Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация технических процессов в химической промышленности

Подождите немного. Документ загружается.

хорной батареи GB. При замыкании выключателя SA1 включа-

ется реле К1. Его контакты К 1.1 и К1.2 подают на схему пита-

ние через выпрямитель VD; контакты К1.3 и К1.4 отключают

аварийное питание; контакт К1.5 включает лампу HL1 основно-

го питания, а контакт К1.6 выключает лампу HL2 аварийного

питания.

При срабатывании одного из сигнализирующих приборов

замкнется его контакт (PI, Р2 или РЗ) в ц.епи магнитного пус-

кателя КМ. Пускатель срабатывает (тумблер 5Л5 в рабочем со-

стоянии схемы замкнут). При этом контакт КМ.2 включает

катушку К2 электромагнитного трехходового клапана; контакт

КМ.1 блокирует замкнувшийся контакт прибора, что предотвра-

щает отключение клапана при возвращении параметра защиты

к нормальному значению.

Для отключения клапана необходимо с помощью тумблера

SA3 разомкнуть цепь магнитного пускателя КМ. При падении

напряжения основного питания реле К1 контактами К1.3 и

К1.4 подключает к схеме батарею GB, контактами К 1.1 и К1.2

отключает основное питание, контактом К1.5 выключает лампу

HL1, контактом К1.6 включает лампу HL2. Для проверки напря-

жения аварийного питания предусмотрена специальная цепь.

При воздействии на кнопочный выключатель контроля SB2 по

показанию вольтметра РV можно судить о напряжении аварий-

ного питания. Резистор R является нагрузкой для батареи во

время проверки напряжения.

В рабочем состоянии схемы выключатели SA1 и SA2долж-

ны быть включены.

На химических производствах находят применение специаль-

ные схемы аварийной сигнализации и защиты, например систе-

мы «Логика» и «АЗИС». Они предназначены для обнаружения

аварийных ситуаций, предупреждения персонала и включения

исполнительных устройств защиты.

Система «Логика» работает с датчиками-сигнализаторами,

имеющими контактный выход, и исполнительными устройства-

ми, например отсечными клапанами. Аварийный сигнал задер-

живается на входе устройства, что предотвращает срабатывание

системы при колебании контактов и кратковременных отклоне-

ниях параметров. Оповещение об аварийной ситуации произво-

дится путем выдачи командного сигнала в виде одиночного им-

пульса длительностью до 2 с или постоянного напряжения.

Система «АЗИС» (автоматической защиты и сигнализации)

предназначена для непрерывного автоматического контроля воз-

душной среды производственного помещения, обнаружения ава-

рийных ситуаций и предотвращения аварий, вызванных загазо-

ванностью помещений. В качестве датчиков применяют прибо-

ры типа СВК-ЗМ1. Число исполнительных механизмов — до 26.

Команды на управление исполнительными механизмами выда-

ются по заданному алгоритму. Система имеет устройства сигна-

лизации о выполнении команд исполнительными механизмами и

9—581

129

о неисправности датчиков и выдает рекомендации по ликвида-

ции аварий.

Устройства аварийной сигнализации УАС-20 и УАС-50. Уст-

ройство УАС-20 предназначено для приема сигналов от датчи-

ков и последующего представления их на световом табло, вмон-

тированном в устройство, в виде цифр или надписей с использо-

ванием мигающего света. Одновременно подается прерывистый

звуковой сигнал. Оператор, обратив внимание на нарушение

процесса, нажатием кнопочного выключателя переводит мигаю-

щий световой сигнал в постоянный и выключает звуковой сигна-

лизатор. Устройство имеет 20 искробезопасных входов.

Принцип действия УАС-50 аналогичен принципу действия

УАС-20, с той лишь разницей, что УАС-50 не имеет своего свето-

вого табло, а только выдает сигналы напряжением 24 В. Имеет

100 искробезопасных входов.

Устройство защиты и сигнализации УЗС-10 сигнализирует об

аварийных нарушениях в процессе и выдает команды на сраба-

тывание различных исполнительных механизмов с помощью

специального блока цромежуточных реле (БПР). Устройство

имеет 10 входных сигналов и может коммутировать цепи напря-

жением 380 В и силой до 5 А.

Система «Сигнал-250» рассчитана на 200—300 датчиков, од-

нако имеет всего 10 индикаторов. Все датчики разбиты на три

приоритетных группы (по степени опасности аварийного состоя-

ния). Когда заняты все индикаторы, то следующий пришедший

сигнал 1-й группы датчиков вытесняет сигнал 2-й или 3-й груп-

пы. При этом происходит стирание информации с цифрового

индикатора и немедленная запись поступившего более важного

сигнала. Сигналами 2-й группы датчиков вытесняются сигналы

только 3-й группы. Если все индикаторы заняты сигналами дат-

чиков 3-й группы, то поступающие сигналы от других датчиков

той же группы ждут очереди на обслуживание.

В системе «Сигнал-250» обеспечивается задержка выдачи на

блок цифровой индикации поступившего на вход сигнала с тем,

чтобы исключить сигнализацию параметров при их кратковре-

менных отклонениях от нормального значения. В момент вызова

изображения на мнемосхеме видны символы сработавших дат-

чиков и изображение участков, где произошли нарушения. Та-

ким образом, оператору представляется наиболее важная в каж-

дый момент времени информация от большого числа датчиков.

Система МЗС представляет собой комплекс унифицирован-

ных модулей защиты, сигнализации и мнемосхемы. Систему

можно включить в АСУТП с управляющей вычислительной ма-

шиной (УВМ), работающей в режиме непосредственного цифро-

вого управления. Возможно и самостоятельное использование

системы.

Система МЗС обеспечивает прием сигналов как от УВМ, так

и непосредственно от датчиков. Ее можно применять при синте-

.130

зировании очень сложных схем, обеспечивая эффективную за-

щиту химических производств от аварий.

При аварийном отклонении какого-либо параметра от нор-

мального значения система МЗС производит все заранее пред-

писанные действия по определенному для данной аварийной си-

туации алгоритму. Время аварии и ее номер фиксируются на

печатающем устройстве УВМ.

Для сигнализации о наличии или отсутствии пламени в топ-

ках термических установок, работающих на твердом, жидком

или газообразном топливе, и их защиты при погасании (потуск-

нении) факела применяют специальные устройства, например

типа сигнализаторов погасания пламени СПП. В состав СПП

входят фотодатчик и электронный блок, соединенные кабелем.

Электронный блок имеет релейный выход для включения ламп

и звонка', а также для управления отсечным клапаном. Прибор

обеспечивает сигнализацию и защиту при установке фотодатчи-

ка на расстоянии до 10 м от пламени рабочей газовой горелки

(производительностью не менее 1 м

/с). Специальная модифи-

кация прибора (СПП-ЗФ) позволяет установить фотодатчики на

расстоянии до 100 м от пламени факела.

Электрозапалы-сигнализаторы (ЭЗС) предназначены для

розжига топок, контроля наличия пламени и отсечки линии топ-

лива при погасании пламени. Действие отдельных конструкций

таких приборов (например, ЭЗС-Д) основано на явлении элек-

тропроводности пламени.

ГЛАВА 4

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

1. АВТОМАТИЗАЦИЯ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Перемещение жидкостей и газов

Типовое решение автоматизации разрабатывается одновременно

для процессов перемещения как жидкостей, так и газов, по-

скольку при скорости газа меньше скорости звука движение

жидкостей и газов характеризуется одними и теми же закона-

ми. Поэтому все приведенные в дальнейшем рассуждения, от-

носящиеся к жидкости, справедливы и для газа.

В качестве объекта управления примем трубопровод 6, по

которому транспортируется жидкость от аппарата 1 к аппара-

ту 8, и центробежный насос (компрессор) 2 с приводом от асин-

хронного двигателя 4 (рис. 4.1). Показателем эффективности

Данного процесса служит расход G перемещаемой жидкости.

10*

131

Рис. 4.1. Типовая схема автоматизации процесса перемещения жидкости:

1, 8 — технологические аппараты; 2 — насос (компрессор); 3 — подшипники; 4 — электро-

двигатель; 5 — обратный клапан; 6 — трубопровод; 7 — дроссельный орган.

Процесс перемещения в химической промышленности явля-

ется вспомогательным; его необходимо проводить таким обра-

зом, чтобы обеспечивался эффективный режим основного про-

цесса, обслуживаемого данной установкой перемещения. В связи

с этим необходимо поддерживать определенное, чаще всего по-

стоянное, значение расхода G. Это и будет целью управления.

Проведем анализ объекта для выявления возмущений, воз-

можности их ликвидации и путей внесения управляющих воз-

действий.

Массовый расход жидкости в трубопроводе определяют по

формуле

G = VFp

где V — скорость перемещения жидкости в трубопроводе; F — поперечное

сечение трубопровода; р — плотность жидкости.

Скорость V в общем случае зависит от следующих пара-

метров:

F=/(AP, ц,р)

где АР — движущая сила процесса (разность давлений в начале Р

и в кон-

це Р к трубопровода);

р.

— динамическая вязкость перемещаемой жидкости.

Движущая сила АР зависит от характеристик насоса, от дав-

ления в аппаратах, в которые и из которых перемещается

жидкость, и от общего гидравлического сопротивления трубо-

провода (суммы сопротивлений собственно трубопровода, пово-

ротов, сужений, запорной арматуры).

Насос нормального исполнения с асинхронным двигателем

в качестве привода имеет постоянные характеристики. При ис-

.132

пользовании специального оборудования с изменением характе-

ристик в объект могут быть внесены регулирующие воздействия.

Давление в аппаратах 1 и 8 определяется технологическим

режимом процессов, протекающих в них. Если режим предусмат-

ривает изменение давлений, то по данным каналам в объект уп-

равления будут поступать возмущения.

Изменение общего гидравлического сопротивления трубопро-

вода может быть обусловлено многими причинами. Его можно

стабилизировать или же целенаправленно изменять, перемещая

подвижную часть дроссельного органа (вентиля, клапана, за-

слонки), установленного на трубопроводе (дроссельное регули-

рование). Эффективность такого регулирующего воздействия

видна, например, из приведенных ниже данных для поворотной

заслонки:

а ..... i i 5 10 20 30 40 45 50 60 6

| 0,24 0,52 1,54 3,91 10,8 18,7 32,6 118 751

Как видим, малейшие изменения угла поворота заслонки а

вызывают значительные изменения ее коэффициента гидравли-

ческого сопротивления g.

Вязкость и плотность р перемещаемой жидкости определя-

ются технологическим режимом предыдущего процесса, поэтому

их изменения являются возмущающими воздействиями, ликвиди-

ровать которые при управлении данным процессом невозможно.

Анализ объекта управления показал, что большую часть воз-

мущающих воздействий не удается ликвидировать. Учитывая

это, в качестве регулируемой величины необходимо взять непо-

средственно показатель эффективности— расход G. Наиболее

простым способом регулирования при этом является изменение

положения дроссельного органа на трубопроводе нагнетания.

Устанавливать дроссельный орган на трубопроводе всасывания

не рекомендуется, так как это может привести к кавитации и

быстрому разрушению лопаток насоса.

При пуске, наладке и поддержании нормального режима про-

цесса перемещения необходимо контролировать расход G, а так-

же давление во всасывающей и нагнетательной линиях насоса;

для правильной эксплуатации установки перемещения требуется

контролировать температуру подшипников и обмоток электро-

двигателя насоса, температуру и давление смазки и охлаждаю-

щей жидкости; для подсчета технико-экономических показате-

лей процесса следует контролировать количество энергии, по-

требляемой приводом.

Сигнализации подлежит давление в линии нагнетания; по-

скольку значительное изменение его свидетельствует о серьез-

ных нарушениях процесса. Кроме того, следует сигнализировать

Давление и наличие потока в системе смазки и охлаждения,

темпепатуру подшипников и обмоток электродвигателя, масла и

воды. Сигнализируется также положение задвижек в линиях

всасывания и нагнетания.

.133

Если давление в линии нагнетания или параметры, характе-

ризующие состояние объекта, продолжают изменяться, несмотря

на принятые обслуживающим персоналом меры, то должны сра-

ботать автоматические устройства защиты. Они отключают дей-

ствующий аппарат перемещения и включают резервный (на ри-

сунке не показан).

Регулирование при различных целях управления. Часто ус-

тановка перемещения должна обеспечить стабилизацию какого-

либо параметра процесса, предшествующего процессу перемеще-

ния или следующего за ним. Например, может быть поставлена

следующая задача: изменением расхода газа поддерживать по-

стоянное давление в аппарате или же изменением расхода жид-

кости в трубопроводе стабилизировать уровень в аппарате.

Учитывая многообразие процессов химической технологии и

задач, которые ставятся при их проведении, можно сказать, что

в качестве регулируемой величины при перемещении потоков

могут служить любые параметры этих процессов: температура,

концентрация, плотность, толщина пленки, время и т. д.

Если заранее известно, что на установку перемещения будут

поступать возмущения, приводящие к изменению расхода (и, сле-

довательно, регулируемой неличины) в последующем аппарате,

следует применять многоконтурную систему регулирования. Ос-

новным регулятором в этой системе будет регулятор параметра,

постоянство которого следует обеспечить, а вспомогательным —

регулятор расхода.

Регулирование методом дросселирования потока в байпасном

трубопроводе. При использовании поршневых насосов (компрес-

соров) регулирующие органы устанавливать на нагнетательном

трубопроводе нельзя, так как изменение степени открытия тако-

го органа приводит лишь к изменению давления в нагнетатель-

ной линии; расход же практически остается постоянным. Полное

закрытие регулирующего органа может привести к такому по-

вышению давления, при котором произойдет разрыв трубопро-

вода или повреждение арматуры на нем.

В этих случаях регулирование может быть осуществлено

дроссельном органом, установленным на байпасной линии, соеди-

няющей всасывающий и нагнетательный трубопроводы. Такое

же регулирование применяют при использовании шестеренчатых

и лопастных насосов. При установке центробежных насосов

дросселирование в байпасном трубопроводе применяют редко,

так как циркуляция жидкости снижает к.п.д. насоса.

Если по какой-либо причине невозможно дросселировать по-

ток в байпасном трубопроводе поршневых машин, жидкость

дросселируют в нагнетательной линии; при этом на байпасном

трубопроводе устанавливают предохранительный клапан. При

повышении давления до критического значения клапан открыва-

ется, и часть жидкости байпасируется во всасывающую линию.

Регулирование изменением числа оборотов вала насоса.

Дроссельное регулирование имеет существенный недостаток—•

.134

низкую экономичность, так как создаваемый насосом напор ис-

пользуется не полностью, а потери на регулирующем органе при

дросселировании жидкости уменьшают к.п.д. насоса. Более эко-

номичен метод регулирования изменением числа оборотов рабо-

чего вала насоса. Как известно, плавное регулирование частоты

вращения легко осуществить при использовании электродвигате-

лей постоянного тока, но ввиду высокой стоимости они не нашли

широкого применения в качестве приводов насосов.

При использовании асинхронных электродвигателей перемен-

ного тока возможны следующие способы изменения числа оборо-

тов вала: переключение обмотки статора электродвигателя на

различное число пар полюсов, введение реостата в цепь ротора,

изменение частоты питающего тока, применение коллекторных

электродвигателей. Однако реализация любого из них требует

сложного и дорогостоящего оборудования, поэтому они также не

нашли широкого применения в промышленности.

В настоящее время наиболее эффективным методом измене-

ния числа оборотов вала насоса является использование вариа-

торов и муфт скольжения, которые позволяют изменять число

оборотов рабочего вала насоса при неизменном числе оборотов

вала электродвигателя. Кроме того, они обеспечивают быстрое

и легкое дистанционное сцепление и расщепление электродвига-

теля и насоса; сглаживание ударов от электродвигателя к насо-

су, и наоборот; возможность разгона насоса с начальным момен-

том сопротивления, превышающим пусковой момент двигателя;

ограничение передаваемого вращающего момента.

Регулирование изменением числа ходов и длины хода порш-

ня. При использовании прямодействующих паровых поршневых

насосов (компрессоров) регулирование расхода осуществляется

дросселированием пара в линии пуска его в паровой цилиндр,

что вызывает изменение числа ходов поршня.

В настоящее время находят применение поршневые насосы,

в которых расход регулируют изменением хода поршня

(рис. 4.2). Возвратно-поступательное движение тяги 5 и соответ-

ственно штока 7 в насосах такого типа зависит от положения

второго конца серьги 6. Если положение серьги таково, что про-

екция ее на горизонтальную ось насоса 8 равна длине тяги, то

возвратно-поступательное движение тяги прекращается; ход

поршня в этом случае равен нулю. Если же положение серьги

соответствует изображенному на рисунке, ход поршня будет мак-

симальным. Каждому промежуточному положению серьги соот->

ветствует определенный ход поршня. Положение серьги зависит

от положения рамки 9, которая может поворачиваться вокруг

своей оси и на которую можно воздействовать с помощью чер-

вячной передачи.

При ручном регулировании червяк приводится во вращение

от маховика, при автоматическом — необходима установка спе-

циального сервомотора. Для химических производств разработа-

ны специальные пневматические конструкции приводного уст-

.135

Рис. 4.2. Схема насоса с регулируемым ходом поршня:

/ — электродвигатель; 2 — червяк; 3 — червячное колесо; 4 — шатун; 5 —тяга; 6 — серьга;

7 — шток; S — поршневой насос; 9 — поворотная рамка.

ройства поворотной рамки. Основным узлом их является пор-

шень, положение которого в цилиндре зависит от давления ко-

мандного пневматического сигнала; шток поршня воздействует

на поворотную рамку 9.

Регулирование изменением угла наклона рабочих лопастей

или лопаток. Производительность центробежных машин можно

регулировать изменением угла наклона рабочих лопастей. Этот

метод эффективен, однако поскольку для его реализации требу-

ется использование специальных насосов ,и компрессоров с уст-

ройствами поворота лопастей, он не нашел широкого распрост-

ранения. Это же можно сказать и о регулировании изменением

угла наклона поворотных лопаток, устанавливаемых специаль-

но для этой цели перед входом в рабочее колесо центробежных

компрессоров.

Регулирование работы насосной станции. Если жидкость пе-

ремещается насосной станцией, то появляется возможность воз-

действовать на расход изменением числа работающих насосов

или же переключением насосов с параллельного соединения на

последовательное, и наоборот (при последовательном соедине-

нии складываются напоры, при параллельном — подачи).

Специальные методы регулирования поршневых компрессо-

ров. Для создания больших давлений в химической промышлен-

ности широко используют поршневые компрессоры. При их ав-

томатизации регулируемой величиной служит давление в нагне-

тательной линии, а регулирующее воздействие вносится путем

изменения производительности компрессора. Изменять произво-

дительность можно разными способами; некоторые из них были

рассмотрены выше. Для поршневых компрессоров, кроме того,

разработан ряд специальных способов регулирования. Примене-

ние их основано на том, что на стороне нагнетания у поршневых

компрессоров устанавливают ресиверы большой емкости для

сглаживания пульсаций потоков газа. Это позволяет вносить ре

.36

с. 4.3. Схема регулирования

работы двухступенчатого пор-

шневого компрессора перево-

дом его на холостой ход:

1 — первая ступень компрессора;

2 — холодильник; 3 — вторая сту-

пень компрессора: 4 — обратный

лапан; 5 — ресивер.

гулирующие воздействия периодическим отключением компрес-

сора от потребителя (при отключении потребитель получает газ

из ресивера). При этом качество регулирования давления обес-

печивается варьированием частоты отключения.

Отключение компрессора от потребителя можно производить

различными способами: переводом компрессора на холостой ход;

периодическим пуском и остановкой электродвигателя компрес-

сора; расцеплением компрессора и электродвигателя; перекры-

тием всасывающей линии; соединением полости цилиндра со

всасывающим трубопроводом на всем ходе сжатия; механиче-

ским удержанием пластин клапанов компрессора в открытом со-

стоянии на всем ходе сжатия; периодическим подключением до-

полнительного мертвого пространства к объему цилиндра комп-

рессора. Разберем способы, получившие распространение в про-

мышленности.

Простым и доступным способом внесения регулирующего воз-

действия является перевод компрессора на холостой ход, при ко-

тором в случае превышения давления над заданным газ сбра-

сывается из нагнетательной линии во всасывающую по байпас-

ному трубопроводу. Для этой цели на байпасном трубопроводе

устанавливают запорный орган с исполнительным механизмом,

получающим сигнал от позиционного регулятора. В случав

многоступенчатых компрессоров газ сбрасывается во всасываю-

щую линию как после первой, так и после остальных ступеней

(рис. 4.3). Этот метод значительно экономичнее, чем дросселиро-

вание газа в байпасном трубопроводе, так как перепускаемый

со стороны нагнетания на сторону всасывания газ сжимается

лишь настолько, чтобы преодолеть сопротивление, создаваемое

клапанами и трубопроводами компрессорной установки.

Другим способом внесения регулирующего воздействия яв-

ляется периодический пуск и останов электродвигателя компрес-

сора. Для этого необходимо перевести электродвигатель на авто-

матический режим, при котором состояние магнитного пускателя

определяется двухпозиционным регулятором давления. Правда,

резкие толчки тока при пуске влияют на работу других потреби-

телей, а также приводят к нагреванию обмоток электродвига-

теля. В связи с этим мощность электродвигателей не должна

превышать определенных значений (для асинхронных коротко-

замкнутых — 100 кВт, для асинхронных с фазным ротором^

.137

№

Рис. 4.4. Зависимость степени сжатия

газа от расхода при разных числах

оборотов рабочего колеса:

, р

— давление газа на входе в ком-

прессор и выходе из него; п\, п

— числа

оборотов рабочего колеса; G — расход газа.

250 кВт), а число включений

должно быть не больше 15 за

один час.

Для уменьшения пускового

тока в случае короткозамкну-

того электродвигателя целесо-

образно переключить обмотки

со звезды на треугольник. До-

пустимое число включений в этом случае возрастает до 30 за

один час. Еще больший эффект дает пуск электродвигателя при

холостом ходе компрессора. Полностью избежать резких толч-

ков пускового тока можно установкой регулируемых муфт

скольжения. В этом случае потребляемая электродвигателем

мощность составляет только 15% рабочей.

Специальные методы регулирования центробежных компрес-

соров. Необходимость специальных методов регулирования цент-

робежных компрессоров объясняется тем, что при сильном

уменьшении потребления газа давление в линии нагнетания воз-

растет до такого значения, при котором изменится направление

газового потока в компрессоре. Это будет происходить до тех

пор, пока давление на выходе компрессора не снизится до неко-

торого значения. Кратковременные изменения давления могут

перейти в пульсации (помпаж), способные вызвать серьезные

повреждения компрессора. Следовательно, нельзя допускать

уменьшения расхода газа до значения меньшего, чем критиче-

ское G

р (рис. 4.4). Этого можно добиться путем перепуска части

газа из линии нагнетания в линию всасывания по байпасной

магистрали. При этом расход через компрессор увеличится. Схе-

ма регулирования, реализующая этот метод, представлена на

рис. 4.5.

Предположим, что расход газа уменьшился по какой-либо

причине, например вследствие увеличения гидравлического со-

противления аппарата, потребляющего этот газ. Тогда давление

увеличится. Регулятор давления уменьшит подачу, и давле-

ние Р

уменьшится, а перепад АР = Р

—Р

увеличится. Регуля-

тор перепада увеличивает задание регулятору расхода, который

начинает увеличивать перепуск газа из линии нагнетания в ли-

нию всасывания, что, с одной стороны, приводят к уменьшению

перепада АР, а с другой — к увеличению расхода через ком-

прессор.

Простым методом регулирования работы центробежного

компрессора в предпомпажном режиме является выпуск части

сжатого газа в атмосферу. Такое регулирование позволяет под-

.138