Анализ мазутного терминала как объекта управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ мазутного терминала как объекта управления

А.Л. Онучин,

С.П. Сердобинцев

Аннотация

Рассмотрены технологические процессы мазутного терминала с точки зрения автоматизации. Предложены алгоритмы управления отдельными процессами и терминалом в целом.

автоматизация, мазут, терминал, разогрев, нефтепродукт, вязкость, цистерна, нефтебаза.

Введение

Технологические операции, производимые при транспортировке мазута, существенно отличаются от операций с другими видами нефтепродуктов, что обусловлено высокой температурой застывания. Для транспортировки мазута внутри терминала используется система трубопроводов. Перед перекачкой по трубопроводам мазут предварительно подогревают [1], а сами трубопроводы снабжаются дополнительной системой обогрева, обеспечивающей поддержание температуры по всей длине.

Способ управления процессом извлечением мазута [2] из железнодорожной цистерны рассмотрен в [3]. Данная статья посвящена проблемам управления мазутным терминалом как единой системой.

Основными технологическими операциями мазутного терминала (рис. 1) являются: извлечение мазута из железнодорожных цистерн, транспортировка по технологическим трубопроводам, разогрев мазута, накопление и хранение в резервуарном парке (РП), отгрузка и коммерческий учёт. мазутный терминал автоматизация

К основному технологическому оборудованию относятся: 1 - железнодорожная цистерна; 2 - насос; 3 - теплообменник; 4 - резервуар хранения; 5 - гидромонитор нижнего сливного устройства (УСН); 6 - сливной трубопровод.

Рассмотрим техническую реализацию и алгоритмы управления технологическими операциями (рис. 2 и 3).

ПОДГОТОВКА ТЕРМИНАЛА К РАБОТЕ

Работа системы начинается с предварительного заполнения технологических трубопроводов (блоки 1-3, рис. 2) подогретым мазутом из резервуарного парка (на рис. 1 показан только один резервуар 4). При первом запуске или после капитального ремонта заполнение мазутом производится из автоцистерны. Температура мазута в резервуарах поддерживается не ниже 60єC, вязкость мазута при этом не превышает .

После прохождения блока 3 алгоритма, мазут из резервуара по трубопроводам самотёком поступает в насосную станцию (на рис. 1 показан только один насос 2). Время заполнения зависит от уровня заглубления насоса H, длины l и диаметра D трубопроводов [4] и определяется по формуле (1). Время заполнения сливного трубопровода при уровне заглубления 3 м, длине технологических трубопроводов 150 м и диаметре 0,2 м составляет 138 с.

. (1)

На каждом насосе установлен ёмкостный датчик, контролирующий наличие мазута в трубопроводе и используемый для защиты насосов от сухого хода. Контроль заполнения насосов мазутом представлен блоком 4. Для поддержания давления в напорном трубопроводе применяется привод с частотным регулированием, позволяющий снизить энергозатраты на перекачку и регулировать давление на выходе насоса. По сигналу датчика давления 9 производится запуск насоса и заполнение напорного трубопровода мазутом. Сигнал от датчика давления 15 подаётся в качестве обратной связи на регулятор насоса 2. Регулятор насоса настроен на поддержание постоянного давления на выходе 1,0 МПа. Время выхода насоса на заданный режим не превышает 150 с.

Из напорного трубопровода мазут поступает в теплообменник 3 и возвращается в резервуар. Заполнение трубопроводов, теплообменника и других элементов системы контролируется по изменению уровня мазута в резервуаре радарным уровнемером 7.

По окончанию заполнения системы (блок 6) мазут циркулирует по замкнутому контуру, состоящему из насоса 2 и теплообменника 3. Включается система регулирования температуры мазута (блок 7). По показаниям датчика 12 производится изменение положения задвижки на трубопроводе термомасла 13. На выходе теплообменника поддерживается температура 90єC, при которой вязкость мазута не ниже . Окончание разогрева циркулирующего мазута контролируется в блоке 10.

ИЗВЛЕЧЕНИЕ МАЗУТА ИЗ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ЦИСТЕРНЫ.

В штатном режиме слив из железнодорожных цистерн предусмотрен при помощи УСН. Подключение УСН к железнодорожным цистернам производится вручную. По окончанию подключения оператор запускает алгоритм извлечения мазута (рис. 3), подробно рассмотренный в статье [3].

Открывается задвижка 17 и мазут поступает на гидромонитор 5. В цистерне 1 происходит разрушение застывшего мазута струёй из гидромонитора с последующим перемешиванием и плавлением отколовшихся фрагментов. Двухфазная смесь мазута поступает в сливной трубопровод 16.

Регулирование количества мазута, подаваемого на гидромонитор, производится изменением положения задвижки 17. С увеличением температуры сливаемого мазута производится увеличение угла открытия задвижки 17, при этом возрастает подача мазута в сливной патрубок. По мере увеличения расхода расплавленного мазута растет вероятность попадания в сливной трубопровод не расплавленных фрагментов. Их максимальный диаметр определяется глубиной проникновения струи гидромонитора Y в твёрдый мазут [4]. Глубина проникновения Y зависит от диаметра сопла вязкости твёрдого и плотности горячего мазута, а также перепада давления на гидромониторе (рис. 4) и определяется по формуле (2).

. (2)

Расчёты показывают, что при давлении на входе гидромонитора равном 0,7 МПа диаметр отколовшихся фрагментов не превышает 0,09 м.

Нерасплавленные фрагменты накапливаются в фильтре грубой очистки, что приводит к падению давления на входе насоса. Если не принять соответствующих мер, то в течение непродолжительного времени произойдёт закупоривание сливного трубопровода и аварийная остановка.

ПЛАВЛЕНИЕ ФРАГМЕНТОВ ЗАСТЫВШЕГО МАЗУТА В СЛИВНОМ ТРУБОПРОВОДЕ

Для предотвращения закупоривания к сливаемой двухфазной смеси производится подмешивание горячего мазута. В сливном трубопроводе 6 установлен эжектор, в который подаётся горячий мазут из теплообменника. Регулирование подачи горячего мазута производится клапаном 11 по показаниям датчика давления 9. Попадание больших нерасплавленных фрагментов мазута на фильтр приводит к падению давления на входе насоса. В качестве регулятора выбран нелинейный ПИД-регулятор, поддерживающий заданное давление на входе насоса.

При разряжении выше 0,5МПа регулятор переключается в двухпозиционный режим, происходит полное закрытие клапана 17 и открытие клапана 11. Этот режим работы сохраняется до возвращения давления в заданные пределы. Применение этого алгоритма управления позволяет предотвратить закупоривание сливного трубопровода и аварийную остановку насосов.

Линейная скорость плавления фрагментов в турбулентном патоке определяется по формуле (3) [5].

, (3)

где - коэффициент теплопередачи

(), ;

- массовый параметр переноса

();

- удельная теплоёмкость мазута, ; - плотность мазута, .

Длина сливного трубопровода и скорость течения должны быть выбраны из условия, что самые крупные фрагменты застывшего мазута расплавятся до попадания в насос. C этой целью регулируется количество горячего мазута направляемого напрямую в сливной трубопровод для плавления застывших фрагментов. При движении этих фрагментов в турбулентном потоке со скоростью 1,5 м/с их полное расплавление произойдёт через 40 с, что соответствует 60 м необходимой длины трубопровода.

Дальнейший разогрев происходит в теплообменнике 3. Разогретый мазут подаётся насосом 2 на гидромонитор 5.

ПОДАЧА МАЗУТА В РЕЗЕРВУАРНЫЙ ПАРК

Для сокращения времени разгрузки слив мазута начинается до полного разогрева цистерны. Основной трудностью при этом является определение времени начала слива и объёма сливаемого мазута. На первом этапе разогрева в донной части цистерны образуется область с расплавленным мазутом, в которой создаётся разряжение при сливе мазута. При расширении области плавления до верхней границы мазута в цистерне давление в ней повышается до атмосферного. Как следствие повышается давление на входе насоса 2, что является сигналом к началу слива. При росте давления выше 0,1МПа происходит открытие клапана 18 и часть расплавленного мазута направляется в резервуарный парк. При снижении давления ниже указанного значения производится закрытие клапана 18. Слив начинается до полного разогрева цистерны, это позволяет значительно сократить время разгрузки и уменьшить энергозатраты на разогрев.

Мазут подается в резервуар после теплообменника, это позволяет не устанавливать дополнительный теплообменник в резервуаре.

ХРАНЕНИЕ И ОТГРУЗКА

Поскольку в резервуаре перемешивания мазута не происходит, необходимо контролировать температуру в нескольких точках. Контроль температуры мазута в резервуаре осуществляется многозонной термопарой в пяти точках измерения. В случае падения температуры ниже 55єC, запускается алгоритм разогрева мазута.

Открываются задвижки 8, 20, 10, 18 и мазут из резервуара по трубопроводам самотёком поступает в насосную станцию. Включается насос 3 и мазут подаётся на теплообменник 3, где происходит разогрев. После теплообменника мазут возвращается в резервуар. Циркуляция продолжается до достижения температуры мазута в резервуаре 85єC.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИЙ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ

Для реализации алгоритма необходимо использовать двухуровневую систему управления.

На нижнем уровне использована распределённая система полевых контроллеров. Преимущество такой структуры - повышение надёжности функционирования и оперативность управления. Контроллеры нижнего уровня предназначены для сбора, первичной обработки информации, реализации алгоритмов регулирования и технологических блокировок, а также отработка аварийных алгоритмов. Все контроллеры нижнего уровня функционируют независимо, выход из строя одной из систем не влияет на работу остальных.

На верхнем уровне реализуется сбор информации с контроллеров нижнего уровня, её регистрация и анализ. В состав верхнего уровня входит сервер для хранения и обработки информации и автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера. Сервером верхнего уровня производится архивация собранных параметров для последующего анализа и оптимизации настройки регуляторов. Работа системы контролируется диспетчером при помощи АРМ и в случае необходимости настройки изменяются вручную. Отключение системы верхнего уровня не влияет на работу технологических и аварийных блокировок, что повышает надёжность функционирования системы в целом.

Заключение

Составлена логико-динамическая модель функционирования мазутного терминала. Разработан алгоритм управления мазутным терминалом, включая разгрузку цистерн и заполнение резервуарного парка, стабилизацию температурного режима хранения с учётом ограничений по подводимой тепловой мощности и устойчивости работы системы слива мазута из железнодорожной цистерны.

Выявлены закономерности, обеспечивающие устойчивую работу устройства нижнего слива из цистерны, основанные на взаимосвязанном регулировании расходов мазута на гидромонитор и плавление фрагментов мазута поступающих в сливной трубопровод.

Список литературы

1. Мошнянский А.Ф. Автоматизация и контроль режимов подогрева груза на танкерах / А.Ф. Мошнянский, В.И. Мулько.- М.: Транспорт, 1982.

2. Способ управления процессом слива высоковязких продуктов из емкости. Патент № RU 2307780 C1 от 30 июня 2006 г.

3. Онучин А.Л. Совершенствование автоматизации мазутного терминала / А.Л. Онучин, С.П. Сердобинцев // Автоматизация и современные технологии. - Машиностроение.- 2007.- №9.

4. Слёзкин Н.А. Динамика вязкой несжимаемой жидкости. Государственное издательство технико-теоретической литература / Н.А. Слёзкин.- М., 1955.

5. Душин. Ю.А. Работа теплозащищенных материалов в горячих газовых потоках / Ю.А. Душин.- М.: Изд-во "Химия", 1968.

Размещено на Allbest.ru