CC BY
64
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
УДК 665.6.001.8 Маршалко Юрий Станиславович,
старший научный сотрудник, зам. зав. отделом №19 ОАО «ИркутскНИИхиммаш» (г. Иркутск).
тел. 8-904-120-66-33, e-mail: marshalko@himmash.irk.ru) Кузнецов Николай Константинович, д-р. техн. наук, профессор, зав. кафедрой конструирования и стандартизации в машиностроении ИрГТУ (г. Иркутск), тел. 8-902-561-30-72
Юрайдо Борис Францевич,
канд. техн. наук, зав. отделом №19 ОАО «ИркутскНИИхиммаш» (г.Иркутск), тел. 8-914-895-28-89
Федюкович Геннадий Иванович, старший научный сотрудник отдела №19 ОАО «ИркутскНИИхиммаш» (г. Иркутск)
тел. 8-964-816-55-15 Кузнецов Кирилл Анатольевич, канд. техн. наук, первый зам. генерального директора ОАО «ИркутскНИИхиммаш» (г. Иркутск)
тел. 41-06-66
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ТРУБОПРОВОДОВ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ
Marshalko, N.K. Kuznetsov, B.F. Yuraido, G.I. Fedukovich, K.A. Kuznetsov
ENGINEERING DESIGN OF REFINERY PIPELINE AUTOMATION SYSTEMS MONITORING
Аннотация. Для мониторинга трубопроводов был создан специализированный программно-аппаратный комплекс (ИК-1). Он был применен для отработки технических решений мониторинга напряженно-деформированного состояния трансферных трубопроводов и патрубков подачи сырья в ректификационную колонну на одной из установок в ОАО «Ангарская нефтехимическая компания». Исследовательский комплекс ИК-1 также использовался при создании и работе устройства для контроля внутренних поверхностей ребристых труб в режиме реального времени.
Ключевые слова: мониторинг, напряженно-деформированное состояние, программно-аппаратный комплекс, технологические трубопроводы, безопасная эксплуатация, тензометрия, визуализация.
Abstract. Aimed to be used in pipeline monitoring the specific hardware/software set (IK-1) was created. It was applied to the technical solution processing of stress-deformed state monitoring for transfer pipelines and feeding nozzles located in a cracking fractionator at one of the units belonging to JSC «Angarskpetrochemical company». The research set IK-1 was also used at the time of construction and during operation of the unit designed to inspect internal surfaces of ribbed pipes in real time mode.
Keywords: monitoring, stress-deformed state, hardware/software set, industrial pipelines, safe operation, strain gauging, visualizing.
Для обеспечения надежной и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов нефтеперерабатывающих производств, работающих в условиях высокого давления и повышенных температур, необходим постоянный комплексный контроль параметров, характеризующих их техническое состояние и работоспособность [1]. В настоящее время этот контроль, как правило, осуществляется на основе использования универсальных диагностических средств, для применения которых требуется остановка производства [2]. Перспективным путем решения данной проблемы является применение автоматизированных систем мониторинга и технической диагностики технологического оборудования. Рассмотрению некоторых вопросов, связанных с созданием подобных систем для одного из нефтеперерабатывающих предприятий, и посвящена данная статья.
Для управления и контроля технологических процессов существует большое количество технических решений на основе компьютерных технологий. Так, для визуализации поступающей в компьютер информации и ее преобразования наибольшее применение получили Scada-системы,
иркутским государственный университет путей сообщения
такие как Trace Mode 6 [3]. При создании систем непрерывного диагностического мониторинга состояния таких опасных промышленных объектов, как сосуды высокого давления и трубопроводы, следует учитывать их отличие от систем автоматизации технологических процессов. Эти отличия, в частности, обусловлены различными критериями оценки состояния объектов, типом, характеристиками и местами расположения измерительных устройств [4].
Для реализации автоматизированных систем мониторинга трубопроводов нефтеперерабатывающих производств был разработан специализированный программно-аппаратный комплекс ИК-1. Аппаратная часть комплекса собрана на основе модулей ввода-вывода серии I-7000 производства фирмы «IcpDas» [5]. По своим техническим характеристикам и системе команд модули серии I-7000 аналогичны изделиям других производителей, представленным на рынке России в настоящее время. Однако разработчики учли все лучшие черты, присущие ранее выпущенным сериям, обеспечили их полную совместимость, устранили отдельные недостатки, а также дополнили свои изделия новыми функциями.
Общий вид комплекса показан на рис. 1. Комплекс представляет собой металлический корпус (1) с установленными внутри электронными модулями, блоком питания и барьерами искро-защиты. Прибор подключается к переносному компьютеру (2). К комплексу прилагаются комплекты различных датчиков и коммуникационных кабелей (3). На лицевой стороне модуля находятся разъемы (4) для подключения питания схем и приема информации с различных датчиков. В комплект комплекса входит шестиканальная тен-зостанция (5). Настройка и калибровка модулей осуществляется программным способом. Параметры конфигурации, такие как адрес, скорость обмена по последовательному каналу связи, наличие проверки контрольной суммы команды, диапазон изменения входных и выходных сигналов и их размерность, вид представления измеренных значений и некоторые другие параметры, сохраняются во встроенном электрически перепрограммируемом ПЗУ. Сигналы от датчиков поступают в ИК-1 и после их оцифровки передаются в компьютер со Scada - системой Trace Mode 6. Исходя из поставленных задач, происходит визуализация и запись исследовательских процессов. Отличительными особенностями этого комплекса, по сравнению с известными, являются:
• универсальность выполняемых исследовании;
• возможность записи сигналов в базу данных;
• прямое подключение к компьютеру через СОМ/ШБ-порт;
• открытая программная архитектура;
• встроенный источник питания как для модулей, так и для измерительных цепей;
• невысокая стоимость;
• наличие выносной клеммной колодки для удобства быстрых подключений;
• возможность «горячей замены» любого модуля без отключения питания.
Основные технические характеристики ИК-1:
• количество каналов аналогового ввода:
о при частоте выборки 7 Гц / канал - 8 каналов;
о при частоте выборки 100 Гц/канал - 1 канал;
• количество каналов дискретного ввода - 1;
• количество каналов дискретного вывода - 2;
• диапазоны входных аналоговых сигналов: (±) 0,15 В, 0,5 В, 1 В, 5 В, 10 В, 20 мА;
• входная частота счетчика - 0.. .50 Гц;
• количество параллельных каналов на тензо-станции - 6;
• температура эксплуатации - минус 20 ... плюс 75 оС.
Рис. 1. Общий вид исследовательского комплекса ИК-1
Комплекс ИК-1 был применен для отработки технических решений контроля напряженно -деформированного состояния (НДС) при создании автоматизированной системы диагностирования и мониторинга состояния трансферных трубопроводов и штуцеров подачи сырья от печи к ректификационной колонне одной из установок нефтепереработки в ОАО «Ангарская нефтехимическая компания». Данная система позволяет в режиме реального времени осуществлять контроль НДС штуцеров в зоне их врезки в колонну и температуры трансферных трубопроводов, а также оцени-
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
вать остаточный ресурс эксплуатации трубопроводов нефтеперерабатывающей установки.
Схема расположения трансферов с точками контроля приведена на рис. 2. Трансферные трубопроводы (1) связывают печь П 3/2 (2) с колонной К-11 (3). Самыми опасными участками данного производственного объекта являются места врезки штуцеров (4) в колонну К11 (точки С1 и С2). В этих точках контролируются напряжение и температура.
Оценка НДС металла в зоне врезки проводится методом тензометрирования. Для определения НДС на каждый штуцер колонны в точках С1 и С2 приварено по три тензодатчика. Каждый из установленных тензодатчиков капсулированного типа совмещает внутри себя два датчика: активный и термокомпенсационный. При появлении деформаций в точке приварки активного датчика в диагонали моста возникает ток.
лового смещения тензодатчиков, которая показана нарис. 3.
Рис. 3. Тепловое смещение тензодатчика
На основе этой зависимости был найден коэффициент теплового смещения датчика.
Расчетное значение силы тока / с учетом этого коэффициента
/рач = / - К ■ Т , (1)
где кт - коэффициент теплового смещения
(кт = 0,00486 мА/oC); / - сила тока (мА); Т -
температура (0 С).
Деформация материала и ток датчика, согласно [6], связаны линейной зависимостью
£ = к£-М . (2)
С учетом (1) выражение (2) принимает вид
£ = (/расч - /0) ■ К , (3)
где ке - коэффициент пропорциональности; /0 -
начальное значение силы тока (12 мА).
Определение НДС контролируемых элементов проводилось следующим образом. Сначала определялись составляющие деформаций в контролируемых точках
е
k • Ii;
Рис. 2. Схема расположения точек контроля
После его оцифровки сигнал передается в промышленный компьютер с программой Trace Mode 6. После проверки тензоканала на обрыв линии сигнал поступает в программу расчета НДС трубопровода в контролируемых точках. Программа позволяет учесть влияние температуры трубопроводов на показания тензодатчиков. Для этого лабораторным путем была получена экспериментальная зависимость для определения теп-
е2 ~ k2 ' 1 2 ; ез ~ k3 ' I3 ,
(4)
(5)
(6)
где /¡, /2, /з - значения силы тока в мостах соответствующих датчиков; £1 ,е2 ,£3 - деформации
соответственно в осевом (вдоль оси патрубка), кольцевом (перпендикулярно оси патрубка) и наклонном (под углом 45 градусов к оси патрубка) направлениях.
На основе составляющих (4)-(6) вычислялись минимальные и максимальные значения нормальных напряжений
иркутский государственный университет путей сообщения
с = —
max 2
E+т~ -лУ+[2 -ь)г 1(7)
2 [ 1 - / 1 + / J
1 ,(8)
С min - I 7 7
2 | 1 - /и 1 + /
где с„
с
- максимальные и минимальные
где С =стах ; сз = mm^
с„
0
Оценка напряженно-деформированного состояния элементов по результатам тензометрии в точках С1 и С2 производилась путем сравнения в режиме реального времени эквивалентных напряжений, рассчитанных по формуле (9), с допускаемыми значениями напряжений
кС < [с],
где [ С ] - допускаемое значение напряжений;
к - коэффициент концентрации напряжений.
Для напряженного состояния в зоне врезки патрубка в колонну (материал штуцеров - сталь 09Г2С) допускаемое значение напряжений [с] = 316 МПа. Коэффициент концентрации напряжений определялся путем сравнения экспериментальных и расчетных значений по выражению
с
^ _ расч
С
экв
где С - расчетное значение максимальных эк-
^ расч г
вивалентных напряжений в зоне врезки патрубка в колонну.
Визуализация эквивалентных напряжений и деформаций патрубков представлена на видеограмме «Деформации» (см. рис. 4).
Рис. 4. Видеограмма деформаций патрубков
В этом окне показано расположение приваренных тензодатчиков для левого (1Л, 2Л, 3Л) и
нормальные напряжения ; Е - модуль упругости материала; ¡Л - коэффициент Пуассона.
Затем с помощью выражений (7) и (8) находились эквивалентные (<Гэкв) напряжения
Сэкв = С1 ~С3 , (9)
правого (1П, 2П, 3П) патрубков (1), отражены значения деформаций патрубков (%) по соответствующим направлениям (2) и напряжения (МПа) для зон С1 и С2 (3). Здесь же отображены температуры патрубков в этих зонах (4) и представлено 6 временных трендов деформаций (5) (по три тренда для каждого штуцера).
Вывод графиков зависимости деформаций от температуры для точек С1 и С2 производится путем нажатия пиктограмм (6) этих графиков. При нажатии пиктограмм графиков для температур С1 и С2 выводятся температурные тренды соответствующих точек. Временной интервал трендов составляет 1 сутки. Для просмотра трендов более длительных временных интервалов предусмотрен архив данных.
Для контроля температурных смещений трансферных трубопроводов во время запуска объекта было разработано специальное устройство, измеряющее положение реперных точек А1, А2, Б1 и Б2 (рис. 2). Отработка алгоритма нахождения проекций перемещений реперных точек при ее движении в пространстве осуществлялась с помощью специально созданного устройства (см. рис. 5).
Рис. 5. Устройство для отработки алгоритма нахождения проекций точки
Визуализация проекции реперной точки происходит на компьютере в Scada-системе Trace Mode 6 (см. рис. 6).
Определение положениТо^ъёкта^пространстве-
| Прмшэаапроорвк'в» —°
Щ Прмшим и* X | 137 в
Щ n?e«aic«a и» Кк У Ц м в
1 1
Рис. 6. Программа визуализации проекций перемещения точки
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
На экране компьютера представлены координаты реперной точки по трем осям (мм), состояние объекта (норма, отклонение неопасное, отклонение недопустимое), трех ползунков с указанием местонахождения объекта и тренда перемещений в трех координатах.
На основе комплекса ИК-1 было также создано устройство для контроля состояния внутренних поверхностей труб. Общий вид этого устройства приведен на рис. 7.
Путем математической обработки полученных данных может быть получена картина изменений размеров проходного сечения исследуемых трубопроводов и определена степень накоксован-ности внутренних поверхностей (см. рис. 9).
Рис. 7. Общий вид устройства для контроля труб
На передней части корпуса (1) смонтирована видеокамера (2), которая при движении устройства позволяет в режиме реального времени проводить контрольный осмотр состояния внутренней поверхности трубопроводов. Измерение внутреннего диаметра трубопроводов производится с помощью тензодатчиков, наклеенных на подвижные элементы (3), располагающиеся во взаимно-перпендикулярных плоскостях. При изменении проходного сечения трубы подвижные элементы отклоняются, в результате чего изменяется сопротивление датчиков, которое фиксируется комплексом ИК-1. Программа обработки сигналов, написанная в Scada-системе Trace Mode 6, осуществляет преобразование полученных сигналов в численные значения внутренних диаметров исследуемой трубы в горизонтальной (по оси x) и вертикальной (по оси у) плоскостях и их визуализацию (1) (см. рис. 8). На этом же рисунке показаны временной тренд диаметров (2) и видеозапись изображения (3) внутренней поверхности трубопровода. Все параметры по измеряемым процессам автоматически пишутся в базу данных, которые заносятся в нее с требуемой частотой (до 10 Гц).
Рис. 9. Результат обработки базы данных
Внедрение автоматизированных систем мониторинга позволяет осуществлять эксплуатацию нефтеперерабатывающего оборудования по фактическому техническому состоянию, тем самым снижая эксплуатационные затраты и обеспечивая безопасность его работы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гриб В. В Диагностика технологического состояния нефтегазохимических производств / ЦНИТИТЭ нефтехим. - М., 2002. - 268 с.
2. Барков А. В. Возможности нового поколения систем мониторинга и диагностики // Металлург. -1998. - № 11.
3. SCADA система [Электронный ресурс] : [инструмент. система]. - [М.] : AdAstrA Recearch Group, 1998-2010. - URL :
http://www.adastra.ru/products/dev/scada/ (дата обращения 29.06.2010).
4. Литюга А. М., Клиначев Н. В., Мазуров В. М. Теоретические основы построения эффективных АСУ ТП. - 2000. - 627 с.
5. Устройства удаленного и распределенного сбора данных и управления [Электронный ресурс]. - М. ; С.Птб. : Ips2U, 2010. - URL : http://www.ipc2u.ru/catalog/Q/description.htm (дата обращения 29.06.2010.
6. Уйк Г. К. Тензометрия аппаратов высокого давления. - Л., Ленингр. отд-ние : Машиностроение, 1974. - 192 с.
Рис. 8. Визуализация для устройства контроля труб
