Обследование объекта и обоснование необходимости создания АСУТП

Разработка концепции АСУТП

Установка кавитационного нагрева, переработки, модификации жидкого топлива (подогреватель мазута, дизельного топлива) на основе вихревых кавитаторов предназначена для одновременного нагрева, переработки и модификации горючих жидкостей перед сжиганием в котлах, в топках, в двигателях внутреннего сгорания.

Предварительный нагрев и переработка жидкого топлива улучшают процессы горения, обеспечивая полное сгорание, уменьшают вредные выбросы в атмосферу. В процессе модификации разрушаются на молекулярном уровне связанные образования асфальтенов, смол, парафинов и других кластерных структур. Структура горючей жидкости становится более однородной, изменяются физические свойства топлива.

Например, одной из проблем в зимний период времени является разгрузка железнодорожных цистерн с жидкими нефтепродуктами, которые имеют высокую вязкость. Опорожнение ёмкостей идёт не полностью, остаются остаточные нефтепродукты (тяжёлая фракция). Технологии нагрева содержимого цистерн острым паром, с опусканием змеевиков, очень энергоёмка. Кавитационный нагрев жидких нефтепродуктов установками типа УКНТ, более эффективен, менее энергоёмок. Идёт нагрев непосредственно самой среды, минуя систему теплопередачи от теплоносителя. Кавитационное воздействие гомогенизирует нефтепродукты, создают однородную структуру, улучшают физические свойства жидкого топлива.

Второй иллюстрацией применения может служить то, что многие мазутные горелки отопительных котлов требуют предварительного нагрева жидкого топлива. Нагретое топливо имеет меньшую вязкость, лучше распыляется в камере сгорания, происходит более полное сгорание. Улучшается энтальпия и энтропия топочного процесса. Кавитационный подогреватель топлива улучшает физические свойства жидкого топлива, среда становится значительно более однородной. После кавитационной переработки, за счёт полного сгорания мазута, выделяется больше тепловой энергии, что в конечном счёте ведёт к серьёзной экономии жидкого топлива.

Внешний установки кавитационного нагрева жидкого топлива проточного типа УКНТ-П-6,3 представлен на рисунке 1.1. Детали обвязки, которые находится под воздействием высокой температуры, теплоизолированы.

Рисунок 1.1 – Внешний вид установки кавитационного нагрева жидкого топлива проточного типа УКНТ-П-6,3

Установки кавитационного нагрева и переработки жидкого топлива (подогреватели мазута) строятся на базе масляных шестеренных насосов. По каталогу фирм-производителей масляные шестерённые насосы выпускается с расходными характеристиками: 4 м³/ч, 6,3 м³/ч, при давлении 25 кг/см². Температура эксплуатации масляных шестерённых насосов для УКНТ составляет не менее 150 ºС.

Технические параметры установки кавитационного нагрева жидкого топлива проточного типа УКНТ-П-6,3 приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Технические параметры установки кавитационного нагрева жидкого топлива проточного типа УКНТ-П-6,3

Характеристика	Значение
Тип нагреваемой жидкости	нефть, нефтепродукты
Производительность регулируемая, м3/час	0,3…1,0
Мощность теплового потока, кВт	9,0
Рабочая температура среды, ºС	+5…+70
Рабочее давление до вихревого кавитатора, не менее, кг/см2	20,0
Мощность двигателя, кВт	7,5
Напряжение электросети, В
Срок эксплуатации, лет	3…5
Вес, кг
Геометрические размеры, мм - длина - ширина - высота	821,5 1246,6

Теплопроизводительность аппаратов зависит от качества и физических свойств конкретного типа жидкого топлива. Из-за этого параметры теплопроизводительности могут колебаться в пределах ± 15%. В процессе работы установки обрабатываемая жидкость нагревается, вязкость уменьшается, до 40% уменьшается ток потребления привода насоса из сети.

Технологическая схема процесса кавитационного нагрева жидкого топлива на установке проточного типа УКНТ-П-6,3 представлена на рисунке 1.2.

Процесс протекает следующим образом. Холодное топливо (дизельное топливо, мазут и т.д.) с температурой не менее 5⁰С через запорный шаровый кран КШ1 поступает на всас масляного шестеренного насоса Н1 и затем с давлением 22…25 кг/см², контролируемым по манометру М1, и расходом около 6 м³/ч подается в вихревой кавитационный нагреватель (ВКНТ).

Рисунок 1.2 – Технологическая схема процесса кавитационного нагрева жидкого топлива на установке проточного типа УКНТ-П-6,3

В результате прохождения ВКНТ топливо разогревается до температуры, контролируемой по термометру Т1, и с давлением около 12 кг/см2, контролируемым по манометру М2, через шаровый кран КШ2 частично поступает на выход установки и отводится через шаровый кран КШ4, а часть нагретого топлива, расход которого регулируется оператором регулирующим краном КР3, подается повторно на всас насоса для обеспечения рециркуляции и обеспечения нагрева топлива до требуемой температуры, достигающей 70⁰С.

Общая производительность по нагретому топливу на установке УКНТ-П-6,3 в результате рециркуляции составляет в зависимости от температуры и вязкости нагреваемого топлива от 0,3 до 1 м³/ч.

Основным недостатком технологического процесса в настоящий момент является необходимость ручного контроля и регулирования температуры топлива на выходе установки кавитационного нагрева оператором путем изменения расхода перепускаемого на рециркуляцию нагретого топлива с помощью регулирующего крана КР3. Оператор должен периодически сверяться с показаниями термометра Т1 и соответствующим образом корректировать расход перепускаемого на рециркуляцию нагретого топлива.

Регулирование расхода, перепускаемого на рециркуляцию нагретого топлива в ручном режиме, не обеспечивает требуемой точности выдерживания температурного режима нагрева топлива в силу наличия «человеческого фактора». Это может приводить к нарушению физико-химических свойств топлива (например, деградации мазута) при перегреве. Кроме того, нагрев топлива сверх установленных регламентом значений вызывает чрезмерный расход электроэнергии на обеспечение работы кавитационного насоса (замкнутый цикл без реального выхода продукции), т.е. приводит к необоснованным экономическим затратам.

Недостаточно нагретое топливо имеет высокую вязкость, что вызывает затруднения при опорожнении цистерн и резервуаров – опорожнение емкостей идёт не полностью, остаются высоковязкие отложения; требуется повышенный расход электроэнергии на обеспечение работы перекачивающих насосов; негативно сказывается на ресурсе уплотнений; служит причиной выхода из строя оборудования и технологических трубопроводов вследствие роста давления при застывании вязкого топлива (мазута) и снижении его вязкости.

Кроме того, недостаточно нагретое топливо в силу высокой вязкости плохо распыляется в горелках, что приводит к неполному сгоранию, а значит, повышенному расходу топлива и росту количества вредных выбросов продуктов сгорания в атмосферу.

Стоит отметить, что требуемая температура нагрева топлива различных марок может отличаться исходя из его свойств, что также практически не учитывается при ручном способе регулирования температуры.

Ручное регулирование температуры нагрева топлива требует постоянного присутствия оператора на установке. Также присутствие оператора требуется и для осуществления контроля давления топлива до и после кавитационного нагревателя, поскольку именно по давлению можно осуществлять мониторинг состояния трубопроводной системы установки и диагностировать неисправности в работе насоса подачи топлива Н1 и возникшие дефекты кавитационного нагревателя ВКНТ.

То, что в настоящий момент контроль давления осуществляется оператором по манометрам М1 и М2 визуально и периодически, а не постоянно, может приводить к несвоевременному диагностированию возникновения проблем, возникновению аварий и выходу насоса, трубной системы и кавитационного нагревателя из строя, что также будет сопровождаться потерями самого топлива.

Таким образом, поскольку температура нагрева топлива на установке кавитационного нагрева УКНТ-П-6,3 в силу вышеуказанных причин является одним из важнейших технологических параметров процесса, необходимо точное ее поддержание в соответствии с регламентными значениями, определяемыми оператором.

Для решения данной задачи в данной работе предлагается разработать автоматизированную систему регулирования температуры мазута на установке кавитационного нагрева жидкого топлива проточного типа УКНТ-П-6,3.

Это позволит обеспечить точное выдерживание требуемой температуры, обеспечив тем самым сохранение свойств топлива (мазута), а также избежать перерасхода электроэнергии и сократить количество рутинных операций, выполняемых оператором установки кавитационного нагрева УКНТ-П-6,3 вручную.

Автоматический контроль давления мазута до и после кавитационного нагревателя повысит эксплуатационную надежность и безопасность установки.

Для исключения необходимости присутствия оператора на установке в данной работе предлагается организовать автоматизированное рабочее место оператора (АРМ) на базе персонального компьютера и SCADA-системы, позволяющее ему отслеживать ход технологического процесса и осуществлять управление им в режиме реального времени дистанционно.

Для выполнения указанной разработки в рамках квалификационной работы предлагается:

− заменить термометр Т1 на измерительный преобразователь температуры мазута с унифицированным выходным сигналом, установленными на выходе установки;

− заменить регулирующий кран расхода перепускаемого на рециркуляцию топлива КР3 на регулирующий клапан с электроприводом;

− заменить манометры М1 и М2, установленные до и после кавитационного нагревателя ВКНТ, на преобразователи давления с унифицированными выходными сигналами;

− организовать дистанционное задание оператором уставки по температуре топлива (мазута) в зависимости от марки нагреваемого мазута;

− организовать дистанционное управление пуском и остановом кавитационного топливного насоса Н1;

− заменить запорные шаровые краны КШ1, КШ2 и КШ4 за запорные электромагнитные клапаны и реализовать дистанционное управление ими;

− обеспечить мониторинг и автоматическое регулирование температуры топлива по ПИД-закону в соответствии с уставкой оператора путем изменения расхода топлива, перепускаемого на рециркуляцию, регулирующим клапаном с электроприводом;

− обеспечить контроль, предупредительную и аварийную сигнализацию по давлению и отклонению температуры топлива после кавитационного нагревателя;

− обеспечить мониторинг технологических параметров и управление процессом средствами системы диспетчерского управления и контроля на основе SCADA.