Экономичное, надежное и безопасное функционирование сложных промышленных объектов транспортирования теплоносителей, испытывающих фазовые переходы, может быть обеспечено с помощью самых современных принципов и технических средств управления. Такая проблема возникает при производстве углекислотных огнетушителей. По существующей технологии их заправляют жидкой углекислотой с последующим ее испарением в закрытом баллоне и повышением давления до 6–7 МПа. На многих предприятиях процессы ожижения углекислоты и ее заправки в баллоны пространственно разделены, в связи с чем возникает необходимость транспортировки жидкой углекислоты по трубопроводу.
Однако при этом возможны фазовые переходы, протекающие с изменением температуры и давления. Например, переход жидкой углекислоты, транспортируемой по трубопроводу, в газообразное состояние сопровождается ростом давления. Появляющиеся при этом напряжения приводят к деформациям в трубопроводах и их разрывам. Переход жидкой углекислоты в твердое состояние при понижении давления приводит к закупорке трубопровода.
Для предотвращения фазовых переходов в процессах транспортирования жидкой углекислоты и заправки баллонов необходимо поддерживать параметры состояния – давление и температуру в диапазоне, соответствующем жидкой фазе на диаграмме состояния углекислоты, с помощью автоматизированной системы регулирования расхода.
Объектом исследования является автоматизированная система контроля состояния жидкой углекислоты в технологическом трубопроводе Первоуральского новотрубного завода. При существовавшей технологии процесс заправки баллонов жидкой углекислотой осуществлялся транспортированием баллонов из цеха их производства в цех получения углекислоты для заправки и обратно для окончательного завершения технологического цикла. Такая транспортировка требовала значительных временных затрат и снижала эффективность технологического процесса.
Для сокращения технологического цикла было предложено подавать углекислоту из цеха ожижения на участок раздачи ее потребителю по технологическому внутризаводскому трубопроводу длиной 632 метра.
С этой целью были теоретически обоснованы техническая возможность и экономическая целесообразность перекачки углекислоты в жидком виде по трубопроводу. Исходя из физических свойств углекислоты и условий теплообмена, определены основные параметры трубопровода с теплоизоляцией из пенополиуретана «Изур-3020» толщиной 50 мм и параметры автоматизированной системы, поддерживающей стабильное термодинамическое равновесие жидкой углекислоты при ее транспортировке и раздаче.
Транспортировка жидкой углекислоты по трубопроводу, проходящему по эстакаде на открытом воздухе, потребовала решить ряд вопросов, связанных со сложным поведением данного вещества при воздействии температурных условий окружающей среды.
Процесс подачи жидкой углекислоты должен проходить в определенном диапазоне давления и температуры [Алтунин В.В.]. Эти два параметра однозначно определяют агрегатное состояние вещества. Поэтому для прогнозирования поведения углекислоты в трубопроводе следует обеспечить их непрерывное измерение.
На диаграмме состояния углекислоты (рис. 1) этот диапазон представлен в виде трапеции 3456, ограничивающей область допустимых значений параметров состояния.
АСУ транспортированием углекислоты
Для поддержания параметров состояния углекислоты в заданном диапазоне разработана АСУ транспортировкой жидкой углекислоты (рис. 2).
В соответствии с технологическим процессом жидкая углекислота транспортируется по трубопроводу (8) в накопительную емкость (7). Расход регулируется исполнительным механизмом (1) и контролируется расходомером (2). На трубопроводе установлены датчики давления (4) и температуры (3), клапан аварийного сброса (5), запорный клапан (6). Сигналы от расходомера (2), датчиков давления (4) и температуры (3) поступают в устройство связи с объектом (УСО) (9), а через него – в АРМ оператора (10). УСО преобразует измеряемые параметры в унифицированные электрические сигналы, непрерывно обрабатываемые в АРМ. Компьютер контролирует принадлежность физических параметров состояния (давление и температуру) их значениям на диаграмме состояния углекислоты, соответствующим жидкой фазе. На основании значений давления и температуры, а также скорости их изменения предлагаются варианты действия оператора, который либо позволяет системе работать автоматически, либо берет управление на себя. Давление в трубопроводе поддерживается в диапазоне 6,0–7,5 МПа регулятором расхода (1), при этом температура жидкой углекислоты должна быть в диапазоне 278–303 К.
Клапан (6) предназначен для предупреждения падения давления при увеличении расхода у потребителя. Во избежание падения давления ниже заданного предела (6,0 МПа) происходит перекрытие трубопровода. При подъеме давления выше 7,5 МПа происходит аварийный сброс жидкой углекислоты открытием предохранительного клапана (5).
Анализ распределения давления и температуры по длине трубопровода показал, что давление достаточно измерять в начале трубопровода, значение температуры требуется определять в трех точках: в начале, середине и в конце магистрали.
Исходя из требований, предъявляемых к измерению давления, в качестве измерительного преобразователя выбран датчик с тензопреобразователем давления, микропроцессорной обработкой сигнала и токовым выходом. Диапазон измерения и требуемая точность позволили применить в качестве датчиков температуры медные термометры сопротивления. Сигналы с датчиков давления и температуры поступают в систему сбора информации.
Результаты измерений параметров состояния в реальном времени выводятся на экран дисплея в виде светящихся точек.
При приближении параметров состояния углекислоты к границе области их допустимых значений выдается предупредительный сигнал для оператора в виде световой (на экране дисплея) и звуковой сигнализации.
Для управления процессом разработана система, состоящая из первичных измерительных преобразователей параметров состояния углекислоты (давления, температуры, технологического параметра), расхода и блоков управления, включающих микропроцессорные модули ввода и вывода, программируемый логический контроллер, промышленный компьютер со SCADA-системой и исполнительные механизмы – отсечные клапаны.
В качестве технических средств использовались микроконтроллеры отечественного производства – программируемый контроллер Decont-182, модули ввода и вывода комплекса DECONT фирмы ДЭП (г. Москва), функционирующие в диа- пазоне температур окружающей среды от –30 до +40 °C.
Информация с датчиков термосопротивлений передается цифровой системой связи на основе локальной технологической сети SYBUS с физическим интерфейсом RS-485.
В качестве системы управления, сбора и отображения информации использована SCADA-система «InTouch» фирмы «Wonderware» (США).
Технически автоматизированная система построена по трехуровневому принципу. Нижний уровень состоит из измерительных преобразователей избыточного давления «Метран-43» с микропроцессорной обработкой сигнала и токовым выходом 4–20 мА. В качестве датчиков температуры использованы медные термометры сопротивления ТСМ 6 с характеристикой М100.
Средний уровень технических средств построен на программно-техническом комплексе DECONT. Устройством управления сбором данных и их промежуточного хранения является контроллер Decont-182, который получает измерительную информацию от модулей ввода.
Для ввода сигналов постоянного тока использован модуль аналогового ввода AIN8-i20, имеющий 8 входных каналов с индивидуальной гальванической развязкой. Каждый канал может настраиваться отдельно для измерения напряжения или тока.
Измерение сопротивления производится модулями R3IN6-100, предназначенными для подключения термометров сопротивления по трехпроводной схеме. Модуль имеет 6 каналов для подключения термосопротивлений.
Верхний уровень строится на совместимом с IBM промышленном компьютере (рис. 3).
Модуль AIN8 расположен в групповом защитном шкафу на 6 модулей, установленном в цехе, модули R3IN6 размещены в индивидуальных защитных боксах, разнесенных по трассе трубопровода.
Система измерения работает следующим образом. Контроллер через модули ввода опрашивает датчики давления и температуры и передает данные в компьютер. Компьютер осуществляет обработку полученных данных, архивирование, вывод на экран или печать в виде таблиц и графиков и вывод технологической информации на экран монитора в виде мнемосхемы.
Фрагмент трубопровода приведен на рисун- ке 4.
Автоматизированная система реализует два круга взаимосвязанных задач: 1) диагностика параметров состояния углекислоты в трубопроводе и поддержание этих параметров в заданном диапазоне для исключения фазовых переходов жидкой углекислоты в газообразное или твердое состояние; 2) технологический учет количества вырабатываемой и отпускаемой углекислоты.
Внедрение описанной в статье системы автоматического управления транспортированием, учетом и раздачей в баллоны углекислоты, поддерживаемой в жидком агрегатном состоянии, привело к повышению эффективности техноло- гического процесса, уменьшению трудозатрат, повышению точности контроля расхода углекислоты, повышению безопасности проведения технологического процесса и стабильности его протекания.
Литература
Алтунин В.В. Теплофизические свойства двуокиси углерода. М.: Изд-во стандартов, 1975. 546 с.
