Центральноукраїнський національний технічний університет Факультет будівництва транспорту та енергетики Кафедра “Електротехнічні системи та енергетичний менеджмент” “Допущено до захисту ” Зав. кафедрою ЕТС та ЕМ к.т.н., професор _______Петро ПЛЄШКОВ “___“ __________2023р. КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА за другим (магістерським) рівнем вищої освіти на тему “Удосконалення процесу гідроочистки палива на базі системи автоматичного керування компресорних установок” Виконала здобувач вищої освіти 2 курсу магістратури, групи ЕНМ-22М ОПП «Енергетичний менеджмент» спеціальності 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» ________________Миронець М.Ю. «____»____________2023р. Керівник роботи к.т.н.., доцент _______Андрій КОТИШ «_____»___________2023р. Рецензент _______________ ________________________ м. Кропивницький Центральноукраїнський національний технічний університет Факультет Будівництва транспорту та енергетики Кафедра електротехнічних систем та енергетичного менеджменту Рівень вищої освіти другий (магістерський) Галузь знань 14 Електрична інженерія Спеціальність 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» Освітньо-професійна програма Енергетичний менеджмент ЗАТВЕРДЖУЮ: Завідувач кафедри _____________ Плєшков П.Г. « » 2023 р. ЗАВДАННЯ НА КВАЛІФІКАЦІЙНУ РОБОТУ ЗА ДРУГИМ (МАГІСТЕРСЬКИМ) РІВНЕМ ВИЩОЇ ОСВІТИ ЗДОБУВАЧА ВИЩОЇ ОСВІТИ Миронець Марії Юріївни . (прізвище, ім’я, по-батькові) 1. Тема роботи (проекту) Удосконалення процесу гідроочистки палива на базі системи автоматичного керування компресорних установок Improvement of the fuel hydrotreatment process based on the automatic control system of compressor units 2. Керівник роботи (проекту) Котиш Андрій Іванович, к.т.н., доцент (прізвище, ім’я, по-батькові, науковий ступінь, вчене звання) 3. Строк подання студентом роботи до захисту . 4. Мета та завдання випускної кваліфікаційної роботи (проекту) Вступ; 1.Опис функціонування компресорної установки комплексу гідроочищення моторного палива; 2.Розробка системи управління компресорними установками; 3.Створення логічної моделі системи управління компресорними установками; 4.Проектування системи автоматичного керування з використанням програмного пакету rational rose; 5.Апаратна та програмна реалізація системи керування компресорною установкою; 6.Економічний розділ 7.Охорона праці; Висновки; Перелік посилань. 5. Консультанти по роботі, із зазначенням розділів роботи Розділ Консультант Підпис, дата Завдання видав Завдання прийняв Охорона праці к.т.н, доц. Іван САВЕЛЕНКО КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН № з/п Назва етапів випускної кваліфікаційної роботи Строк виконання етапів роботи Примітка 1 Вступ 07.10.23 2 Опис функціонування компресорної установки комплексу гідроочищення моторного палива 12.10.23. 3 Розробка системи управління компресорними установками 20.10.23. 4 Створення логічної моделі системи управління компресорними установками 30.10.23. 5 Проектування системи автоматичного керування з використанням програмного пакету rational rose 07.11.23. 6 Апаратна та програмна реалізація системи керування компресорною установкою 12.11.23 7 Економічний розділ 18.11.23 8 Охорона праці 25.11.23 9 Висновки 01.12.23. Дата видачі завдання «____» __________2023 р. Підпис керівника ______________ Завдання прийнято до виконання «____» __________2023 р. Підпис здобувача _______________ 3 АНОТАЦІЯ Кваліфікаційна робота: 112 с.; 36 рис.; 5 табл.; 12 джерел. Миронець М.Ю. Удосконалення процесу гідроочистки палива на базі системи автоматичного керування компресорних установок. 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка», ОПП «Енергетичний менеджмент». Центральноукраїнський національний технічний університет. Кропивницький, 2023 р. Метою кваліфікаційної роботи є розроблення системи автоматичного керування компресорної установки задля удосконалення процесу гідроочистки палива В роботі було проведено детальний аналіз компресорної установки як об'єкта автоматизації. Розроблено макет системи управління на основі структурно-інформаційної моделі поведінки об'єкта. Проведено підбір необхідних апаратних засобів для реалізації системи та розроблено принцип функціонування керуючого середовища. Виконано економічний аналіз ефективності створення та впровадження системи, який показав, що її впровадження вигідне та обґрунтоване. Ключові слова: компресорна установка, система автоматичного керування, гідроочистка палива, електропривод SUMMARY Myronets M.Y. Improvement of the fuel hydrotreatment process based on the automatic control system of compressor units. 141 "Electric power, electrical engineering and electromechanics" ЕРР, "Energy management". Central Ukrainian National Technical University. Kropyvnytskyi, 2023. The purpose of the qualification work is to develop a system of automatic control of the compressor unit in order to improve the fuel hydrotreating process 4 The work carried out a detailed analysis of the compressor unit as an object of automation. A layout of the control system was developed based on the structural information model of the object's behavior. The selection of the necessary hardware for the implementation of the system was carried out and the principle of operation of the control environment was developed. An economic analysis of the effectiveness of the creation and implementation of the system was performed, which showed that its implementation is profitable and justified. Keywords: compressor unit, automatic control system, fuel hydrotreatment, electric drive 5 ЗМІСТ Вступ....................................................................................................................... 7 Розділ 1. Опис функціонування компресорної установки комплексу гідроочищення моторного палива (Л-24/6)........................................................ 9 Розділ 2. Розробка системи управління компресорними установками............ 26 2.1 Структура системи керування........................................................................ 26 2.2 Забезпечення надійності системи ПАЗ......................................................... 29 2.3 Визначення основних завдань синтезу системи керування КУ................. 31 2.4 Тимчасові параметри керування.................................................................... 35 2.5 Особливості характеристик систем керування КУ...................................... 36 Розділ 3. Створення логічної моделі системи управління компресорними установками........................................................................................................... 46 3.1. Аналіз та розробка структурної схеми конструктивних і технологічних елементів механізму руху поршневого компресора.......................................... 46 3.2 Розгляд віброакустичних характеристик отриманої моделі..................................................................................................................... 51 3.3 Моделювання алгоритму керування в програмному пакеті MATHLAB............................................................................................................. 53 3.4 Синтез системи керування приводу компресорної установки................... 54 3.5 Реалізація коригувальних пристроїв на регуляторах................................... 59 Розділ 4. Проектування системи автоматичного керування з використанням програмного пакету rational rose............................................... 62 4.1 Створення протоколу запису......................................................................... 62 4.2 Побудова алгоритму роботи системи............................................................ 68 4.3 Генерація програмного коду.......................................................................... 70 Розділ 5. Апаратна та програмна реалізація системи керування компресорною установкою.................................................................................. 73 5.1 Апаратна реалізація керування КУ............................................................... 73 5.2 Вибір платформи системи керування ........................................................... 73 6 5.3 Вибір мережі керування ................................................................................ 75 5.4 Вибір структури контролера та його складу................................................ 77 5.5 Підсистема вводу-виводу .............................................................................. 79 5.6 Вибір джерела живлення................................................................................ 84 5.7 Функціональний блок MICROMASTER 430................................................ 87 5.8 Запірна арматура системи керування............................................................ 89 5.9 Програмна реалізація для забезпечення контролю та керування............... 90 Розділ 6. Економічний розділ............................................................................... 94 6.1 Шляхи зниження витрат за рахунок впровадження системи автоматизованої системи керування КУ............................................................. 94 6.2 Техніко-економічні показники ефективності від впровадження нової системи автоматизації КУ.................................................................................... 96 Розділ 7. Охорона праці при експлуатації компресорних установок............... 106 Висновки................................................................................................................ 110 Перелік посилань................................................................................................... 111 7 ВСТУП Компресорні машини відіграють ключову роль у багатьох сферах промисловості, таких як хімічна, нафтова, газова, машинобудівна, транспортна, металургійна, геологічна, будівельна, агропромислова сфера. Вони також використовуються у новітніх напрямах техніки і технології, таких як космічна індустрія, робототехніка, виробництво штучного палива і багато іншого. Компресор становить основу будь-якої холодильної або кріогенної установки. Від його ефективності та надійності залежить продуктивність та тривалість служби всього комплексу. Україна та країни східної Європи експлуатують більше 500 тисяч промислових компресорів, які, разом з вентиляторами та насосами, використовують близько 20% загального обсягу виробленої електроенергії у цих країнах. Понад 1 мільйон людей зайнято виробництвом та ремонтом компресорів. Отже, підвищення технічного рівня компресорів і холодильних установок, особливо їхньої ефективності та надійності, має велике значення для національної економіки. В Україні більшість компресорного та холодильного обладнання досить високого віку та вже вимагає заміни частин або модернізації. Тому наразі актуальним завданням є ремонт та оновлення цього обладнання, особливо у великих експлуатованих системах. Замовники часто висувають вимоги щодо зміни параметрів компресора або установки в цілому, одночасно прагнучи підвищити стандарти щодо надійності, безпеки, економічності та екологічних показників. Компресорні установки (КУ) є неодмінною частиною багатьох промислових та громадських комплексів, включаючи хімічні, нафтопереробні, газові, автомобільні та науково-дослідні об'єкти. Їх головне завдання - постійно забезпечувати необхідними газовими сумішами з попередньо визначеними параметрами. Відмова у роботі компресорних установок може призвести до зупинки всього комплексу або, як мінімум, 8 його значної частини, що може завдати великої шкоди. Використання нової системи управління під час модернізації наявних станцій, спрямоване на зниження витрат на обслуговування, збільшення інтервалів міжремонтного періоду та спрощення виявлення неполадок, в результаті підвищує надійність і може призвести до значного економічного виграшу. Компресорні установки потребують постійного контролю з боку технічного персоналу і підтримки оптимальних робочих параметрів основних компонентів. Однак, нестабільність навантаження на ці установки може скорочувати загальний час роботи та інтервали між ремонтами обладнання. Впровадження нових систем управління та виконавчих механізмів дозволило значно покращити показники надійності, можливості проведення ремонтів та економічну вигоду компресорних установок. В основному, використовувалось обладнання, яке пройшло тестування на схожих системах та продемонструвало відмінні характеристики, з удосконаленою базовою платформою модулів, мережевими можливостями та оптимізованими програмними компонентами, що забезпечують прийнятну точність вимірювань. 9 1. ОПИС ФУНКЦІОНУВАННЯ КОМПРЕСОРНОЇ УСТАНОВКИ КОМПЛЕКСУ ГІДРООЧИЩЕННЯ МОТОРНОГО ПАЛИВА (Л-24/6) Компресорна установка є важливим елементом для гідроочищення моторного палива. Використоване обладнання повинне відповідати вимогам екології та безпеки, а головне, бути обґрунтованим для цієї галузі. Система управління дозволяє контролювати компресорну установку, не перевантажуючи всю систему, а лише надаючи звіт про процес. Модульна архітектура комплексу дозволяє замінювати частини обладнання без зупинки системи. Загальна характеристика комплексу Установка гідроочищення Л-24/6 розроблена для вилучення сірчистих сполук із прямогонних дизельних фракцій, що містять до 2,0% сірки, газових фракцій із вмістом до 1,0% сірки, а також бензинових фракцій первинного та вторинного походження з вмістом сірки до 1,0%. Також можливий обробка сумішей первинних і вторинних дизельних фракцій у співвідношенні 1:1 з вмістом до 1,5% сірки (основна сировина) методом цієї установки. Основні реакції каталітичного гідрування У відсутності кисню, під впливом каталізатора та водневмісного газу, нафтопродукти піддаються частковій деструкції, розбиваючись на складові частини, що насичуються воднем. Цей процес призводить до утворення сірководню, води, аміаку, а також граничних або ароматичних вуглеводнів. Гідроочищення включає не лише взаємодію сірки, азоту та кисню, але й такі процеси як гідрокрекінг, насичення олефінів, зменшення кількості нафтенових вуглеводнів, перетворення парафінів у нафтенові за високих температур, гідрування ароматичних вуглеводнів під високим тиском та низькою температурою. Фактори, що впливають на технологічний процес Швидкість реакцій у процесі гідроочищення моторних палив залежить від кількох факторів: - Хімічної природи вихідної сировини. 10 - Фізичних властивостей цієї сировини. - Типу та стану каталізатора. - Парціального тиску водню. - Об'ємної швидкості реакції. - Конструкції реактора, включаючи розподільники газу та сировини. Оскільки швидкість реакції залежить від великої кількості параметрів, кожен з яких взаємопов'язаний, точно оцінити вплив кожного окремо є практично неможливим. Проте, після аналізу цих параметрів, можна виділити основні, які будуть ключовими під час проєктування нашої системи. 1. Температура: Вибір оптимального діапазону температур дозволяє досягти необхідної якості і продовжити безрегенераційний пробіг та загальний термін служби каталізатора. Оптимальний діапазон для насичених каталізаторів – від 320 до 380 °C. Збільшення рівня десульфурації (знесірчення) пропорційно підвищує температуру до певної межі. Кожен тип сировини має свої максимальні температури, після яких швидкість розкладання та насичення ненасичених вуглеводнів збільшується в порівнянні із швидкістю гідрування сірчистих сполук. Це призводить до менш ефективної роботи каталізатора стосовно сірки та сповільнення знесірчення. Це також призводить до збільшення виходу газу, легких продуктів та утворення коксу на каталізаторі, і збільшення витрати водню. Але заниження температури не є вигідним, оскільки це може значно уповільнити процеси знесірчення. 2. Парціальний тиск водню: Підвищення тиску, за умови не зміни інших параметрів, впливає на ступінь конверсії в результаті збільшення парціального тиску водню та вуглеводневої сировини, а також через зміну вмісту рідкого компонента в системах, які перебувають під високим або низьким тиском і температурою, при яких відбувається початок конденсації. 11 Перше явище сприяє збільшенню ступеня конверсії, тоді як друге уповільнює протікання реакції. Підвищення тиску до рівня, коли утворюється рідка фаза через перевищення точки конденсації, при сталій температурі, сповільнює основні реакції процесу. Сильне збільшення тиску також ускладнює виділення водневого газу і збільшує його втрати разом із сухим газом. Різке зниження тиску може пошкодити каталізатор. Зниження тиску без попереднього зниження температури може призвести до утворення відкладень коксу. При зростанні загального тиску в процесі, при незмінних інших умовах, збільшується парціальний тиск водню. Оскільки водень грає важливу роль у реакціях, підвищення його парціального тиску прискорює процеси гідрування. Це сприяє уникненню утворення відкладень коксу на каталізаторі, що в свою чергу сприяє збільшенню тривалості його роботи. Загальний вплив парціального тиску водню включає в себе два основних чинники: - Ефект, що виникає від загального тиску. - Вплив концентрації водню у циркулюючому газі. Вимога до вмісту водню у циркулюючому газі залежить від якості вихідної сировини: чим чистіші фракції, тим менше потрібна концентрація водню для очищення, у той час як крекінгові фракції потребують вищих концентрацій водню. Зменшення концентрації водню в циркуляційному газі трохи зменшує безрегенераційний цикл каталізатора. Відношення "водень: вихідна сировина" в промисловій практиці визначається співвідношенням об'єму водню до об'єму сировини. Економічно доцільно підтримувати це відношення через циркуляцію водневмісного газу, де концентрація водню має великий вплив. 12 Збільшення відношення "циркулюючий газ: сировина" впливає на енергетичні витрати. Зростання швидкості реакцій при збільшенні циркуляції відбувається тільки до певної межі. Опис технологічної схеми комплексу Технологічна схема зазначеного комплексу складається з таких блоків: а) реакторний блок та блок стабілізації першого потоку; б) реакторний блок та блок стабілізації другого потоку; в) блок очищення циркулюючого газу та газу стабілізації й регенерації МЕА (моноетаноламіну). Опис технологічного циклу, у якому бере участь компресорна установка Реакторний блок - 1 потік. Сировина, що походить з сировинного парку у вигляді дизельного палива, подається через трубопровід до сировинних насосів Н-1 і Н-2. Після виходу з цих насосів сировина поступає на панель змішування, де змішується з циркулюючим водневмісним газом (ВВГ). Рівень витрати сировини у трійнику змішування підтримується автоматично завдяки регулятору витрати, який контролює клапан на лінії подачі сировини до щита змішування. Кількість циркулюючого газу, що надходить з викиду компресорів ПК- 1 (2) на щит змішування, регулюється за допомогою показів приладу, який реєструє цей процес. Сигнал про необхідність зменшення витрати циркулюючого водневмісного газу надходить від ОПС для блокування цього процесу. Температура циркулюючого водневмісного газу контролюється системою автоматичного управління (САУ) за допомогою термоперетворювачів, розміщених на лінії всмоктування і нагнітання компресорів ПК-1,2. Тиск на лінії всмоктування компресорів ПК-1,2,3 також регулюється за допомогою САУ, а на лінії нагнітання - за допомогою манометрів. 13 Газосировинна суміш з вузла змішування пройде через теплообмінники Т-1,2,3,4, де вона підігрівається до температури 290°С за рахунок тепла від газопродуктової суміші. Після цього газосировинна суміш надходить до печі П-1, де вона нагрівається до температури реакції, яка коливається в межах 350-425°С. Температура сировини після виходу з печі П-1 регулюється автоматично за допомогою клапанів-регуляторів температури, які встановлені на лініях подачі паливного газу до форсунок. Газосировинна суміш у газорідинній фазі з печі подається до двох послідовних реакторів Р-1 та Р-2. Контроль за температурою у зонах реакції здійснюється за допомогою реєструвальних приладів позначених як TI 1012, TI 1013, TI 1014, TI 1015, які отримують сигнали від двох багатозонних термопар у Р-1 та Р-2. Газопродуктова суміш, яка має температуру в межах 350-425°C, пройшовши останній реактор, направляється через трубний простір теплообмінників Т-4, 3, 2, 1. Після проходження через ці теплообмінники, газопродуктова суміш, яка має температуру близьку до 160°C, потрапляє до АВГ (секції 2, 3, 4, 5, 11, 12, 13, 14), де вона охолоджується до температури 50°C, а потім направляється до сепаратора високого тиску С-1. У сепараторі С-1, де тиск становить до 42 кгс/см2, відбувається розділення гідрогенізату і водневмісного газу. Насичений сірководнем водовмісний газ подається на очищення від сірководню в абсорбер К-4. Після очищення від сірководню, очищений циркулюючий газ, що виходить з верху абсорбера К-4, направляється на щит віддування і далі до сепаратора С-7. Звідти цей газ забирається компресорами ПК-1 (2) і повертається назад на щит змішування. Надлишок циркулюючого водневмісного газу скидається зі щита віддування в паливну мережу заводу або подається на чергові пальники ГФХ. Для зниження різниці тиску між приймом та викидом компресорів ПК- 1 (2), частина циркулюючого водневмісного газу з викиду компресора 14 проходить через кожухотрубний холодильник Х-3. Свіжий водневмісний газ подається з установок 35/11-300, 35/11-600 в лінію циркуляції газу з абсорбера К-4 в сепаратор С-7 або у лінію виходу газопродуктової суміші з АВГ (секції 2, 3, 4, 5, 11, 12, 13, 14) в сепаратор С-1. Окремим трубопроводом у ці ж лінії здійснюється подача "свіжого" водневмісного газу з установки 35/6. Стабільність тиску в системі реакторного блоку забезпечується автоматичним регулятором тиску, клапан якого розташований на лінії очищеного циркулюючого газу з абсорбера К-4 на щит віддування. Загальні відомості про КУ, її склад, призначення окремих вузлів та принципів побудови автоматизованої системи. Стаціонарна компресорна установка включає в себе поршневий крейцкопфний компресор, електродвигун та різноманітні системи для охолодження, змащення, автоматичного керування і захисту. Компресор: Поршневий крейцкопфний компресор може мати опозитне або кутове розташування циліндрів. Його конструкція базується на стандартних параметричних рядах діаметрів циліндрів, що встановлені на заводі- виробнику. Ці ряди включають опозитну базу 4М, а також кутові бази 5П і 2П. Іноді використовуються спеціально розроблені системи, такі як 5ГЦ або 5РЦ, щоб задовольнити конкретні потреби виробництва. Основні складові компресора включають базу, циліндри, систему охолодження і електропривід. База: База компресора складається з стандартизованих компонентів кривошипно-шатунного механізму, таких як колінчастий вал, шатун і крейцкопф, а також рами, блоку для змащення механізму руху і багатоплунжерного насоса. Цей насос використовується для забезпечення змащення циліндрів і ущільнювальних пристроїв штоків. Проте у деяких компресорах змащувальна станція може відсутня. 15 Рама: Рама компресора виготовлена з литого чавуна, має коробчасту форму і внутрішні ребра для підвищення міцності. У верхній частині рами передбачені люки, що герметично закриваються кришками, що дозволяє отримати доступ до внутрішніх елементів механізму. Нижня частина рами виконує роль резервуара для масла. На верхній частині рами розташований показник рівня масла. Для закріплення циліндрів компресора до рами передбачені спеціальні кріпильні елементи. В отворах поперечних ребер рами розташовані чавунні гільзи для крійцкопфів, які служать напрямними елементами. При зносі гільзи можуть бути відремонтовані або замінені новими. Колінчастий вал: Колінчастий вал зроблений зі сталі, виготовлений методом штампування. Він має кривошипи для кріплення шатунів і підтримується роликовими підшипниками. У випадку кутових баз, колінчастий вал може бути однокривошипним, аби забезпечити рівномірність балансування, йому встановлюють противаги. На одному кінці вала розташований ротор електродвигуна, який з'єднаний шпонковим з'єднанням. На протилежному торці вала є квадратний отвір у фланці, який дозволяє виконати провертання вала перед запуском за допомогою рукоятки (в комплекті ЗІП). Інший кінець вала має кріплення для шестерні, що передає обертання масляному насосу в блоку змащення. Крейцкопфи: Крейцкопфи можуть бути виготовлені з чавуну або алюмінію, як литі, так і штамповані, і вони створюються разом з повзунками. З'єднання крейцкопфа зі штоком виконується за допомогою закладної гайки, контргайки і стопорних болтів, які фіксуються. Щодо шатунів, вони з'єднуються з крейцкопфами через пальці. Пальці крейцкопфів: 16 Пальці крейцкопфів – це сталеві деталі, які під час збирання вкладаються в крейцкопф та закріплюються за допомогою пружинних кілець. Шатуни: Шатуни складаються з сталевих штампованих елементів з двотавровим перерізом. Кожен шатун включає кривошипну головку з від'ємною кришкою, нероз'ємну крейцкопфну головку і вкладиші кривошипної головки з антифрикційним шаром із алюмінієвого сплаву. В крейцкопфній головці використовується бронзова втулка, а змащення пальця крейцкопфа проводиться через отвір у шатуні. Кришка кривошипної головки з'єднується зі стрижнем шатуна за допомогою двох шатунних болтів, виготовлених із легованої сталі, і гайок. На голівці кожного шатунного болта вказується його початкова довжина, що дозволяє оцінити залишкове подовження болта під час використання. Циліндри: Залежно від конструкції, компресорні машини можуть бути одно-, дво- або триступеневими, а також мати просту або подвійну дію, або бути з або без вирівнювальної порожниною. Одноступеневі компресори мають циліндри подвійної дії з однаковими діаметрами. У двоступеневих компресорах використовуються циліндри подвійної дії з різними діаметрами. У триступеневих компресорах перший ступінь має циліндр подвійної дії, а циліндри другого і третього ступенів об'єднані в одному блоці, з використанням диференціального поршня і наявністю зрівнювальної порожниною між ступенями. У компресорах з чотириступеневою конфігурацією використовуються два циліндри з диференціальним поршнем та зрівняльною порожниною. В п'ятиступенчастих моделях один ряд містить циліндр з двома ступенями стиснення, а інший - з трьома. У цьому випадку поршень першого ступеня має подвійну дію. 17 У шестиступінчастих компресорах використовуються два циліндри, кожен з трьома ступенями стиснення. Циліндри першого і другого ступенів виготовлені з чавуну і мають охолоджувальні сорочки. У багатоступеневих компресорах циліндри наступних ступенів різняться за матеріалом виготовлення, залежно від робочого газу та потрібного тиску. Більшість з них мають можливість заміни робочих гільз, які зроблені зі спеціального чавуну, що стійкий до зношування. Вони ущільнюються гумовими кільцями по діаметру та паронітовими прокладками по торцю. Клапани, такі як всмоктувальні та нагнітальні, в цих системах зазвичай мають пластинчасту конструкцію та можуть бути самодіючими. Вони закріплюються за допомогою натискної склянки, наполегливих болтів або натискних шпильок, а також ковпачкових гайок. У ступенях високого тиску використовують комбіновані клапани, які об'єднують в собі як всмоктувальні, так і нагнітальні клапани. Ущільнення: Для забезпечення герметичності в компресорах використовують паронітові прокладки для ущільнення циліндрів, кришок клапанів, люків та з'єднань фланців. На ступенях з високим тиском застосовують м'які прокладки, виготовлені з відпаленої міді, для досягнення надійного ущільнення. Поршні: Поршні виготовляють з різних матеріалів, таких як чавун, алюміній або сталь. В одно- та двоступеневих компресорах використовують дискові поршні подвійної дії, тоді як у багатоступеневих - диференціальні. Поршневі кільця: Кільця для поршнів виготовлені з чавуну. У випадку компресорів, де немає змащення циліндрів, використовуються кільця із самозмащувальних композитних матеріалів. Штоки: 18 Виготовляють із вуглецевої сталі з поверхневим ущільненням. Стандартну схему виконання поршневого компресора зображено на рис. 1.1 Рис.1.1 - Стандартна схема виконання поршневого компресора: 1 - головка блока циліндрів; 2 - прокладка головки блоку циліндрів; 3 - блок циліндрів; 4 - шатун; 5 - картер; 6 - передня кришка; 7 - шків; 8 - шарикопідшипник; 9 - манжета ущільнювача; 10 - шпонка; 11 - шайба; 12, 15 - прокладки; 13 - колінчастий вал; 14 - нижня кришка картера; 16 - задня кришка; 17 - ущільнювач; 18 - пружина ущільнювача; 19 - сідло; 20 - нагнітальний клапан; 21 - пружина нагнітального клапана; 19 Основні види приводу компресора Старт виконується через електродвигун, де ротор з'єднаний з валом компресора, а статор закріплений на рамі самого компресора. Залежно від бази компресора, який стискує різні середовища (повітря або різні гази), використовуються різні типи електродвигунів. Наприклад, для повітряних компресорів, що базуються на 4М, може застосовуватися двошвидкісний асинхронний електродвигун А2К 85/24-8/16 з потужністю 160/75 кВт, який працює зі швидкістю обертання 750/375 об/хв (синхронна швидкість) при 380 В та 50 Гц. Старт двигуна відбувається при номінальній напрузі мережі, коли компресор розвантажений. Перемикання обмотки статора відбувається поетапно, щоб змінити частоту обертання на 6 обертів за секунду (або 360 обертів за хвилину). Даний двигун може запускатися двічі підряд на частоту обертання 6,17 обертів за секунду (або 370 обертів за хвилину) з холодного стану або один раз з гарячого. Кількість пусків на годину обмежена п'ятьма, з інтервалом не менше 12 хвилин. Загалом, кількість пусків на рік не може перевищувати 10 000. Дозволяється до 20 змін частоти обертання за годину, але з інтервалом не менше 3 хвилин. Пневматичні компресори на базі 5П включають у себе: Безщітковий синхронний електродвигун моделі БСДКМ 15-21-12200 кВт, зі швидкістю 500 обертів за хвилину, напругою 380 В та частотою 50 Гц; Асинхронний електродвигун АСК 560-12200 кВт, з такою самою швидкістю обертання, напругою та частотою. Пневматичні компресори на базі 2П оснащені наступними електродвигунами: Асинхронний електродвигун моделі АВ2-101-8 потужністю 75 кВт, зі швидкістю обертання 735 об/хв, напругою 380 В та частотою 50 Гц. Газові компресори на базах 4М, 5П, 2П, 5ГЦ відповідають вибухозахищеному стандарту "2ExpllTS" (H4TS-П) і комплектуються 20 електродвигунами, які мають аналогічні технічні характеристики. Всі ці електродвигуни також постачаються з необхідною пусковою апаратурою. Змащування компресорів: Компресори забезпечуються двома окремими системами змащення: Система низького тиску (циркуляційна) призначена для постачання оливи до механізму бази. Система високого тиску призначена для подачі оливи у циліндр. 1. Масло для системи змащення низького тиску подається в нижню частину рами компресора і через фільтр грубого очищення переходить до мастиловсмоктувальної труби. Відтуди його шестерневий насос направляє у блок змащення, далі через напірну трубу до внутрішнього каналу колінчастого вала. Цей внутрішній канал має систему подачі мастила на робочі поверхні кривошипів і шатунів. Щоб уникнути витоку масла на підшипниках колінчастого вала з рами компресора, встановлені спеціальні ущільнювальні пристрої. Для дозаправки масла в раму використовується одна з люкових кришок, а рівень масла контролюється за допомогою мастиловказівника. Для відведення зайвого масла з рами передбачено зливний кран. 2. Система змащення високого тиску приводиться в дію через ведучий валик шестеренкового насоса, який належить до блоку змащення механізму руху. Масло, що пропускається через багатоплунжерний насос, потрапляє до отворів у кришках та гільзах циліндрів, рівномірно розподіляючись по тертях, що забезпечує їх ефективне змащення. У випадку використання компресорів без системи змащення циліндрів високого тиску, не передбачено подачу оливи в циліндри або для ущільнювальних пристроїв, і такі компресори не мають лубрикаторів. Поршні у цих компресорів оснащені опорними та розрізними (з двох половин) кільцями, які виготовлені з самозмащувальних матеріалів на основі фторопласту з різними наповнювачами. 21 У компресорах, що використовуються для стиснення повітря і вологих газів, поршневі кільця зазвичай виготовляють із фторопласту 4К20. У випадку, коли тиск стисненого газу не перевищує 0,8 МПа (8 кгс/см²), можна використовувати матеріал для кілець, відомий як АФГ-80С. Для роботи з осушеними газами використовують фторопласт з графітом і дисульфідом молібдену, такий як АФГМ або ГФЕ-5м. В компресорах, де відсутня система змащення циліндрів, кожен циліндр обладнаний спеціальними заходами для запобігання проникненню мастила з рами. Ці заходи включають в себе використання ліхтаря, масловідбійного ущільнювального пристрою, спеціального засобу для відведення мастила і спеціальних кілець для відведення мастила. Охолодження компресорів: Компресори використовують водяне охолодження з системою, яка передбачає відведення води з компресора та газоохолоджувачів через спеціальні воронки. Важливо, щоб якість води, яка використовується для охолодження, відповідала встановленим вимогам та стандартам. Система автоматики: Система автоматизації призначена для управління, захисту та моніторингу роботи компресорних машин. Вона складається з різних компонентів та враховується в контексті електроприводу, забезпечуючи аварійне вимикання компресорної установки і зупинку привідного електродвигуна залежно від призначення машини для стиснення повітря чи газу. Автоматичне відключення відбувається у наступних випадках: а) Зниження тиску води в системі охолодження компресора; b) Коротке замикання або ушкодження в системі електроприводу та управління; с) Падіння тиску мастила в циркуляційній системі змащення механізму руху; 22 d) Відхилення тиску газу від допустимих значень на лінії всмоктування; е) Підвищення тиску газу понад допустимий рівень після кожного ступеня стиснення; f) Зупинка продування повітрям корпусу електродвигуна; g) Підвищення тиску газу в корпусі компресора вище допустимого рівня. Автоматичне вимкнення електродвигунів компресорів активує світловий і звуковий сигнали. Система автоматики для компресорних машин, що стискають газ, передбачає використання пневматичної передачі показників контрольованих параметрів на релейні пристрої. Максимальна відстань передачі сигналу по пневмотрасі становить 200 метрів. Крім того, системи автоматики мають відмінності у функціональних можливостях та елементній базі залежно від модифікації (релейні, мікроелектронні або мікропроцесорні). Ці системи виготовляються для використання в специфікованих умовах експлуатації відповідно до кліматичних вимог стандарту ДСТУ EN 60529:2018. Контрольно-вимірювальні прилади На різних контрольних точках у компресорній установці розміщені дисплеї для візуального спостереження за роботою. Датчики тиску використовують панелі з рідкокристалічними дисплеями для виведення контрольованих параметрів, які оператори можуть бачити. Терморезистивні датчики можуть також бути обладнані дисплеями та функціональними полями за бажанням замовника. Датчики вібрації та системи моніторингу стану вала компресора не мають власних дисплеїв, але на них є світлові індикатори для відстеження параметрів. 23 Технічні параметри режиму роботи компресорної установки Таблиця 1.1 Показники режиму Найменування показників режиму Одиниця виміру Допустимі межі технологічних параметрів Необхідний клас точності вимірювальних приладів Примітка Тиск масла на ПК-1 кгс/см2 1,20 – 3,00 1,00 Регістр Тиск води на охолодження масла кгс/см2 1,00 – 3,00 1,00 Регістр Температура газу на прийомі ПК-1 0С 110 0,50 Регістр Температура підшипників, не більше ПК-1 0С 65,0 1,00 Регістр Тиск повітря на обдув електродвигуна компресора Мм.вод.ст. 20,0 – 40,0 1,00 Регістр Перепад тиску між прийомом і викидом, не більше 1,80 1,00 Регістр Витрата циркуляційного газу Нм3/час 20000,0 – 40000,0 1,00 Регістр Температура газу на нагнітанні ПК-1 0С 110,0 0,50 Регістр 24 Таблиця 1.2 Коротка характеристика технологічного обладнання Найменування обладнання (тип, найменування апарата, призначення) Номер позиції приладу за схемою, індекс Кількість, шт. Матеріал Технічна характеристика Ресивер азоту високого тиску на прийомі компресорів. Вертикальний, циліндричний апарат, пустотілий, зі сферичними днищами Б-2 1 Ст. 20 Розрахунковий тиск - 64 кгс/см2 Розрахункова температура - 40оС Діаметр - 1000 мм Висота - 4000 мм Обсяг - 4 м3 Сепаратор на прийомі ПК. Горизонтальний, циліндричний, пустотілий апарат зі сферичними днищами С-7 С-5 2 Ст.20 Розрахунковий тиск - 50 кгс/см2 Діаметр -2000 мм Довжина - 7400 мм Об'єм -20м3 Компресор для циркуляції ВСГ ПК-1 3 Збірний Марка 5Г-600-42/60 Витрата -36000м3/год. Тиск на прийомі -42,0кгс/см2 Тиск на викиді -60,0кгс/см2 Потужність ЕД -840,0 кВт Число обертів -168 об/хв. Вик. ВЗГ Холодильник циркуляційного газу. Горизонтальний, цилдиндркожухотрубний апарат, одноходовий по трубному і міжтрубному простору Х-3 Х-4 2 Ст.3 Розрахунковий тиск у корпусі -60 кгс/см2, у трубках - 3 кгс/см2 Температура в корпусі - 60оС, у трубках - 40оС Діаметр корпусу – 425,0 мм Довжина – 6877,0 мм 25 Таблиця 1.3 Перелік блокувань і сигналізації Найменування параметра Найменування обладнання Величина встан.параметра Блокування Сигналізація Операції з відключення, перемикання та іншого впливу Температура газу нагнітання ПК-1 ПК-1 110 0С 120 0С 110 0С Звукова і світлова сигналізація. Вимкнення ЕД компресора ПК-1 Температура підшипників ПК-1 Підшипники 60 0С 65 0С 60 0С Звукова і світлова сигналізація. Вимкнення ЕД компресора ПК-1 Тиск масла до ПК-1 ПК-1 0,150 МПа 0,120 МПа 0,150 МПа Звукова і світлова сигналізація. Заборона пуску Вимкнення ЕД компресора ПК-1 Тиск охолоджувальної води до ПК-1 ПК-1 0,120 МПа 0,10 МПа 0,120 МПа Звукова і світлова сигналізація. Заборона пуску Вимкнення ЕД компресора ПК-1 Тиск повітря під кожухом ПК-1 ПК-1 0,250 МПа 0,20 КПа 0,250 КПа Звукова і світлова сигналізація. Заборона пуску Вимкнення ЕД компресора ПК-1 Перепад тиску на ПК-1 ПК-1 1,80 МПа 2,0 МПа 1,8 МПа Звукова і світлова сигналізація. Вимкнення ЕД компресора ПК-1 Тиск ВСГ на всмоктуванні ПК-1 ПК-1 1,50 МПа 0,50 МПа 1,50 МПа Звукова і світлова сигналізація. Заборона пуску Вимкнення ЕД компресора ПК-1 26 2. РОЗРОБКА СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ КОМПРЕСОРНИМИ УСТАНОВКАМИ Розподілена автоматизована система управління для технологічного процесу компресорної - це сукупність технічних засобів, що служать для контролю та управління цим процесом. Основним технічним засобом цієї системи є багатоконтурний контролер DeltaV із серії M5+. На вищому рівні ця система управління включає в себе операторську станцію, що базується на персональному комп'ютері з використанням програмного забезпечення DeltaV. Основними функціями операторської станції є: відстеження технологічних параметрів, управління процесами, зберігання історії важливих параметрів, активація сповіщень, реєстрація команд та подій оператора, відображення історії параметрів у вигляді графіків, створення технологічних звітів та інших сервісних функцій. 2.1 Структура системи керування Автоматизована система управління технологічним процесом (АСУ ТП) має такі основні завдання: - Контроль і управління в реальному часі процесом стиснення і транспортування газу з метою підтримки його на необхідному рівні. - Забезпечення високого рівня безпеки технологічного процесу. - Постійний аналіз параметрів для виявлення потенційно критичних значень та прогнозування можливих аварій. - Виконання операцій безпечного запуску, зупинки та всіх необхідних перемикань. - Вжиття заходів управління та автоматизованих захистів для уникнення аварійних ситуацій. Ця система управління виконує низку функцій, таких як постійний нагляд за станом і режимами роботи обладнання, сповіщення у випадку 27 відхилення параметрів від норм, віддалене управління механізмами, захист від аварій, розрахунок економічних показників, збереження інформації, створення технологічної документації та повідомлень про аварії. Автоматизована система управління технологічним процесом компресорної установки організована як ієрархічна система контролю та управління, розміщена у центральній операторній. Ця ієрархічна структура має два рівні управління: верхній рівень - оперативно-виробнича служба (ОПС) та нижній рівень - система автоматизованого керування (САУ) технологічними об'єктами. Рівень оперативно-виробничих служб Рівень оперативно-виробничих служб призначений для:  Створення інтерфейсу між людиною та машинами.  Моніторингу та візуалізації стану технологічних об'єктів.  Управління в реальному часі.  Сповіщення про відхилення параметрів від норм.  Віддаленого управління механізмами та приводами.  Реєстрації та зберігання подій та змін параметрів.  Генерації технічних звітів і документів для обліку та звітності. На цьому рівні оперативно-технологічний персонал з використанням апаратно-програмних засобів АСУ ТП забезпечує нагляд за поточним станом і режимами роботи основних та допоміжних технологічних процесів. Також вони впливають на налаштування технологічних параметрів для забезпечення потрібних умов роботи. На рівні системи автоматизованого керування використовуються технічні засоби для автоматичного контролю і управління процесами, підтримки встановлених режимів роботи та захисту устаткування у випадку аварій. Окрім цього, на цьому рівні здійснюється обмін інформацією з вищим рівнем управління. Функції цього рівня включають вимірювання технологічних параметрів, автоматичне керування робочими режимами 28 обладнання, управління виконавчими механізмами та забезпечення безпеки та захисту технологічного обладнання. Система автоматизованого управління технологічним процесом має внутрішню підсистему, яка спеціалізується на автоматичному захисті від аварій (ПАЗ). Ця підсистема призначена для виявлення аварійних ситуацій, коли параметри процесу виходять за межі норми, та автоматично переводить технологічне обладнання у безпечний режим. Робота алгоритмів системи ПАЗ супроводжується активацією світлових та звукових сигналів для оперативно-технологічного персоналу. Основний блок-схему цього процесу можна побачити на рисунку 2.1. Система автоматичного захисту (ПАЗ), функціонально окрема, функціонує в режимі очікування на будь-якому етапі запуску, роботи або зупинки компресора. Це означає, що перехід системи у безпечний режим відбувається навіть у випадку, коли система знаходиться в роботі, при умові перевищення критичного порогу, основні параметри якого подано у таблиці 1.3. З урахуванням складності та динаміки технологічного процесу, особлива увага приділяється надійності функціонування цієї системи. 29 Рис. 2.1 - Логічна схема блока сигналізації та дозволу на пуск компресора ПК-1 2.2 Забезпечення надійності системи ПАЗ Система захисту забезпечує свою надійність за допомогою наступних методів: ЛАМПА TSAHH 1037a TSAHH 1035 PSALL 1083 LSAHH 1120 PSALL 1081 PSALL 1077 PDSAHH 1087 РSALL 1090 Дискрет. сигн. Из MODICON №1 L- T3037 I1&(I2||I 3) K- T3037 I1&(I2||R )) СИРЕНА I1&!I2&I 3 I 1||I2 С И Р ЕН А I1||I2 Та й м ер - ге н ер ат о р К н о п ка « К ви ти р о ва н и е» П ус к ГД О п р о б о ва н и е л ам п , си р ен ы . Разр. на пуск TSAHH 1037 ВПМ 30 - Дублюванням апаратних засобів для забезпечення резервування. - Використанням часової та функціональної надлишковості. - Наявністю систем для діагностики та самодіагностики. - Встановленням захисних порогів для переходу системи у безпечний режим. Для забезпечення постійної роботи системи управління технологічним процесом використовується джерело безперебійного живлення (ДБЖ). Це джерело забезпечує живлення системи до моменту перемикання на інший джерела електроживлення або протягом часу, необхідного для переходу технологічного об'єкта у безпечний режим. У сучасних системах управління технологічними процесами, які працюють у середовищах з підвищеним ризиком вибуху та базуються на електронних засобах контролю й вимірювань, застосування іскробезпечних бар'єрів захисту є критично важливим. Це обумовлено тим, що під час виникнення обривів у колах з вимірювальними сигналами 4-20мА може спостерігатися збільшення напруги у цих колах, що може призвести до потенційно небезпечних ситуацій, включаючи загрозу пожежі. Для запобігання таким ситуаціям, іскробезпечні бар'єри встановлюють поріг спрацьовування на рівні 24В. У випадку перевищення цього рівня напруги в джерелі живлення може виникнути струм витоку у діапазоні 0-4мА, що викликає спрацювання сигналу про нецілісність ланцюга. Щоб уникнути цієї проблеми, у системі контролю обриву в ланцюгу датчиків сигналів 4-20мА можна встановити напругу живлення ланцюга датчика нижче порогу спрацювання іскробезпечних бар'єрів захисту на 0,2- 0,3В. Інший варіант - включити діод послідовно до джерела живлення в ланцюгу. Вибір конкретного діода та схеми підключення може бути здійснений, виходячи з ілюстрації на рисунку 2.2. 31 Рис. 2.2 Електрообладнання САУ КУ повинно відповідати вимогам "Правил улаштування електроустановок", "Правил техніки безпеки під час експлуатації електроустановок до 1000В", ДСТУ12.2.007.0 і ДСТУ12.2.007.1. Обладнання САУ КУ повинно бути забезпечено спеціальними болтами для підключення системи заземлення. Сигнальні кольори, розміри, форма та колір знаків безпеки мають відповідати ГОСТ 12-4.026. 2.3 Визначення основних завдань синтезу системи керування КУ Згідно з параметрами режиму роботи з таблиці 1.1, основні завдання управління КУ можна виокремити. Для спрощення логічної схеми системи керування весь процес було розділено на функціональні модулі. У кожному з цих модулів відбуваються власні операції та зберігаються нормативні значення технологічних параметрів. Головна мета усього цього циклу роботи - дотримання встановлених режимів перемикання між цими модулями. Розглянемо кожен із них окремо. 1 Алгоритм пуску компресора Алгоритм "Пуску компресора" передбачає виконання усіх необхідних процедур підготовки до запуску, контроль за параметрами та умовами передпускового періоду, а також відправку сигналу на "верхній рівень" системи управління компресорною установкою з повідомленням про готовність компресора до пуску: "Компресор готовий до запуску". 32 У разі невідповідності хоча б одного параметра чи умови вимогам передпускового процесу, сигнал "Компресор до пуску готовий" не повинен генеруватись. Цей сигнал, який надсилається системою керування компресорною установкою, має бути представлений у вигляді "сухого контакту" на "верхньому рівні", супроводжуваний виведенням на екран комп'ютера напису "Компресор до пуску готовий" на відміну від напису "Підготовка компресора до пуску". 1.1 Сигнал "Компресор готовий до пуску" повинен формуватися в разі виконання наступних передпускових вимог: 1.1.1 Тиск газу на вході в стійку для керування (РТ1), не менше 6,2 кгс/см2; 1.1.2 Тиск масла в напірному колекторі (ВР108), не менше 1,5 кгс/см2; 1.1.3 Температура масла в напірному колекторі (ВК2), не більше чим 4500С. 1.2 В процесі підготовки компресорної установки до пуску система КВП повинна здійснювати пуск основного мастилонасоса при виконанні таких умов: У разі невиконання хоча б однієї з цих умов система КВП не повинна дозволяти пуск мастилонасоса (блокувати пуск мастилонасоса) і повинна виводити на дисплей оператора сигнал "Заборона пуску мастилонасоса за РТ4 менше 1,5 кгс/см2. Вибір основного насоса має здійснюватися шляхом зчитування годин напрацювання кожного із насосів і ввімкнення потоку, що перемикає ланцюги керування маслонасосами (вибір здійснюється тільки в разі непрацюючих маслонасосів). Під час увімкнення маслонасоса на мнемосхемі має запалюватися світлова індикація про його увімкнення. 1.3 Початок пуску компресора визначається за сигналом від САУ компресорної установки у формі "сухого контакту" або при досягненні ротором обертів на рівні 300 обертів за хвилину. Протягом процесу пуску 33 система керування повинна вести контроль за параметрами, які описані у таблиці 1.1, записуючи їх на жорсткий диск комп'ютера та фіксуючи момент початку пуску. Нормальний пуск (без використання тиристорної системи керування електроприводом) відбувається протягом 8-30 секунд з моменту старту до досягнення ротором номінальної частоти обертання. Протягом цього часу програмні уставки для попереджувальної сигналізації та аварійного захисту повинні бути автоматично подвоєні за певними параметрами: - радіальне вібропереміщення шийок ротора (S1B, S1Г, S2B, S2Г); - осьовий зсув (OS1, OS2). 1.4 Закінчення пуску компресорорної установки та вихід її на номінальний режим роботи фіксує система КВП по досягненню частоти обертання ротора (n) 8410 об/хв. Після закінчення операції пуску на дисплей оператора має виводитися наступний напис "Работа компрессора". 1.5 У випадку зриву пуску, коли фіксується початок пуску після досягнення ротором частоти обертання 300 обертів за хвилину, а завершення пуску після досягнення ротором частоти обертання 8412 обертів за хвилину, можливі два сценарії: 1) частота обертання ротора досягла значення 0+/-10 об/хв. Цей факт означає, що сталася зупинка КУ і система КВП певним чином має відреагувати за алгоритмом аварійної зупинки компресора; 2) частота обертання ротора "зависла" між значеннями 0 і 8410 об/хв. Система КВП має відпрацювати за алгоритмом "Пуск компресора", тобто очікувати фіксації закінчення його пуску або аварійної зупинки. 2 Алгоритм нормальної роботи компресора Під час нормальної роботи компресора система КВП здійснює контроль за значеннями параметрів, які вказані у таблиці 1.1, відповідно до встановлених алгоритмів. Вона надає можливість операторові виводити поточні значення будь-якого параметра у вигляді графіка, зокрема групового, 34 а також у формі таблиці з поточними значеннями параметрів за відповідною командою. Кожні 8 (12) годин роботи компресора, система КіПа автоматично зберігає значення контрольованих параметрів у пам'ять жорсткого диска комп'ютера. Під час функціонування компресора, система керування активує резервний маслонасос при зниженні тиску масла у напірному колекторі (ВР108) до рівня 1,4 кгс/см2 і вимикає його при досягненні тиску у ВР108 значення 2,0 кгс/см2. Якщо основний маслонасос вимикається (наприклад, через спрацювання захисту електроприводу від перевантаження), це може бути сигналом для активації резервного маслонасоса. У такому випадку, резервний насос повинен ввімкнутися негайно, щоб уникнути спрацьовування аварійного захисту через низький тиск масла у напірному колекторі. Швидке ввімкнення резервного маслонасоса є критично важливим, щоб забезпечити нормальний рівень тиску масла в системі. При спрацюванні аварійної сигналізації у результаті відхилення кількох параметрів одночасно або послідовно, кожен з цих випадків фіксується у відповідному записі. Коли значення параметра повертається до нормального діапазону, світлова та звукова сигналізація автоматично вимикаються. 3 Алгоритм нормального зупинення компресора Нормальну зупинку компресора, як і пуск, здійснюють незалежно від стану компресора й системи керування вимкненням електроживлення приводу. Початок нормальної зупинки компресора може бути визначений за сигналом від САУ компресорної установки у формі "сухого контакту" або при досягненні 10% зниження обертання ротора від номінального значення, тобто при досягненні значення 7570 об/хв. Під час початку процесу нормальної зупинки уставки для передаварійної сигналізації та аварійного захисту за вібраційними параметрами компресора мають бути подвоєні: 35 радіальним вібропереміщенням шийок ротора (S1B, S1Г, S2B, S2Г) і осьовим зсувом (OS1, OS2). Під час зупинки система керування має контролювати всі параметри згідно таблиці 1.1 із записом їх на жорсткий диск комп'ютера та фіксацією часу зупинки. Запис значень параметрів у пам'ять має припинятися після досягнення нульової частоти обертання ротора (0+/-10 об/хв). Через 5 хвилин після зупинення ротора, працюючий (основний або резервний) маслонасос повинен автоматично відключитися. Процес зупинки компресора можна вважати завершеним, якщо маслонасос відключено, а тиск масла в напірному колекторі (ВР108) має значення 0+/-0,05 кгс/см2. 4 Алгоритм аварійної зупинки компресора Аварійне зупинення компресора може статися з двох причин: 1. За параметрами, які не контролюються системою управління компресором (вони не перебувають за межами норми для компресора). 2. За одним або декількома параметрами, які контролюються системою управління компресором і перевищили межі аварійних уставок (захистів). Аварійне зупинення з першої причини відбувається в точній відповідності із алгоритмом нормального зупинення. У разі спрацьовування аварійного захисту за параметром компресора система керування має видати на "верхній рівень" (САУ установки) сигнал у вигляді "сухого контакту" на аварійне зупинення компресора (на вимкнення живлення ел. привода), увімкнути світлову та звукову сигналізацію в операторському приміщенні... В іншому аварійне зупинення відбувається за алгоритмом нормального зупинення з доповненням під час запису параметрів у пам'ять причини зупинення (із зазначенням параметру, за яким спрацював захист). 2.4 Тимчасові параметри керування Система керування постійно моніторить стан і роботу своїх компонентів, таких як датчики, додаткове обладнання, блоки живлення і інші 36 елементи. У разі необхідності вона виводить відповідну інформацію на дисплей для оператора. Алгоритм самодіагностики системи розробляється з урахуванням функціональних вимог, часових параметрів і враховуючи аспекти безпеки. Частота опитування датчиків повинна становити: - для віброапаратури серії ТХ 3654 - 10000 разів на секунду; - для датчиків тиску Rosemount - не менше як 12 разів на секунду; - длядатчиків температури - не менше як 1 разу на секунду; Частота зміни значень параметрів на дисплеї, у таблиці параметрів й на групових графіках - один раз за секунду. У випадку відмови будь-якого датчика на екрані оператора має відображатися інформація у вигляді таблиці про відмову конкретного датчика, а також активуватися попереджувальна сигналізація (звукова і світлова). 2.5 Особливості характеристик систем керування КУ Головним принципом у регулюванні систем подібного типу є ієрархічна завершеність, або обґрунтоване зіставлення обладнання. Цей підхід дозволяє ігнорувати фактори, які можуть мати суттєвий вплив на систему. Основні критерії цього принципу полягають у розробці системи запуску та підтримки наступних параметрів. 1. Регулювання нагнітачів шляхом зміни частоти обертання Механізм регулювання тиску (напору) та подачі компресора при зміні характеристик мережі показано на рис. 2.3. При необхідності забезпечити стабілізацію тиску до заданого значення при зміні характеристик мережі від 1 до 3 (див. рис. 2.3, а), виконують вимірювання тиску у магістралі та автоматично змінюють частоту обертання компресора (від ω1 до ω2) за допомогою регулятора тиску, щоб підтримати стале значення тиску. Це призводить до зміни характеристик компресора від 1' до 3'. Витрата компресора змінюється від QA до QC. Робочі точки А, В, С на 37 характеристиках компресора 1', 2', 3' відповідають різним опорам магістралі, що відповідають характеристикам мережі 1, 2, 3. При зміні заданого значення Н3 змінюються характеристики і параметри компресора. Рис. 2.3 Компресорні агрегати часто групуються в компресорні станції, де кілька компресорів працює одночасно на одній мережі. Регулювання подачі компресорної станції досягається за допомогою зміни обертової частоти компресорів, які мають різні характеристики, цей процес проілюстровано на рисунку 2.4. Рис. 2.4 38 Якщо потрібно зменшити продуктивність двох компресорів із загальною характеристикою 2 від QA до QA', це можна зробити двома способами: знизити частоту обертання обох компресорів (їхні характеристики стануть 3 та 4, а загальна - 2'), або суттєво зменшити частоту обертання лише одного з компресорів (його характеристика буде 5 за зниженою частотою обертання). Регулювання продуктивності шляхом зміни частоти обертання обох компресорів відповідно до їхніх показників є так само ефективним, як і регулювання частоти обертання одного компресора в його самотній роботі. З погляду економічності, вигідніше використовувати однакову зміну частоти обертання для всіх компресорів, які працюють одночасно. Проте це може призвести до збільшення капітальних витрат на устаткування, особливо коли необхідно обладнати всі агрегати регульованими електроприводами. Тому ефективніше мати лише один агрегат, який може бути регульованим, і використовувати його для більш глибокого регулювання, вимикання окремих компресорів. Багато компресорів, що застосовуються в заводських установках, не потребують регулювання швидкості. Ці компресори використовують асинхронні або синхронні двигуни змінного струму, особливо за потужностями понад 300 кВт. Управління такими двигунами здійснюється за допомогою магнітних або безконтактних пускачів для менших потужностей і стандартних або спеціальних пускових станцій. Ці станції для асинхронних і синхронних двигунів можуть використовувати прямий, реакторний або автотрансформаторний методи пуску. 2. Спільна робота нагнітачів Технологічні схеми подачі часто включають кілька нагнітачів з ряду причин: - Один нагнітач не завжди здатний забезпечити потрібний рівень подачі або тиску, і заміна на більш потужний неможлива. 39 - У процесі роботи, згідно з вимогами технологічного процесу, можуть змінюватися умови, пов'язані зі зміною витрати і опору мережі. Це може вимагати відключення одного з нагнітачів. - Надійність роботи всієї системи є важливою, тому декілька нагнітачів можуть працювати разом для забезпечення цієї надійності. - Архітектурні особливості будівель можуть створювати складні мережі, для яких оптимальною може бути наявність декількох нагнітачів для ефективного регулювання. Активація нагнітачів для спільної роботи може відбуватися у трьох форматах: паралельним, послідовним і змішаним (комбінованим). 3. Паралельне включення нагнітачів Паралельне включення двох чи більше нагнітачів рекомендується в ситуаціях, коли потрібно збільшити обсяг подачі, а альтернативні методи, такі як збільшення частоти обертання робочого колеса чи розміру нагнітача, не є ефективними через певні обмеження, такі як значний рівень шуму, обмеження конструкції чи планування будівель. Існують три основні схеми паралельного включення нагнітачів: повністю паралельне ввімкнення (рис. 2.5, а) та напівпаралельне включення за схемами, показаними на рис. 2.5, б і в. Рис. 2.5 У точках 1 і 2, тиски, які створюються кожним нагнітачем, є ідентичними, а загальна подача дорівнює сумі подач, що надходять від 40 окремих нагнітачів. Це вказує на необхідність побудови сумарної характеристики паралельно ввімкнених нагнітачів за принципом: при однаковому тиску потрібно додавати значення подачі. На рис. 2.6 показана побудова сумарної характеристики тиску. Це представлення полягає в додаванні абсцис одного нагнітача у кожній точці тиску. При увімкненні мережі, яка складається з двох нагнітачів з характеристикою (1 + 1), робочий режим визначається точкою А. Під час цього режиму сумарна подача нагнітачів становить LA(1+1), а сумарний тиск - Р1(1+1), при цьому Р1(1+1) = РА(1+1), що означає, що тиск, що створює кожен нагнітач під час спільної роботи, дорівнює загальному тиску. Подача кожного нагнітача складає половину загальної і може бути визначена графічно за положенням точки А", L1(1+1) = 0.5LА(1+1) = LA. Коефіцієнт корисної дії (ККД) обох нагнітачів дорівнює ККД кожного з них і визначається перетином ординати, яка проходить через точку А", з характеристикою ККД нагнітача. Перетин цієї ординати з характеристикою потужності визначає витрати потужності кожним нагнітачем. Сумарні витрати потужності дорівнюють сумі потужностей окремих нагнітачів: NA(l+1) = 2N1(1+1). Рис. 2.6 41 При відключенні одного з нагнітачів характеристика мережі змінюється, зростаючи щодо крутості через обмеження площі поперечного перерізу для проходу повітря між точками 1 і 2. Робоча точка зміщується з положення А на положення А' (див. рис. 4.14). У такій ситуації параметри роботи нагнітача стають наступними: L1(1) > L1(1+1), P1(1) < P1(1+1), та N1(1) > N1(1+1). Ця зміна може спричинити перегрівання обмоток електродвигуна. Тому при вимкненні одного з нагнітачів необхідно закрити його індивідуальну ділянку клапаном (щоб уникнути непотрібного протікання газу через різницю тиску Р2 - Р1). Водночас до мережі, де залишився активний нагнітач, потрібно вводити додатковий тиск РШ, так щоб робоча точка перемістилася в положення А". При цьому витрати потужності залишаються на рівні N1(1+1), уникнення перегрівання електродвигуна залишається досягнутим. У разі паралельної роботи нагнітачів, що мають різні характеристики видається доцільним визначати середній ККД цих нагнітачів: 2 22 1 11 2211   LPLP LРLР СР    (2.1) З формули (2.1) випливає, що більш потужніші нагнітачі мають працювати із максимальним ККД, а регулювати витрату в системі доцільніше менш потужними нагнітачами. Розглянутий метод побудови сумарної характеристики нагнітачів можливо застосовувати за будь-якого числа нагнітачів. 4. Послідовне вмикання нагнітачів Послідовне увімкнення двох або більшої кількості нагнітачів використовується у випадку, коли тиск, що створюється одним нагнітачем, недостатній для подолання опору мережі. 42 Під час послідовного ввімкнення нагнітачів однакова кількість газу послідовно проходить через кожен з них, забезпечуючи необхідний тиск для подолання опору мережі. Це призводить до збільшення загального статичного тиску порівняно з сумою статичних тисків, що генерують окремі нагнітачі. Наприклад, у випадку трьох однакових послідовно ввімкнених нагнітачів загальний тиск становить 3P1(1+1+1). Якщо потужніший нагнітач увімкнути після менш потужного, то можлива ситуація, коли подача менш потужного нагнітача перевищить його власні максимальні значення. Це призведе до того, що менш потужний нагнітач стане опором для потужнішого. У такій ситуації, при збереженні напрямку подачі (L > 0), тиск буде відмінним по обидва боки нагнітача, а різниця між цими тисками змінить свій знак. Робота нагнітача відбувається в різних квадрантах: перший - L > 0 і Р > 0, другий - L < 0 і Р > 0, третій - L > 0 і Р < 0. Але робота в III квадранті не можлива, оскільки потік не може повертатися у зворотному напрямку через нагнітач (L < 0), якщо тиск перед ним вищий, ніж за ним. Зазвичай характеристику вимірюють лише в першому квадранті, де нагнітач працює стандартно, оскільки для вимірювання в другому і четвертому квадрантах потрібне спеціальне обладнання. 5. Система керування компресорною установкою із перетворювачем частоти Найбільша перспектива полягає в застосуванні перетворювачів частоти для регулювання роботи компресорів. Ці пристрої дозволяють плавно контролювати оберти електродвигуна компресора, забезпечуючи стабільний тиск у системі при різних рівнях газу, який перекачується. При невеликій витраті газу двигун працює з мінімальною швидкістю, необхідною лише для підтримки потрібного тиску, і ефективно використовує енергію. При збільшенні витрати газу перетворювач підвищує оберти електродвигуна, щоб збільшити продуктивність компресора при збереженні стабільного тиску. 43 Функціональна схема на рисунку 2.7 відображає управління електродвигуном компресора за допомогою перетворювача частоти Micromaster440 від "Siemens". Система отримує вхідні сигнали: бажане значення тиску і реальний тиск, отриманий від датчика тиску, який знаходиться у ланцюзі зворотного зв'язку. Розбіжність між реальним і заданим тиском перетворюється ПІД-регулятором в сигнал для задання частоти перетворювача. Під впливом цього сигналу перетворювач змінює частоту обертання електродвигуна компресора з метою зведення різниці між бажаним і реальним тиском до мінімуму. Рис. 2.7 Ця схема є модульною і має застосування для створення будь якого проєкту, в якому буде реалізовано цей алгоритм керування. Сучасні перетворювачі частоти вміщують в собі програмні можливості, які дозволяють створювати системи керування без необхідності використання додаткового апаратного забезпечення. Вони вбудовують у себе функціонал для виконання порівняння та ПІД-регулювання. Проте у складних системах, що регулюють тиск в системі за допомогою простих засобів реєстрації, може виявитися недостатнім. Тому такий метод 44 регулювання часто поєднують з мікропроцесорними системами керування для досягнення оптимальних результатів. Рис. 2.8 У цій системі керування (рис. 2.8) залучено мікропроцесорну систему та перетворювач частоти, який відповідає за регулювання подачі компресора шляхом зміни його обертової частоти. Функції, які визначають поведінку вхідних і вихідних сигналів, а також ухвалення рішень, визначаються через програмне забезпечення, яке було розроблене та реалізоване в контролері даної системи. Цей контролер відповідає за моніторинг ходу технологічного процесу. Система отримує значення тиску Р через датчик, яке після аналого- цифрового перетворення надходить у вигляді цілочисельних даних (від 0 до 4000) до мікропроцесорної системи управління. Для більш точного керування процесом використовується динамічне математичне моделювання, яке охоплює складні форми аналізу середовища. Система також опрацьовує непрямі змінні, такі як швидкість зміни тиску (vР), що відображає динаміку процесу, і враховує особливості внутрішнього завдання регулювання. Система керування електроприводом компресора використовує сигнал швидкості, що надходить з цифроаналогового перетворювача мікропроцесорної системи. Цей сигнал формує керуючий сигнал для зміни обертової швидкості, яка регулюється цілими числами. Зміна швидкості 45 обертання може мати кілька рівнів у лінгвістичних змінних, що визначаються в залежності від ступеня та складності регулювання динаміки процесу. Основні правила функціонування системи формуються на основі принципів роботи та регулювання. Для аналізу всіх можливих сценаріїв функціонування системи складається таблиця умов, де стовпчики представляють умови одного параметра, рядки - умови іншого параметра, а відповідні висновки заносяться в їх перетини. Таким чином використання частотно-регульованого приводу має додаткові переваги: - Зменшується знос комутаційної апаратури, оскільки відсутні великі пускові струми при увімкненні двигуна компресора. - Оптимізується тиск у пневмомережі, що зменшує витоки стиснутого повітря. - Підвищується термін служби електродвигуна завдяки зниженню навантаження та відсутності важких пускових режимів. 46 3. СТВОРЕННЯ ЛОГІЧНОЇ МОДЕЛІ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ КОМПРЕСОРНИМИ УСТАНОВКАМИ 3.1 Аналіз та розробка структурної схеми конструктивних і технологічних елементів механізму руху поршневого компресора Поршневий компресор належить до складних систем з великою кількістю конструктивних і технологічних елементів, які можуть налічитувати від 104 до 106 одиниць. Один із підходів до проєктування таких складних систем полягає в застосуванні сучасних інформаційних технологій та CALS-методології, яка визначає стандарти взаємодії між суб'єктами на основі концепцій та правил. Використання нових інформаційних технологій призводить до необхідності перегляду звичних підходів до проектування. Отримання лише геометричних чи математичних моделей вже недостатнє. Сьогодні важливо створювати динамічні 3D-моделі, які повністю відображають структуру виробу та його взаємодію з іншим обладнанням. Створення повноцінної електронної моделі продукту є основним завданням CALS-технології. Розробка будь-якої складної системи починається з аналізу її структури та функцій, включаючи всі підсистеми. Для цього використовується сімейство методологій моделювання IDEF, які дозволяють досліджувати структуру, параметри та характеристики об'єктів у моделюванні. В даний час набір методологій IDEF включає різноманітні приватні методики для моделювання систем, що дозволяють вивчати їхні взаємозв'язки та особливості. IDEF0 — це методологія моделювання, яка використовує наочну графічну мову IDEF0 для створення функціональної моделі. Ця модель відображає структуру, процеси та функції системи у вигляді взаємопов'язаних функціональних блоків. Вона також показує потоки інформації та матеріальних об'єктів, які обробляються цими функціями. 47 Використання IDEF0 для моделювання є початковим етапом дослідження будь-якої системи. IDEF1 — це методологія, яка використовується для створення інформаційної моделі, що представляє структуру та зміст потоків інформації всередині системи, необхідних для підтримки її функцій. Ця методологія дозволяє відображати та аналізувати структуру цих потоків і зв'язки між ними. IDEF1X (IDEF1 Extended) - це методологія, спрямована на створення реляційних структур. Вона входить до групи методологій "Сутність- взаємозв'язок" і застосовується для моделювання реляційних баз даних, що пов'язані з системою, що досліджується. IDEF2 - це методологія, спрямована на динамічне моделювання розвитку систем. Вона дозволяє створювати динамічну модель поведінки функцій, інформації та ресурсів системи, які зазнають змін у часі. IDEF3 - це методологія моделювання процесів у системі, спрямована на створення сценаріїв та опис послідовності операцій для кожного процесу. IDEF4 — це методологія об'єктно-орієнтованого проектування та аналізу систем. Вона надає засоби для наочного відображення структури об'єктів і принципів їх взаємодії, що дозволяє аналізувати й оптимізувати складні об'єктно-орієнтовані системи. IDEF5 - це методологія, спрямована на створення онтологій або словників для дослідження складних систем. Шляхом визначення термінів та правил ця методологія дозволяє описати основні концепції системи. Це дає змогу формулювати достовірні висновки про стан системи в певний момент часу, що використовуються для подальшого її розвитку та оптимізації. Системний підхід вимагає розгляду об'єкта як одного цілого, подібного до функціонального блоку зі своїми входами та виходами. Контекст моделі визначає межі процесу та його зв'язки з навколишнім середовищем і іншими процесами, розглядаючи модель процесу як частину загального цілого. В IDEF0-моделі контекст включає визначення єдиної точки зору на об'єкт 48 моделювання, його повний та точний опис, відомий як мета моделі. Контекст системи у IDEF0 відображається через контекстну діаграму, а діаграми більш низького рівня деталізують окремі аспекти системи. USED AT: AUTHOR: Ващенко DATE: REV:PROJECT: СУПК 13.04.2004 08.07.2004 NOTES: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 WORKING DRAFT RECOMMENDED PUBLICATION READER DATE CONTEXT: TOP NODE: TITLE: NUMBER:Механизм движения и уравновешивания ПК A-0 Прямолинейное возвратно-поступательное движение Частично уравновешенные силы и моменты инерции Улучшенные вибро-акустические характеристики Вращательное движение вала приводного двигателя Кривошипно-шатунный механизм Цилиндро-поршневая группа Устройства уравновешивания Нормативно-техническая документация (ГОСТ, ЕСКД и пр.) Тип механизма преобразования движения Методики расчета A0 Механизм движения и уравновешивания ПК Рис. 3.1- Контекстна діаграма механізму руху та врівноваження ПК USED AT: AUTHOR: Ващенко DATE: REV:PROJECT: СУПК 13.04.2004 08.07.2004 NOTES: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 WORKING DRAFT RECOMMENDED PUBLICATION READER DATE CONTEXT: A-0 NODE: TITLE: NUMBER:Механизм движения и уравновешивания ПК A0 Прямолинейное возвратно-поступательное движение Частично уравновешенные силы и моменты инерции Улучшенные вибро-акустические характеристики Вращательное движение вала приводного двигателя Геометрические и кинематические параметры Масса ЦПГ Конструкция механизма уравновешивания Нормативно-техническая документация (ГОСТ, ЕСКД и пр.) Вал коленчатый Методики расчета Маховик Противовес Поршень Цилиндр Шток Крейцкопф Шатун A1 Кривошипно-шатунный механизм A2 Цилиндро-поршневая группа A3 Устройство уравновешивания I1 O1 O2 O3 C1 C3 Рис. 3.2 - Структурно-функціональна діаграма механізму руху та врівноваження ПК 49 Контекстну діаграму механізму руху й врівноваження ПК наведено на рис. 3.1. На рис. 3.2 зображено структурно-функціональну діаграму механізму руху та врівноваження ПК. Методологія IDEF0 базується на процесі декомпозиції, який ґрунтується на об'єктно-орієнтованому підході до розгляду об'єкта проєктування як системи взаємопов'язаних елементів. Отримана під час аналізу інформація представляється у вигляді ієрархічної структури за допомогою графічних діаграм дерева вузлів. За принципами об'єктно-орієнтованого підходу до проектування, важлива глибока декомпозиція структури виробу на рівні конструктивних та технологічних елементів, які ідентифікуються за єдиним набором умовних позначень. Таким чином, пропонується розглянути структурну схему механізму руху та врівноваження поршневого компресора як системи (СУПК). Ця схема виділяє основні функціональні, конструкторські та технологічні елементи, що складають цей компресор. USED AT: AUTHOR: Ващенко DATE: REV:PROJECT: СУПК 13.04.2004 08.07.2004 NOTES: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 WORKING DRAFT RECOMMENDED PUBLICATION READER DATE CONTEXT: A-0 TOP NODE: TITLE: NUMBER:Механизм движения и уравновешивания ПК A0 USED AT: AUTHOR: Ващенко DATE: REV:PROJECT: СУПК 13.04.2004 08.07.2004 NOTES: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 WORKING DRAFT RECOMMENDED PUBLICATION READER DATE CONTEXT: A-0 TOP NODE: TITLE: NUMBER:Механизм движения и уравновешивания ПК A0 A0 Механизм движения и уравновешивания ПК A1 Кривошипно-шатунный механизм A2 Цилиндро-поршневая группа A3 Устройство уравновешивания Вал коленчатый Крейцкопф Шток Шатун Поршень Цилиндр Маховик Противовес Рис. 3.3 - Верхні рівні (0-й - 2-й) діаграми вузлів На найвищому, нульовому рівні (згідно з рис. 3.3), розташований сам поршневий компресор, розглянутий як метасистема. У цій метасистемі виділено три підсистеми першого рівня: кривошипно-шатунний механізм, циліндро-поршнева група та механізм урівноваження. Під час подальшої 50 декомпозиції враховуються підсистеми першого рівня та так далі, при цьому кожна з них розглядається як система на наступному рівні (рис. 3.4). Декомпозиція кожної з підсистем на всіх рівнях дозволила створити діаграму, яка представляє собою структурну схему об'єкта моделювання. На цій діаграмі відображені основні конструктивні та технологічні елементи, а також їхні характеристики. Розроблена схема враховує унікальні особливості конструкції та досить повно описує модельовану систему на рівні конструктивних та технологічних елементів (КЕ та КТ). USED AT: AUTHOR: Ващенко DATE: REV:PROJECT: СУПК 13.04.2004 26.05.2004 NOTES: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 WORKING DRAFT RECOMMENDED PUBLICATION READER DATE CONTEXT: A1.3 NODE: TITLE: NUMBER:Малая головка (крейцкопфная) A1.3.3 USED AT: AUTHOR: Ващенко DATE: REV:PROJECT: СУПК 13.04.2004 26.05.2004 NOTES: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 WORKING DRAFT RECOMMENDED PUBLICATION READER DATE CONTEXT: A1.3 NODE: TITLE: NUMBER:Малая головка (крейцкопфная) A1.3.3 A1.3.3 Малая головка (крейцкопфная) A1.3.3.1 Под шипник A1.3.3.2 О тверстие под подшипник A1.3.3.3 Внешний рад иус A1.3.3.4 Эл емент перехода к телу A1.3.3.1.1 Скол ьжения A1.3.3.1.2 Качения A1.3.3.2.1 Диаметр отверстия под подшипник A1.3.3.2.2 Канавки для отвода масла A1.3.3.1.1.1 Канавки под стопорные кольца поршневого пал ьца A1.3.3.1.1.2 О тверстия под бобышки A1.3.3.1.1.3 Другие A1.3.3.1.2.1 Канавки под стопорные кольца A1.3.3.1.2.2 Другие эл ементы A1.3.3.2.2.1 Тип канавок A1.3.3.2.2.2 Числ о канавок A1.3.3.2.2.3 Диаметр отверстия канавок A1.3.3.2.2.1.1 Прод ол ьные A1.3.3.2.2.1.2 Винтовые Рис 3.4 - Підсистема четвертого рівня Після аналізу отриманої діаграми отримано такі результати: - Створено список основних техніко-економічних характеристик, які відображають різноманітні можливості виконання цього об'єкта. - Розроблено бази даних стандартизованих та уніфікованих деталей, необхідних для проєктування даного поршневого компресора. - Складено перелік даних, які використовуються як вихідні для виконання проектувальних та перевірочних розрахунків. - Визначено перелік необхідних математичних моделей для конструктивних та технологічних елементів для розроблення системи автоматизованого проектування СУПК. 51 3.2 Розгляд віброакустичних характеристик отриманої моделі У машинах даного типу внаслідок зворотно-поступального руху поршня виникають нестаціонарні динамічні впливи, що мають більш складну природу вібраційного стану, у порівнянні з роторними машинами. Це призводить до появи додаткових джерел вібраційного впливу, а саме: неврівноважені сили інерції обертових Fr та поступально рухомих мас FS; момент сил інерції Мі обертових та поступально рухомих мас; перекидний момент Мопр; крутильні коливання колінчастого вала; пульсація тиску газів у циліндрах та міжступеневих комунікаціях; удари елементів рухомого механізму, циліндро-поршневої групи (ЦПГ) й клапанів. Одна з ключових особливостей діагностики поршневих машин полягає у тому, що коливання, спричинені несправностями, додаються до загального вібраційного стану, що виникає від нерівноважності мас. Це вимагає розгляду двох підходів: 1. Аналіз коливань компресора як цілісної системи, що виникають через його нерівноважність. 2. Аналіз вібрації окремих вузлів компресора, що походить від виявлених дефектів. Одна з особливостей роботи поршневих машин - функціонування їх вузлів механізму руху під навантаженням, яке циклічно змінюється. Це призводить до ударів у цих вузлах. Розрахунок швидкості зіткнення та часу виникнення ударних імпульсів для кожного з'єднання дозволяє виявити їх у віброакустичному сигналі. В результаті динамічного аналізу механізму руху поршневого компресора з урахуванням зазорів у рухомих з'єднаннях отримані: 52            S a j a a R j R jj jj q f Q QQ q T q T dt d 1  (3.1) де а - множник, який характеризує реакцію зв'язку; Т - кінетична енергія механічної системи (рухомий механізмкомпресора), і Qj - відповідно узагальнена реактивна та активна сили; fa - рівняння зв'язку контактного руху деталей; R - кількість узагальнених координат. Рис. 3.5 - Схема компресора з контрольними точками вимірювання вібрації: 1-6 - контрольні точки; 1 - фундамент; 2 - електродвигун; 3 - станина компресора. У відносних координатах qj враховувався рух взаємного з'єднання деталей у місцях зазорів та кут повороту колін вала. Зазори враховувалися у вузлах "поршень-циліндр", "черевик крейцкопфа - направляюча" і також у підшипниках ковзання крейцкопфа та шатунного вузла. Уведення в рівняння руху реактивної складової надало змогу описати увесь цикл 53 віброударного режиму роботи механізму за допомогою одних й тих самих залежностей. Під час моделювання для виявлення важливих діагностичних ознак у амплітудному спектрі було встановлено основні характеристики взаємодії між функціональними вузлами: 222 4 )cos( max2 )(     kT T k Tp kP   (3.2) 3.3 Моделювання алгоритму керування в програмному пакеті MATHLAB Були розроблені математичні моделі для проведення розрахункового аналізу різних схем циклів скраплення, включаючи одноступеневі та двоступеневі схеми. Ці моделі були реалізовані для широкого діапазону тисків і температур газу на вході в установку з переробки природного газу: від 3,5 до 5,5 МПа для тиску і від 233 до 288 К для температури. Моделювання динаміки руху компресора з врахуванням зазорів дозволяє визначити силові параметри у вузлах, що потрібні для розрахунків на статичну та втомну міцність. Однак, наукові дослідження показали, що під час ударних моментів сили можуть бути більшими, ніж в моделях без урахування зазорів, навіть у два рази. Крім того, контактний рух деталей призводить до виникнення високочастотних коливань з циклічним навантаженням вузла. Величина реакції періодично змінюється від максимального до мінімального значення. Частота цих коливань залежить від швидкості обертання колін вала, рівнів зазорів у сполученнях механізму та інших факторів тертя. Високочастотні коливання з'являються через ривковий характер руху деталей, спричинений впливом зазорів у підшипниках. Для досягнення оптимальних показників компресорної установки під час адаптації можна ігнорувати високочастотні вібрації, оскільки вони мають малий вплив у порівнянні з режимом номінальної роботи двигуна в сталому режимі. Однак, характеристику настановних ланок визначає співвідношення, 54 нормалізоване до загального рівня взаємодії, відносно опори. Тому, загальну формулу, яка встановлює зв'язок між вхідними вузлами компресора та вихідними параметрами проходження через трубопровід, можна сформулювати таким чином: )12( )( 22   pTpTp Kпп pW ПОПО  (3.3) При наявності системи стабілізації, що управляє як швидкістю, так і струмом якоря двигуна, можна знехтувати динамічними коефіцієнтами опору газу у трубопроводі та впливом поштовхоподібних сигналів на вихідних параметрах. 3.4 Синтез системи керування приводу компресорної установки Необхідно скласти структурні схеми вихідної системи та визначити передавальні функції ланок. Таблиця 3.1 Визначення передавальної функції ланок Назва ланки Передаточна функція Формула Розрахунок Компресор WК(р)= )12( 22  рТрТp К ПОПО ПО  WК(р)= )10054.0009.0( 7.0 2  SSS Ланка ланцюга якора W(р)= )1( 1 pTR ЯЯ WЦЯ(р)= )15.0(100 1 S Механічна частина двигуна W(р)= рсТ R M Я WМЧ(S)= S02.0*10 100 5 Перетворюв ач W(р)= 1рТ К П П WП(S)= 101.0 7 S 55 WИСХ = WП*WЦЯ*WМЧ*WК = 101.0 7 S )15.0(100 1 S S02.0*10 100 5 )10054.0009.0( 7.0 2  SSS = 224 5154.00078.0 00245.0 sss  (3.4) Зробимо перевірку вихідної системи на стійкість, тобто отримаємо графік перехідного процесу (рис. 3.6): Рис.3.6 Графік перехідного процесу З рис. видно, що перехідний процес є таким, що розходиться, отже висновок, вихідна система нестійка й потребує регулювання. Перший контур регулювання Рис.3.7 КТ = 0.1/8 = 0.012 , (3.5) Знайдемо вихідну ПФ 1 контуру 56 WИСХ1(p)=WП*WЦЯ*КТ, (3.6) WИСХ1(р) = 101.0 7 S )15.0(100 1 S 0.012 = )15.0)(101.0( 00084.0  ss , (3.7) Будемо намагатися налаштовувати внутрішній контур на технічний оптимум. При налаштуванні на цей параметр бажана нам передавальна функція має вигляд: Wж1(р)= )102.0(00048.0 1 )102.0(02.0*2*012.0 1 )1(2 1      ррррррK ТТT  (3.8) З іншого боку WЖ1 (р)= Wрег1(р)* Wисх1(р), отже Wрег1(р)= )( )( 1 1 р р W W ИСХ ж (3.9) Wрег1(р)= р p )15.0(8.59523  , (3.10) Виконуємо перевірку. Знайдемо бажану ПФ замкнутої системи 102.0 1 102.00002.0 1 1)101.0(02.0 1 )101.0(02.0 1 1 )101.0(02.0 1 )(1 )( )( 2 1 1 1              ррр рр рр рр р р рФ W W ж ж ж (3.11) Знайдемо ПФ замкнутого першого контуру Ф1(S)= WW WW ИСХрег ИСХрег 11 11 *1 *  = 102.00002.0 1 2  рр , (3.12) Для подальших розрахунків приймаємо Ф1(S) ≈ 102.0 1 s , (3.13) Розрахунки виконано правильно, виконується умова: Ф1(S) = ФЖ1 (S). Другий контур регулювання 57 Введемо другий контур регулювання Рис.3.8 К =27.8/8 = 3.5 (3.14) )102.0(02.0 230 02.0*10 100 *5.3* 012.0 1 * 102.0 1 )()()( 51 1 2       рр рр KрWрФKрW СМЧТисх (3.15) Бажана передавальна функція 2 контуру має такий вигляд Wж2(р)= )1(4 1 рTрTk ППC (3.16) Wж2(S)= )102.0(01.0 07.0 SS (3.17) Wрег2(р) 7.1 01.0 02.0 85.0 )( )( 2 2  р р р р W W ИСХ ж (3.18) Знайдемо бажану ПФ замкнутої системи ; 114.00028.0 1 07.0)102.0(01.0 07.0 )102.0(01.0 07.0 1 )102.0(01.0 07.0 )(1 )( )( 2 2 2 2           рррр рр рр р р рФ W W ж ж ж (3.19) Знайдемо ПФ замкнутого першого контуру Ф2(р)=   WW WW ИСХрег ИСХрег 22 22 *1 * 114.00028.0 1 2  рр , (3.20) Ф2(S) ≈ 114.0 1 p (3.21) Третій контур регулювання 58 Введемо третій контур регулювання: Рис.3.9 КД = 8/60 = 0.14 (3.22) 28.0*)10054.0009.0()114.0( 033.0 17.0* 5.3 1 * )10054.0009.0( 7.0 * 114.0 1 )()()( 22 222 1 2       pppр pppр KрWрФKрW ДКСисх (3.23) Бажана передавальна функція 3 контуру має такий вигляд Wж2(р)= )1(8 1 рTрTk ММД , (3.24) Wж2(S)= )102.0(02.0 74.0 SS (3.25) WРЕГ3(р) p p p pр р р W W ИСХ ж )10054.0(9.308 033.0*02.0*36.1 28.0*)10054.0( )( )( 2 2     (3.26) Знайдемо бажану ПФ замкнутої системи ; 102.0 37 74.0)102.0(02.0 74.0 )102.0(02.0 74.0 1 )102.0(02.0 74.0 )(1 )( )( 2 3 3 3           рррр рр рр р р рФ W W ж ж ж (3.27) Знайдемо ПФ замкнутого першого контуру Ф2(р)=   WW WW ИСХрег ИСХрег 22 22 *1 * 102.0 37 2  рр , (3.28) Знайдемо ПФ замкненої і розімкнутої системи Wраз=Ф3* ДК 1 )102.0( 6.217 17.0 1 * )102.0( 37     pppp , (3.29) 59 10046.000009.0 1 1 2     ppW W W раз раз зам , (3.30) Перевіримо на стійкість систему, тобто отримаємо наступний графік перехідного процесу (рис. 3.10): Рис.3.10 Графік перехідного процесу З рис. 3.10 видно, що час перехідного процесу дорівнює 0.3 сек, отже, регулятор, що був вище розрахований підходить для даної системи й система є стійкою. 3.5 Реалізація коригувальних пристроїв на регуляторах Через дискретний режим роботи контролера системи керування тепловою помпою, регулятори також повинні мати дискретне представлення (застосування Тустена або Z-перетворення). Існують різні методи створення цифрових регуляторів, які базуються на Z-перетворенні і теорії простору станів. Ці методи використовуються в особливо точних системах управління, але вимагають складних математичних перетворень. Давайте розглянемо простіший підхід: спочатку створюємо безперервні регулятори за допомогою відомих методів автоматичного керування для безперервних систем. Потім ми переходимо до цифрового регулятора, який 60 еквівалентний синтезованому аналоговому. Завдання конвертації аналогових регуляторів вирішується шляхом апроксимації передавальної функції даного аналогового регулятора за допомогою дискретної передавальної функції цифрового регулятора. У практичній інженерній роботі найбільш популярною стала апроксимація, отримана через білінійне перетворення або метод Тустена. Згідно з вказаною апроксимацією: 2 1 2 1 T p T p z    ; 1 12    z z T p , (3.31) де Т - інтервал дискретизації за часом Однак, цей метод користуватися тільки у тих випадках, коли інтервал дискретизації за часом для цифрової системи Т малий у порівнянні з найменшою постійною часу системи керування Т. Згідно із теоремою Котельникова - Шеннона безперервний сигнал досить точно може відновлюватися за сукупністю його дискретних значень, якщо Т  0,5 Т.. (3.32) На практиці ж необхідно мати більший коефіцієнт запасу Т ( 0,1 - 0,2 ) Т. (3.33) Період дискретизації (T) визначається як зворотне значення частоти контролера. У даному випадку рекомендується використовувати частоту дискретизації аналого-цифрового перетворювача (АЦП), що складає 48 кГц. Вибір цієї частоти АЦП пов'язаний з важливістю швидкості оброблення інформації, що визначається швидкістю роботи саме АЦП. 0000208.0 48000 1 T , (3.34) Перевіримо дотримання необхідної умови (теорема Котельникова - Шеннона) Т  0,5 Т (3.35) 61 0.00001  0,5*0.02, (3.36) 0.00001  0.01, (3.37) Умова дотримується, отже, тоді період дискретизації обрано правильно. Переводимо у дискретний вигляд. Синтез цифрових регуляторів за допомогою програми MatLab Wрег1(р) = p p 7.5952394.29761  , (3.38) Wрег1(z) = 1 29772979   z z , (3.39) Wрег1(р) = 7.1 , (3.40) Wрег1(z) = 7.1 , (3.41) Wрег3(р) р р 7.30868.1   , (3.42) Wрег3(z) 1 668.1672.1    z z , (3.43) 62 4. ПРОЕКТУВАННЯ СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ З ВИКОРИСТАННЯМ ПРОГРАМНОГО ПАКЕТУ RATIONAL ROSE 4.1 Створення протоколу запису На діаграмі варіантів використання зображено, що оператор визначає режим роботи через вибір варіанту використання "Remote Control". Після цього контролер, отримуючи дані від датчиків, керує пристроями у процесі. Контролер також надсилає інформацію про поточний стан процесу операторові у вигляді "Out info", як показано на діаграмі. Збереження роботи системи у вигляді "Out info" також є частиною представленої діаграми варіантів використання. Print_report To measure Auto_mode_TP Management_executiv e mechanisms Control Remote_control <> Out_inf o <> <> <> <> Alarm_detection Signalization Operetion(AMR) Diagnostic_out_inf o Personal_work Рис. 4.1 - Діаграма варіантів використання 63 Alarm_Controller Pressure_Out_Sensor Pressure_In_Sensor Temperature_bearings _Sensor Pressure_butter_ Sensor Pressure_chill-water_S ensor Pressure_blown_Sensor Gas_In_Valve Chill-water_Out_Valve Butter_Out_Vale Pressure_Refall_SensorVibration_L_Sensor Vibration_H_Sensor Temperature_Moto_Senso r Gas_Out_Valve Blown_Valve Main_controller Pump Moto Freguancy_Device Air_Compressor Oil_Pump Water_Pump Temperature_Butter_ Sensor Baipas_Valv e C_Sensor Рис. 4.2 - Діаграма топології Якщо ми хочемо отримати повне фізичне уявлення системи керування, необхідно врахувати технологічну платформу, на якій вона буде реалізована. Після визначення основних функцій системи ми повинні звернутися до апаратної частини проекту, щоб побудувати діаграму топології (рис. 4.2). Ця діаграма є єдиним засобом візуального відображення системи в цілому, оскільки вона має відобразити всі особливості її реалізації на певній технологічній платформі. Головним пристроєм у системі керування, який має функціональний зв'язок з усіма іншими пристроями і керує ними, є контролер, який відповідає встановленим вимогам до системи, що були визначені раніше. Далі ми визначаємо, як саме пристрої, зображені на діаграмі топології, взаємодіють один з одним. Для цього спочатку класифікуємо пристрої залежно від їх функціональної ролі на такі категорії або класи: - Контролер (Controller) відправляє запити до датчиків та керуючих сигналів до пристроїв, що виконують певні функції. 64 - Клапани (клас Valve) - відкриття та закриття. - Датчик тиску (клас P_Sensor) - виміри тиску. - Пристрій регулювання частоти (клас Frequency_Device) - завдання сигналів струму. - Датчик температури (клас T_Sensor) - виміри температури. - Датчик зміщення (клас C_Sensor) - виміри зміщення вала ротора. - Датчик вібрації (клас V_Sensor) - виміри вібрацій. - Двигун (клас Moto) - загальний клас об'єкта ЕД; - Повітряний компресор (клас Air_Compressor) - загальний клас об'єкта компресор; - Насос (клас Pump) - загальний клас об'єкта насос; - Ресивер (клас Receiver) - загальний клас спускного механізму. Controller2 : Alarm_Control ler Temperature_bearings_S ensor : T_Sensor Pressure_Out_Sens or : P_Sensor Pressure_butter_Sen sor : P_Sensor Chill -water_Out_ Valve : Valve Pressure_blown_Sen sor : P_Sensor Pressure_Refal l_Sen sor : P_Sensor Temperature_Butter_ Sensor : T_Sensor Pressure_In_Sensor : P_Sensor Gas_In_Valve : Valve Frequency_Device : Frequency_Device Pressure_chil l-water_ Sensor : P_Sensor Moto : Moto Butter_Out_Va le : Valve Vibration_L_Sens or : V_Sensor Center_Sensor : C_Sensor Pressure_Ctek_Sensor : P_Sensor Temperature_Moto_ Sensor : T_Sensor Blown_Valve : Valve Gas_Out_Valv e : Valve Baipas_Valve : Valve Ctek_Valve : Valve Vibration_H_Sens or : V_Sensor Compressor : Air_compressor 7: Arrange(int) 8: Get_Param( ) 9: Get_Param( ) 10: Arrange(int)22: Up_Freq( ) 24: Down_Freq( ) 11: Start( ) 23: Stop( ) 12: Arrange(int) 13: Get_Param( ) 14: Get_Param( ) 15: Get_Param( ) 16: Get_Param( ) 17: Get_Param( ) 18: Arrange(int) 19: Arrange(int) 20: Arrange(int) 21: Arrange(int)25: Start( ) 26: Stop( ) 4: Get_Param( ) 1: Get_Pres 5: Get_Param( ) 6: Get_Param( ) 2: Get_Param( ) 3: Get_Param( ) Рис. 4.3 - Діаграма взаємодії об'єктів системи. 65 Після того як зроблено декомпозицію системи (розбиття на класи), можна уявити її як сукупність об'єктів, які взаємодіють, відповідних класів (рис. 4.3). На цій діаграмі нами прийнято такі позначення: Frequency_Device - частотний регулятор електроприводу компресора; Moto - двигун електропривода компресора; Compressor - компресор подачі охолодження; Oil_Pump - маслонасос системи охолодження; Water_Pump - водяний насос подачі системи охолодження; Temperature_Buter_Sensor – датчик температури мастила; Temperature_bearings_Sensor – датчик температури підшипників; Temperature_Moto_Sensor – датчик температури електродвигуна; Pressure_In_Sensor – датчик тиску газу на вході компресора; Pressure_Out_Sensor – датчик тиску газу на виході компресора; Pressure_Refall_Sensor – датчик перепаду тиску; Pressure_butter_Sensor – датчик тиску мастила; Pressure_chill-water_Sensor – датчик тиску охолоджувальної рідини; Pressure_blown_Sensor – датчик тиску обдуву повітря; Pressure_Stek_Sensor – датчик тиску повітря в стійку; Vibration_H_Sensor – горизонтальний датчик вібрації; Vibration_L_Sensor – вертикальний датчик вібрації; Center_Sensor – датчик осьового зсуву; Gas_In_Valve - кран подачі газу на вхід компресора; Gas_Out_Valve - кран викиду газу з компресора; Butter_Out_Vale – клапан зливу мастила; Chill-Water_Out_Valve – клапан зливання охолоджувальної рідини; Stek_Valve – клапан подачі повітря вс тійку; Blow_Valve - клапан подачі повітря на обдув ЕД; Baipas_Valve - байпасний клапан. 66 З діаграми зрозуміло, що контролер надсилає сигнали керування класу Valve для відкриття (Open) або закриття (Close) відповідних клапанів. До датчиків T_Sensor, P_Sensor, V_Sensor, C_Sensor контролер надсилає запити на отримання відповідних параметрів (Get_Param). А щодо об'єктів класу Pump та Compressor, контролер посилає команди на вмикання (Start) або вимикання (Stop). Генератор є функціональним блоком, який встановлює часові послідовності опитування датчиків. Коли контролер отримує сигнал від генератора, він розпочинає опитування датчиків. Після визначення приналежності об'єктів до конкретних класів, ми деталізуємо кожен клас для встановлення характеристик об'єктів у системі. Клас Valve Так як клапани мають виконувати функції відкриття й закриття, клас містить атрибути - State, і два методи: Open() і Close(). Клас Sensor Об'єднує у собі усі вимірювальні пристрої, які за потреби можуть запитати атрибут Param та метод Get_Param. Клас Moto Пристрій має виконувати функції включення і відключення, клас містить атрибути - State, та два методи: (Start) і (Stop). Клас Frequency_Device Пристрій здійснює регулювання частоти обертання електродвигуна, клас містить атрибути m_Freq та два методи: (Up_Freq) і (Down_Freq). Клас Air_Compressor Пристрій має виконувати функції включення й відключення, клас містить атрибути - State, та два методи: (Start) і (Stop). Клас Pump Об'єднує у собі всі насоси, які містять по два методи: (Start) і (Stop) та атрибут - State. Клас Receiver 67 Об'єднує у собі регулювальні органи класу Valve спускання газу. Клас Controller. Повинен містити у собі усі введені оператором параметри технологічного процесу: m_P_Gas_In_min - мінімальний вхідний тиск; m_P_Gas_In_max - максимальний вхідний тиск; m_P_Gas_Out_min - мінімальний вихідний тиск; m_P_Gas_Out_max - максимальний вихідний тиск; m_P_Gas_Defference_max - максимальний перепад тиску; m_T_Gas_Out_max - максимальна температура газу на виході; m_T_Gas_In_max - мінімальна температура газу на вході; m_Freq_max - максимальна частота обертання електодвигуна; m_C_max - максимальне значення зміщення валу; m_Vibr_max - максимальне значення вібрації валу; m_T_ bearing_max - максимальна температура підшипників; m_T_moto_max - максимальна температура електродвигуна; m_T_Oil_max - максимальна температура мастила; m_P_Oil_max - максимальний тиск мастила; m_P_Oil_Reserv_max - максимальний тиск мастила з резерву; m_T_time - час опитування датчиків температури; m_P_time - час опитування датчиків тиску; m_C_time - час опитування датчиків зміщення; m_Vibr_time - час опитування датчиків вібрації; m_P_Water_max - максимальний тиск охолоджуючої води; m_P_Water_min - мінімальний тиск охолоджкючої води; m_P_Air_max - максимальний тиск повітря на обдування; m_P_Air_min - мінімальний т