CC BY
361
УДК 004.8
М. М. Андреева, Н. А. Староверова, Е. Н. Заболотских, А. Н. Габитов, Р. Р. Хабибуллин
ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО РЫНКА ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ
В НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Ключевые слова: датчики температуры, нефтепереработка, нефтехимия.
В статье рассматриваются основные проблемы регулирования температуры в процессах нефтепереработки и нефтехимии, приводятся примеры новых датчиков, разработанных передовыми в области компаниями.
Keywords: temperature sensors, petroleum refining, petroleum chemistry.
In the article the basic problems of temperature regulation in processes of refining and petrochemistry, are examples of new sensors developed in the field of advanced companies.
Введение
Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин [1]. В настоящее время существует приблизительно следующее
распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура - 50%, расход (массовый и объемный) -15%, давление - 10%, уровень - 5%, количество (масса, объем) - 5%, время - 4%, электрические и магнитные величины - менее 4% [2]. Из этого распределения наглядно видно, что в современном промышленном производстве наиболее
распространенными являются измерения температуры (так, на атомной электростанции среднего размера имеется около 1500 точек, в которых производится такое измерение, а на крупном предприятии химической промышленности подобных точек присутствует свыше 20 тыс.). Широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования средств измерений и требований к ним определяют, с одной стороны, многообразие применяемых средств измерения температуры, а с другой стороны, необходимость разработки новых типов первичных преобразователей и датчиков, удовлетворяющих возрастающим требованиям к точности, быстродействию, помехоустойчивости. Для измерения температуры различных физических объектов человечество придумало огромное количество типов устройств и еще больше вариантов их реализации. Несмотря на это, выбрать нужный тип датчика для микроконтроллерного проекта не так сложно, достаточно знать особенности нескольких основных принципов измерения. Ниже будут кратко рассмотрены проблемы, возникающие в нефтяных отраслях, основные производители датчиков температуры, типы температурных датчиков, имеющие практическую ценность для автоматических систем измерения [3].
«Тяжкие» задачи температурных датчиков в нефтегазовой отрасли
Датчики измерения температуры в нефтепереработке и нефтехимии предназначены для стабилизации заданных режимов технологического процесса путем контроля технологических параметров, визуального представления и выдачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы, как в автоматическом режиме, так и в результате действия оператора.
В областях нефтепереработки и нефтехимии существует множество проблемных областей, требующих регулирования температуры в целях безопасности и повышения конкурентоспособности.
В нефтепереработке:
1) установка гидрокрекинга - это широко применяемая установка переработки тяжелых дистиллятов, преобразующая малоценные продукты в более чистые, более ценные топливные продукты. Множество НПЗ по всему миру добавляют установки гидрокрекинга для выполнения требований к дизельному топливу с низким и сверхнизким содержанием серы, обеспечивая некоторую гибкость выхода продукции при переходе с производства бензина на производство дизельного топлива.
Одной из основных проблем является надлежащее регулирование температур слоев катализатора в реакторе для получения требуемого выхода продуктов, продления срока использования катализаторов (уменьшения коксования) и снижения вероятности колебания температур. Для того чтобы добиться хорошего регулирования температур в реакторе, средства индикации температуры должны работать надлежащим образом, а регулирующие клапаны должны реагировать на небольшие изменения выходного сигнала регулятора.
2) установка каталитического крекинга — один из наиболее сложных технологических процессов на НПЗ. Конфигурация реактора-регенератора и расход катализатора, исчисляющийся тоннами в минуту, означают, что эта установка может очень быстро выйти из устойчивого режима работы и потребовать немедленного вмешательства оператора. При повышенных температурах и
жестких условиях эксплуатации контрольно-измерительные приборы, смонтированные на установке, очень важны для понимания хода технологического процесса в любой данный момент времени.
3) установка риформинга прямогонного бензина - это основная технологическая установка для повышения октанового числа бензина или получения бензола на НПЗ. Поскольку продукт риформинга является важным компонентом при производстве товарного бензина, качество и надежная работа установки очень важны для обеспечения технических требований в процессе смешения при получении товарного бензина. Одной из основных проблем установок риформинга является поддержание точной температуры на выходе всех печей реактора, чтобы обеспечить качество продукта.
В нефтехимии:
1) химическое реакционное оборудование должно работать как можно более экономично, чтобы обеспечить высокую эффективность технологических процессов производства готовой продукции, свести к минимуму содержание примесей и побочных продуктов при сохранении низкой себестоимости продукции. Кроме того, должна быть обеспечена высокая степень безопасности и управляемости химического реакционного оборудования. Без корректных измерений и автоматизации, позволяющей проводить анализ критически важных параметров технологического процесса, таких как время реакции, объем, температура, давление, состав и скорость теплообмена, контроль технологического процесса требует постоянных усилий.
2) ректификационные колонны. Сохранение товарных качеств продукции при минимальном потреблении энергии и поддержании высокого объема производства. Операторы зачастую решают повысить расход энергии в случае колебаний качества сырья, изменения погодных условий или возникновения других факторов, влияющих на процесс ректификации. Такое решение становится причиной неэффективной работы предприятия при избыточном повышении качества выпускаемой продукции - вместо потребления строго необходимого количества энергии и выпуска продукции, качество которой соответствует требованиям технических условий. Данная ситуация часто является результатом отсутствия у операторов четкого понимания основных характеристик технологического процесса, таких как состав сырья и готовой продукции. Свой вклад при этом вносит и низкая надежность оборудования, поскольку его неисправность повышает риск останова, а также возникновения различных инцидентов. Нарушения в технологическом процессе ректификации могут быть вызваны различными причинами, однако, наиболее распространенными факторами, угрожающими качеству производства, обычно являются колебания качества сырья, изменения температуры, недостатки управления и износ оборудования. Несвоевременное устранение таких
факторов может привести к далеко идущим серьезным последствиям для производства.
Также существует множество проблем использования датчиков, связанных с труднодоступностью местности, глубиной залежей нефти и газа.
Конкуренция на рынке температурных датчиков
Некоторые из крупнейших компаний на этом рынке, включают, Honeywell International, Inc. (США), Siemens AG (Германия ), EmersonProcess, Inc. (США), Yokogawa (Япония), а также Texas Instruments, Inc. (США).
Контактные датчики температуры - это термопары и термосопротивления. Термопары производят фирмы Turck, Siemens, Sensera, Maxim/Dallas, Jumo, ifm-electronic, Gefran, Honeywell, Endress+Hauser. Производители термосопротивлений: TURCK, Siemens, Maxim Integrated Products/Dallas Semiconductor, Linear Technology.
В четверку лидеров-производителей входят следующие компании [4] :
1) Emerson Process (доля рынка - 31%)
2) Endress+Hauser (16%)
3) Omega Engineering (13%)
4) Yokogawa (6%)
l. О компании Emerson
Корпорация Emerson (NYSE: EMR), Сент-Луис, Миссури, США - мировой лидер, объединяющий технологии и инженерные разработки, обеспечивающий инновационные решения для Заказчиков посредством различных бизнес-платформ, специализирующихся в областях энергетики, управления процессами, автоматизации в промышленности, климатических технологиях, инструментах. Общий объем продаж за 2014 год составил 24,9 млрд. долларов [5].
Стратегическая концепция Emerson базируется на четырёх элементах: отношения с заказчиками; технологические инновации; сервисное обслуживание на протяжении всего жизненного цикла; безупречное выполнение проектов [5].
Одной из последних моделей датчиков данной компании являются датчики Rosemount на базе термометров сопротивления метрической серии или стандарта DIN (65, 65Q и 65B) (Рис. 1).
Диапазон температур: от -50°С до 450°С или от -196°С до 600°С, в зависимости от типа. Время отклика: не более 9 с. для достижения 50% отклика датчика при испытаниях в проточной воде согласно 1ЕС 751. Используемая глубина погружения составляет минимум 60 мм при тестировании в соответствии с 1ЕС 751 [6].
2. О компании Endress+Hauser
«ЕМгеББ+Наизег» - мировой лидер по производству средств измерений, автоматизации и управления промышленного назначения. Компания предлагает манометры, температурные датчики, точно работающие расходомеры и другое оборудование. Основой ассортимента продукции еМге88+Иашег являются датчики, измерительные приборы, преобразователи системы в сферах, требующих надежного и точного обеспечения регулирования и измерения уровня, расхода, давления и температуры. Также это услуги и системы по проведению анализов и регистрации характеристик текучей среды. К перечню их услуг относятся: подключение измерительных приборов к системам управления технологическими процессами непосредственно в производственных условиях, внедрение систем по автоматизации и логистике. Техника от ЕМге88 выделяется среди конкурентов своими передовыми технологиями:
- высокочувствительные элементы, которые фиксируют малейшие изменения, не подвластные обычным приборам (датчик перепада давления и другие);
- внедрение датчиков не только в производственные процессы промышленных объектов, а и в жилищном строительстве, ведь и там есть необходимость в качественном оборудовании;
- создание замкнутой системы от измерений до анализа и обработки данных с последующей передачей результатов, что значительно упрощает работу со всеми данными и помогает справляться с задачами руководства быстро [7].
Компания ЕМге88+Нашег предлагает следующую продукцию для измерения температуры различных процессов: термометры сопротивления (КТО), термопары (ТС), реле температуры. Термометры сопротивления применяются, как правило, при относительно невысоких температурах процесса (до 600°С). При более высоких температурах типичным решением является использование термопар (до 1300°С). Конструкция датчиков температуры чрезвычайно разнообразна в зависимости от требований процесса. Это обуславливает широкий номенклатурный ряд данных изделий в продуктовой линейке ЕМге88+Нашег. Компания предлагает термометры для универсального применения, для жестких условий эксплуатации, для пищевой и фармацевтической промышленности
(гигиенический дизайн), а также полевые и БГЫ-реечные трансмиттеры, термогильзы, электронные вставки, чувствительные элементы и другое сопутствующее оборудование. Одна из последних разработок - жаростойкая термопара Omnigrad 8 ТЛЕ16 (рис.2), отличительной особенностью
которой является максимальный рабочий режим термопары: до +1820°C [7].
Рис. 2 - Термопара Omnigrad S TAF16
3. О компании OMEGA Engineering
OMEGA Engineering (США) — крупнейший производитель высококачественных измерительных приборов, разрабатывает и производит измерительное оборудование на высоком техническом и технологическом уровне [8].
В настоящее время американская компания является одним из ведущих мировых производителей продуктов измерения и контроля температуры, давления, влажности, напряжения, расхода, уровня и проводимости. Ассортимент компаний насчитывает более ста тысяч изделий. Одной из новых разработок компании является датчик RTD 3-Pack (Рис. 3), легко прикрепляющийся к любой поверхности. Диапазон температур: от -73 ° C до 260 ° C. Точность: ± 0,12% при 0°C. Стабильность: Менее 0,2 ° C. SA1- RTD - это датчик температуры поверхности, который может быть применен к чистым, сухим поверхностям. Тонкая конструкция SA1-RTD минимизирует место, занимаемое датчиком. Чувствительный элемент, сопротивления SA1-RTD не зависит от установки на изогнутых поверхностях, будет быстро реагировать на изменения температуры для быстрого и надежного измерения [8].
4. О компании Yokogawa
Корпорация «Yokogawa Electric Corporation» ведет свою историю с 1915 года. На сегодняшний
день она является одной из сильнейших и крупнейших компаний на мировом рынке промышленной автоматизации. Компания Yokogawa предлагает пользователю единое комплексное решение: от уровня КИПиА до распределенных систем управления технологическим процессом и интегрированных автоматизированных систем управления, автоматизация АСУ ТП, автоматизированные системы управления (АСУ) [9].
Модель БТ8Х®3000 (рис. 4) отлично подходит для нужд обслуживания инфраструктуры объектов где требуется контролировать температуру на большом пространственном участке или на большой площади. Специальные применения включают в себя обнаружение утечек жидкости и газа в резервуарных парках и других масштабных объектах подобного рода, а также обнаружение аномального повышения температуры на линиях электропередач [9].
Рис. 4 - Модель DTSX®3000
Основные целевые рынки: нефть и природный газ, целлюлозно-бумажная
промышленность, металлургия, энергетика, цветная металлургия и химическая промышленность
Применения:
- Контроль температуры на подземном участке для нетипичных нефтяных и газовых скважин, при разведке и добыче.
- Измерение распределения температуры в нескольких скважинах.
- Обнаружение возгораний на конвейерной
линии.
- Измерение распределения температуры в линиях электропередач на больших расстояниях.
- Обнаружение утечек жидкостей и газов на трубопроводах и резервуарах.
- Измерение температуры по поверхности внешних стенок металлургических печей, а также печей/реакторов в химической промышленности.
Таким образом, в нефтеперерабатывающих и нефтехимических процессах есть определенные трудности, связанные с измерением температуры, например, регулирование температур слоев катализатора, слишком высокие температуры, труднодоступность местности, глубина залежей нефти и газа. Существует ряд компаний-передовиков, предлагающих новые решения данных проблем,:Етегеоп, OMEGA Engineering,
Endress+Hauser, Yokogawa и т.д. Некоторые из их новинок приведены в данной статье.
Литература
1) Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов, Вестник КГТУ, 13, 9, 438-443 (1996)
2) Л.Р. Закиева, М.Ю. Васильева, Вестник КГТУ, 16, 8, 287-289 (1996)
3) Температурные датчики [Электронный ресурс] / Режим доступа: www.5rik.ru/better/article-32304.htm, свободный
4) Доли различных производителей на рынке [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.controldesign.com/assets/Media/2013/1309/201 3-readers-choice-awards.pdf, свободный.
5) Сайт компании Emerson [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.emersonprocess.com, свободный
6) Каталог продукции компании Emerson [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://fisher.asia/ru/brands/rosemount/temperature,
свободный.
7) Сайт компании Endress+Hauser [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.ru.endress.com, свободный
8) Сайт компании Omega Engineering [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.omega.com, свободный
9) Сайт компании Yokogawa [Электронный ресурс] / Режим доступа: http:// www.yokogawa.ru, свободный
© М. М. Андреева - к.т.н., доц. каф. автоматизированных систем сбора и обработки информации, КНИТУ, [email protected]; Н. А. Староверова - к.т.н., доц. той же кафедры, [email protected]; Е. Н. Заболотских - студ. каф. общей химической технологии КНИТУ; А. Н. Габитов - студ. той же кафедры; Р. Р. Хабибуллин - студ. той же кафедры.
© M. M. Andreeva, c.t.s., associate Professor Automated Data Acquisition and Processing Systems, KNRTU [email protected]; N. A. Staroverova, ^t.s., associate Professor - Automated collection systems and information processing, KNRTU, [email protected]; E. N. Zabolotskikh, student of General Chemical Technology KNRTU; A. N. Gabitov, student of General Chemical Technology KNRTU; R. R. Khabibullin, student of General Chemical Technology KNRTU.
