoe-dozirovanie/ (дата обращения: 15.12.2020).
8. Гатилова Е.В., Ивахненко А.Г. Факторы, влияющие на точность дозирования жидкостей автоматами розлива // Вестник Донского государственного технического университета. 2010. Т. 10. № 8 (51). С. 1228-1234.
9. Исследование свойств ППМ-изоляции подземных трубопроводов. Влагопе-ренос // Сантехника. 2. 2019. С. 30-35.
10. Полиол PURANOL G 303F. [Электронный ресурс] URL: https://vita-reaktiv.ru/poliol-puranol-g-303f (дата обращения 15.12.2020).
11. Изоционат - полимерный MDI. [Электронный ресурс] URL: https://www.termospray.ru/dealers/materials/izotsianat/mdi-wannate-pm-200/ (дата обращения: 15.12.2020).
12. Varisco G10. [Электронный ресурс] URL: http://promnasos.com/catalog/ gears pumps with internal teeth/varisco v/12438/ (дата обращения: 15.12.2020).
13. Шестеренчатые расходомеры / SIKA. Приборы для контроля и измерения расхода. [Электронный ресурс] URL: http://www.ste.ru/sika/shesteren-flawmeters.html (дата обращения: 15.12.2020).
14. Клапан типа ASV-M. [Электронный ресурс] URL: https://danfoss.pro/catalog/151/ (дата обращения:15.12.2020).
15. Векторные преобразователи частоты E4-8400. [Электронный ресурс] URL: https://www.vesper.ru/catalog/invertors/e4-8400/specification/ (дата обращения: 15.12.2020).
16. ПЛК100/150/154 контроллеры для малых систе. [Электронный ресурс] URL: https://www.owen.ru/product/plk154 (дата обращения 15.12.2020).
17. AdAstrA Research Group, Ltd официальный сайт. [Электронный ресурс] URL: http://www.adastra.ru/ (дата обращения: 15.12.2020).
Голодков Юрий Эдуардович, канд. техн. наук, доцент, yrg27@mail.ru, Россия, Иркутск, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Хегай Юлия Аркадьевна, студент, yuliya. hegay20@gmail. com, Россия, Иркутск, Иркутский национальный исследовательский технический университет
A UTOMA TION OF THE PROCESS OF MANUFACTURING REPAIR KITS FOR FOAM POLYMINERAL INSULA TION OF PIPELINES
Y.E. Golodkov, Y.A. Hegay
The problem of repair of polymeric mineral foam insulation of pipelines is considered, which consists in the rational use of components, polyol and isocyanate, which are characterized by increased viscosity and the property of rapid solidification.. A project for the automation of the process of filling polyol and isocyanate in a container of a given volume,
434
sufficient for repairing one joint of pipelines with polymeric foam insulation, is proposed. At the same time, the volume ofpackaging for single use of components corresponds to a certain diameter of pipelines produced by the domestic industry.
Key words: automation, viscous liquids, polyol, isocyanate, polymeric mineral foam insulation
Golodkov Yuri Eduardovich, candidate of technical sciences, docent, yrg27@mail.ru, Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University,
Hegay Yuliya Arkad^evna, student, yuliya.hegay20@gmail. com, Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University
УДК 621.313.323
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА В НЕПОДВИЖНОЙ СИСТЕМЕ
КООРДИНАТ
В. А. Милорадов
Представлена математическая модель вентильного двигателя в неподвижной системе координат. На примере реального вентильного двигателя SEW-EURODRIVE С¥М71$! выполнено имитационное моделирование в среде МЛТЬЛБ Simulink. Получены переходные процессы при пуске вентильного двигателя по скорости и моменту при различных значениях амплитуды напряжения.
Ключевые слова: вентильный двигатель, электропривод, неподвижная система координат, переходный процесс.
Установки электроцентробежных насосов предназначены для механизированной добычи нефти и газа [1] и в настоящее время обеспечивают свыше 75 % добычи всей нефти в России, что составляет около 410 млн т в год [2].
Приводом для центробежных насосов служат асинхронные и вентильные погружные электродвигатели. Вентильный электропривод обладает рядом преимуществ при сравнении с традиционным асинхронным электроприводом. Высокий коэффициент полезного действия, минимальные массогабаритные показатели, широкий диапазон изменения частоты вращения и многие другие превосходства в скором времени приведут к использованию вентильного электропривода в качестве основного в установках электроцентробежных насосов. Такие установки находят применение в малодебитных скважинах, в скважинах, вводимых после гидроразрыва пласта, при добыче вязкой нефти, а также других операциях по интенсификации добычи нефти [3]. Преимущества и недостатки использования вентильных двигателей в установках электроцентробежных насосов подробно рассмотрены в [4].
Данная работа посвящена математическому описанию и моделированию вентильного двигателя в неподвижной системе координат.
Математическое описание вентильного двигателя в неподвижной системе координат. Уравнения равновесия электродвижущей силы в обмотках статора и моментов на валу двигателя имеют вид:
dY
Uа = ~7~ + R ' ia at
dYe
Ue = ~dt+ R ' *
M - M н = J
dt 435
