Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ » Кафедра «Автоматизация и управление технологическими процессами» ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НЕФТЕГАЗОВОГО ПРОИЗВОДСТВА для студентов по направлению 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», 21.03.01 «Нефтегазовое дело» Учебное пособие Самара 2020 1 Составители: ассистент Жалилова А.А. УДК 691.2.052 Рассмотрены общие термины и определения промышленной автоматизации, основные элементы системы управления, датчики (ПИП), исполнительные механизмы и устройства, характеристики и устройства ПИП уровня, давления, температуры, расхода. Учебное пособие предназначено для студентов по направлению 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», 21.03.01 «Нефтегазовое дело», а также может быть использована для студентов по направлению 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств». 2 СОДЕРЖАНИЕ 1 ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕНИЯ И ПОНЯТИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ............................................ 4 1.1 Общие термины и определения промышленной автоматизации. Структурные схемы систем управления......... 4 1.2 Цели и задачи промышленной автоматизации ...................................................................................................... 8 1.2.1 Особенности процесса управления промышленным объектом ......................................................................... 8 1.2.2 Задачи и архитектура систем управления промышленными объектами ..........................................................12 2 ЭЛЕМЕНТЫ И СИСТЕМЫ АВТОМАТИКИ .......................................................................................................17 Основные элементы систем управления........................................................................................................17 2.1 2.1.1 Измерение температуры ............................................................................................................................17 2.1.1.1 Общие сведения об измерении температуры .............................................................................................17 2.1.1.2 Термометры расширения ............................................................................................................................18 2.1.1.3 Манометрические термометры ..................................................................................................................19 2.1.1.4 Термометры сопротивления ........................................................................................................................21 2.1.1.5 Термоэлектрические термометры ...............................................................................................................26 2.1.2 2.1.2.1 Измерение давления ..................................................................................................................................27 Общие сведения об измерении давления ..............................................................................................27 2.1.2.2 Тензорезисторные преобразователи давления...........................................................................................30 2.1.2.3 Пьезоэлектрические преобразователи давления........................................................................................32 2.1.2.4 Емкостные преобразователи давления.......................................................................................................33 2.1.2.5 Резонансные преобразователи давления ....................................................................................................34 2.1.3 Измерение расхода ....................................................................................................................................35 2.1.3.1 Общие сведения об измерении расхода ................................................................................................35 2.1.3.2 Объемные счетчики..................................................................................................................................37 2.1.3.3 Расходомеры переменного перепада давления.........................................................................................38 2.1.3.4 Турбинные расходомеры..........................................................................................................................40 2.1.3.5 Ультразвуковые расходомеры .................................................................................................................41 2.1.3.6 Электромагнитные расходомеры .............................................................................................................42 2.1.3.7 Вихревые расходомеры ............................................................................................................................43 2.1.3.8 Кориолисовы расходомеры ......................................................................................................................44 2.1.4 2.1.4.1 Измерение уровня .....................................................................................................................................47 Общие сведения об измерении уровня. Переносные уровнемеры .......................................................47 2.1.4.2 Визуальные уровнемеры ...........................................................................................................................51 2.1.4.3 Поплавковые и буйковые уровнемеры ......................................................................................................53 2.1.4.4 Гидростатические уровнемеры..................................................................................................................58 2.1.4.5 Емкостные уровнемеры .............................................................................................................................62 2.1.4.6 Акустические (ультразвуковые) уровнемеры ...........................................................................................65 2.1.4.7 Радарные и радарные волноводные уровнемеры ......................................................................................68 2.1.5 Исполнительные устройства, регуляторы прямого действия .......................................................................74 2.1.5.1 Регулирующие органы...........................................................................................................................76 2.1.5.2 Исполнительные механизмы.......................................................................................................................83 3 РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ.......................................89 3.1 Принцип построения функциональных схем автоматизации .............................................................................89 3.2 Условные графические изображения средств автоматизации...........................................................................90 3.3 Совмещенный способ построения функциональных схем..................................................................................94 3.4 Функциональная схема автоматизации, выполненная развернутым способом ..................................................96 3 1 ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕНИЯ И ПОНЯТИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ 1.1 Общие термины и определения промышленной автоматизации. Структурные схемы систем управления. Автоматизацией производственного процесса (АПП) называют такую организацию этого процесса, при которой его технологические операции осуществляются автоматически с помощью специальных технических устройств без непосредственного участия человека. АПП предполагает производственным контроль, процессом, а регулирование также сигнализацию и управление отклонений от номинальных режимов, блокировку и защиту процесса от аварийных режимов. Контроль – это установление соответствия между состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные формы его состояния. В системах автоматического контроля (САК) объект контроля находится под воздействием ряда влияющих факторов, которые вызывают отклонение выходной величины от заданного значения. Оператор постоянно контролирует состояние объекта, получая информацию о нем с помощью некоторого набора технических средств, и при необходимости осуществляет управление им в ручном режиме (рис. 1.1). Рисунок 1.1 – Структурная схема системы автоматического контроля Например, для поддержания постоянного уровня в емкости оператор постоянно 4 контролирует его уровнемером Ду и поддерживает его значение на некотором постоянном уровне Н, изменяя с помощью регулирующего органа РО приток в емкость Qп (рис. 1.2) ОК – объект контроля (емкость); Qп – расход притока; Qо – расход отбора; H – уровень жидкости; Ду – датчик уровня; ВП – вторичный прибор; РО – регулирующий орган (задвижка) Рисунок 1.2 – Пример системы автоматического контроля Регулирование – это поддержание постоянным значения некоторой заданной величины, характеризующей процесс, или изменение его по заданному закону, осуществляемое с помощью изменения состояния объекта или действующих на него возмущений и воздействия на регулирующий орган объекта. В системах автоматического регулирования (САР) этот процесс происходит автоматически с помощью специального устройства, которое называется автоматическим регулятором. Он постоянно сравнивает текущее значение регулируемой величины с заданным (уставкой) и при наличии рассогласования вырабатывает регулирующее воздействие. Человек в эту систему непосредственно вмешаться не может, возможно только косвенное участие – посредством изменения уставки (рис. 1.3). 5 ОР – объект регулирования; ВВ – возмущающие воздействия; Д – датчик; КС – канал связи; ВП – вторичный прибор; О – оператор; АР – автоматический регулятор; ИУ – исполнительное устройство Рисунок 1.3 – Структурная схема системы автоматического регулирования Вернемся к нашему примеру с емкостью, уровень в которой должен поддерживаться постоянным. В случае САР воздействие на РО будет происходить автоматически, как только регулятор Р установит несоответствие между заданным значением уровня Нз и текущим Н (рис. 1.4). ОР – объект регулирования (емкость); Qп – расход притока; Qо – расход отбора; H – уровень жидкости; Ду – датчик уровня; АР – автоматический регулятор; ВП – вторичный прибор; РО – регулирующий орган (клапан) Рисунок 1.4 – Пример системы автоматического регулирования Управление – это осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в 6 соответствии с целью управления. Структурная схема системы автоматического управления (САУ) показана на рис. 1.5. ОУ – объект управления; ВВ – возмущающие воздействия; Д1,…,Дn – датчики; МПК – микропроцессорный контроллер; ИУ1,…,ИУm – исполнительные устройства Рисунок 1.5 – Структурная схема системы автоматического управления Микропроцессорный контроллер осуществляет автоматическое управление, анализируя всю доступную информацию об объекте и выбирая из множества возможных регулирующих воздействий то, которое соответствует запрограммированному в него критерию управления. Сигнализация – это какое-либо извещение обслуживающего персонала (звуковое, световое) о состоянии технологического объекта, т.е. о достижении определенных значений контролируемых параметров (чаще всего максимальных или минимальных). Например, для сигнализации наличия и уровня жидкости в емкости используются две сигнальные лампочки. Если жидкость в емкости отсутствует, горят две сигнальные лампочки. При наливе, когда жидкость достигает нижнего предельного уровня, погасает первая сигнальная лампочка, а при наполнении до верхнего уровня, - вторая. Аварийная защита – система защиты контролируемого процесса от нежелательного развития событий, которое может привести к аварии Например, на резервуарах обязательно устанавливаются сигнализаторы уровня, настроенные на один или два предельные значения уровня: только верхний аварийный или верхний предупредительный и верхний аварийный. 7 При срабатывании сигнализатора автоматически закрывается приемная задвижка и поступление жидкости в резервуар прекращается. Блокировка – предотвращение технологически недопустимых действий оперативного персонала, обеспечение заданной последовательности отключения основного и вспомогательного технологического оборудования, технологической взаимозависимости отдельных механизмов и аппаратов. Например, пуск насоса разрешен только при работающей маслосистеме, подающей масло к подшипникам насосного агрегата. Поэтому, если маслосистема не включилась, происходит блокировка пусковой кнопки. Блокировка необходима также для реализации принципа Fool Proof («защита от дурака»), позволяющего избежать опасных последствий от неправильных действий персонала. Например, в емкости происходит смешивание двух жидкостей – воды и кислоты. Подача жидкостей в емкость по соображениям безопасности должна производиться в определенной последовательности: вначале емкость заполняется водой, затем к ней добавляется кислота, т.е. вначале открывается кран А и через некоторый промежуток времени кран Б. Если же оператор по ошибке начнет открывать кран Б, то сработает блокировка этого крана (рис. 1.6). Рисунок 1.6 – Пример блокировки 1.2 Цели и задачи промышленной автоматизации 1.2.1 Особенности процесса управления промышленным объектом 8 Как известно, любая система управления состоит из двух взаимосвязанных подсистем: управляемой и управляющей. Управляющая система является субъектом управления, то есть источником активности, направленной на управляемую систему – объект управления. В управляющую систему поступает измерительная и иная осведомительная информация о состоянии и поведении объекта управления. Управляющая система обрабатывает эту информацию, сравнивает действительное состояние и поведение объекта с желаемым, вырабатывает решения по устранению выявленных отклонений и выдаёт соответствующие управляющие воздействия на объект управления. Одним из важнейших условий осуществимости управления в различных сферах человеческой деятельности является соблюдение Закона необходимого разнообразия (ЗНР), сформулированного У.Р. Эшби: для того чтобы управление было возможным, необходимо, чтобы на каждое состояние объекта управления субъект управления мог бы ответить, по крайней мере, одним собственным состоянием. Разнообразие по Эшби – это мера сложности той или иной системы, или число возможных состояний, в которых она может находиться. ЗНР можно сформулировать иначе: управляющая система не должна быть проще объекта управления. Математически ЗНР выражается простым соотношением: Rо ≤ Rу, где Rо – разнообразие объекта управления; Rу – разнообразие управляющей системы. Соотношение Rо>Rу недопустимо, поскольку в этом случае объект управления может в некоторые, часто неопределенные и непредсказуемые моменты времени стать неуправляемым, то есть объект управления может под воздействием внешних влияний принять такое состояние, на которое у субъекта управления не окажется подходящей реакции, подходящего управляющего воздействия. Примером может служить ситуация, когда управляемый технологический или технический объект (атомная электростанция, химический реактор, сверхзвуковой самолет, космический корабль, буровая установка, 9 магистральный трубопровод) перейдет в непредусмотренное аварийное состояние, на которое ни оператор, ни система противоаварийной защиты не смогут своевременно и адекватно отреагировать. Такие ситуации могут возникнуть вследствие сбоев и отказов оборудования или неправильных действий обслуживающего персонала. Например, на трубопроводном транспорте нефти возможны отказы запорной арматуры, появление трещин в трубе, приводящие к розливу нефти. Кроме того, непредсказуемость и неопределенность состояний объекта управления могут быть обусловлены неполнотой наших знаний об объекте управления. В ходе развития промышленного производства происходит усложнение объектов управления, то есть повышение показателя их сложности Rо, которое проявляется: – в использовании в производстве новых более сложных технологий; – в расширении производства (экстенсификации), то есть в увеличении числа объектов управления; – в росте мощности оборудования производства (интенсификации); – в использовании форсированных режимов в процессах: высоких температур, давлений, скоростей потоков и реакций; – в близости режима нормального (оптимального) ведения ряда процессов к критическим, потенциально опасным областям. Поскольку в процессе повышается, что приводит развития к сложность нарушению выполнение ЗНР можно только ЗНР объектов (Rо>Rу), управления повлиять на путём усложнения, совершенствования управляющей системы. Иначе говоря, усложнение объектов управления, их интенсивное и экстенсивное развитие требует по ЗНР более сложных систем управления, процедур принятия управленческих решений, алгоритмов формирования управляющих воздействий. Таким образом, в течение всего жизненного цикла промышленного предприятия необходимо постоянное совершенствование процессов управления. Из ЗНР вытекает также следующий важный вывод: управление – это самый сложный вид человеческой деятельности. Если это будет не так, то все 10 усилия по управлению объектами: государством, отраслями, предприятиями, производствами, процессами – будут напрасными. В настоящее время совершенствование (усложнение) процессов управления может быть достигнуто с помощью двух инструментов: – применением математических и экономико-математических методов, которые образуют математическое, алгоритмическое и программное обеспечение системы управления; – применением средств вычислительной техники и информационных технологий технического обеспечения системы управления. В любой системе управления состав и характеристики управляющей системы определяются задачами и характеристиками объекта управления. В сфере промышленного производства целесообразно выделить четыре уровня объектов управления, образующих иерархию: – предприятие производства, – первичное звено характеризующееся в системе общественного производственно-техническим, организационным, экономическим и социальным единством; – производство – цех, установка, участок предприятия, осуществляющее выпуск основной и/или вспомогательной продукции предприятия; – процесс (технологический процесс) – последовательность действий (операций), приводящих к преобразованию энергии, к превращению исходных веществ, материалов, деталей, заготовок в готовый продукт или полупродукт; – операция (технологическая операция) – часть технологического процесса, характеризующаяся единством физических, химических, физикохимических или иных изменений, происходящих в объекте управления. Примерами предприятий нефтегазодобывающее как объектов управления являются: управление; нефтеперерабатывающий завод; завод медицинских препаратов; электростанция. Примерами производств крупных предприятий являются: производство топлив и масел; производство фенола производство; производство автомобилей; хлебопекарное производство; и ацетона; сталеплавильное производство производство электроэнергии. 11 лекарств; Примеры процессов весьма многочисленны: бурение скважин, добыча, транспортировка и хранение нефти и газа, электрообессоливание нефти, первичная перегонка нефти, каталитический крекинг, каталитический риформинг, металлообработка, мартеновский процесс, выпекание хлеба и многие другие. К технологическим операциям можно отнести, в частности, перемещение, дозирование, смешение, фильтрование, сжатие, нагревание, охлаждение, нагнетание, ректификацию, абсорбцию и т.д. Объектами управления предприятия: могут быть водоснабжения, вспомогательные теплоснабжения, системы вентиляции, кондиционирования, очистки и другие. 1.2.2 Задачи и архитектура систем управления промышленными объектами Производства и процессы можно разделить на четыре класса: – непрерывные – характеризуются непрерывной подачей материалов, непрерывным технологическим процессом и непрерывным выпуском готовой продукции (примеры: производство электроэнергии, трубопроводный транспорт нефти и газа, многие процессы нефтепереработки); – полунепрерывные (периодические) – характеризуются периодической загрузкой сырья, непрерывным технологическим процессом и периодической выгрузкой готовой продукции (примеры: выплавка чугуна доменным способом, получение кокса методом замедленного коксования, выращивание урожая, решение задач на ЭВМ); – смешанные (непрерывно-дискретные) – характеризуются получением штучной продукции из материалов (примеры: изготовление труб для магистральных трубопроводов, металлообработка, производство интегральных схем, конфет, лекарств); – дискретные – характеризуются получением штучной продукции из штучных компонентов, деталей, полуфабрикатов (примеры: процессы сборки, сварки, упаковки, в частности, строительство магистральных трубопроводов). Непрерывные процессы обеспечивают 12 более высокую производительность; более высокое качество, меньший разброс параметров; большее удобство для автоматизации за счёт стабильности режима. Некоторые процессы могут быть переведены из класса, скажем, периодических в класс непрерывных, например: непрерывная разливка стали; непрерывное изготовление труб; непрерывная транспортировка нефти и газа. В то же время непрерывные процессы практически не допускают изменение технологии или допускают изменение технологии в очень узких пределах. А смешанные и дискретные процессы могут быть быстро перенастроены на выпуск иной продукции, конечно только в рамках класса продукции (металлические детали, хлебобулочные изделия и т.д.). Непрерывные процессы могут быть представлены как периодические: каталитические процессы с длительным периодом нормальной (непрерывной) – работы и периодической регенерацией катализатора; – все процессы, которые периодически останавливаются на текущий или капитальный ремонт с последующим пуском. Между классами процессов и задачами управления ими существуют связи. Сущность задач управления заключается в следующем: – контроль параметров – определение текущих значений технических и технологических параметров, характеризующих процесс: температуры, давления, уровня, расхода, концентрации веществ, свойств веществ и пр.; – стабилизация параметров – поддержание технических и технологических параметров на заданном уровне; – статическая оптимизация – определение наилучших в определённом смысле условий ведения процесса в установившихся состояниях, например, в виде оптимальных заданий регуляторам; – программно-логическое управление – управление объектом по определённой программе, устанавливающей порядок и логику выполнения действий, операций, например, управление пуском процесса, то есть переводом его их холодного состояния в рабочее; – динамическая оптимизация – определение наилучшей траектории движения объекта управления, перевода его из одного состояния в другое в 13 соответствии с некоторым критерием оптимальности, например, с максимальным быстродействием или с минимальными потерями; – контроль координат – определение координат и ориентации заготовок, деталей в пространстве, например, в сборочном процессе; – составление последовательного оборудования расписания запуска так, чтобы календарное – деталей в обработку минимизировать на общую планирование технологическом продолжительность операций; – синхронизация поступления потоков компонентов на – согласование сборочный узел по скорости в условиях потоков случайных возмущений, связанных с отбраковкой компонентов на операциях контроля качества; – манипулирование – перемещение и ориентирование деталей в пространстве перед обработкой или сборкой; – распознавание образов – выбор деталей, инструментов нужной конфигурации из общей массы; – сетевое планирование – планирование многоэтапных параллельных работ, например, при строительстве магистральных трубопроводов; – массовое обслуживание – согласование потоков заготовок на обработку и процессов обработки. На основании приведённой далеко не полной классификации предприятий, производств и процессов по ряду признаков можно сделать вывод, что система управления тем или иным объектом управления зависит от множества факторов: целей, задач и стратегии выпускаемой продукции, особенностей управления, характера производственных процессов, организации отдельных сторон производства и т.д. Для организации и осуществления управления промышленными предприятиями, производствами и процессами и предназначены автоматизированные системы управления: Автоматизированная система управления (АСУ) – совокупность математических методов, технических и программных средств, организационных комплексов, а также управленческого и обслуживающего 14 персонала, которые совместно осуществляют рациональное управление объектом управления в соответствии с поставленной целью. Современная концепция автоматизации производства (предприятия) окончательно сформировалась в последнем десятилетии ХХ века. Эта концепция выделяет несколько слоев в системе управления предприятием (рис. 1.8): – технологический слой, которым является собственно технологический объект управления (ТОУ); – слой датчиков и исполнительных устройств, установленных (смонтированных) на оборудовании ТОУ; – слой устройств связи с ТОУ, обеспечивающий преобразование информации от разнообразных датчиков и других средств получения данных в цифровую форму и преобразование из цифровой формы управляющих воздействий системы управления на разнообразные исполнительные устройства; – слой прямого цифрового управления, в который входят микропроцессорные контроллеры, программируемые логические контроллеры, промышленные компьютеры; – слой супервизорного управления и обработки данных (SCADA), обеспечивающий взаимодействие человека-оператора с системой; – слой исполнения производства (Manufacturing Execution Systems – MES), необходимый для организации взаимодействия уровня управления технологическими процессами производства и уровня управления предприятием; – слой управления предприятием, для которого характерны задачи автоматизации документооборота, бухгалтерского учета, управления кадрами, финансами, снабжением, сбытом и т.д. Нижние слои системы, принято объединять наименованием АСУТП. Верхний слой представляет собой АСУП. За рубежом этому уровню соответствуют в некоторой степени системы ERP (Enterprise Resource Planning). 15 АСУП – автоматизированная система управления предприятием; АСУОТ – организационнотехнологическая автоматизированная система управления; АТК – автоматизированный технологический комплекс; АСУ ТП – автоматизированная система управления технологическим процессом. 16 2 ЭЛЕМЕНТЫ И СИСТЕМЫ АВТОМАТИКИ 2.1 Основные элементы систем управления 2.1.1 Измерение температуры 2.1.1.1 Общие сведения об измерении температуры Измерение температуры составляет примерно половину от всех технических измерений, проводимых в промышленности. В нефтегазовой отрасли на всех объектах добычи, транспорта, хранения и распределения нефти и газа измеряется температура как самих технологических сред, так и используемого оборудования. Температурой называют величину, характеризующую степень нагретости вещества. Это понятие связано со способностью тела с более высокой температурой передавать свое тепло телу с более низкой температурой. Переход тепла продолжается до тех пор, пока температуры тел не сравняются и не наступит термодинамическое равновесие системы. Одновременно с переходом тепла и изменением температуры тел меняются их физические свойства. Единица измерения температуры носит название «градус». Температура не может быть измерена непосредственно, ее измерение возможно только косвенным термометрических путем свойств, по которые изменению связаны так с называемых температурой определенными закономерностями. В качестве таких свойств используются, например, расширение жидких и твердых тел при нагревании, изменение электрического сопротивления металлов и проводников и т.п. Термометрическое свойство должно хорошо воспроизводиться и существенно изменяться при изменении температуры. СИ температуры могут быть контактными и бесконтактными. Отличительной особенностью контактных термометров является необходимость теплового контакта между датчиком термометра и средой, температура которой измеряется. Контактные СИ по принципу измерения делятся на: 17 − термометры расширения; − манометрические термометры; − термометры сопротивления; − термоэлектрические термометры (термопары). Бесконтактные термометры – это такие, для измерения которыми нет необходимости в тепловом контакте среды и прибора, а достаточно измерений интегрального теплового или оптического излучения нагретого тела. Бесконтактные термометры делятся: − на пирометры излучения; − радиометры; − тепловизоры. 2.1.1.2 Термометры расширения В основе термометров расширения лежит принцип теплового расширения жидкости (жидкостные) или твердого тела (дилатометрические и биметаллические). Жидкостные стеклянные термометры (рис. 3.2) получили большое распространение благодаря простоте отсчета температуры, широкому температурному интервалу и достаточной точности измерения. Рисунок 2.2 – Внешний вид жидкостных стеклянных термометров Они заполняются жидкостью (ртуть, толуол, этиловый спирт и др.), которая с увеличением температуры расширяется и поднимается вверх по капилляру. Таким образом, температура, измеряемая жидкостным термометром, преобразуется в линейное перемещение жидкости. Принцип действия биметаллических 18 термометров основан на различном изменении линейных размеров двух разнородных твердых тел при изменении температуры. Это изменение линейных размеров происходит по закону lt = l 0 (1 + αt) , где lt и l0 – длины твердого тела при температуре t и при температуре 0 0С; α – температурный коэффициент линейного расширения. Чувствительный элемент представляет собой две спаянные по всей плоскости разнородные пластины, имеющие существенно различные значения коэффициента линейного удлинения α, например, латунь и инвар (рис. 3.3). При нагреве эта пластина будет изгибаться в сторону материала, имеющего меньшее значение коэффициента α. Рисунок 2.3 – Биметаллическая пластина Эта пластина в термометрах обычно имеет вид пружины, один конец закреплен, а другой свободно перемещается. На свободном конце пружины крепится стрелка. 2.1.1.3 Принцип Манометрические термометры действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего (термометрического) вещества в замкнутом объеме (термосистеме) от температуры. Термосистема манометрического термометра (МТ) состоит из термобаллона 1, капилляра 2 и пружинного манометра 3 (рис. 3.5). Чувствительный элемент термометра (термобаллон) погружается в объект измерения, и термометрическое вещество в термобаллоне 19 достигает температуры измеряемой среды. При изменении температуры рабочего вещества в термобаллоне изменяется давление, которое через капиллярную трубку передается на пружинный манометр, шкала которого отградуирована в градусах Цельсия. 3 2 1 Рисунок 2.4 – Схема манометрического термометра В соответствии с агрегатным термосистеме манометрические жидкостные и состоянием термометры конденсационные рабочего подразделяют (парожидкостные). По вещества на в газовые, устройству термометры всех типов аналогичны. Газовые манометрические термометры заполняются азотом или гелием. Газ является сжимаемой средой, изменение давления в нем подчиняется закону Гей-Люссака, поэтому шкала равномерная: , где Pt и P0 – давление газа при температурах t и 0 °С; βг – температурный коэффициент давления газа, равный 1/273,15 или 0,00366 К-1. Жидкостные манометрические термометры заполняются ртутью, органическими (толуол, ксилол и др.) и силиконовыми жидкостями под некоторым начальным давлением, чтобы жидкость не закипела. Диапазон измерения температур для жидкостных термометров составляет от – 150 до 600 °С в зависимости от рабочего вещества. Благодаря большой теплопроводности жидкости такие термометры менее 20 инерционны по сравнению с газовыми. Шкалы жидкостных термометров определяются свойствами манометрической пружины, т.к. жидкость несжимаема. Для этих термометров характерна гидростатическая погрешность, возникающая в том случае, когда манометр и термобаллон оказываются расположены на разной высоте. Эта погрешность устраняется после монтажа прибора смещением стрелки манометра. В конденсационных (парожидкостных) манометрических термометрах термобаллон заполняется на 2/3 объема низкокипящей жидкостью, например, ацетоном, бензолом и др. В замкнутой системе термометра всегда существует динамическое равновесие одновременно протекающих процессов испарения и конденсации. При повышении температуры усиливается испарение жидкости, а при понижении – ее конденсация (рис. 3.6). При этом увеличивается или уменьшается упругость пара, в результате чего насыщенный пар достигает некоторого определенного давления, строго отвечающего измеряемой температуре. Термобаллон термометра заполняют с таким расчетом, чтобы при наиболее низкой температуре в нем осталось некоторое количество пара, а при наиболее высокой — некоторое количество неиспарившейся жидкости, причем капилляр должен оставаться погруженным в жидкость во всем диапазоне измерения. Рисунок 2.5– Термобаллон конденсационных манометрических термометров 2.1.1.4 Термометры сопротивления 21 Принцип действия терморезисторов основан термометров на свойстве сопротивления металлов и (ТС), или полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Основная характеристика ТС – температурный коэффициент сопротивления (ТКС), представляющий собой относительное изменение сопротивления при изменении температуры на один градус. где Rt – сопротивление при температуре t, R0– сопротивление при температуре t0 = 0°C. Металлы имеют положительный ТКС, а полупроводники, как правило, отрицательный. ТКС полупроводников по модулю на порядок выше, чем у металлов. Металлические ТС выполняются преимущественно из меди или из платины. Медь – один из недорогостоящих металлов, легко получаемых в чистом виде. Медный ТС (ТСМ) имеет линейную зависимость сопротивления от температуры (рис. 3.8): Диапазон рабочих температур – от минус 200 до плюс 200 0С, так как при температурах более 200 °C медь активно окисляется и поэтому не используется. Рисунок 2.6 – Статические характеристики проводниковых термометров сопротивления 22 Проводниковые терморезисторы выполняются как проволочными, так и тонкопленочными (рис. 2.7). ТС из витой проволоки изготавливаются либо путем навивания резистивной проволоки на керамический сердечник, либо путем помещения спирально витой проволоки в керамическую оболочку. При изготовлении тонкопленочного ТС тонкое резистивное покрытие осаждается на плоскую керамическую подложку (обычно прямоугольной формы). Как правило, тонкопленочные ТС являются менее дорогими по сравнению с проволочными, поскольку для их изготовления требуется меньшее количество различных материалов. Рисунок 2.7 – Конструкции проводниковых термометров сопротивления Медные ТС выполняются проволочными (рис. 2.8). В корпусе 1 расположена тонкая проволока 2 из меди, которая наматывается на каркас 3 из керамики, стекла или пластмассы и является чувствительным элементом ТС. Эта проволока припаивается к выводам, которые через изоляционные трубки 4 подводятся к разъему 5 в соединительной головке 6. ТС устанавливается на объекте измерения с помощью штуцера 7. 23 Рисунок 2.8 – Внешний вид и конструкция ТСМ Платиновые терморезисторы выполняются как проволочными, так и тонкопленочными. Полупроводниковые ТС называются термисторами. Они изготавливаются из окислов и нитридов металлов, спекаемых при высокой температуре (так называемая порошковая металлургия). Термисторы также имеют нелинейную зависимость сопротивления от температуры: Характерной особенностью термисторов является резкое уменьшение электрического сопротивления при повышении температуры (рис. 2.9), т.е. они имеют отрицательный ТКС (так называемые NTC-термисторы, от слов «Negative Temperature Coefficient»). положительным ТКС Существуют (PTC-термисторы, от слов также термисторы «Positive с Temperature Coefficient», или позисторы), но они используются гораздо реже. Область их применения – только в очень узких диапазонах температур, в несколько градусов, в основном в системах сигнализации и контроля. 24 70 60 50 40 30 20 10 ‐40 ‐20 20 40 60 Рисунок 2.9 – Статическая характеристика термистора Конструктивно термисторы конструкции дисковой, шариковой представляют и собой других форм с миниатюрные металлическими выводами (рис. 2.10). Диаметр бусинкового термистора составляет от 0,1 до 1 мм; диаметр диска от 1 мм до нескольких сантиметров, толщина 0,02—1 мм. Выпускаются бусинковые термисторы диаметром до 0,07 мм с выводами толщиной 0,01 мм. Такие миниатюрные датчики позволяют измерять температуру внутри кровеносных сосудов или растительных клеток. Для защиты от влаги их покрывают слоем лака или стекла. Рисунок 2.10 – Внешний вид термисторов Основными достоинствами термисторов являются высокая чувствительность и малые габариты, а также малая инерционность. Благодаря большому сопротивлению отсутствует влияние сопротивления проводов при дистанционных измерениях. Одним из самых существенных недостатков термисторов, особенно 25 «бусинковых», является значительный разброс параметров. Это означает, что они не взаимозаменяемы и требуют индивидуальной градуировки. По сравнению с проводниковыми терморезисторами термисторы имеют меньший температурный диапазон (со стороны высоких температур). 2.1.1.5 Термоэлектрические термометры Измерение температуры термоэлектрическим термометром, или как обычно говорят, термопарой, основано на использовании термоэлектрического эффекта. Явление термоэлектричества было открыто в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Оно состоит в следующем: в замкнутой цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения (спая) проводников имеют различную температуру. Таким образом, термопары представляют собой цепь, состоящую обычно из двух соединенных между собой разнородных проводников А и В, которые называются термоэлектродами (рис. 2.11). Места соединений термоэлектродов 1 и 2 называют спаями, или концами. Конец, помещаемый в точку измерения температуры, называется рабочим, или горячим. Второй конец, температура которого предполагается постоянной, называется свободным, или холодным концом. Рисунок 2.11 – Схема термоэктрического преобразователя Если температуры спаев t и t0 не равны, то в замкнутой цепи будет протекать электрический ток, называемый термотоком. Его направление 26 зависит от соотношения температур спаев, т. е. если t > t0, то ток протекает в одном направлении, а при t < t0 – в другом. При размыкании такой цепи на ее концах (рис. 3.14) может быть измерена так называемая термоэлектродвижущая сила (термоЭДС) EAB(tt0) = eAB(t) – eBА(t0), где eAB(t) и eВА(t0) – потенциалы, возникающие в местах контакта проводников. Возникающая термоЭДС пропорциональна разности температур между рабочим и свободным концами. Ее значение зависит только от материала термоэлектродов и температуры спаев и не зависит от длины термоэлектродов, распределения температуры вдоль них и размера спаев. Термопара обладает еще одним важным свойством: в любое место термоэлектрической цепи может быть включен третий проводник, если температура его концов одинакова. Поэтому включение в цепь термопары соединительных проводов и измерительных приборов на ее работу не влияет. 2.1.2 Измерение давления 2.1.2.1 Общие сведения об измерении давления На долю измерения давления среди всех технических измерений приходится 10 % всех технических измерений. В нефтегазовой промышленности измерение давления необходимо не только для контроля непосредственно давления вещества в трубах и технологических аппаратах, но и для гидростатических уровнемеров), контроля измерения уровня расхода (с помощью (расходомеры переменного перепада давления и вихревые расходомеры) и других задач. Таким образом, давление – одна из основных величин, определяющих термодинамическое состояние веществ и ход технологических процессов. Давление – это отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Различают следующие виды 27 давления. Атмосферное (барометрическое) давление – это давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы. Абсолютное давление отсчитывается от абсолютного нуля, за который принимается давление внутри сосуда, из которого полностью откачан воздух. Избыточное давление представляет собой разность между абсолютным и барометрическим давлениями, а вакуум (разрежение) – разность между барометрическим и абсолютным давлениями. В качестве СИ давления используются как измерительные приборы, так и измерительные преобразователи. Все средства измерения давления могут быть классифицированы в зависимости от вида измеряемого давления на манометры измерения (для измерения избыточного давления); барометры (для атмосферного давления); вакуумметры (для измерения разрежения); мановакуумметры (для измерения избыточного давления и разрежения); напоромеры и тягомеры (для измерения малых давлений); дифференциальные манометры (для измерения разности давлений). Приборы по принципу действия подразделяются на жидкостные, деформационные и грузопоршневые. Среди выделяют преобразователей пьезоэлектрические, тензометрические, емкостные и резонансные. В жидкостных манометрах используется принцип сообщающихся сосудов, а измеряемое давление уравновешивается гидростатическим давлением столба рабочей жидкости, высота которого будет являться мерой измеряемого давления. Жидкостные манометры предназначены для измерения избыточного давления до 0,1 МПа, разряжения и разности давлений и используются в основном в качестве образцовых приборов для лабораторных и технических измерений. В зависимости от конструкции сосуда с рабочей жидкостью жидкостные манометры могут быть U-образные (двухтрубные) (рис. 2.12). Измеряемая величина уравновешивается столбом рабочей жидкости, высота которого равна сумме высот столбов в обоих коленах трубки. Отсчет производится по шкале, имеющей нулевую отметку при равенстве давлений в обоих коленах трубки. 28 Рисунок 2.12 – Внешний вид U-образного манометра Принцип действия грузопоршневых манометров (рис 2.13) основан на уравновешивании измеряемого давления калиброванным грузом, действующим на поршень. Они применяются для измерения давления до 103 МПа. Грузопоршневые установки позволяют подключать образцовое и поверяемое средство измерения давления, поэтому используются также для градуировки и поверки манометров других типов. Рисунок 2.13 – Внешний вид грузопоршневого манометра Принцип действия деформационных манометров основан на упругой деформации чувствительных элементов под действием измеряемого давления. Благодаря высокой точности, простоте конструкции, надежности и низкой стоимости деформационные манометры получили широкое распространение в промышленности для измерения давления, разряжения и 29 разности давлений В зависимости от вида чувствительного элемента все деформационные манометры делятся на пружинные (с трубчатой манометрической пружиной), мембранные и сильфонные. Принцип действия преобразователей давления основан на том, что сенсор (чувствительный элемент) воспринимает измеряемое давление и преобразует его в электрический сигнал, который обрабатывается в электронном модуле с целью представления в форме, удобной для индикации, передачи, дальнейшей обработки. Сенсор и электронный модуль совместно образуют датчик давления. Существенные различия, достоинства и недостатки существующих преобразователей давления определяют принципом действия сенсора. 2.1.2.2 Тензорезисторные преобразователи давления Принцип действия тензорезисторов (ТР) и, следовательно, тензорезисторных измерительных преобразователей давления основан на явлении тензоэффекта сопротивления изменении – проводниковых и активного полупроводниковых электрического материалов при деформации под воздействием механических усилий. Связь между изменением сопротивления тензорезистора и его деформацией устанавливается соотношением Тензочувствительность считается положительной, если и ΔR/R>0, отрицательной —если ΔR/R<0. В зависимости от материала выделяют проводниковые и полупроводниковые тензорезисторы. В целом, тензорезисторные преобразователи представляют собой металлическую и/или диэлектрическую измерительную мембрану, на которой 30 размещаются тензорезисторы. Деформация мембраны под воздействием внешнего давления приводит к локальным деформациям тензорезисторов, включенным обычно в плечи четырехплечего уравновешенного моста. Для увеличения чувствительности тензопреобразователя одна пара тензорезисторов, включенных в противоположные плечи моста, имеет положительную тензочувствительность, а другая – отрицательную. Это значит, что сопротивления при подаче давления соответственно увеличиваются и уменьшаются на величину ΔR. При отсутствии давления все четыре сопротивления равны по величине (R1 = R3 = R2 = R4 = R) и мост сбалансирован (ток Ibd в измерительной диагонали равен нулю). При подаче давления баланс (равновесие) моста нарушается, и в измерительной диагонали моста будет протекать ток. Этот токовый сигнал и является мерой измеряемого давления. Рисунок 2.14 – Электрическая схема соединения тензорезисторов (мостовая схема) Проводниковые тензорезисторы бывают двух видов: проволочные и фольговые. Они используются в основном для измерения деформаций и напряжений в механических конструкциях. Проволочный тензорезистор выполняется из проволоки диаметром 0,02...0,05 мм, которая наклеивается на бумагу или изоляционную пленку в виде петель и покрывается лаком. Тензорезистор наклеивается на поверхность детали так, чтобы длинная сторона петель (база датчика) совпадала с направлением измеряемой деформации. Фольговый ТР аналогичен проволочному, но его решетка выполнена из 31 константановой фольги прямоугольного сечения толщиной 4…12 мкм. Такие тензорезисторы обеспечивают большую точность преобразования, т.к. на них не сказываются поперечные деформации. а) б) Рисунок 2.15– Проводниковые тензорезисторы: а – проволочный, б – фольговый 2.1.2.3 Пьезоэлектрические преобразователи давления Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектрический заключается в появлении электрических зарядов на гранях эффект некоторых диэлектриков при их деформации. К таким диэлектрикам относятся кварц, турмалин и др., наиболее распространенным является кварц. Достоинства пьезоэлектрических преобразователей давления – возможность измерения быстропеременных величин (с частотой изменения до 7…100 кГц), малые габариты, простота устройства; недостатки – невысокая чувствительность, невысокая мощность выходного сигнала, непригодность к измерению статических величин, т.к. после снятия нагрузки заряды через некоторое время исчезают. 32 а) б) 1 – пьезопластины; 2 – гайка из диэлектрика; 3 – электрический вывод; 4 – корпус; 5 – изолятор; 6 – металлический электрод; 7 – мембрана Рисунок 2.16– Пьезоэлектрический измерительный преобразователь давления: а – схема, б – внешний вид Из-за утечки заряда с кварцевых пластин пьезодатчики давления не используются для измерения статических давлений. Одна из сфер их применения – преобразование быстропеременного и импульсного давления в электрический сигнал в вихревых расходомерах. 2.1.2.4 Емкостные преобразователи давления В емкостном измерительном преобразователе давления чувствительный элемент представляет собой плоскопараллельный конденсатор, а измеряемое давление воспринимается металлической мембраной или керамической мембраной с проводящим внутренним покрытием, являющейся подвижным электродом конденсатора. Неподвижный электрод размещается на подложке из диэлектрика, например из керамики. Такой преобразователь измеряет абсолютное давление. В преобразователе избыточного давления отверстие в подложке компенсирует атмосферное давление на внутреннюю поверхность конденсатора. Таким образом измеряется давление относительно атмосферного, т.е. избыточное давление. Зависимость емкости С конденсатора от перемещения δ мембраны, которое, в свою очередь, зависит от давления, имеет вид: C= εS δ + δ0 , где ε — диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей межэлектродный зазор; S — площадь электродов; δ0 — расстояние между электродами при давлении, равном нулю. Таким образом, измеряемое давление является функцией расстояния 33 между обкладками конденсатора и, как следствие, функцией электрической емкости конденсатора. С помощью емкостных преобразователей можно также измерить разность давлений. В емкостных дифференциальных измерительных преобразователях давления чувствительный элемент состоит из двух соединенных конденсаторов. Воздействие давления вызывает изменение положения измерительной (сенсорной) мембраны центральной обкладки конденсатора, которое приводит к изменению обеих емкостей конденсаторов. а) б) Рисунок 2.17 – Емкостные дифференциальные преобразователи давления: а – схема, б – внешний вид 2.1.2.5 Резонансные преобразователи давления Резонансный принцип измерения давления основан на зависимости частоты колебаний резонатора от степени его деформации и, следовательно, измеряемого давления. Кремниевый резонатор представляет собой параллелепипед плоской формы, защищенный герметичной капсулой и интегрированный в плоскость кремниевой мембраны. Благодаря современным технологиям роста кристаллов резонатор, мембрана и капсула выращиваются как единая кристаллическая структура. Мембрана закрепляется на стеклянной подложке. Современные резонансные преобразователи давления содержат два резонатора Н- образной формы. Резонаторы возбуждаются сигналом переменного тока и окружающего магнитного поля. В зависимости от знака приложенного давления резонаторы растягиваются результате чего частота их собственных 34 или сжимаются, механических в колебаний соответственно растет или уменьшается. Колебания механических резонаторов в постоянном магнитном поле преобразуются в колебания электрического контура, и, в итоге, на выходе чувствительного элемента образуется цифровой (частотный) сигнал, пропорциональный величине измеряемого давления. Рисунок 2.18 – Резонансный преобразователь давления 2.1.3 Измерение расхода 2.1.3.1 Общие сведения об измерении расхода Расход — это количество вещества, протекающего через данное сечение трубопровода в единицу времени (секунду, минуту, час и т.д.). Это т.н. мгновенное значение расхода. Кроме него, часто необходимо знать количество среды, прошедшей через это сечение за определенный промежуток времени – смену, сутки, месяц. В этом случае речь идет о количестве вещества. Это количество можно оценивать в единицах объема, и тогда это будет объемный расход Q, а можно в единицах массы, соответственно массовый расход G. Массовый и объемный расходы связаны между собой зависимостью через плотность газа или жидкости ρ. В системе СИ единицами объемного и массового расхода являются 35 соответственно м3/с и кг/с. Кроме них, используются и другие, например, м3/ч, т/ч и т. д. В промышленности измерение расхода направлено на решение двух основных задач. Это, во-первых, задачи контроля и управления технологическими процессами и, во-вторых, задачи учета, оперативного и коммерческого. Каждая из этих задач предъявляет свой набор требований к расходомерам. Так, например, в задачах учета, особенно коммерческого, основным требованием является точность СИ, а для систем АСУ ТП очень важно быстродействие преобразователя. Одной из характеристик практическое значение, Расходомеры могут расходомеров, имеющих большое является вид выходного сигнала расходомера. иметь токовый выходной сигнал (сила тока пропорциональна расходу), частотный (расходу пропорциональна частота следования импульсов) и импульсный (числоимпульсный) выходной сигнал. Два первых типа представляют собой аналоговый выходной сигнал, а импульсный – дискретный. Аналоговые (частотный и токовый) сигналы являются непрерывными. Даже если расход нулевой, сигнал не исчезает, просто частота следования импульсов или сила тока имеют значение, соответствующее нулевому расходу. Если сигнал исчез – это свидетельствует об обрыве линии. Сигнал непрерывен и пропорционален расходу, т.е. значение расхода известно в любой момент времени и мгновенно отслеживаются любые изменения расхода. Импульсный сигнал на выходе преобразователя появляется только после прохождения через него определенного объема вещества, зависящего от конструкции расходомера и/или его настроек. Этот объем, так называемый вес импульса, записывается в памяти вычислителя. Расходомеры с частотным или токовым выходом незаменимы там, где нужно точно отслеживать расход в режиме online, например, в АСУ ТП. В задачах учета, где необходимо измерять объем или массу, например, теплоносителя за достаточно большие (сутки, месяц, год) интервалы времени целесообразно использовать импульсный выход. 36 Надо отметить, что современные расходомеры часто выпускаются со всеми возможными видами выходных сигналов, что делает их достаточно универсальными приборами. К основным характеристикам расходомеров относят также точность, или погрешность измерения; динамический диапазон, т.е. отношение максимального измеряемого расхода к минимальному и межповерочный интервал, т.е. период времени, в течение которого расходомер сохраняет свои метрологические характеристики. Все перечисленные характеристики взаимосвязаны, поэтому улучшение одной из них обычно влечет за собой ухудшение других. Так, например, получить высокую точность измерений в узком динамическом диапазоне и сохранить ее на короткое время значительно проще, чем выдержать в широком диапазоне и на длительный срок. 2.1.3.2 Объемные счетчики Единственными средствами измерения расхода, реализующими прямое измерение количества вещества, являются объемные счетчики. Принцип действия объемных счетчиков основан на непосредственном отмеривании порций измеряемой среды с помощью мерных камер известного объема и подсчета числа этих порций, прошедших через счетчик. Наиболее распространенным объемным счетчиком различных жидкостей, в том числе нефти и нефтепродуктов, является объемный шестеренчатый счетчик (рис. 2.19). Внутри корпуса 1 размещены две находящиеся в зацеплении овальные шестерни 2 и 3. Набегающий на шестерни измеряемый поток заставляет их вращаться. Вращение шестерен происходит в направлении стрелок. Каждая из шестерен по очереди становится то ведущей, то ведомой. При этом объем слева от шестерён заполняется, а объем правее них – вытесняется. 37 1 – корпус, 2 и 3 – шестерни Рисунок 2.19 – Объемный шестеренчатый счетчик В положении Б между шестерней 3 и корпусом отсекается измеряемый объем жидкости V1, а в положении Г – объем V2 между корпусом и шестерней 2. За один оборот шестерен измерительные полости V1 и V2 дважды наполняются и дважды опорожняются. В итоге за один оборот через счетчик проходит объем жидкости, равный четырем объемам V1 (или V2). Ось одной из шестерен вращает счетный механизм, расположенный вне корпуса прибора. Для измерения газовых потоков применяют ротационные газовые счетчики, принцип действия которых аналогичен принципу действия счетчиков с овальными шестернями. а) б) Рисунок 2.20 – Объемные счетчики: а – шестеренчатый, б – ротационный газовый 2.1.3.3 Расходомеры переменного перепада давления Расходомеры переменного перепада давления (их еще называют дроссельными) – это первые в истории средства измерения расхода. Принцип их действия основан на том, что при прохождении технологического потока 38 через установленное на его пути сужение скорость потока и его кинетическая энергия возрастают (рис. 2.21). После прохождения сужающего устройства (СУ) часть кинетической энергии потока снова превращается в потенциальную. Давление становится меньше, чем до СУ, то есть возникает перепад давления, квадратный корень из которого пропорционален значению расхода. 1 – трубопровод; 2 – сужающее устройство; ДМ – дифманометр Рисунок 2.21– Схема расходомера переменного перепада давления и график распределения давления по длине трубопровода Расходомеры переменного перепада давления состоят из сужающего устройства, например, диафрагмы, и преобразователя разности давлений, соединенных между собой импульсными линиями с запорной и предохранительной арматурой. Сужающие устройства могут быть стандартными и нестандартными. К стандартным устройствам относятся дисковые диафрагмы, сопла и трубы Вентури (рис. 2.22). Для них справедливы табличные значения коэффициентов, приведенные в нормативной документации. При выборе стандартного СУ главным критерием является допустимая величина потери давления: она максимальна для диафрагмы и минимальна для труб Вентури. Необходимо также учитывать диаметр трубопровода. 39 P1 P2 d а) б) в) d – диаметр входного отверстия СУ; P1, P2 – значения давлений до и после СУ Рисунок 2.22 – Стандартные сужающие устройства: а – диафрагма; б – сопло; в – труба Вентури 2.1.3.4 Турбинные расходомеры Турбинные, или скоростные расходомеры (счетчики) применяются для определения объемного расхода (количества) измеряемой среды. Чувствительным элементом турбинных расходомеров является турбина, приводимая во вращение потоком жидкости или газа, протекающим через расходомер (рис. 2.23). Скорость вращения погруженной в поток турбины является мерой расхода; измеряя число оборотов турбины, можно вычислить объем прошедшей через трубопровод технологической среды. Турбинные счетчики, в отличие от объемных, не измерительных камер и производят косвенное измерение объема. 1 – турбинка; 2 – корпус расходомера; 3 – счетное устройство Рисунок 2.23 – Виды чувствительных элементов турбинных расходомеров 40 имеют а) б) Рисунок 2.24 – Геликоидный ротор (а) и турбинный геликоидный расходомер (б) Ультразвуковые расходомеры 2.1.3.5 Ультразвуковые объемного расхода, возникающего при расходомеры основанные (УЗР) на прохождении – это средства измерении какого-либо измерения эффекта, акустических колебаний через поток жидкости или газа и зависящего от расхода. Измерение основывается на объемного расхода определении ультразвуковыми соотношения скорости расходомерами распространения акустических колебаний в неподвижной среде и скорости движения самой среды. Фактически это известная всем школьникам задача про лодку, которая вначале с известной скоростью плывет по течению, а потом против течения, и по этим данным требуется определить скорость течения. В качестве лодки выступает ультразвуковая волна. По способу перемещения УЗ-волны расходомеры делятся на два вида: 1) основанные на разности скорости распространения ультразвуковых волн, направленных по потоку и против него; 2) основанные на доплеровском сдвиге частоты ультразвукового сигнала, отраженного от частиц измеряемого потока. Расходомеры первого вида, называемые обычно времяимпульсными, являются наиболее распространенными. Главным элементов УЗР являются пьезоэлементы. Это тонкие пластины из пьезокерамики диаметром не более 10—20 мм, работа которых основана на пьезоэлектрических эффектах – прямом и обратном. Прямой пьезоэффект заключается в образовании электрических зарядов на гранях пластин при их 41 деформации, а обратный – на возникновении деформации при подаче на пластину разности электрических потенциалов. На обратном пьезоэффекте основана работа излучателей, преобразующих переменное электрическое напряжение в акустические (механические) колебания той же частоты. На прямом пьезоэффекте работают приемники, преобразующие акустические колебания в переменные электрические напряжения. 2.1.3.6 Электромагнитные расходомеры Принцип действия ЭМР основан на законе электромагнитной индукции Фарадея, в соответствии с которым в электропроводной жидкости (не менее 103 См/м, что соответствует электропроводности пересекающей магнитное поле, водопроводной воды), индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. ЭМР — одно из наиболее точных и совершенных средств измерений. В настоящее время расходомеры электромагнитного типа входят в линейку продукции практически всех крупных компаний, работающих в области расходометрии. Для измерения индуцированной ЭДС между полюсами магнита или электромагнита устанавливают измерительный участок трубопровода длиной от 2 до 5 диаметров трубы, который изготовлен из немагнитного материала и внутри покрыт неэлектропроводной изоляцией (рис. 2.25). Чаще всего делается футеровка (вставка) из инертных пластиков (типа фторопласта, полиэтилена) в трубу из нержавеющей стали. В трубу вводятся два электрода в направлении, перпендикулярном как к направлению движения жидкости, так и к направлению силовых линий магнитного поля. 42 а) б) 1 – немагнитный участок трубы; 2 – магнит; 3 – изолированные электроды; 4 – измерительный прибор Рисунок 2.25 – Электромагнитный расходомер: а – схема; б – внешний вид В нефтегазовой промышленности ЭМР используются для измерения расхода воды, закачиваемой в пласт для поддержания пластового давления, расхода бурового раствора и на других объектах. 2.1.3.7 Вихревые расходомеры В 1911 г. американский ученый Теодор фон Карман установил, что после тела обтекания в турбулентном потоке жидкости возникает двойной ряд вихрей, так называемая дорожка Кармана. При этом образование вихрей происходит поочередно на противоположных ребрах тела обтекания. В одной дорожке Кармана вихри вращаются по часовой стрелке, в другой – против. Каждый вихрь создает неоднородность давления в окружающем потоке газа или жидкости. Расстояние между вихрями (длина волны возмущения) постоянна и ее можно измерить. Следовательно, объём, занимаемый каждым вихрем, постоянен. Рисунок 2.26 – Вихревая дорожка Кармана 43 Вихревой расходомер состоит из трех элементов (рис. 2.28): 1) тела обтекания, расположенного в проточной части расходомера и предназначенного для формирования регулярных и сильных вихрей; 2) какого-либо датчика для детектирования частоты образования вихрей; 3) электронного блока (микропроцессора) для вычисления расхода. Два первых компонента образуют первичный преобразователь расходомера. Рисунок 2.28 – Функциональная схема вихревого расходомера Перед вихревым расходомером с обтекаемым телом обязательно нужно иметь прямой участок трубы. Вихреобразователь, или вихревое тело – это один из главных компонентов первичного преобразователя, во многом определяющий метрологические характеристики расходомера (линейность и повторяемость, пределы измерения) и потери давления. Чаще всего в вихревых расходомерах применяют призматические тела прямоугольной, треугольной или трапецеидальной (дельтообразной) форм. Наиболее широко используются дельта-тела, у которых основание обращено навстречу потоку. Такие тела, несмотря на небольшую потерю давления, образуют сильные и регулярные вихревые колебания. Кроме того, они удобны для преобразования частоты в выходной сигнал. 2.1.3.8 Принцип Кориолисовы расходомеры действия кориолисовых расходомеров основан на возникновении в трубопроводах с потоком какой-либо технологической среды силы Кориолиса, которая пропорциональна массовому расходу жидкости, с 44 последующим преобразованием этой силы в деформацию, временной интервал или разность фаз двух сигналов. Сила Кориолиса действует на тела, которые участвуют одновременно в двух движениях: вращательном и прямолинейном движении, в частности, по радиусу вращательного движения (рис. 2.29). Направление силы Кориолиса зависит от направления прямолинейного движения: если оно направлено по радиусу от центра вращательного движения, сила Кориолиса направлена против направления вращения, а если прямолинейное движение направлено к центру, эта сила направлена по направлению вращательного движения. Сила Кориолиса лежит в плоскости вращательного движения и перпендикулярна к скорости прямолинейного движения. Рисунок 2.29 – Возникновение силы Кориолиса При измерении расхода прямолинейное движение – это движение жидкости по трубопроводу. Вращать трубопровод с потоком жидкости нереально, поэтому на практике реализуют так называемые «малые вращения» – колебания (вибрации) определенной части трубопровода относительно жестко закрепленной другой части (рис. 2.30). Таким образом, оба условия возникновения силы Кориолиса оказываются выполненными. Вибрирующую часть обычно выполняют в виде U-образной трубки, концы трубопровода которой жестко закреплены. Поток жидкости втекает в точке крепления во входную трубку, а после изгиба трубки вытекает по выходной трубке также в точке крепления. 45 Рисунок 2.30 – «Малые вращения» трубопровода Конструктивно кориолисовы расходомеры состоят из датчика (одной или двух расходомерных электромагнитного привода, трубок, помещенных детекторов и во внешний корпус, термопреобразователя) и преобразователя сигнала от датчика в именованное значение массового расхода. Форма трубок может быть различной: кроме классической U-образной трубки, используются также прямые, S-образные и некоторые другие. В расходомерах с прямыми трубками они колеблются точно в противофазе (рис. 2.31). При ненулевом расходе поток на входе будет замедляться, а на выходе – ускоряться, поэтому возникает сдвиг фаз, пропорциональный массовому расходу. Рисунок 2.31 – Кориолисов расходомер с прямыми трубками: 1 – нулевой расход; 2 – ненулевой расход, замедление колебаний трубок на входе; 3 – ненулевой расход, ускорение колебаний трубок на выходе Частота колебаний всегда поддерживается резонансной, т.к. в этом случае обеспечивается минимальный расход энергии на создание колебаний. 46 а) б) Рисунок 2.32 – Кориолисовы расходомеры: а – с U-образными трубками; б – с прямыми трубками 2.1.4 Измерение уровня 2.1.4.1 Общие сведения об измерении уровня. Переносные уровнемеры Информация о значении уровня позволяет регулировать уровень жидкости в резервуаре и предотвращать разлив в окружающую среду вредных жидкостей (нефть, нефтепродукты, химические реагенты). Также результаты измерения уровня являются очень значимыми при учете нефтепродуктов и при проведении приемо-сдаточных операций. Уровнем называют высоту заполнения технологического объекта (емкости, резервуара, аппарата) рабочей средой – жидкостью или сыпучим веществом. Уровень измеряют в единицах длины, то есть в метрах. В целом, все средства измерения уровня называют уровнемерами. Однако если быть точными, уровнемеры – это устройства для непрерывного слежения за уровнем, но еще в отдельную группу выделяют приборы для сигнализации предельных значений уровня, которые называются сигнализаторами уровня. В современных устройствах функции измерения и сигнализации могут быть совмещены. Если рассматривать такую характеристику уровнемеров как диапазон измерения, то можно выделить уровнемеры узкого (0 - ± 0,5 м) и широкого (0 – 20 м) диапазона. Классифицировать средства измерения уровня можно также по способу эксплуатации – на стационарные и переносные; по способу контакта с объектом измерений выделяют контактные и бесконтактные уровнемеры. Также 47 уровнемеры можно разделить по принципу действия. К переносным средствам измерения уровня относят рулетки измерительные с грузом 2 или 3 класса точности, метроштоки и электронные рулетки. Измерительные средства, рулетки с грузом и метроштоки – это те которые первоначально использовались для измерения уровня в резервуарах. Они и в настоящее время продолжают использоваться благодаря своей простоте и достаточно высокой точности. Согласно ГОСТу они принимаются в качестве эталонных при калибровке и поверке по месту других уровнемеров. Однако, существуют недостатки ручных замеров: длительность выполнения этой работы и её газоопасность, так как происходит разгерметизация резервуаров, выход паров нефти, приводящий к загрязнению окружающей среды и созданию взрывоопасной смеси. Важно отметить, что измерение уровня с помощью переносных уровнемеров в промышленных резервуарах также сопряжено с опасностью для жизни людей, проводящих эти измерения. Поэтому организации, эксплуатирующие резервуары, предпочли бы использовать альтернативные способы калибровки и поверки Конструкция измерительных рулеток с грузом довольно проста. Они имеют металлический корпус, катушку с ручным возвратным механизмом и металлическую измерительную ленту с прикрепленным грузом. Разрешающая способность измерительной рулетки 1 мм. Началом отсчета рулетки считается торцевая поверхность наконечника груза. Для осуществления измерений груз плавно опускается в резервуар до того момента, когда он коснется дна. После этого измерительную ленту сматывают обратно до появления следа жидкости на ленте. Зафиксированная отметка на шкале ленты является уровнем измеряемой жидкости. Для емкостей небольшой глубины и статичным состоянием жидкости также используются метроштоки. Механический метрошток представляет собой стержень с нанесенными делениями. Для измерения уровня метрошток погружается в емкость в среднем на минуту, а затем извлекается из неё для определения уровня жидкости. Есть одна особенность для метроштоков, выполненных из стали. Дело в том, на таком стальном стержне не видно 48 границы раздела сред (то есть сухой области и, так скажем, «мокрой»), поэтому перед началом измерений их покрывают специальной пастой, которая меняет свой цвет на границе раздела сред. Метроштоки различаются между собой длиной, количеством секций (как следствие диапазоном измерений), материалом (выбор материала зависит от того в какой среде осуществляются измерения), видом профиля (Т-образный, полукруглый) и др. особенностями. Электронные или, так называемые, рулетки трехфункциональные рулетки позволяют измерять уровень взлива (т.е. высоты открытой поверхности горючей жидкости в резервуаре относительно его основания), уровень раздела фаз продукт/подтоварная вода и температуру жидкости в резервуарах. Такая электронная рулетка состоит из датчика, барабана для ленты с электроникой и жидкокристаллическим дисплеем, ленты, заземляющего устройства и корпуса. Один из видов электронных рулеток работает следующим образом. Закрепленный на цистерну/резервуар, зонд медленно опускают до тех пор, пока он не достигнет жидкости в резервуаре и не поступит соответствующий звуковой сигнал. При контакте зонда уровнемера для нефтепродуктов с токонепроводящей жидкостью (нефтью или нефтепродуктом) издается непрерывный звуковой сигнал, с токопроводящей жидкостью (водой) – прерывистый. Процедура заключается в определении точной границы поверхности жидкости. Вращая рукояткой катушку трехфункциональной рулетки против часовой стрелки, зонд поднимают до полного затихания сигнала и вновь опускают до появления повторного сигнала. Эту процедуру выполняют довольно медленно, чтобы добиться максимально точного определения уровня незаполненного пространства емкости. Это значение считывается с ленты уровнемера для нефтепродуктов и фиксируется как уровень заполнения жидкостью резервуара/цистерны. Для измерения уровня границы раздела продукт/подтоварная вода (нефть/вода) зонд продолжают опускать в резервуар, следя за характером звука. Прекращение непрерывного сигнала трехфункциональной рулетки и появление прерывистого указывает на 49 то, что зонд погрузился в слой проводящей жидкости под продуктом. Зонд поднимают очень медленно до тех пор, пока не появится непрерывный звуковой сигнал. Если необходимо более точно определить границу раздела – процедуру повторяют. С ленты считывается и фиксируется значение уровня границы раздела Толщина слоя продукта вычисляется вычитанием расстояния от крышки резервуара до нефтепродукта из расстояния от крышки резервуара до границы раздела двух сред, а толщина слоя воды – вычитанием расстояния от крышки резервуара до границы раздела двух сред из известной глубины (высоты) резервуара. а) б) в) Рисунок 2.33 – Переносные уровнемеры: а – измерительная рулетка с грузом, б – метроштоки; в – электронная рулетка 50 2.1.4.2 Визуальные уровнемеры Начать изучение стационарных уровнемеров следует с самых простейших их представителей: визуальных уровнемеров, к которым относятся уровнемерные стекла, действующие по закону сообщающихся сосудов. Высота уровня при невысоких давлениях измеряется в стеклянной трубке, а при повышенных давлениях применяются плоские стекла, на внутренней поверхности которых нанесены вертикальные канавки. Наблюдая за положением уровня жидкости в стеклянной трубке, можно судить об изменении уровня в емкости. Указательные стёкла снабжают вентилями или кранами для отключения их от сосуда и продувки системы. Рисунок 2.34 – Уровнемерные стекла Из-за низкой прочности указательные стекла не рекомендуется употреблять длиной более 0,5 м, поэтому при контроле уровня, изменяющегося больше чем на 0,5 м, устанавливают несколько стекол так, чтобы верх предыдущего стекла перекрывал низ последующего. Рисунок 2.35 – Применение нескольких уровнемерных стекол 51 Основным источником погрешности данного метода измерения уровня является разница плотности жидкости в контролируемом резервуаре и в указательном стекле, вызываемая различием температур. Уровнемерные стекла в нефтегазовой промышленности редко используются из-за своей низкой прочности, сложности определения границы раздела (для вязких и «пачкающих» жидкостей), однако они являются предшественниками современных средств измерения уровня. Таких, например, как магнитные указатели уровня. Эти средства измерения сочетают в себе принцип действия поплавковых и визуальных уровнемеров. Конструкция указателя состоит из вертикальной камеры с трубкой требуемого диаметра и толщины, содержащей поплавок с постоянным магнитом, расположенным точно на линии уровня жидкости двух горизонтальных патрубков для соединения с резервуаром, содержащим жидкость, и шкалы. Шкала состоит из комплекта небольших постоянных магнитов, размещенных в небольших цилиндрах, способных вращаться вокруг горизонтальной оси. Внешняя поверхность этих цилиндров окрашена в два различных цвета. В зависимости от ориентации каждого магнита (которая определяется воздействием магнита в поплавке) каждый цилиндр поворачивается наружу своей половиной, окрашенной в тот или другой цвет. Шкала будет иметь один цвет (например, белый) на участке камеры, заполненной газом или паром, и совершенно другой цвет (например, красный) на участке камеры, заполненной жидкой фазой. 3 1 4 2 а) б) 1 – байпасная трубка; 2 – поплавок; 3 – магнитная система поплавка; 4 – магнитные индикаторные ролики Рисунок 2.36 – Магнитные указатели уровня: а – схема, б – внешний вид 52 Использование байпасных (т.е. выносных) указателей уровня (как стеклянных, так и магнитных) не позволяет представлять измерительную информацию в виде выходного электрического сигнала, который можно передавать, обрабатывать, хранить. Уровнемеры, которые мы рассмотрим далее, позволяют сделать это. 2.1.4.3 Поплавковые и буйковые уровнемеры Поплавковые уровнемеры выпускаются с различным принципом действия. При этом внешне они практически не отличаются друг от друга. Рисунок 2.37 – Поплавковые уровнемеры Герконовый поплавковый уровнемер конструктивно состоит из измерительного стержня и магнитного поплавка, перемещающегося вдоль стержня. Внутри стержня установлены герконы с шагом 1 геркон на, в среднем, 10 мм длины. Герконы – это герметизированные магнитоупраляемые контакты, принцип действия которых состоит в замыкании в присутствии магнитного поля и размыкании в его отсутствии. Поплавок с постоянным магнитом перемещается вместе с жидкостью 53 по штоку, в котором находится цепочка сопротивлений и герконов. Под воздействием магнитного поля поплавка происходит срабатывание геркона, на против которого установился поплавок вместе с уровнем раздела сред. Таким образом, уровень жидкости будет пропорционален результирующему сопротивлению датчика, которое преобразуется в выходной сигнал 4…20 мА. Рисунок 2.37 – Герконовый поплавковый уровнемер В поплавковых магнитострикционных уровнемерах для определения положения поплавка используется магнитострикционный эффект. Направляющая труба содержит в себе волновод (тонкая проволока из никелевого сплава), по которому через фиксированные промежутки времени распространяются короткие импульсы тока. При распространении импульса тока возникает радиальное магнитное поле вокруг волновода. Поплавок с постоянным магнитом перемещается вместе с изменением уровня по трубе. При пересечении магнитного поля токового импульса с магнитным полем постоянного магнита в месте нахождения поплавка в волноводе возникает крутильная деформация (магнитострикционный эффект), которая в виде механической (ультразвуковой) волны распространяется вдоль волновода с 54 известной скоростью в оба конца. Измерительная катушка, размещённая в корпусе вторичного преобразователя, преобразует полученные механические волны в электрический импульс. С помощью микропроцессорной электроники измеряется интервал времени между отправленным и принятым импульсами, который пропорционален измеряемому уровню. 1 – направляющая труба; 2 – волновод; 3 – поплавок; 4 – постоянный магнит; 5 – корпус прибора Рисунок 2.38 – Поплавковый магнитострикционный уровнемер Магнитострикционные уровнемеры осуществляют непрерывное измерение уровня, в отличие от герконовых уровнемеров, в которых выходной сигнал является, строго говоря, дискретным. На показания магнитострикционных уровнемеров не влияют физические и химические параметры жидкости, такие как температура, проводимость, диэлектрическая проницаемость, давление, вспенивание, вакуум, конденсация, парообразование, образование пузырьков, кипение. Буйковые уровнемеры известны своей надежностью при работе в измерительных системах и незаменимы при работе с высокими давлениями и температурами продукта. Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что на частично погруженное в жидкость тело действует со стороны жидкости выталкивающая сила. Этим телом, а другими словами чувствительным элементом, в этих уровнемерах является цилиндрический буек, изготовленный из материала с 55 плотностью, большей плотности жидкости. Зачастую буек выполнен в виде трубы из нержавеющей стали, запаянной с обеих концов, к одному из которых приделан крючок. Буек находится в вертикальном поло- жении и частично погружен в жидкость. Длина буйка подбирается приближенной к максимальному измеряемому уровню в аппарате. Рисунок 2.39 – Буйковые уровнемеры По закону Архимеда выталкивающая сила равна весу жидкости, вытесненной телом. Количество вытесненной жидкости зависит от глубины погружения тела, т. е. от уровня в емкости. Таким образом, в буйковых уровнемерах измеряемый уровень преобразуется в пропорциональную ему выталкивающую силу, которая жидкости. измеряющий Механизм, увеличивается вес при увеличении буйка, преобразует уровня данные изменения в пропорциональные изменения выходного сигнала. Очевидно, что вес буйка достигнет минимума, когда уровень жидкости в емкости достигнет максимума и буек будет полностью погружен в жидкость. Выталкивающее усилие измеряется различными способами – например, во вторичном измерительном преобразователе с помощью тензопреобразователя преобразуется в сопротивление, а затем в выходной унифицированный сигнал. Существует два способа установки буйковых уровнемеров. 56 1. Уровнемер чувствительный монтируется на крышу резервуара (емкости), а элемент (буек) находится в подвешенном состоянии в резервуаре. 2. Буек располагается в подвешенном состоянии в уровнемерной колонке (байпасной трубке), которая сообщается с технологической емкостью. Рисунок 2.40 – Способы установки буйковых уровнемеров Во втором случае буйковые уровнемеры могут изготавливаться с торсионной (т.е. закручивающейся) трубкой. 1 – буёк; 2 – установочный кожух; 3 – рычаг; 4 – торсионная трубка; 5 – рукоятка зажима; 6 – сенсор; 7 – секция охлаждения; 8 – усилитель; 9 – секция клемм Рисунок 2.41 – Буйковый уровнемер с торсионной трубкой Механизм работы такого уровнемера следующий. 57 Выталкивающая сила буйка 1 воздействует через передаточный рычаг 3 и торсионную трубку 4 на сенсор 6. На сенсоре есть четыре тонкопленочных металлических тензодатчика, которые меняют сопротивление пропорционально напряжению растяжения или сжатия. Эти тензодатчики соединены в мостовую схему, которая питается из усилителя 8. Напряжение на диагоналях моста, пропорциональное воздействующему весу, подается на вход электронного усилителя. Усилитель преобразует это напряжение в сигнал постоянного тока от 4 до 20 мА и/или в цифровой сигнал. Нужно отметить, что статическое давление в емкости будет оказывать незначительное влияние на погрешность измерений буйкового уровнемера. Основное влияние на погрешность измерений буйкового уровнемера будет иметь изменение плотности измеряемой жидкости. Минимальный диапазон измерений буйковых уровнемеров составляет (0 – 0,02) м, максимальный – (0 – 16) м. Буйковые уровнемеры применяются при температуре рабочей среды от – 40 до 400 градусов и давлении до 16 МПа. Основная приведенная погрешность буйковых уровнемеров лежит в пределах 0,5 – 1,5%. К достоинствам поплавковых и буйковых уровнемеров можно отнести простоту конструкции, большой диапазон измерений, достаточно хорошую точность, возможность измерения уровня агрессивных и вязких сред, широкий температурный диапазон измерения. А к недостаткам – наличие механических частей в резервуаре (поплавок, буек), трудности измерения уровня в резервуарах под давлением, а также погрешность измерения уровня при изменении температуры и плотности вещества. 2.1.4.4 Гидростатические уровнемеры Измерение уровня гидростатическими уровнемерами сводится к измерению гидростатического давления Р, создаваемого столбом жидкости h постоянной плотности ρ, согласно равенству P = ρgh. Важным достоинством гидростатических 58 уровнемеров является достаточно высокая точность при простоте конструкции, отсутствии высоких требований к эксплуатации и дешевизна относительно других приборов. Основных типов гидростатических измерителей уровня существует два. Они разделяются по способу присоединения к технологическому объекту на врезные и погружные. Врезные уровнемеры представляют собой компактные устройства, подключаемые на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня. Применяемый для этих целей манометр может быть любого типа с соответствующими пределами измерений. Такие уровнемеры используются резервуарах, находящихся под атмосферным давлением. Для исключения влияния атмосферного давления, т.е. для измерения исключительно избыточного гидростатического давления столба жидкости используются манометры с компенсацией атмосферного давления. а) б) Рисунок 2.42 – Врезной гидростатический уровнемер: а – схема установки, б – внешний вид При малых габаритах могут обеспечивать большой диапазон измерения без использования специальных кабелей и зондов. Также достоинством врезных гидростатических уровнемеров является возможность их эксплуатация для жидкостей с различными физическими, химическими и механическими свойствами. Однако наличие вблизи уровнемера мешалок или насосов вносит погрешность в результат измерения. Для измерения находящихся под уровня жидкости давлением, в широкое 59 технологических применение аппаратах, получили дифференциальные манометры, подключаемые к резервуару на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня, и к газовому пространству над жидкостью. а) б) Рисунок 2.43 – Гидростатический уровнемер перепада давления: а – схема установки, б – внешний вид В данном варианте измерения уровня по величине дифференциального давления используются импульсные линии, которые требуют постоянного обслуживания из-за таких возможных проблем, как замерзание заполняющей их среды, закупорки, утечки и образования конденсата. Кроме того, импульсные линии подвержены влиянию температуры окружающей среды. При изменении температуры изменяется давление в импульсных линия, что вносит температурную погрешность в результат измерения. Эти недостатки устранены в системах измерения уровня, состоящих из двух преобразователей давления, подключаемых к резервуару на высоте, соответствующей нижнему предельному значению уровня, и к газовому пространству над жидкостью, измеряющего разность давлений и дополнительного и преобразующего преобразователя, эту разность в унифицированный выходной сигнал. Измерители погружного типа содержат специальный зонд, который опускается в резервуар или в скважину на требуемую глубину. Зонд содержит преобразователь давления, который, как правило, имеет компенсацию влияния атмосферного давления, которое подводится к преобразователю давления с крышки резервуара или 60 устья скважины по капилляру, размещенному в оплетке вместе с кабелем питания. Рисунок 2.44 – Погружные гидростатические уровнемеры Выделим уровнемеров: следующие преимущества погружных гидростатических − большой диапазон измерения (зависящий от длины кабеля); − возможность одновременной непрерывной регистрации нескольких параметров (если на погружной зонд поместить дополнительные датчики, например, датчик температуры). Погружные гидростатические уровнемеры обладают своей спецификой применения, что накладывает определенные ограничения. Например, необходимо учитывать и предотвращать боковые перемещения зонда (чаще всего зонд располагают в месте, где отсутствуют движение жидкости или турбулентные потоки, либо устанавливают направляющую трубу). Тем не менее, разумной альтернативы в скважинных применениях таким приборам практически нет. Гидростатические уровнемеры применяются для однородных жидкостей в емкостях без существенного движения рабочей среды. Недостатком всех гидростатических уровнемеров является влияние изменения плотности жидкости (либо температуры), которое может привести к возникновению существенной погрешности измерений. Они позволяют производить измерения в диапазоне до 2,5 МПа, что соответствует уровню 250 м (для воды), с точностью до 0,1% при 61 избыточном давлении до 10 МПа и температуре рабочей среды в диапазоне (– 40...+120) °С. 2.1.4.5 Емкостные уровнемеры Принцип действия емкостных уровнемеров основан на зависимости электрической емкости чувствительного элемента от уровня жидкости или сыпучего вещества. Конструктивно емкостные чувствительные элементы выполняются в виде металлических пластин, стержней, коаксиально расположенных между собой цилиндра и стержня. Также в качестве электрода может использоваться один металлический стержень или вертикально расположенный металлический трос с грузом на конце. Электропроводность жидкости, уровень которой измеряется, также влияет на конструктивное исполнение емкостного измерительного преобразователя. Рисунок 2.45 – Емкостные уровнемеры 62 Рассмотрим уровнемер, чувствительный элемент которого состоит из двух коаксиально расположенных электродов 1 и 2, частично погруженных в жидкость (рис. 2.46, а). Электроды образуют цилиндрический конденсатор, межэлектродное пространство которого до определенной высоты заполнено жидкостью, а пространство над жидкостью – парогазовой смесью. Полная емкость чувствительного элемента будет выражаться формулой где С0 – емкость изолятора, отделяющего электроды друг от друга; Сж – емкость межэлектродного пространства, заполненного жидкостью; Сг – емкость межэлектродного пространства, заполненного парогазовой смесью; εж – относительная диэлектрическая проницаемость жидкости; ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума. а) б) 1 – внешний электрод, 2 – внутренний электрод Рисунок 2.46 – Емкостные уровнемеры: а – с коаксиально расположенными электродами, б – с одинарным электродом Таким образом, емкость чувствительного элемента пропорциональна уровню жидкости. Емкостные уровнемеры с коаксиальными электродами используются для измерения уровня неэлектропроводных сред. Недостатком коаксиального чувствительного элемента является плохое 63 заполнение его контролируемым веществом, особенно при повышенной вязкости среды и наличии твердыхпримесей. В случае использования в качестве чувствительного элемента одинарного электрода (рис. 2.46, б) роль второго электрода конденсатора выполняет заземленная стенка резервуара, если она металлическая, либо специальный заземленный металлический электрод, если стенка резервуара выполнена из диэлектрика. Одинарные электроды могут представлять из себя жесткие стержни или гибкие тросы. Для определения электрической емкости такого преобразователя можно использовать уже полученную формулу. Только в качестве диаметра D в приведенном примере – внутренний диаметр резервуара. Для измерения уровня электропроводных сред измерительный электрод покрывают изоляционным слоем. В качестве изоляции, как правило, используется фторопласт. Для измерения уровня неэлектропроводных сред можно применять как изолированные, так и неизолированные электроды. Только в этом случае значение относительной диэлектрической постоянной продукта должно быть выше 1,5. Емкостные уровнемеры не имеют подвижных механических частей и поэтому не подвержены механическому износу. Подключаемые вторичные преобразователи легко заменяются, поэтому уровнемеры очень просты для обслуживания. Уровнемеры такого типа обладают высоким порогом чувствительности, что дает им преимущество перед многими другими приборами, на диапазон измерения которых может сильно влиять наличие мертвой зоны. Емкостные датчики для контроля уровня жидкостей имеют некоторые ограничения в работе: – датчики чувствительны к образованию пены на поверхности жидкости, – возможны ложные срабатывания при налипании контролируемого 64 материала, при работе в условиях высокого шанса образования пыли или на улице в условиях осадков, – датчики требовательны к экранированию деталей, – емкостные датчики отличаются более высокой стоимостью по сравнению с другими видами датчиков уровня. 2.4.6 Акустические (ультразвуковые) уровнемеры Акустические, ультразвуковые и радарные относятся к бесконтактным, это значит, что их чувствительный элемент не имеет контакта с измеряемой средой. Данная особенность приводит к тому, что показания средства измерения не зависят от физических и химических свойств измеряемой среды, а именно изменение плотности, вязкости, влажности, температуры измеряемой среды не будет вносить дополнительную погрешность в результат измерения, не будет происходить налипания вещества на чувствительный элемент, не страшна для датчика химическая агрессивность измеряемой жидкости. Также эти уровнемеры проще в обслуживании и эксплуатации, чем контактные уровнемеры. Однако также имеют ряд ограничений, например в установке, не все бесконтактные уровнемеры могут эксплуатироваться при высоких давлениях и температурах окружающей среды. В акустических и ультразвуковых уровнемерах реализуется метод, основанный на использовании эффекта отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела двух сред с различными акустическими сопротивлениями (метод локации или эхолокации). 65 Рисунок 2.47 – Акустические и ультразвуковые уровнемеры В уровнемерах, называемых ультразвуковыми, используется метод локации уровня со стороны жидкости (рис. 2.48, б). Как видно, чувствительный элемент все же контактирует с измеряемой средой. Поэтому ультразвуковые уровнемеры могут быть использованы для измерения уровня только однородных жидкостей, но при высоком избыточном давлении. Однако широкого распространения в промышленности они не получили. В уровнемерах, называемых акустическими (рис. 2.48, а), используется метод локаций уровня жидкости через газовую среду. Стоит отметить, что в большинстве случаев понятия акустических и ультразвуковых уровнемеров считаются синонимами. Поэтому для наиболее распространенного варианта уровнемеров, располагающихся со стороны газа, допустимо использование обоих терминов. а) б) Рисунок 2.48 – Акустические (а) и ультразвуковые (б) уровнемеры 66 Уровень определяют по времени прохождения звуковых волн расстояния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до приемника излучения. Функции источника и приемника ультразвуковых колебаний выполняет пьезоэлемент. Генератор с определенной частотой вырабатывает электрические импульсы, которые преобразуются пьезоэлементом в ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания распространяются вдоль акустического тракта, отражаются от поверхности среды и воспринимаются тем же пьезоэлементом. Уровень вещества определяется из выражения 1 h = H − ct 2 , где Н – высота резервуара; с – скорость распространения ультразвука в данной среде; t – время прохождения ультразвуком расстояния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до приемника излучения. Достоинством этого метода является то, что акустическая энергия, посланная в объект для измерения уровня жидкости, распространяется по газовой среде. Это обеспечивает универсальность по отношению к различным жидкостям, уровень которых необходимо измерить, а также высокую надежность первичных преобразователей, не контактирующих с жидкостью. Именно акустические уровнемеры очень чувствительны к изменению давления, температуры и составу газовой среды, находящейся над жидкостью, так как от этих параметров зависит скорость ультразвука. Так, например, при изменении температуры на 1ºС изменение скорости составляет около 0,18%. Для устранения этого влияния в ультразвуковых уровнемерах применяется термокомпенсация с помощью встроенного термодатчика. Акустические уровнемеры не могут быть использованы для измерения уровня жидкостей, находящихся под высоким избыточным и вакуумметрическим давлением. Диапазон работы акустических уровнемеров – до 25 м. Основная приведенная погрешность измерений 67 составляет 1-2%. Температурный диапазон рабочей среды (-30...+120) ºС, давление – до 5 МПа. 2.1.4.7 Радарные и радарные волноводные уровнемеры Радарные уровнемеры имеют довольную большую и интересную историю развития. Их прототипом являются радиовысотомеры (радиодальномеры), которые широко использовались в военной, главным образом, авиационной, промышленности. В этих приборах для оценки расстояний использовалось измерение запаздывания принятого радиосигнала относительно излученного. Однако от техники и технологий, используемых в военной промышленности, не требовалось работать в длительном и непрерывном режиме, как это требуется от уровнемеров. Когда на полупроводниковые частоты, рынке появились СВЧ- генераторы произошел и существенный доступные и высокоточные скачок надежные синтезаторы в развитии радарных уровнемеров. В настоящее время в радарных системах контроля уровня применяются преимущественно две технологии: с непрерывным частотно-модулированным излучением и импульсным излучением сигнала. Импульсный метод заключается в измерении времени запаздывания принятого импульса относительно излученного. Наиболее перспективны радарные уровнемеры, использующие непрерывное модулированное по частоте радиоизлучение. Принцип действия уровнемеров с непрерывным частотно- модулированным излучением (FMCW – frequency modulated continuous waves) заключается в следующем. Микроволновый формирует радиосигнал, частота генератор датчика уровня которого изменяется во времени по линейному закону – линейный частотно-модулированный сигнал. Этот сигнал излучается в направлении продукта, отражается от него, и часть сигнала через определенное время, возвращается обратно зависящее от скорости света и расстояния, в антенну. Излученный и отраженный сигналы смешиваются в датчике уровня, и в результате образуется сигнал, частота 68 которого равна соответственно, разности расстоянию частот от принятого антенны и до излученного сигналов, измеряемого продукта. Дальнейшая обработка сигнала осуществляется микропроцессорной системой датчика уровня и заключается в точном определении частоты результирующего сигнала и пересчете ее значения в значение уровня наполнения резервуара. а) б) Рисунок 2.49 – Радарные уровнемеры: а – схема, б – график изменения сигнала Для того чтобы понять особенности работы радарных уровнемеров, давайте рассмотрим, как распространяется радиолуч. Задачей антенны является формирование радиолуча. Радиолуч, если он распространяется в открытом, не ограничивающем его пространстве, представляет собой конус, вершина которого совпадает с основанием антенны. Ширина этого конуса (угол раскрыва) обратно пропорциональна апертуре (диаметру) антенны и обратно пропорциональна частоте излучения (это правило является фундаментальным и не зависит от типа антенны). Другими словами, требуемую ширину луча, гарантирующую свободное, не задевающее стенки резервуара распространение радиолуча можно обеспечить или увеличением частоты излучения или увеличением габаритов антенны. А при одной и той же ширине луча габариты антенны более высокочастотного радарного уровнемера будут во столько раз меньше, во сколько раз его частота выше, чем у радарного уровнемера с меньшей частотой излучения. 69 Рисунок 2.50– Распространение радиолуча в резервуаре Следует отметить еще один важный фактор влияния вида и размеров антенны на точность измерения, который не всегда учитывают при выборе уровнемера. Это влияние выпадения конденсата на поверхность антенны. Скорость распространения радиоволны через конденсат резко отличается от скорости распространения в открытом пространстве. Поэтому выпадение конденсата всегда ведет к дополнительной погрешности, величина которой может достигать нескольких миллиметров. Одним из вариантов конструктивной коррекции влияния конденсата может быть либо подогрев антенны до температуры выше образования конденсата, либо использование двухрупорной антенны (когда излучатель и приемник разнесены), благодаря чему отраженный от продукта полезный сигнал не «смешивается» с паразитными сигналами, получаемыми от налипаний и конденсата. 70 Рисунок 2.51– Использование двухрупорной антенны Важной характеристикой, влияющей на формирование сигнала, является размер и тип антенны. Рупорная антенна является наиболее универсальной и применяется, как правило, в больших емкостях, позволяет работать с широким спектром сред по диэлектрической проницаемости, применима в сложных условиях и обеспечивает в условиях спокойной поверхности диапазон измерения до 35-40 м. 71 Рисунок 2.52 – Рупорная антенна Стержневая антенна применяется в небольших емкостях с химически агрессивными средами, а также в случае, когда доступ в емкость ограничен малыми размерами патрубка. Диапазон измерения – до 20 м. Поверхность стержневой антенны покрыта слоем защитной изоляции. Рисунок 2.53 – Стержневая антенна Планарный и параболический типы антенн обеспечивают особо высокую точность (до +/- 1 мм.) и применяются в системах коммерческого учета. Рисунок 2.54 – Планарная (а) и параболическая (б) антенны Радарным уровнемерам присущи отсутствие контакта с контролируемой средой, что позволяет их успешно использовать для измерения уровня агрессивных, вязких и неоднородных материалов; гораздо меньшая чувствительность к высоким температурам и давлению в резервуаре по 72 сравнению с акустическими уровнемерами; большая устойчивость к таким явлениям, как испарения и запыленность. В радарных импульсного излучения на методе уровнемерах волноводных радиосигнала. Их используется принцип технология действия основан импульсной рефлектометрии (TDR – Time Domain Reflectometry). Микроволновые радиоимпульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду. Когда радиоимпульс достигает среды с коэффициентом диэлектрической проницаемости, отличной от проницаемости коэффициентов газа над поверхностью среды, то из-за разности диэлектрических проницаемостей происходит отражение микроволнового сигнала в обратном направлении. Временной интервал между моментом передачи зондирующего импульса и моментом приема эхосигнала пропорционален расстоянию до уровня контролируемой среды. Аналогичным образом измеряется расстояние между датчиком и границей раздела двух жидких сред с различными коэффициентами диэлектрической проницаемости. Интенсивность проницаемости отраженного среды. Чем эхосигнала выше зависит от коэффициент диэлектрической диэлектрической проницаемости, тем выше интенсивность отраженного сигнала. Рисунок 2.55 – Распространение сигнала в радарных волноводных уровнемерах Волноводная технология имеют ряд преимуществ по сравнению другими методами измерения уровня, поскольку невосприимчивы к составу среды, радиоимпульсы практически атмосфере резервуара, температуре и давлению. Поскольку радарные импульсы направляются по зонду, а не свободно 73 распространяются в пространстве резервуара, то волноводная технология может с успехом применяться в малых и узких резервуарах, а также в резервуарах с узкими патрубками. Хотя данные уровнемеры относятся к радарным, но, в отличие от них, не являются бесконтактными средствами измерения уровня. Рисунок 2.56 – Радарные волноводные уровнемеры Диапазон измерения радарных уровнемеров достигает 40 м при спокойной поверхности контролируемой жидкости. Абсолютная погрешность измерения уровня может составлять ± 1 мм в диапазоне 30 м. Диапазон измерения радарных волноводных уровнемеров до 30 м. Абсолютная погрешность измерения ± (3-5) мм. 2.1.5 Исполнительные устройства, регуляторы прямого действия В любой системе автоматизации, независимо от ее назначения, сложности и т.д., обязательно присутствует исполнительное устройство, непосредственно воздействующее на объект управления. Таким образом, исполнительное устройство – это устройство, которое предназначено для воздействия на 74 объект путем изменения расхода проходящей через него технологической среды (жидкости, газа, пара или сыпучего материала) информацией, или поступающей энергии от в соответствии регуляторов или с управляющей других управляющих устройств. В системах управления исполнительные устройства являются конечными элементами; их обычно устанавливают на технологических трубопроводах. Исполнительные устройства должны удовлетворять следующим требованиям: – их мощность должна достаточной для приведения в движение (перемещения) соответствующих подвижных частей во всех режимах работы; – статические характеристики исполнительных устройств должны быть, по возможности, линейными и иметь минимальную зону нечувствительности (это зона, в пределах которой изменения управляющего сигнала не вызывают перемещение управляемого органа); - достаточное быстродействие; - простота и экономичность регулирования выходной величины; - малая потребляемая мощность. Исполнительные механизма (ИМ) или устройства привода, (ИУ) и состоят из регулирующего исполнительного органа воспринимает командные сигналы регулятора и другого (РО). ИМ управляющего устройства и развивает перестановочное усилие, вызывающее перемещение его РО, который непосредственно воздействует на технологический процесс. 75 Рисунок 2.60 – Функциональная схема исполнительного устройства 2.1.5.1 Регулирующие органы Наибольшее распространение получили РО дроссельного типа, создающие переменное гидравлическое сопротивление, изменяющее расход вещества за счет изменения своего проходного сечения. К ним относятся регулирующие клапаны, поворотные заслонки, шиберы и краны, задвижки. В нефтегазовой промышленности регулирующие органы часто называют также трубопроводной арматурой, поэтому далее будут использоваться оба этих термина. Запорные устройства используются для полного перекрывания потока жидкости или газа. Есть два положения РО: пропускает поток внутренней среды и не пропускает поток внутренней среды. Регулирующие устройства довольно часто они регулируют параметры потока но могут полностью перекрыть его. Существуют также так называемые запорно-регулирующие устройства, в которых крайние положения РО соответствуют запорным, а промежуточные положения соответствуют регулирующим. Предохранительная арматура – арматура, предназначенная для автоматической защиты оборудования и трубопроводов от недопустимых значений рабочей среды посредством сброса избытка рабочей среды, так называемого массоотвода. В качестве примера наиболее широкое распространение получили пружинные предохранительные клапаны прямого действия, конструктивно простые и не требующие специальной регулировки. 76 Существует также защитная арматура, также предназначенная для защиты технологических систем от аварийных ситуаций. По своему назначению предохранительной: оба вида защитная арматура очень близка должны защищать оборудование к от недопустимых значений рабочей среды, не давая развиться серьёзным авариям. Главное их отличие – в принципе действия. Если предохранительная арматура открывается, обеспечивая массотвод и снижение параметров системы за счёт этого, то защитная – закрывается, отключая защищаемый участок системы или единицу оборудования. Наибольшее распространение получили обратные клапаны, предотвращающие изменение направления потока среды вследствие нештатных ситуаций. Основных типов арматуры всего четыре: задвижка, клапан, кран, дисковый затвор. направлением Принадлежность перемещения к каждому запирающего из них определяется или регулирующего элемента относительно потока рабочей среды. Тип арматуры, у которой регулирующий элемент перемещается перпендикулярно к оси потока рабочей среды, называется задвижка. Задвижки в зависимости от конструкции седла и затвора бывают шиберными и клиновыми. а) б) Рисунок 2.61 – Задвижки: а – шиберная, б – клиновая В шиберных задвижках перемещающийся перпендикулярно движению потока рабочей среды шибер открывает и закрывает проходное отверстие. 77 Такие задвижки используются преимущественно на загрязненных средах (например, с механическими примесями). В клиновых задвижках сёдла в корпусе расположены под небольшим углом друг к другу, а затвор представляет собой устройство в виде клина, который в положении «закрыто» плотно входит в пространство между сёдлами. Особенностью задвижек являются малое гидравлическое сопротивление, большое усилие на привод затвора, медленное срабатывание, а при загрязненных жидкостях – износ поверхности седла. Задвижки гораздо лучше справляются с ролью запорной арматуры, нежели регулирующей. Регулирующие клапаны – наиболее часто применяющийся тип регулирующей арматуры как для непрерывного (аналогового), так и для дискретного регулирования расхода и давления за счёт изменения расхода среды через проходное сечение клапана. Они применяются для регулирования расходов жидкостей, паров и газов при любых параметрах среды. В клапанах запирающий или регулирующий элемент перемещается параллельно оси потока рабочей среды. Рисунок 2.62 – Клапаны В седельном регулирующем клапане усилие от привода с помощью штока передается на затвор, состоящий из плунжера и седла. Плунжер перекрывает часть проходного сечения, что приводит к уменьшению расхода через клапан. Затвор клеточных клапанов выполняется в виде полого цилиндра, 78 который перемещается устройством и, внутри клетки, одновременно, седлом в являющейся корпусе. В направляющим клетке имеются радиальные отверстия (перфорация), позволяющие регулировать расход среды. Клеточные клапаны за счёт своей конструкции позволяют снизить шум, вибрацию и кавитацию (т.е. процесс образования и последующего схлопывания пузырьков в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами). Клапаны обладают быстрым срабатыванием, значительным гидравлическим сопротивлением, высокой герметичностью. Клапаны входят в конструкцию большинства регуляторов прямого действия, а также выполняют роль предохранительных и защитных устройств. Кран (от нидерл. kraan – «журавль») – тип трубопроводной арматуры, у которого запирающий или регулирующий элемент, имеющий форму тела вращения (чаще всего шара) или его части, поворачивается вокруг собственной оси, произвольно расположенной по отношению к направлению потока рабочей среды. Шаровые краны представлять собой запорные или регулирующие устройства и предназначены для работы с газообразными и жидкими средами, в том числе вязкими или загрязнёнными. Они широко используются на магистральных газопроводах и нефтепроводах. Рисунок 2.63 – Шаровой кран 79 Краны, также, как и клапаны, имеют маленькое время срабатывания. Дисковый затвор запирающий или – тип трубопроводной регулирующий элемент арматуры, имеет в котором форму диска, поворачивающегося вокруг оси, перпендикулярной или расположенной под углом к направлению потока рабочей среды. При этом ось вращения диска может являться его собственной осью (осевые дисковые затворы) или же не совпадать с осью (эксцентриковые дисковые затворы). Рисунок 2.64 – Дисковый затвор Также эти устройства называются заслонками, поворотными затворами и др. Наиболее часто такая арматура применяется при больших диаметрах трубопроводов, малых давлениях среды и пониженных требованиях к герметичности рабочего органа, в основном в качестве запорной арматуры. В связи с некоторой схожестью формы затвора с бабочкой, в англоязычной литературе такие затворы часто называют butterfly valve. Дисковый затвор имеет малое усилие на приводе затвора, маленькое гидравлическое сопротивление и малое время срабатывания. Клапаны предохранительные пружинные предназначены для защиты оборудования от недопустимого превышения установленного давления. Применяются в резервуарах, котлах, емкостях, сосудах и трубопроводах для автоматического сброса рабочей среды в атмосферу или отводящий трубопровод. Усилие сжатой пружины прижимает запирающий элемент (золотник) к 80 седлу, перекрывая проходное сечение. При превышении давления рабочей среды сверх установлен- ной величины на золотник действует сила, которая сжимает пружину и открывает проход для сброса рабочей среды. После снижения давления до нужного предела предохранительный клапан прекращает сброс среды. Рисунок 2.65 – Предохранительный пружинный клапан В защитном обратном клапане запорный элемент (затвор) под напором рабочей среды находится в открытом состоянии. Как только давление рабочей среды опускается до нулевой отметки, или начинается движение потока в обратную сторону, затвор захлопывается. Обратный клапан может иметь в своем составе пружины, которые предназначены лишь для преодоления сил трения для более плотной посадки запорного элемента на седло. Так как пружины приводят к увеличению перепада давления на клапане при прохождении потока в прямом направлении, то жесткость пружин обычно выбирают минимальной. 81 Рисунок 2.66 – Защитный обратный клапан В заключении необходимо упомянуть и о такой разновидности защитной арматуры как отсечной клапан, часто используемой в системах противоаварийной защиты. При возникновении аварийной ситуации возникает необходимость быстрого отключения агрегата, трубопровода или его участка от общей системы, для этой цели служит отсечная арматура. В отличие от другой защитной арматуры, отсечная действует не непосредственно от среды, а с использованием внешних источников энергии по команде от специальных датчиков, а также может быть дистанционно открыта и закрыта персоналом. Рисунок 2.77 – Отсечные клапаны Отсечная арматура представляет собой быстродействующие запорные устройства, клапаны или задвижки, снабженные пневматическими или 82 электрическими приводами. Довольно часто применяются быстродействующие отсечные клапаны и задвижки с пневматическим поршневым приводом, так как этот тип привода способен создавать большие усилия закрытия, жёстко фиксировать положение рабочего органа в состоянии «закрыто» и отличается быстродействием — приводы этого типа могут закрыть клапан или задвижку очень большого размера за несколько секунд. 2.1.5.2 Исполнительные механизмы Рассмотрим типы исполнительных механизмов (ИМ) исполнительных устройств. Они подразделяются на электрические, пневматические и гидравлические. В электрических ИМ для управления РО используется электрическая энергия. Электрические ИМ подразделяются на электродвигательные и электромагнитные (соленоидные). В пневматических ИМ перестановочное усилие создается за счет действия давления сжатого воздуха на мембрану, поршень или лопасть. В соответствии с этим различаются мембранные, поршневые и лопастные исполнительные механизмы. В гидравлических ИМ используется энергия жидкости, находящейся под давлением. В гидравлических системах автоматики применяют поршневые гидроприводы. Электрические исполнительные механизмы (электроприводы) являются наиболее распространенным классом ИМ. Этому способствуют многочисленные достоинства, связанные с простотой преобразования электрической энергии в механическую энергию перемещения регулирующих органов. Соленоидные ИМ работают в схемах двухпозиционного регулирования. 83 Рисунок 2.78 – Соленоидные исполнительные механизмы Они состоят из обмотки и якоря, связанного со штоком регулирующего органа. Ток проходит через обмотку, катушка становится электромагнитом. Якорь притягивается электромагнитом и перемещается внутрь катушки, вызывая перемещение штока. Когда ток отключается, якорь возвращается в первоначальную позицию пружиной. Конструкция соленоидных ИМ не позволяет их использование в узлах, которые требуют больших усилий. Так как чтобы генерировать большую силу притяжения, соленоидный исполнительный механизм должен быть чрезвычайно больших размеров. В наиболее распространенных электродвигательных исполнительных механизмах используются синхронные, асинхронные электродвигатели или шаговые электродвигатели. При подаче напряжения питания на электродвигатель исполнительного механизма ротор последнего начинает вращаться. Через силовой редуктор с понижающей передачей вращение от электродвигателя передается на выходной вал механизма, при этом благодаря понижающей передаче возможно развить большое усилие на выходном валу механизма. При реверсе электродвигателя выходной вал механизма приходит во вращение в обратном направлении, а при остановке электродвигателя останавливается и выходной вал механизма. 84 Рисунок 2.79 Электродвигательные – Электродвигательный исполнительные исполнительный механизмы механизм изготавливаются прямоходными и поворотными (однооборотными и многооборотными). В прямоходных электроприводах на выходном валу устанавливается механизм преобразования вращательного движения вала электродвигателя в поступательное. Они служат для управления клапанами любых типов. Рисунок 2.80 – Прямоходные электродвигательные исполнительные механизмы Поворотные исполнительные механизмы делятся в свою очередь на однооборотные и многооборотные. В однооборотных ИМ выходной элемент вращается по дуге от 0 до 360°. Они служат для управления шаровыми кранами и поворотными дисковыми затворами. В многооборотных ИМ выходной элемент вращается на угол более 360° и может совершать несколько оборотов. Они служат для управления 85 шиберными и клиновыми задвижками. Рисунок 2.81 – Поворотные электродвигательные исполнительные механизмы Современные, так называемые «интеллектуальные электроприводы» дополнительно могут содержать электронные блоки для управления и самодиагностики, блоки для связи с системами контроля и управления более высокого уровня. Мембранный ИМ состоит из фланцев, мембраны, закрепленной между ними, возвратной пружины, штока и натяжной гайки. Рисунок 2.82 – Мембранные исполнительные механизмы При подаче давления в надмембранную полость мембрана прогибается, перемещая шток вниз, возврат штока в исходное положение осуществляется под действием пружины. Поршневой ИМ очень похож на мембранный. Он состоит из цилиндра, поршня с уплотнительными кольцами, штока, и возвратной пружины. Корпус представляет собой крышки с уплотнениями, стянутыми шпильками. 86 Рисунок 2.83 – Поршневые исполнительные механизмы Пневматические исполнительные механизмы могут быть пружинными (однонаправленного действия) и беспружинными (двунаправленного действия). И те, и другие могут выполняться как с поступательным, так и с вращательным движением штока. В пружинных механизмах давление подводится к одной рабочей полости. Другими словами, перестановочное усилие в одном направлении создается силой давления, а в обратном направлении – силой упругости сжатой пружины. В этих механизмах значительная часть усилия, создаваемого мембраной или поршнем, тратится на сжатие пружины. В беспружинных исполнительных механизмах перестановочное усилие в обоих направлениях создается действием давления, подаваемого то с одной, то с другой стороны мембраны или поршня. В лопастных пневматических ИМ в качестве рабочего элемента используется лопасть, которая перемещается под управляющим давлением в специальной камере. Движение лопасти передается непосредственно на вал регулирующего органа. 87 Рисунок 2.84 – Лопастные пневматические исполнительные механизмы Гидравлические ИМ по конструкции и принципам работы подобны пневматическим. Рисунок 2.85 – Гидравлический исполнительный механизм Также как и пневматические, гидравлические ИМ могут быть однонаправленного и двунаправленного действия. И те, и другие могут выполняться как с поступательным, так и с вращательным движением штока. У гидравлических ИМ однонаправленного действия перемещение поршня осуществляется в одну сторону силой давления рабочей среды, а в другую – усилием пружины. У ИМ двунаправленного действия перемещение поршня при прямом и обратном ходе осуществляется давлением рабочей среды. 88 3 РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 3.1 Принцип построения функциональных схем автоматизации Функциональная схема автоматизации является основным техническим документом, определяющим функциональную структуру и объем автоматизации технологических установок и отдельных агрегатов промышленного объекта. Функциональная схема представляет собой чертеж, на котором схематически (условными обозначениями) изображены: технологическое оборудование, коммуникации, органы управления и средства автоматизации (приборы, регуляторы, вычислительная техника с указанием связи между технологическим оборудованием и элементами автоматики, а также связей между отдельными элементами автоматики). Чтобы прочитать функциональную схему автоматизации, необходимо знать принципы построения систем технологического контроля и условные изображения технологического оборудования, трубопроводов, приборов и средств автоматизации, функциональных связей между отдельными приборами и средствами автоматизации и иметь представление о характере технологического процесса. Приборы и средства автоматизации, электрические устройства и элементы вычислительной техники на функциональных схемах автоматизации показывают в соответствии с действующим ГОСТ 21.404-85/ANSI/ISA55.1-1984. В основу условных обозначений положены буквенные обозначения в сочетании с простыми условными графическими обозначениями. Для всех измерительных преобразователей (датчиков), а также приборов, устанавливаемых по месту (на технологическом трубопроводе, аппарате, полу, колонне, металлоконструкции), принято единое графическое изображение в виде окружности или овала в зависимости от объема вписываемых букв. Тоже обозначение, но разделенное горизонтальной чертой на две половины, соответствует приборам, устанавливаемым на щите или пульте. Исполнительные механизмы изображают квадратиком или кружком с отрезком линии связи. Для получения полного обозначения прибора или средства автоматизации в его графическое условное изображение в виде круга вписывают буквенное условное обозначение, которое определяет назначение, выполняемые функции, характеристики работы. Все буквенные обозначения построены на буквах латинского алфавита. Первая буква обозначает измеряемую величину, остальные буквы показывают функции прибора. Щиты и пульты систем автоматизации технологических процессов 89 изображают на схемах в виде прямоугольников, размеры которых определяются местом, необходимым для изображения в них условных графических изображений приборов и средств автоматизации, устанавливаемых на них. Функциональные схемы автоматизации могут быть выполнены двумя способами: 1. с изображением щитов и пультов управления-развернутый способ; 2. с изображением автоматизации на технологических схемах вблизи отборных и приемных устройств без построения прямоугольников условно изображающих щиты и пульты-совмещенный способ. 3.2 Условные графические изображения средств автоматизации В настоящее время многие процессы управляются контроллером совместно с программируемыми микропроцессорными контроллерами. Для изображения таких функциональных схем применяют совмещенный способ изображения. Приняты разные системы нумерации средств автоматизации. Наибольшее распространение получила схема нумерации аппаратуры, когда каждому элементу аппаратуры в канале измерения или контуре регулирования присваивается порядковый номер, а каждой составной части комплекта (датчику, регулирующему или измерительному прибору, исполнительному механизму) – буквенный порядковый индекс (а, б, в, г, д и т.д.). Измеряемые технологические параметры: Т – температура; Р – давление; L – уровень; F – расход; Q – концентрация, качество, кислотность; PD – перепад давления. С 2013 года разработан новый ГОСТ 21.208.2013 «Автоматизация технологических процессов», который обязателен к исполнению с 2018 года. Он дополнен новыми обозначениями (измеряемые параметры): A – качество, состав, концентрация; B – горение; Q – количество; U – несколько разнородных измеряемых величин; Приборы и функции, выполняемые прибором: E – чувствительный элемент; G – первичный измерительный преобразователь (ПИП),установленный по месту показывающий; I – вторичный показывающий прибор; 90 R – регистрация показаний; С – регулирование; К – прибор со встроенной станцией управления; Y – преобразование энергии сигнала; YE/P,P/E,E/E – преобразователь; YE/P – электропневмопреобразователь; YP/E – пневмоэлектропреобразователь; А – сигнализация показаний; AH – по максимальному значению; А L – по минимальному значению; FF – соотношение двух расходов; T – бесшкальный прибор с дистанционной передачей показаний; – первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент) для измерения температуры, установленный по месту (ТXК, ТХА, ТПР, ТПП); – прибор для измерения температуры показывающий, установленный по месту; – прибор для измерения температуры показывающий, установленный на щите; – прибор для измерения температуры бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту; – прибор для измерения температуры одноточечный, регистрирующий, установленный на щите (Диск 250, А100, КСП); – регулятор температуры бесшкальный, установленный по месту (ПР 3.31, ПР 3.35); – вторичный регистрирующий прибор показания температуры, установленный на щите в операторной, со встроенной станцией управления (ПВ 10.13); – комплект для измерения температуры регистрирующий, регулирующий, снабженный станцией управления, установленный на щите; – вторичный регистрирующий прибор с индикацией показания температуры с сигнализацией показаний температуры по максимальному и 91 минимальному значению; – электропневмо преобразователь показания температуры; – прибор для измерения уровня показывающий, установленный по месту; – первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент) для измерения уровня, установленный по месту. – прибор для измерения уровня бесшкальный, с дистанционной передачей показаний, установленный по месту; – вторичный регистрирующий прибор показания уровня, установленный на щите в операторной; – вторичный регистрирующий установленный на щите в операторной; прибор показаний уровня, – вторичный регистрирующий прибор показания уровня со встроенной станцией управления, установленный на щите в операторной; – регулятор уровня, установленный на щите в операторной; – вторичный регистрирующий прибор с индикацией показаний уровня с сигнализацией по максимальному значению, установленный на щите в операторной; – электропневмо преобразователь уровня, установленный за щитом в операторной; – первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент) для измерения расхода, установленный по месту(ДК 100); – прибор для измерения расхода показывающий, установленный по месту; – прибор для измерения расхода бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту(13ДД11, ДМПК 100); – вторичный прибор регистрации показаний расхода, установленный на щите в операторной; 92 – вторичный регистрирующий прибор показания расхода со встроенной станцией управления, установленный на щите в операторной – регулятор расхода, установленный на щите в операторной; – вторичный регистрирующий прибор с индикацией показаний расхода с сигнализацией по максимальному значению, установленный на щите в операторной; – электропневмо преобразователь расхода, установленный за щитом в операторной; – первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент) для измерения соотношения расхода, установленный по месту; – прибор для измерения расхода бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту; – вторичный прибор регистрации показаний соотношения расхода, установленный на щите в операторной; – первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент) для измерения давления (разрежения), установленный по месту; – прибор для измерения давления (разрежения) показывающий, установленный по месту; – прибор для измерения давления (разрежения) бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту; – прибор для измерения давления (разрежения) регистрирующий, установленный на щите; – вторичный регистрирующий прибор показания давления со встроенной станцией управления, установленный на щите в операторной (ПВ 10.1Э); – регулятор давления, установленный на щите в операторной; – вторичный регистрирующий прибор с индикацией показаний давления с сигнализацией по максимальному значению, установленный на щите в 93 операторной; – электропневмо преобразователь давления, установленный за щитом в операторной; – первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент) для измерения перепада давления, установленный по месту; – прибор для установленный по месту; измерения перепада давления показывающий, – прибор для измерения перепада давлениябесшкальный дистанционной передачей показаний, установленный по месту; с – пневматический исполнительный механизм; – электрический исполнительный механизм. Контроллеры применяются в автоматизированных системах управления технологическими процессами (ЛСУТП). Описание контроллеров отечественного производства приведено в литературе [3, 8]. 3.3 Совмещенный способ построения функциональных схем Рис 3.1 Функциональная схема регулирования давления в емкости Е-1 с электрическим ИМ со встроенным цифро-аналоговым преобразователем (слева) и с пневматически ИМ (справа). 94 Рис. 3.2 Функциональная схема регулирования уровня и емкости с коррекцией по расходу жидкости, поступающей в емкость с электрическим ИМ со встроенным цифро-аналоговым преобразователем (слева) и с пневматически ИМ (справа). Рис. 3.3 Соотношение расходов двух веществ с электрическим ИМ со встроенным цифроаналоговым преобразователем (слева) и с пневматически ИМ (справа). Рис 3.4 Регулирование соотношения жидкостей на входе в аппарат и выходе из него, с коррекцией по уровню с электрическим ИМ со встроенным цифро-аналоговым преобразователем (слева) и с пневматически ИМ (справа). Рис. 3.5. Функциональная схема регулирования температуры, нагретого потока после печи П с электрическим ИМ со встроенным цифро-аналоговым преобразователем (слева) и с пневматически ИМ (справа) 95 Рис 3.6 АСР давления верха ректификационной колонны с электрическим ИМ со встроенным цифро-аналоговым преобразователем (слева) и с пневматически ИМ (справа) 3.4 Функциональная схема автоматизации, выполненная развернутым способом Такой способ изображения применяют в основном тогда, когда в схеме управления присутствуют средства автоматизации с использованием вторичных приборов и щитов. На рис. 3.7 приведена схема автоматизации колонны ректификации. Температура сырья, поступающего в колонну К-92, стабилизируется одноконтурной АСР (поз. 2). На линии сырья установлена термопара (поз. 2-1), сигнал с которой подается на самопищущий прибор (поз. 2-2) размещенный на щите в операторной. Прибор снабжён пневматическим регулирующим пропорционально-интегрально-дифференциальным устройством, выходной сигнал с которого поступает на исполнительное устройство (поз. 2-3), установленное на линии подачи пара в теплообменник Т-1. Температура верха колонны стабилизируется каскадной двухконтурной АСР расхода с коррекцией по температуре (поз. 8-4). На линии подачи орошения установлено сужающее устройство (поз. 9-1), сигнал с которого подается на прибор с дистанционной пневматической передачей показаний на расстояние (поз. 9-2). Пневматический сигнал поступает на вторичный прибор, установленный на щите в операторной (поз. 9-3), и пневматическое регулирующее устройство (поз. 9-4), выходной сигнал с которого подается на исполнительное устройство (поз 9-5), установленное на линии подачи орошения в верхнюю часть колонны. Температура верха колонны контролируется термопарой (поз. 8-1), сигнал с которой поступает на вторичный прибор с регулирующим устройством. Командный выходной сигнал регулирующего устройства является заданием регулятора расхода (поз. 9-3) Аналогично регулируется температура низа колонны (поз. 5, 6). Уровень колонны К-92 и рефлексной емкости С-2 стабилизируется 96 одноконтурной АСР уровня (поз. 7, 10). Осуществляется контроль расхода сырья и получаемого продукта (поз. 1, 11), контроль разности давления в колонне (поз. 3), контроль качества получаемого продукта (поз. 12). Рис 3.7 Функциональная схема автоматизации колонны ректификации Рис 3.8 Функциональная схема автоматизации колонны ректификации, управляемая ПЛК 97