Регулирование давления газа на ГРП технологического объекта

002. КП.ЗАДАНИЕ .doc

Министерство образования и науки РФ
Государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ковровская государственная технологическая академия
имени В.А.Дегтярева»
СТУДЕНТУ Каширину Анатолию Владимировичу
Регулирование давления газа в ГРП технологического объекта
Срок сдачи студентом законченного проекта .
Исходные данные к проекту см. техническое задание.
Содержание расчётно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов)
1.Цель разработки и назначения
2. Разработка функциональной схемы
3. Разработка системы регулирования
4.Обоснование выбора конструктивных элементов системы
6.Расчет конструктивных показателей
7.Расчет надежности системы
Перечень графического материала (с указанием обязательных чертежей)
)Функциональная схема ГРП-1лА1
)Функциональная схема модернизированного .регулятора давления газа РДНК-400-1л А1
)Модернизированный .регулятор давления газа РДНК-400.Чертеж общего вида-1л А1
)Алгоритм функционирования системы регулирования давления газа -1л А1
)Схема принципиальная аварийной и предупредительной сигнализации ГРП-1л А1
Дата выдачи задания .
Задание принял к исполнению .

002.КП.ТЗ .doc

Министерство образования и науки
Государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«КОВРОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
имени В.А. Дегтярева»
Основание для разработки.
Учебный план по выполнению курсового проектирования.
Цель разработки и проектирования.
Разработать (модернизировать) систему регулирования давления газа в ГРП
Технические требования.
1.Диапазон давлений газа на входе 005-06 МПа;
2. Диапазон настройки выходного давления 2-5 КПа;
3. Диапазон настройки срабатывания автоматического отключающего устройства кПа:
при повышении выходного давления (12-18)Рвых
при понижении выходного давления (02-05)Рвых
4.Пропускная способность при максимальном входном давлении -300 куб.час
5.Неравномерность регулирования не более 10%;
6. Возможность работы круглосуточно.
7.Регулируемая среда –природный газ по ГОСТ 5542-87
Конструктивные требования.
1. Ду присоединительного патрубка:
2. Соединение регулятора давления газа с линией редуцирования –фланцевое по ГОСТ 12820-80
3. Возможность устойчивой работы при температуре от -40 до + 60 гр. С
4. Возможность устойчивой работы при относительной влажности до 95% (
5. Габаритные размеры 515 х 215 х 300 мм.
Требования к сырью и исходным материалам.
1. В конструкции должны максимально применяться материалы смазки краски в соответствии с ГОСТ 5542-87.
2. Номенклатура применяемых сортов и типов материалов должна быть минимальной.
Требования к надёжности и долговечности.
1.Назначенный срок службы не менее 35 лет.
2.Полное техническое обслуживание один раз в 12 месяцев.
3.Технический осмотр один раз в 6 месяцев
4. Вероятность безотказной работы 95% за 1500 часов.
Требования к прочности устойчивости устройства к воздействию внешних факторов.
1. Устройство должно функционировать и сохранять свои параметры при воздействии:
1.1. изменения температуры окружающей среды от -50 до +50 0С;
1.2. влажности 80 % при температуре +25 0С;
Технико-экономические показатели.
1.Изделие должно разрабатываться с максимальным применением стандартизованных и унифицированных сборочных единиц деталей и т.п.
Порядок разработки. Испытаний. Приёмки и окончания работ.
1.Еженедельное выполнение графика разработки курсового проекта.
2.Стадия разработки КД – курсовое проектирование.
3.Окончание работ – защита курсового проекта.

003.Система.ФС.dwg

Система автоматического
регулирования давления газа
Функциональная схема
КП.ПиСАКиУ.200101.03.02.
Функциональная схема

005.Алгоритм.dwg

002.Регулятор давления.Вариант1.dwg

КП.ПиСАКиУ.200101.03.01.
Клапан предохранительный
Регулятор давления газа
Фильтр газовый сетчатый ФС-50
Регулировочная гайка
Мембрана с жестким центром
Сменная пружина настройки
Нажимная гайка для настройки выходного давления
Штуцер для сброса газа в атмосферу
Сменная пружина для настройки выходного давления
Вентиль электромагнитный
Регулятор давления JC 100
Мембрана отключающего устройства
Отключающее устройство
Шток отсечного клапана
Регулятор типа РДНК-400
КП.ПиСАКиУ.200101.03.02.

001.ГРП с автоматизацией.dwg

Регулятор давления типа РДНК-400М
Фильтр газовый сетчатый ФГ-50с
Задвижка автоматическая ИМ-2-120
КП.ПиСАКиУ.200101.03.01.

002.Регулятор давления.Вариант 2 .dwg

Система автоматического
регулирования давления газа
Функциональная схема
КП.ПиСАКиУ.200101.03.02.

004.Система.ЭС.dwg

на модуль управления
на кнопку управления
технологический порт
На датчики присутствия
КП.ПиСАКиУ.200101.03.04.

Приложение.doc

Перечень элементов для схемы электрической
Конденсатор К10-17В 1мкФ ОЖ0.460.172ТУ
Конденсатор К50-29 10мкФ 63В АДПК.673546.002ТУ
Датчик задымленности
Микросхема PIC18F1320-ISO
Микросхема MAX487EESA
Резистор Р1-12-025-1кОм+-5%-А ОЖО.467.169ТУ
Резонатор кварцевый РК-374 8.0 МГц
Конденсатор К10-17В 22пФ ОЖ0.460.172ТУ
Продолжение таблицы 1
Микросхема PIC18F252-ISO
Микросхема MAX232ESA
Микросхема КР293КП3A
Резистор Р1-12-025-390 Ом+-5%-А ОЖО.467.169ТУ

001.ТИТУЛ КП.doc

Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ковровская государственная технологическая академия
имени В.А.Дегтярева»
Кафедра Приборостроения
Пояснительная записка
к курсовому проекту по дисциплине
«ПиСАКиУ» на тему :
Регулирование давления газа в ГРП
технологического объекта
Студент гр. ВП-109 Каширин А.В.
Руководитель Кабаева О.Н.

004.КП.doc

Анализ работы объекта регулирования . . 10
.Регулятор давления газа для ГРП . .. .14
1.Особенности регулирования давления газа ..17
2.ГРП технологического объекта 20
Моделирование объекта регулирования.. .. 20
Конструирование регулятора давления 27
1.Подбор регулятора давления 29
1.1 Критерии выбора регулятора давления . ..32
2.Описание регулятора давления . ..34
3.Расчет мембранно-пружинного исполнительного механизма регулятора 37
4. Передаточные функции элементов регулятора ..43
4.1. Определение зависимости между входом и выходом 44
Расчет показателей надежности .. . 55
Разработка функциональной схемы системы аварийной и предупредительной сигнализации .57
1.Принцип работы системы аварийной и предупредительной сигнализации..60
2. Схема электрическая принципиальная микропроцессорного блока системы аварийной и предупредительной сигнализации 63
Заключение . .. . .. .70
Библиогрфический список . 71
Разработана система регулирования давления газа в ГРП. Произведен выбор прототипа для проектирования регулятора. Произведен расчет конструктивных параметров и условий применения регулятора давления газа.
Разработана система аварийной и предупредительной сигнализаци об изменении параметров давления газа. Система также позволяет контролировать изменение температуры в помещении ГРП а также моменты возникновения пожара и несанкционированного доступа.
The system of regulation of pressure of gas in GRP is developed. The choice of the prototype is made for design of a regulator. Calculation of design data and conditions of application of a regulator of pressure of gas is made.
The system emergency and precautionary сигнализаци about change-нии of parameters of pressure of gas is developed. The system also allows to supervise variation of temperature in GRP as well as instants of occurrence of a fire and not authorized access.
Для снижения давления газа и поддержания его на заданных уровнях в системах газоснабжения предусматриваются газорегуляторные пункты (ГРПШРППГБ) и газорегуляторные установки (ГРУ).
Газорегуляторные пункты (ГРП) и газорегуляторные установки (ГРУ) являются автоматическими устройствами и выполняют следующие функции:
-снижают давление газа поступающего из газопровода до заданной величины;
-поддерживают заданное давление на выходе независимо от потребления газа и его давления перед регуляторными пунктами и установками;
-прекращают подачу газа при повышении или понижении давления после регуляторных пунктов и установок сверх заданных пределов;
-очищают газ от механических примесей;
-производят учет количества газа (объектовые ГРП и ГРУ).
ГРП могут быть сетевыми питающими городскую газораспределительную сеть низкого и среднего давления и объектовыми подающими газ необходимого давления промышленным и коммунальным потребителям.
ГРП состоят из следующих основных узлов: узла регулирования давления газа с предохранительно-запорным клапаном и обводным газопроводом (байпасом) предохранительного сбросного клапана контрольно-измерительных приборов продувочных трубопроводов.
Газ высокого или среднего давления входит в ГРП и поступает в узел регулирования в котором по ходу движения газа располагают: входное отключающее устройство для отключения основной линии; фильтр для очистки газа от различных механических примесей; предохранительный запорный клапан автоматически отключающий подачу газа потребителям в случае выхода из строя регулятора давления газа; регулятор который снижает давление газа независимо от расхода газа потребителями; выходное отключающее устройство
Выходное давление из ГРП контролируется предохранительным запорным клапаном (ПЗК) и предохранительным сбросным клапаном (ПСК). ПЗК контролирует верхний и нижний пределы давления газа а ПСК – только верхний. ПСК настраивается на меньшее давление чем ПЗК поэтому он срабатывает первым.
На ГРС регуляторы давления газа входят в качестве основного оборудования в блок редуцирования который предназначен для снижения высокого входного давления газа Рвх = 12÷75 кгссм2 до низкого выходного Рвых = 3÷12 кгссм2 и автоматического поддержания заданного давления на выходе из узла редуцирования а также для защиты газопровода потребителя от недопустимого повышения давления.
Регуляторы давления газа предназначены для снижения и автоматического поддержания давления газа «после себя» на заданном уровне. Разработка такого регулятора является актуальной задачей.
Газорегуляторные пункты технологических объектов должны обеспечивать:
- измерение расхода газа с коррекцией по температуре и давлению;
- контроль давления газа на входе и выходе ГРП;
- контроль давления газа до и после фильтров;
- контроль давления газа после регуляторов давления;
- сигнализацию падения температуры теплоносителя ниже 70°С;
- сигнализацию падения давления газа менее 50 мм. рт. ст.;
- сигнализацию повышения и понижения давления газа на входе и выходе ГРП;
- сигнализацию нарушения блокировки дверей;
- сигнализацию загазованности отсеков;
- выдачу звукового сигнала аварии в отсек управления.
Целями курсового проекта является модернизация регулятора давления газа поддержания давления газа «после себя» на заданном уровне и создания системы аварийной и предупредительной сигнализации на ГРП технологического объекта.
Анализ объекта регулирования
Регулятор давления — разновидность регулирующей арматуры автоматически действующее автономное устройство служaщее для поддержания постоянного давления газа в трубопроводе. При регулировании давления происходит снижение начального высокого давления на конечное низкое. Это достигается автоматическим изменением степени открытия дросселирующего органа регулятора вследствие чего автоматически изменяется гидравлическое сопротивление проходящему потоку газа.
В зависимости от поддерживаемого давления (расположения контролируемой точки в газопроводе) регуляторы давления разделяют на регуляторы «до себя» и «после себя». В ГРП применяют только регуляторы «после себя».
Газ высокого или среднего давления входит в ГРП и поступает в узел регулирования в котором по ходу движения газа располагают: входное отключающее устройство для отключения основной линии; фильтр для очистки газа от различных механических примесей; предохранительный запорный клапан автоматически отключающий подачу газа потребителям в случае выхода из строя регулятора давления газа; регулятор который снижает давление газа независимо от расхода газа потребителями; выходное отключающее устройство (рисунок 1). Выходное давление из ГРП контролируется предохранительным запорным клапаном (ПЗК) и предохранительным сбросным клапаном (ПСК). ПЗК контролирует верхний и нижний пределы давления газа а ПСК – только верхний. ПСК настраивается на меньшее давление чем ПЗК поэтому он срабатывает первым.
Рисунок 1. Принципиальная схема ГРП
– входное отключающее устройство на основной линии; 2 – фильтр; 3 – диафрагма; 4 – предохранительный запорный клапан; 5 – регулятор давления; 6 – выходное отключающее устройство; 7 – байпас; 8 – герметизирующее устройство (кран) на байпасе; 9 – задвижка на байпасе для регулирования давления; 10 – предохранительный сбросной клапан; 11 – свеча.
Если отказал регулятор давления клапан ПСК сработал а давление в сетях продолжает расти то сработает ПЗК. Он перекроет газопровод перед регулятором давления и прекратит подачу газа потребителям. ПЗК сработает и при недопустимом снижении давления газа которое может произойти при аварии на газопроводе. При устранении аварии ПЗК приводится в рабочее состояние не автоматически а только обслуживающим персоналом.
Клапан ПСК настраивается на давление превышающее регулируемое на 15 %. Верхний предел настройки ПЗК принимают на 25% выше регулируемого давления после ГРП. Нижний предел – минимально допустимое давление газа в сети.
Для бесперебойного снабжения потребителей газом при выходе из строя регулятора давления замене осмотре или ремонте оборудования предусмотрен обводной газопровод (байпас). Регулирование давления газа на байпасе производят вручную. Для этого на байпасе устанавливают последовательно кран и задвижку.
Кран работает в положениях "открыто" – "закрыто" и не может быть использован для регулирования давления. Ручное регулирование давления осуществляется с помощью задвижки.
На ГРП может быть несколько линий редуцирования число которых зависит от расчетного расхода газа и режима его потребления. При наличии двух и более линий байпас обычно не монтируют а во время ремонта одной из них газ поступает через другие линии. В ГРП с входным давлением более 06 МПа и пропускной способностью более 5000 м3ч устройство резервной линии редуцирования вместо байпаса обязательно.
ГРП могут быть одно или двухступенчатыми. В одноступенчатом ГРП входное давление газа редуцируют до выходного в одном регуляторе в двухступенчатом – двумя последовательно установленными регуляторами. При этом регулятор первой ступени компонуют с фильтром и ПЗК регулятор второй ступени фильтра может не иметь. Одноступенчатые схемы ГРП обычно применяют при разности между входным и выходным давлением до 06 МПа при большем перепаде предпочтительнее двухступенчатые схемы редуцирования.
На сетевых ГРП обычно учет газа не производится.
Газорегуляторные пункты выполняются по типовым проектам. Типовые проекты выполнены на базе универсальных регуляторов давления используемых в промышленности.
Для очистки газа на газорегуляторных пунктах устанавливают волосяные и сетчатые фильтры. При условных диаметрах больше 50 мм применяют волосяные фильтры а при диаметрах 50 мм и менее – сетчатые.
Волосяные фильтры выпускают двух модификаций с максимальным давлением до 06 МПа и до 12 МПа. Перепад давления на кассете фильтра не должен превышать 10 кПа. Если он будет больше то необходима очистка фильтра. В условиях эксплуатации перепад давления на фильтре обычно не превышает 3000 5000 Па. Перепад давления контролируется дифманометром ДСП-780 Н.
При перепаде давления на фильтре 5000 Па избыточном давлении перед ним 06 МПа и плотности газа 073 кгм3 пропускная способность его в зависимости от диаметра при нормальных условиях составляет:
) Dу 50 мм Q = 6000 м3ч;
) Dу 100 мм Q = 14750 м3ч;
) Dу 200 мм Q = 38600 м3ч;
Если фильтр используется в условиях отличных от указанных тогда его пропускную способность определяют по формуле
где DР – перепад давления на фильтре;
Р2 – давление на входе в фильтр;
r0 – плотность газа.
Параметры с индексом "Т" относятся к паспортным для данного фильтра при определенных условиях его работы.
Пропускная способность фильтров выбирается из условия. что скорость газа в корпусе не будет превышать 1 мс.
Сетчатые фильтры применяют в шкафных газорегуляторных пунктах (ШРП) на более низкие пропускные способности.
Размеще23322. Регулятор давления газа для ГРП
Регуляторы давления газа предназначены для снижения и автоматического поддержания давления газа «после себя» на заданном уровне.
Автоматический регулятор давления состоит из исполнительного механизма и регулирующего органа. Основной частью исполнительного механизма является чувствительный элемент который сравнивает сигналы задатчика и текущего значения регулируемого давления. Исполнительный механизм преобразует командный сигнал в регулирующее воздействие и в соответствующее перемещение подвижной части регулирующего органа за счет энергии рабочей среды (это может быть энергия газа проходящего через регулятор либо энергия среды от внешнего источника— электрическая сжатого воздуха гидравлическая).
Если перестановочное усилие развиваемое чувствительным элементом регулятора достаточно большое то он сам осуществляет функции управления регулирующим органом. Такие регуляторы называются регуляторами прямого действия. Для достижения необходимой точности регулирования и увеличения перестановочного усилия между чувствительным элементом и регулирующим органом может устанавливаться усилитель— командный прибор (иногда называемый «пилотом»). Измеритель управляет усилителем в котором за счет постороннего воздействия (энергии рабочей среды) создается усилие передающееся на регулирующий орган.
Исходя из закона регулирования положенного в основу работы регуляторы давления бывают астатические статические и изодромные.
В системах газораспределения два первых типа регуляторов получили наибольшее распространение.
В астатических регуляторах на чувствительный элемент (мембрану) действует постоянная сила от груза . Активная (противодействующая) сила— это усиление которое воспринимает мембрана от выходного давления Р. При увеличении отбора газа из сети будет уменьшаться давление Р баланс сил нарушится мембрана пойдет вниз и регулирующий орган откроется.
Такие регуляторы после возмущения приводят регулируемое давление к заданному значению независимо от величины нагрузки и положения регулирующего органа. Равновесие системы может наступить только при заданном значении регулируемого давления причем регулирующий орган может занимать любое положение. Такие регуляторы следует применять на сетях с большим самовыравниванием например в газовых сетях низкого давления достаточно большой емкости.
Регуляторы с жесткой обратной связью называются статическими. При статическом регулировании равновесное значение регулируемого давления всегда отличается от заданной величины и только при номинальной нагрузке фактическое значение становится равным номинальному. В регуляторе груз заменен пружиной— стабилизирующим устройством. Усилие развиваемое пружиной пропорционально ее деформации. Когда мембрана находится в крайнем верхнем положении (регулирующий орган закрыт) пружина приобретает наибольшую степень сжатия и давление Р— максимальное. При полностью открытом регулирующем органе значение давление Р уменьшается до минимального. Статическую характеристику регуляторов выбирают пологой с тем чтобы неравномерность регулятора была небольшой при этом процесс регулирования становится затухающим.
Регуляторы с упругой обратной связью называются изодромными.Регулятор при отклонении регулируемого давления Р сначала переместит регулирующий орган на величину пропорциональную величине отклонения но если при этом давление Р не придет к заданному значению то регулирующий орган будет перемещаться до тех пор пока давление Р не достигнет заданного значения.
По принципу действия регуляторы давления подразделяются на регуляторы непосредственного действия (прямого) и регуляторы непрямого действия причем как первые так и вторые могут быть прерывного и непрерывного действия.
В регуляторе непосредственного или прямого действия регулирующий орган находится под действием регулируемого параметра или прямо или через зависимый параметр и при изменении регулируемого параметра приводится в действие усилием возникающим в чувствительном элементе регулятора и достаточным для перестановки регулирующего органа без какого-либо постороннего источника энергии.В регуляторе непрямого действия (автоматический регулятор) чувствительный элемент воздействует на регулирующий орган посторонним самостоятельным источником энергии которым могут служить воздух газ жидкость и т. п. При изменении величины регулируемого параметра усилие возникающее в чувствительном элементе регулятора приводит в действие лишь вспомогательное устройство.Оба вида регуляторов состоят из регулирующего клапана чувствительного (измерительного) и управляющего элементов.
В регуляторах непосредственного действия чувствительный и управляющий элементы являются составными частями привода регулирующего клапана и неотделимы от него. У регулятора прямого действия чувствительный и управляющий элементы — самостоятельные приборы отделенные от регулирующего клапана. В зависимости от рода нагрузки на мембрану различают три типа регуляторов: с весовой нагрузкой с пружинной и с нагрузкой создаваемой давлением газа.Выбор регуляторов осуществляют на основании: максимального и минимального расходов газа; колебания расхода газа в течение суток; давления газа на входе и допустимых колебаний на выходе; состава газа; места установки регулятора.
но н2.222.1.Особенности регулирования давления газа
Гидраты представляют собой белые кристаллы похожие на плотную снегообразную кристаллическую массу при уплотнении напоминающую лед. Кристаллогидраты состоят из одной или нескольких молекул газа (метана этана и пр. по составу транспортируемого газа см.таблицу 1) и нескольких молекул воды.
Состав транспортируемого товарного газа. Таблица 1.
Наименование параметра
Состав транспортируемого газа
Эмпирическая формула
метан и этан образуют газовые гидраты с формулами и ;
пропан и изобутан образуют гидраты и .
При транспорте газа образуются смешанные гидраты которые являются нестабильными соединениями и при определенных условиях (понижение давления повышение температуры) легко разлагаются на газ и воду.
Для определения зоны возможного гидратообразования необходимо знать давление газа и его температуру после редуцирования. На рисунке 2 представлен график границы гидратообразования от температуры и давления насыщенного парами воды природного газа [4].
Рисунок 2. Зависимость гидратообразования от температуры и давления насыщенного парами воды природного газа
Условия образования гидратов с различной относительной плотностью можно определить по графику [4] на рисунке 3.
Углеводороды характеризуются максимальной температурой выше которой ни при каком повышении давления нельзя вызвать гидратообразование газов. Эта температура называется критической температурой гидратообразования и равна [4] 0С: для метана +215; этана +145; пропана +55; н-бутана +25 ; изобутана +1.
Для практических расчетов снижение температуры в результате дросселирования можно принимать равным 0550С на 1 кгссм2 или определять по графику «температура-энтальпия природного газа» [4].
Рисунок 3. График гидратообразования для природных газов с различной относительной плотностью.
Например газ редуцируют с Рн=54 кгссм2(54 МПа) до 3 кгссм2(3 МПа).
Определить конечную температуру газа tк если начальная температура равна 100С (окружающего воздуха).
Разница давлений ΔР = 54-3 = 51 кгссм2
Снижение температуры при дросселировании :Δt= 51*055=28050С
Конечная температура газа tк = +10-2805= - 18050С.
В качестве методов по предотвращению гидратообразования (обмерзания) в настоящее время применяют:
общий или частичный подогрев газа;
местный обогрев корпусов регуляторов давления;
ввод метанола в коммуникации газопровода.
Наиболее широко применим первый метод второй – менее эффективен третий дорогостоящий.
Основными наиболее распространенными мероприятиями по недопущению обмерзания регуляторов являются:
размещение регуляторов в специальном помещении с обогревом с температурой в помещении не ниже 80С
применение установки подогрева входного газа в зимний период
применение электрического ленточного обогревателя путём обматывания регулятора (местный обогрев)
установка системы подачи метанола в газопровод.
2.ГРП технологического объекта
В следствии необходимости поддержания внутреннего контроля за параметрами ГРП технологического объекта является комплексом оборудованым обособленными входами снаружи и защищеным от доступа посторонних лиц. В технологическом отсеке (категория отсека по взрывопожарной безопасности – А) размещаются:
- узел редуцирования (в т.ч. на собственные нужды);
-узел замера расхода газа;
В отсеке управления размещаются (категория отсека по взрывопожарной безопасности - Д):
-отопительный агрегат с обвязкой;
-узел контроля и автоматического управления технологическими процессами;
-узел аварийно-предупредительной сигнализации;
-рабочее место оператора ГРП.
Отопление отсеков осуществляется радиаторами с подачей теплоносителя от отопительного агрегата размещенного в отсеке управления. Вентиляция отсеков требуемой кратности обеспечивается приточными и вытяжными решетками выполненными в наружных стенах блока.
Блок-модули для газораспределительных пунктов (ГРП) изготавливаются из сэндвич-панелей имеют единую несущую металлическую раму и усиленный металлический каркас. Степень огнестойкости– не ниже III a.
Крепление оборудования и трубопроводов в отсеках осуществляется к раме и элементам каркаса. Перегородки между отсеками а также уплотнения трубных и кабельных проводок – герметичные.
Оборудование средств автоматики ГРП предназначены для работы при следующих условиях:
- питание от промышленной однофазной сети переменного тока 220В и частотой 50 Гц;
- температура окружающего воздуха от +5 до +50°С.
Оборудование должно обеспечивать:
- сигнализацию падения давления газа к котлу менее 50 мм. рт. ст.;
Для коммерческого узла учета расхода газа использован счетчик с электронным корректором который обеспечивает вычисление приведенного к стандартным условиям расхода газа с почасовым архивированием всех измеряемых и расчетных параметров за последние 6 месяцев.
Ввод электроснабжения ~380220В. Учет электроэнергии осуществляется в щите оператора.
Предусмотрены следующие виды освещения:
- рабочее освещение;
- аварийное освещение;
- ремонтное освещение переносными светильниками.
Вентиляция отсеков блок-модуля ГРП общеобменная приточно-вытяжная естественная осуществляется приточными расположенными в нижней части дверей и вытяжными расположенными в верхней части наружных стен жалюзийными решетками. Конструкция количество и расположение решеток обеспечивают трехкратный воздухообмен в технологическом отсеке и отсеке управления. От отопительного аппарата выполнен дымоход с отводом в него продуктов сгорания.
Моделирование объекта регулирования
При моделировании рассматривается процесс транспортировки газа высокового давления по трубопроводу и снижения давления :регулировании.
1. Математическое моделирование и исследование статических режимов
Основные методы создания математических. описания для целей управления - аналитические статистические (регрессионные методы группового учета аргументов);модели на основе нечетких методов.
На основании исследование статических характеристик определяют:
Возможные диапазоны варьирования параметров при управлении;
Возможное число стационарных состояний процесса;
Анализ устойчивости стационарных состояний процесса;
Влияние основных режимных параметров на рабочие области совокупности технологического оборудования и процесса (ТО и П);
Исследование нелинейности коэффициентов усиления и возможности линеаризации статических характеристик и т.д.
2. Построение информационной схемы совокупности технологического оборудования и процесса (ТО и П)
Информационная схема ТО и П - это схема показывающая входные и выходные переменные ТО и П и их связи. Построение информационной схемы возможно на основе математического описания (при разработке новых технологий) или на основе информации по эксплуатации объекта (при модернизации системы управления).
3. Анализ информационной схемы
Выполняется анализ информационной схемы на предмет классификации входных и выходных воздействий на следующие группы:
Возможные возмущающие воздействия;
Возможные управляющие воздействия;
Наиболее целесообразные управляемые переменные;
Осуществляется выбор возможных каналов управления.
4. Математическое описание динамики
Составляется математическое описание динамики объекта по возможным каналам управления.Выполняется исследование динамики возможных каналов управления. Выполняется выбор наиболее целесообразных каналов управления.
Составляется структурная схема системы управления (регулирования).
5.Выбор параметров контроля сигнализации и защиты
Из совокупности целесообразных производится выбор параметров контроля сигнализации и защиты.
6.Определение критерия эффективности
Для производств - это экономические критерии максимизации прибыли или минимизации себестоимости продукции.
Для технологических процессов - это технологические критерии максимизации или максимизации выхода целевого продукта.
Для описания процесса течения в газовой динамике используются четыре уравнения: уравнение движения (закон сохранения импульса) уравнение неразрывности (закон сохранения массы) уравнениесохранения энергии и уравнение состояния.
7.Основные параметры трубопровода как объекта управления.
7.1.Внутренний диаметр d:
где Q –расход м^3с v - скорость потока мс.
7.2.Гидравлическое сопротивление трубопровода:
Dpгс = Dpск + Dpтр + Dpмс (3)
7.3.Потери давления на сообщение потоку скорости:
7.4.Потери давления на преодоление трения потока о стенки трубопровода:
где l = f(Rel) - коэффициент трения.
7.5.Потери давления на преодоление местных сопротивлений:
где xмс - коэффициент местного сопротивления.
7.6.Сопротивление затрачиваемое на подъем на высоту h:
7.7.Дополнительное сопротивление:
7.8.Полное сопротивление:
Математическое описание статики объекта
Рисунок 4 Схема трубопроводакак объекта управления перемещения газа
Материальный баланс для трубопровода на основании условия неразрывности струи:
Энергетический баланс - уравнение Бернулли:
Подставим в (12) выражение для скорости потока в сечении «а» на основании (11):
Подставим в (13) вместо vb его выражение из соотношения для объемного расхода в сечении «b»: Qb=Vb*Sb
Обозначим Sb Sa = m (14)
Преобразуем выражение (15) с учетом (14) к виду:
Решим выражение (16) относительно Qb
Линеаризованные выражения математической модели статики
на основании разложения в ряд Тейлора:
Через приращения и частные производные:
Через приращения и коэффициенты усиления:
Информационная схема объекта управления
Рисунок 5. Информационная схема
Хро - возможное регулирующее воздействие
Рa ha Pb hb - возможные контролируемые возмущающие воздействия
Z - возможные неконтролируемые возмущающие воздействия
Математическое описание динамики объекта
Уравнение динамики во временной области на основе метода безразмерных переменных:
Уравнение динамики с учетом запаздывания:
Передаточная функция для выражения (23) будет иметь вид:
Конструирование регулятора давления газа
Регулятором давления газа называется конструкция автоматически действущей арматуры предназначенной для поддержания постоянного давления на участке системы (в емкости) до или после регулятора путем изменения расхода среды проходящей через регулятор. При регулировании давления происходит
снижение начального более высокого давления на конечное (более низкое).
Автоматический регулятор давления состоит из регулирующего и реа-
реагирующего устройства. Основной частью реагирующего устройства
является чувствительный элемент (мембрана) а основной частью регу-лирующего устройства — регулирующий орган (у регуляторов давления
дроссельный орган). Чувствительный элемент и регулирующий орган
соединяются между собой исполисполнительной связью. В общем виде совокупность регулируемого объекта и регулирующего органа образует замкнутый контур системы автоматического регулирования.Регулятор давления состоит из следующих основных элементов :регулирующего органа (РУ) привода (П); задатчика (З) на импульсное устройствоимпульсной линии связи регулятор-трубопровод.
Рисунок 6. Функциональная структура системы автоматического регулирования
Д-дроссель; З-задатчик; ИМ-исполнительный механизм; РО-регулирущий орган;
РУ-регулирующее устройство.
h-задающее воздействие; Р1-входное давление; Р2-выходное давление;
Qп –подвод газа; Qс –отвод газа;-регулирующее воздействие;к-импульс на ИМ;-импульс обратной связи; т-импульс на РУ; о-импульс задающего воздействия.
Классификация регуляторов прямого действия:
По типу нагружения привода (по типу задатчика) :регуляторы бывают с грузовымпружинным или с пневматическим нагружением.
По наличию импульсного устройства:с импульсным устройством-командный сигнал подается через специальное управляющее устройство(пилот); без импульсного устройства чувствительным элементом служит привод.
По типу регулирующего органа:односедельные (неразгруженные и разгруженные)двуседельные с многоступенчатым плунжером с перфорированным плунжером с перфорированным седлом.
По типу чувствительного элемента : с мембранным с сильфонным поршневым.
1 Подбор регулятора давления
Подбираем оборудование и контрольно-измерительные приборы для газорегуляторного пункта при переходе с высокого давления на среднее. Пропускная способность пункта Q = 300 м³ч ( при нормальных условиях ) и избыточным давлением газа на входе 600 кПа. Давление на выходе - 300 кПа. Газ природный. Потеря в газопроводе пробковых кранах предохранительно-запорном клапане и в фильтре предварительно оценим в 7 кПа [1].
В этом случае перепад давления в регуляторе будет равен :
DР =600 - 7 -300 = 2930 кПа
тогда : РР1 =293600=048
При критическом перепаде давлений выполняется неравенство
Р2Р1 ≤ (Р2Р1)кр (25)
Критическое отношение давлений определяется по уравнению.
(Р2Р1)кр= 0.91*(2К+1)-1 (26)
где К = СрСv – показатель адиабаты (отношение теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме)
Для природного газа имеющего = 13 критическое отношение давлений будет равно:
(Р2Р1)кр =0.91*(21.3+1)1313-1 = 05
Это значит что для природного газа имеющего к=13 критическая скорость будет при отношении давлений газа Р2Р1 =05 и что дальнейшее уменьшение отношения Р2Р1 не приведет к увеличению скорости.
Соотношение (25) выполняется следовательно критический перепад давлений и расчет пропускной способности регулятора ведется по формуле [7]
Где DР – перепад давлений на регуляторе МПа
Р1 –абсолютное давление до регулятора МПа
rО – плотность газа м 3кг;
Т1- температура газа К;
При расчете пропускной способности регулятора по формуле (27) считая величину КV постоянной неточность исходной модели должна быть компенсирована коэффициентом e- коэффициент расширения учитывающий расширение газа при снижении давления.
= 1 – (0.46*(РР1)) (28)
= 1 – (0.46*(РР1)) =(1-046)* 293600=0775
Определяем коэффициент пропускной способности регулятора КV.
Кv =3005260*0775√ (03*07)(0705*293*1=231
Подбираем прототип регулятор для дальней шего конструирования исходя из следующих условий.:
По ближайшему коэффициенту пропускной способности регулятора.
По назначению и условиям работы.
По базовым комплексным интегральным показателям качества: герметичности пропускной способности надежности безопасностисебестоимости.
Определяется конструктивная разновидность исполнения.
Определение предварительного условного прохода присоединительных патрубков и типа соединения с технологическим трубопроводом.
Определение способа управления : ручной электропривод электромагнитный гидропривод пневмопривод дистанционное расположение.
1.1. Критерии выбора регуляторов давления газа
неравномерности регулированиямедленная перестановкатолько горизонтальная установкапростое изменение заданных значений (замена груза)
с относительно небольшим
и медленным измерения потребления
Установка в любом положении.Простое изменение задания.
Остаточная неравномерность.
Относительно малые выходные давления.
Установки газопотребления снабжение районов станции распределения газа
Со вспомогательной энергией
Применение для больших:
-пределов входных давлений;
-пределов выходных давлений;
-Перепадов давлений;
Высокая точность регулирования .Простое изменение заданных значений.
По сравнению с пружинным регулятором без вспомогательной энергии более медленная перестановка.
Выбираем регулятор с пропускной способностью КV =29
Пересчитываем пропускную способность регулятора.
Q0=5260*29*0775*√ (03*07)(0705*293*1=37668
Определяем запас его пропускной способности
(37668-300)*100%37668=20%
т. е. пропускная способность регулятора больше необходимой расчетной величины на 20% что удовлетворяет условиям [17].
К газораспределительному пункту шкафного типа предъявляются повышенные требования безопасности. Поэтому исходя из опыта проектирования выбираем
регулятор давления газа комбинированный который состоит состоит из регулятора давления и автоматического отключающего устройства.
В качестве прототипа проектируемого регулятора подходят регуляторы:
)регулятор давления комбинированный GS-74-27
) регулятор давления газа комбинированный типа РДНК-400.
2. Описание регулятора давления
Регулятор давления газа комбинированный типа РДНК-400 состоит из регулятора давления и автоматического отключающего устройства.
Основные элементы конструкции РДНК-400 сведены в таблицу 3.
РДНК-400 имеет встроенный предохранительный клапан расположенный в мембранном узле регулятора с настройкой 115 Рвых. Седло регулятора расположенное в корпусе является одновременно седлом рабочего и отсечного клапанов.Рабочий клапан посредством штока и рычажного механизма соединен с рабочей мембраной.
Сменная пружина регулятора и нажимная гайка предназначены для настройки выходного давления.
Отключающее устройство имеет отключающую мембрану соединенную с исполнительным механизмом фиксатор которого удерживает отсечной клапан в открытом положении.
Настройка отключающего устройства осуществляется двумя сменными пружинами. Подаваемый к регулятору газ среднего и высокого давления проходя через зазор между рабочим клапаном и седломредуцируется до низкого давления и поступает к потребителю. Импульс от выходного давления по трубопроводу поступает из выходного трубопровода в подмембранную полость регулятора и на отключающее устройство.
При повышении или понижении настроечного выходного давления сверх заданных значений фиксатор усилием на отсечной мембране выводится из зацепления и отсечной клапан перекрывает седло регулятора.
Наименование элемента
Отключающее устройство
Сменная регулятора (нагружающий элемент)
Сменная отсечного механизма
Мембрана (чувствительный элемент):
Мембранная камера (элемент сравнения)
Рабочий (ПЗК-предохранителный защитный клапан)
Отсечной (ПСК-предохранительный сбросной клапан)
Продолжение таблицы 3
Регулировочная гайка
Исполнительный механизм
Поступление газа прекращается.Пуск регулятора в работу производится вручную после устранения причин вызвавших срабатывания отключающего устройства.
Рисунок 7. Регулятор давления газа комбинированный типа РДНК-400.
– импульсная трубка; 2 – гайка регулировочная; 3- труба; 4 10 – мембраны; 5 – корпус; 6 – крестовина; 7 – хомут; 8 – корпус отсечного устройства; 9 – крышка отсечного устройства; 11 – фиксатор исполнительного механизма; 12 - клапана рабочий; 13 – клапан отсекающий; 14 – седло; 15 – рычажный механизм; 16 17 – штоки; 18 19 – пробка; 20 – крышка; 22 23 24 25 28 – пружины; 27 – фильтр 29 – штуцер сбросной; Н – входной патрубок; Т – выходной патрубок.
3. Расчет мембранно-пружинного исполнительного механизма регулятора
Конструкция регулятора давления включает в себя регулирующий и реагирующий органы которые обеспечивают устойчивую производитель-ность газа а при прекращении потребления газа перекрывается поток через основной клапан. Основной частью регулирующего устройства является чувствительный элемент (мембрана) а основной частью регулирующего устройства – регулирующий орган (у регулятора давления дроссельный орган). Чувствительный элемент и регулирующий орган соединяются между собой исполнительной связью.
Активная сила привода – это усилие которое воспринимает мембрана от давления газа Р2 передаваемое по импульсом (по трубке). Далее усилие мембраны передается на шток клапана. Эту силу принято называть перестановочной Nпер она определяется по следующей формуле (30) [13] :
где: Fакт – активная поверхность мембраны м2.
Активную силу уравновешивает пружина Nпр. На клапан также действует масса подвижных частей Nп.ч и односторонняя нагрузка Nкл которую пренебрегая поперечным сечением штока определяют по формуле (31):
Nкл = fс *(P1 – P2) (31)
где: fс – площадь седла клапана м2;
Р1 и Р2 – давления газа до и после клапана МПа.
Баланс сил действующих на клапан регулятора давления имеет следующий вид:
Nпер. – Nпруж – Nп.ч + Nкл. = 0 (32)
От величины регулируемого давления зависит перестановочная сила. Если величина Р2 станет больше или меньше величины на которую настроен регулятор давления тогда баланс сил нарушится и регулятор придет в действие. Произойдет процесс регулирования давления т.е. регулирование пропускной способности регулятора давления.
Исходными данными для расчета мембранно-пружинного исполнительного механизма (МПИМ) является:
NПС.П – перестановочное усилие в конце прямого хода штока Н;(2050)
NПС.О – перестановочное усилие в конце обратного хода штока Н (290);
Sу – условный ход штока мм;(16)
PПИТ – давления питания исполнительного механизма Па(02)
Pн – давление в рабочей полости при котором начинается движение штока исполнительного ненагруженного механизма Па (002))
Рк – давление в рабочей полости при котором шток исполнительного ненагруженного механизма Па совершит ход равный Sу Па(01)
)Предварительное значение эффективной площади мембраны.
где К – коэффициент учитывающий жесткость мембраны и трение штока в направляющих; К=103 – 105
)Задается отношение = D1 D равным 075.
)Определяется предварительное значение диаметра заделки мембраны по формуле: (33)
Для МПИМ должно быть сохранено условие Sy ≤ 012* D.
Проверяется условие:
≤ 24 - условие выполняется.
) Определяется диаметр опорного диска из соотношения D1 = *D.
D1 = 075*200 = 150мм160мм
Определяется истинное значение по соотношению: = D1 D = 160200=08.
)Определяется толщина мембраны (в см) по формуле:
где [] – допустимое напряжение на срез материала мембраны Па.
)Определяется истинная величину Fээффективная площади для бесштоковой полости:
Для штоковой полости:
где D – диаметр заделки мембраны;
D1 - диаметр опорного диска;
Эффективная площадь для бесштоковой полости:
Эффективная площадь для штоковой полости:
) Истинные величины перестановочного усилия в начале и в конце хода штока при прямом и обратном ходе.
где - усилие развиваемое мембраной; - усилие упругой пружины которое в крайних положениях хода выходного элемента определяется по следующим формулам:
в конце хода: ; (40)
Для бесштоковой полости:
= 01*106 *2538*10-4 = 2538 Н.
= 002*106 * 2538*10-4 = 5076 Н.
= 01*106 * 2538*10-4 = 2538 Н.
= 2538–5076=20304 Н.
=5076–2538=-20304 Н.
в конце хода: = 2538–2538 = 0 Н.
= 01*106 * 253015*10-4 = 253015 Н.
= 002*106 * 253015*10-4 = 50603 Н.
)Определяем жесткость пружины:
)Определяем коэффициент сжатия пружины. Данный коэффициент зависит от материала из которого изготовлена пружина от диаметра проволоки и от значения индекса пружины.
Материал пружины выбирается в зависимости от его механических свойств по табл. 4 (Пс – 4Х13) (Пс – пружины цилиндрические сжатия). Определяем ориентировочно индекс спр пружины по табл. 5 с учетом возможности дальнейшего его уточнения (Пс – спр 6). Коэффициент с зависящий от значения индекса находится по табл. 6 (Пс – при спр 6 коэффициент с = 124).
Зная коэффициент можно определить постоянную времени для передачной функции:
Характеристики материалов применяемых для пружин Таблица 4
Марка материала или класса проволоки
Механические свойства
Пределы температур при которых могут работать пружины в С
Отличительные свойства материала
Допускаемое напряжение при кручении кр в кгсмм2
Модуль сдвига G в кгсмм2
Высокие механические свойства
То же и устойчивая деформация
Повышенная чувствитель-ность к перегревам и к образованию закалочных трещин
Повышенная склонность к обезуглероживанию пове-рхности при термооб-работке
Устойчивая деформация
Высокая коррозионная стойкость
Высокая коррозионная стойкость и антимаг-нитность
Значение индекса пружины спр (отношение среднего диаметра пружины к диаметру проволоки D : d) в зависимости от диаметра проволоки d
Значение коэффициента с в зависимости от определенного значения индекса пружины спр .Таблица 6.
4. Передаточные функции элементов регулятора
Для мембраны входной величиной является давление Рвх а выходной — усилие деформации мембраны N.
N=N1-N2=S0(P1-Р2) (41)
Передаточная функция мембраны
Для пружины входной величиной является усилие сжатия N выходной величина перемещения Х (колебательное звено).
Передаточная функция пружины: (45)
Для рычага входной величиной является входное усилие или входное перемещение выходной величиной является выходное усилие или выходное перемещение. Рычажный механизм представляет из себя безинерционное усилительное
Передаточная функция рычага: усилительное звено (47)
Для дросселя входной величиной является давление Рвх а выходной —массовый расход среды (газа) G
Передаточная функция дросселя:
Для пневмокамеры входная величина-входное давлениевыходная величина выходное давление (инерционное звено)
Рисунок 8 Газовый регулятор давления (без отсечного механизма)
4.1. Определение зависимости между входом и выходом
Входной величиной мембранно-пружинного пневматического механизма является давление Рвх а выходной — перемещение Sвых штока
Если нельзя пренебречь инерцией подвижной системы и силами трения то условие равновесия сил запишется как:
Входное усилие при площади F мембраны равно:
где Рвх - перепад давления кПа;
F - площадь мембраны мм.
Сила инерции Nи равна произведению массы m подвижной системы на ускорение a = d2(Sвых)dt2:
где m – масса подвижной системы кг;
Sвых – перемещение штока мм;
Cила вязкого трения пропорциональна скорости перемещения подвижной системы:
где b – кинематическая вязкость м2с.
Сила противодействия пружины пропорциональна ее сжатию
где с — жесткость пружины.
Подставив значения сил в уравнение равновесия получим:
Составим дифференциальные уравнения звеньев в безразмерных (относительных) единицах.
Безразмерной единицей давления будем считать отношение Рвх к максимальной величине давления Рмакс на мембрану при котором клапан полностью закрывается; безразмерной единицей перемещения штока примем отношение Sвых к полному ходу Sмакс.
Преобразуем уравнение (54) с использованием (55-57).
Таким образом при учете инерции подвижной системы и вязкого трения регулятор с мембранно-пружинным пневматическим штоковым клапаном при является колебательным звеном.
Постоянные времени и коэффициент передачи его равны:
В данном случае достаточно высокое вязкое трение обеспечивает устойчивую работу регулятора с мембранно-пружинным пневматическим клапаном так как постоянная времени Т1 пропорциональна коэффициенту вязкого сопротивления b.
Преобразуем дифференциальное уравнение :
Запишем его в операторной форме:
- оператор дифференцирования подставим его в данное уравнение.
Получаем характеристическое уравнение:
Находим корни квадратного уравнения:
D = b2 – 4ac = T12 – 4T2 = 07396 – 16264 = –1552;
Получили устойчивое состояние т. к. αi 0 т. е. все корни характеристического уравнения находятся в левой полуплоскости.
Проведем оценку качества системы.
а) Прямая оценка качества:
Находим передаточную функцию W(p):
Определяем переходную функцию h(t).
Построим график переходной функции h(t):
Рисунок 9 График переходной функции h(t):
Находим время переходного процесса:
тогда Δ = 5%(hуст) = 005.
Определим перерегулирование – максимальное отклонение регулируемой величины от установившегося значения:
Находим колебательность системы которое характеризуется числом колебаний регулируемой величины за время переходного процесса.
h = 3 (т. к. Четвертая волна не до конца).
Время нарастания регулируемой величины:
Время первого согласования т.е. время когда регулируемая величина первый раз достигает своего установившегося значения:
Определим частотную функцию в виде:
б) Косвенная оценка качества:
Рассмотрим амплитудно-частотную характеристику процесса.
Построим график амплитудно-частотной функции А():
По графику проводим анализ:
Находим показатель колебательности – М.
где Amax = 47545 A(0) = 1.
Следовательно М = 47545.
Рисунок 10 График амплитудно-частотной функции А()
Резонансная частота р = 0243 при Amax = 47545.
Частота среза при которой амплитудно-частотная характеристика достигает величины равной 1.
Время переходного процесса и частота среза связаны соотношением:
tП (1÷2) 2 ср (1÷2) 1827 (с).
Полоса пропускания частот определяется:
Откладываем получившееся значение от Amax.
Получаем полосу пропускания:
= 02154 и 1 = 02682.
Вывод 1: после выбора и анализа получили что данный регулятор можно применять как регулятор прямого действия (без дополнительных устройств).
На систему действуют инерционные силы процесс регулирования становится более длительным и может быть неточным. При анализе получили устойчивую систему но процесс перерегулирования длится дольше чем допустимое значение. Колебательность системы также выше приемлемого числа колебаний. Это говорит о том что в процессе регулирования могут происходить сбои в работе процесс может становится нестабильным.
В результате моделирования процесса в разделе 3 мы выявили что динамика процесса протекает медленно объект регулирования является инерционным
в котором переходные процессы протекают медленно т. е. скорости изменения рвх и sвых небольшие то величина ускорения d2sвыхdt2 с точностью достаточной для практических расчетов может быть принята равной нулю. Тогда дифференциальное уравнение примет вид :
Определяем передаточную функцию элемента W(р).
Перейдем от дифференциального уравнения к операторной форме. Рассмотрим оператор дифференцирования: и подставим его в уравнение (67) получим.
Запишем передаточную функцию :
Исследуем систему с уравнением
Для этого перейдем от дифференциального уравнения к операторной форме.
Запишем переходную функцию.
Рисунок 11. График переходной функции h(t) (инерционный объект)
Так как система является устойчивой и график переходной функции не имеет колебаний то можно определить только максимальное значение регулируемой величины которое будет равно установившемуся:
Определим перерегулирование:
Для этого находим частотную форму передаточной функции.
Рисунок 12. График амплитудно-частотной функции А() (инерционный объект)
где Amax = 1 A(0) = 1.
Следовательно М = 1.
Резонансная частота р = 0 при Amax = 1.
Вывод 2 : после выбора и анализа элемента получили что данный регулятор можно применять как регулятор прямого действия (без дополнительных устройств). Регуляторы прямого действия просты в конструктивном отношении и надежны в эксплуатации что объясняет их широкое применение для поддержания постоянного давления. В нашем случае регулятор применяется в системе с инерционным объектом в регуляторе имеется обратная связь и присутствует отсечное устройство. Это позволяет получить устойчивую систему.
Расчет показателей надежности
1. Общие сведения по расчету надежности
Надежность – это свойство изделия сохранять в процессе эксплуатации в установленных пределах значения всех параметров характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения технического обслуживания хранения и транспортирования. При оценке надежности регулятора за основу принимается экспоненциальный закон распределения наработки до отказа в пределах назначенного ресурса.
С точки зрения надежности элементы регулятора имеют последовательное соединение.
Вероятность безотказной работы последовательно соединенных элементов определяем по формуле
N – количество групп одинаковых элементов;
ni – количество элементов в группе.
Вероятность безотказной работы одного элемента определяем по формуле
Рi = ехр(-λрi р) 1 - λрi р(73)
р – величина наработки элемента за расчетный период размерность р (ч срабатываний) соответствует размерности λрi (1ч 1срабатывание).
2. Расчет надежности регулятора
Количество элементов Ni
Пружина цилиндрическая
Продолжение таблицы 7
Определим среднюю наработку на отказ
Величина вероятности безотказной работы в течении времени t = 1000 часов.
P(t) = e – λизд*1000 = e -71.571*10-6*1000 = 0.979
Разработка функциональной схемы системы аварийной и предупредительной сигнализации
Система контролирует параметры в соответствии с требованиями обозначенными в п. 2.2 курсового проекта.В зависимости от необходимости число параметров может быть от 3 до 12.
Рассмотренная на рисунке система предназначена для определения несанкционированного доступа в контролируемый объект о возгорании в технологическом отсеке ГРП. Сигнализирует об изменении параметров давления и температуры.
В состав системы входят: 1). Блок индикации; 2). Датчики движения;
)Датчики задымленности; 4)Датчики давления; 5)Датчики температуры.
Рисунок 1. Функциональная схема системы аварийной и предупредительной сигнализации
Датчик движения (присутствия)
Предназначен для фиксирования движения в контролируемой зоне. Обеспечивает выдачу цифрового сигнала о произошедшем событии на блок индикации.
Датчик задымленности
Предназначен для обнаружения возгораний сопровождающихся появлением дыма в контролируемой зоне. Обеспечивает выдачу электрического сигнала о произошедшем событии на блок индикации.
Предназначен для обнаружения изменения параметров давления газа выше или ниже допустимой нормы. Обеспечивает выдачу электрического сигнала о произошедшем событии на блок индикации.
Предназначен для обнаружения изменения параметров температуры помещения или теплоносителя выше или ниже допустимой нормы. Обеспечивает выдачу электрического сигнала о произошедшем событии на блок индикации.
1.Принцип работы системы аварийной и предупредительной сигнализации
Каждый из приборов системы является функционально законченным устройством. Блок индикации и датчики выполнены с использованием микропроцессорной техники что позволяет повысить функциональность системы и гибко менять алгоритм работы системы в соответствии с требованиями владельца. Обмен данными между блоком индикации и датчиками осуществляется по последовательному каналу связи выполненному по стандарту RS-485. Использование последовательного канала обмена данными между приборами позволяет сократить количество проводов необходимых для получения сигналов с датчиков в контролируемых зонах.
При подаче напряжения питания блок индикации формирует напряжения питания для себя и для датчиков. Микроконтроллер блока индикации загружается и активирует заложенную программу работы. Следует проверка состояния исправности составных частей системы. При обнаружении неисправностей на дисплее выводятся соответствующие сообщения. По каналу RS-485 последовательно выдаются запросы о текущих показаниях датчиков на все модули сопряжения датчиков .Все датчики работают независимо друг от друга. Сигналы с датчиков передаются (при появлении запроса от блока индикации) по каналу передачи данных RS-485 на блок индикации.
Система позволяет работать в автономном режиме. При работе в автономном режиме при появлении сигналов с датчиков зон на дисплее блока индикации включаются соответствующие табло .
В состав системы входят следующие функциональные узлы:
Микроконтроллер (конструктивно входит в состав платы микроконтроллера)
Модуль питания (конструктивно входит в состав платы источника питания)
Блок RS-485 (конструктивно входит в состав платы микроконтроллера)
Блок внешней связи (конструктивно входит в состав платы микроконтроллера)
Предназначен для обеспечения выполнения алгоритма работы системы охраны формирования запросов на датчики выдачу на внешний ПК команд на передачу сообщений обеспечения вывода на дисплей сообщений о нештатных ситуациях обеспечения диагностики работоспособности элементов системы охраны.
Предназначен для формирования напряжений питания элементов системы путем преобразования напряжения 27 В в напряжения +5 В +3 В.
Предназначен для обеспечения отображения информации поступающей от микроконтроллера.
Предназначен для обеспечения выдачи запросов о текущем состоянии на датчики и приема поступающей от них информации по каналу приемапередачи данных RS-485.
Предназначен для обеспечения сопряжения системы охраны с внешним ПК или системой управления для обеспечения изменения алгоритма работы системы а так же передачи текущей информации посредством интерфейса USB.
Предназначены для обеспечения настройки и установки параметров системы охраны перемещения по диалоговым окнам прокрутки сообщений проведения перезагрузки.
Предназначен для обеспечения световой сигнализации путем включения световых табло.
Обмен по каналу RS-485 осуществляется в полудуплексном режиме (одновременно может передавать только одно устройство) по системе запрос-ответ. Устройство сбора информации (блок индикации или ПК) посылают в канал запрос для датчика с определенным идентификатором. Датчик приняв запрос проверяет совпадение идентификатора и если обращение происходит к данному датчику передает текущую информацию в канал. Если идентификаторы не совпадают запрос игнорируется.
Уникальный идентификатор присваивается каждому датчику на этапе монтажа системы непосредственно на месте и записывается в DATA EEPROM каждого датчика. Такая гибкость обеспечивается благодаря возможности микроконтроллеров записывать данные во внутреннюю flash-память данных.
Учитывая тот факт что на микроконтроллер на плате датчика работает от внутреннего генератора частота которого может колебаться в зависимости от температуры и напряжения питания блок индикации должен периодически выдавать в канал байт синхронизации. Каждому байту синхронизации предшествует пауза длительностью не менее 100 мсек. Если после паузы датчик не принял байт синхронизации он игнорирует все сообщения из канала связи и подстраивает свою частоту обмена. Незначительное отклонение частоты может быть скорректировано за 2-3 цикла синхронизации в течении 3-5 секунд. При скорости обмена 96 кбод 64 датчика могут быть опрошены за 2 секунды.
Также в канал обмена встроены служебные сообщения (команды) для датчиков предназначенные для их удаленной настройки. К ним относятся:
-команда присвоения идентификатора для датчика.
-команда записи начального значения для каждого датчика.
команда записи фиксированного значения для каждого датчика.
2. Схема электрическая принципиальная микропроцессорного блока системы аварийной и предупредительной сигнализации
Модуль питания обеспечивает преобразование входного напряжения +27В в напряжения питания всех узлов блока управления. Основными элементами модуля питания являются микросхемы DA1 DA2 и DA3. Данные микросхемы являются преобразователями постоянного напряжения с широким входным диапазоном значений (от +7 до +40В) и стабилизированным выходным значением (+3В для микросхемы DA1 +5В для микросхемы DA2 ±15В для микросхемы DA3) при этом обеспечивается выходной ток 03А 3А и 015А для каждого модуля соответственно.
Дополнительные элементы используемые для преобразования подобраны согласно рекомендациям производителей.
Микроконтроллер Cygnal - C8051F043 оптимально подходит для построения устройств требующих высокой производительности точности измерений большой степени интеграции и малого потребления. Они программно совместимы с 8051-м стандартом но одновременно имеют высокую производительность - до 100 MIPS.
Энергонезависимая FLASH-память программ может программироваться "в системе" т.е. на плате. В сектора по 512 байт FLASH-памяти (размер FLASH до 128K) могут записываться как программы так и данные которые становятся таким образом энергонезависимыми. Микроконтроллер имеет конструктивно встроенные интерфейсы: CAN контроллер (серия F040) SMBusI2C UART SPI. Имеется порт с повышенной нагрузочной способностью 8 10 12 и 16 битные АЦП и 12 битные ЦАП. Встроенная автономная отладочная система (JTAG) - полный внутрисхемный эмулятор "in-circuit" не задействует ресурсы кристалла и позволяет проверять и модифицировать память и регистры устанавливать контрольные точки временные точки пошаговое движение и остановку программы.
Микроконтроллер является весьма насыщенным функционально как в плане цифровой так и в плане аналоговой периферии. В микроконтроллер встроены дополнительные функции такие как:
аппаратный контроллер интерфейса CAN 2.0b;
встроенный высоковольтный (Uвх. = ±60 B) операционный усилитель;
аппаратный контроллер стандартного параллельного интерфейса с внешней микросхемой ОЗУ (типа 62LV
дополнительный аппаратный
вспомогательный быстрый 8-канальный 8-разрядный АЦП.
Исходя из всего вышеприведенного выбираем для применения в схеме микроконтроллер C8051F043 (микросхема DD1).
Резистор R30 в цепи базы транзистора VT1 предназначен для ограничения тока выхода микроконтроллера. Исходя из описания микроконтроллера номинальный ток выхода должен быть 15 мкА.
Транзистор VT1 управляется напряжением выхода микроконтроллера. При напряжении Uвых.контр равным 0 В – транзистор закрыт управления интеллектуальным ключом (DA11) нет. При напряжении Uвых.контр равным +3В – транзистор открыт напряжение +3В с транзистора поступает на вход управления интеллектуальным ключом.
Резистор R36 предназначен для установления необходимого тока на входе интеллектуального ключа. Исходя из требований разработчика изложенных в технической документации на интеллектуальный ключ номинальный ток на входе ключа должен быть равен 4 мкА.
Резистор R42 предназначен для установления необходимого тока для предотвращения пробоя защитного диода при появлении на управляющем входе интеллектуального ключа напряжения +27В (при неисправности ключа). Обратный ток диода не должен превышать значения 15 мА.
Диод VD6 предназначен для защиты транзистора от появления на нем силового напряжения +27 В (при неисправности ключа). В качестве защитного диода выбираем диод КД510А.
Остальные управляющие каскады микросхем DA12 DA13 рассчитаны аналогично.Диод VD7 предназначен для защиты входа микроконтроллера от появления на нем силового напряжения +27 В (при неисправности ключа). В качестве защитного диода выбираем диод КД510А.
Резистор R37 предназначен для установления необходимого тока на входе интеллектуального ключа. Исходя из требований разработчика изложенных в технической документации на интеллектуальный ключ номинальный ток на входе ключа должен быть равен 4 мкА
Цепь VD8-R33 предназначена для формирования напряжения необходимого уровня (не более 33 В) на вход микроконтроллера.
Исходя из технических характеристик элементов выбираем номинал резистора R33 равным 100кОм и тип VD8 – 2Д707АС9.
Остальные каскады состояния нагрузок рассчитаны аналогично.
В качестве силового ключа управляющего нагрузками (микросхемы DA11-DA13) выбираем силовой интеллектуальный ключ BTS426L1 производства компании Siemens.
Интеллектуальные силовые ключи PROFET— это многоканальные верхние силовые ключи с широким спектром интеллектуальных функций что делает их идеальным выбором для применения в транспорте и промышленности. Они содержат ДМОП-транзистор плюс логическую КМОП-схему обеспечивающую полную встроенную защиту и реализующую улучшенную диагностику IntelliSense.
Силовой интеллектуальный ключ BTS426L1 гарантирует защиту от перегрузок перенапряжений короткого замыкания превышения температуры обрыва «земли» снижения питающего напряжения и электростатического разряда. Также это устройство может обеспечить защиту от динамических перенапряжений таких как отключение индуктивной нагрузки. Это позволяет отказаться от плавких вставок обеспечивая более экономичную и устойчивую альтернативу стандартным реле и предохранителям.Система диагностики позволяет выбрать параметры контроля состояния тока или комбинацию обоих обеспечивая пользователя точной информацией о состоянии устройства и нагрузки. Диагностическая обратная связь и контроль тока нагрузки минимизируют затраты исключая потребность в дополнительных дискретных схемах и устройствах.
Устройство монолитно интегрировано с использованием технологии Smart SIPMOS. Корпус Robust существенно повышает прочность и позволяет выдерживать температуры до 260°С.
Основные преимущества:
—очень низкий ток холостого хода;
—КМОП-совместимые входные сигналы (3В и 5В);
—улучшенная электромагнитная совместимость;
—стабильная работа при пониженном напряжении;
—разделенные общие точки логической и силовой части;
—безопасное отключение нагрузки при разъединенном заземлении логической части.
—ReverSave канал открывается в случае обратной полярности;
—защита от обратного питания;
—защита от КЗ и защита от перегрузок;
—регулируемое многошаговое ограничение тока;
—термический перезапуск при ограничении пониженного тока;
—защита от перенапряжений (без внешнего резистора);
—защита от обрыва «земли»;
—защита от электростатического разряда (ESD).
Диагностические функции:
—функция включения диагностических выводов (улучшенная диагностика Intell
—пропорциональное измерение сигнала тока нагрузки источником тока;
—определения обрыва нагрузки во включенном состоянии путем контроля тока нагрузки;
—определение обрыва нагрузки в выключенном состоянии источником напряжения;
—тепловая обратная связь и ограничение тока во включенном состоянии.
Блок обработки сигналов датчиков
Блок обработки сигналов датчиков предназначен для преобразования сигналов с датчиков к уровню входов микроконтроллера.
Реализован на микросхемах DA6 DA7 и цепях VD17-R53- R53 и VD18-R55- R56.Все номиналы выбраны в соответствии с рекомендациями производителей радиоэлектронной продукции.
Модуль преобразования сигналов обеспечивает сопряжение платы с каналом приемапередачи данных RS-232. Блок реализован на микросхеме DA8 (RS-232). Все номиналы выбраны в соответствии с рекомендациями производителей радиоэлектронной продукции.
Описание интерфейса RS-232
Широко используемый последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных определяемый стандартом EIA RS-232-C и рекомендациями V.24 CCITT. Изначально создавался для связи компьютера с терминалом. В настоящее время используется в самых различных применениях. Интерфейс RS-232-C соединяет два устройства. Линия передачи первого устройства соединяется с линией приема второго и наоборот (полный дуплекс) Для управления соединенными устройствами используется программное подтверждение (введение в поток передаваемых данных соответствующих управляющих символов). Возможна организация аппаратного подтверждения путем организации дополнительных RS-232 линий для обеспечения функций определения статуса и управления.
Модуль преобразования сигналов для канала CAN2.0.
Модуль преобразования сигналов обеспечивает сопряжение платы с каналом CAN2.0. Модуль собран на микросхеме DD2 которая является преобразователем уровня КМОП в дифференциальный сигнал и обратно. Максимальная скорость передачи данной микросхемы 1 Мбитсек. Емкость конденсатора С9 подобрана в соответствии с рекомендациями производителя микросхемы.
Описание интерфейса CAN
CAN (Control Area Network) - последовательная магистраль обеспечивающая увязку в сеть "интеллектуальных" устройств вводавывода датчиков и исполнительных устройств некоторого механизма или даже предприятия. Характеризуется протоколом обеспечивающим возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств обеспечивающим передачу данных в реальном масштабе времени и коррекцию ошибок высокой помехоустойчивостью. Система CAN обеспечена большим количеством микросхем обеспечивающих работу подключенных к магистрали устройств разработку которых начинала фирма BOSH для использования в автомобилях и в настоящее время широко используемых в автоматизации промышленности.
Предназначен для организации высоконадежных недорогих каналов связи в распределенных системах управления. Интерфейс широко применяется в промышленности энергетике и на транспорте. Позволяет строить как дешевые мультиплексные каналы так и высокоскоростные сети.
Скорость передачи задается программно и может быть до 1 Мбитс. Пользователь выбирает скорость исходя из расстояний числа абонентов и емкости линий передачи.
Максимальное число абонентов подключенных к данному интерфейсу фактически определяется нагрузочной способностью примененных приемопередатчиков. Например при использовании трансивера фирмы PHILIPS PCA82C250 она равна 110.
Протокол CAN использует оригинальную систему адресации сообщений. Каждое сообщение снабжается идентификатором который определяет назначение передаваемых данных но не адрес приемника. Любой приемник может реагировать как на один идентификатор так и на несколько. На один идентификатор могут реагировать несколько приемников.
Протокол CAN обладает развитой системой обнаружения и сигнализации ошибок. Для этих целей используется поразрядный контроль прямое заполнение битового потока проверка пакета сообщения CRC-полиномом контроль формы пакета сообщений подтверждение правильного приема пакета данных. Хемминговый интервал d=6. Общая вероятность необнаруженной ошибки 4.7x10-11.
Система арбитража протокола CAN исключает потерю информации и времени при "столкновениях" на шине.
Элементная база поддерживающая CAN широко выпускается в индустриальном исполнении.
Разработана система регулирования давления газа в ГРПШ-400. Произведен выбор прототипа устройства для проектирования регулятора.
Расчитаны конструктивные параметры регулятора взяв за исходный регулятор типа РДНК-400. После выбора и анализа получили что данный регулятор можно применять как регулятор прямого действия (без дополнительных устройств).
В случае динамического регулирования на систему действуют инерционные силы процесс регулирования становится более длительным и может быть неточным. Колебательность системы также становится выше приемлемого числа колебаний. Это говорит о том что в процессе регулирования могут происходить сбои в работе процесс может становится нестабильным.
В нашем случае регулятор применяется в системе с инерционным объектом в регуляторе имеется обратная связь и присутствует отсечное устройство. Это позволяет получить устойчивую систему.
Для дополнительного контроля за регулируемым параметром давления разработана система аварийной и предупредительной сигнализации понижения или повышения давления. Данная система также может решать контроль параметров температуры моменты возникновения пожара и момент несанкционированного проникновения на ГРП.
Библиографический список
СНиП 2.04.08-87 Газоснабжение М:Стройиздат 1987
Анурьев В.И. Справочник конструктора – машиностроителя. Изд. 4еперераб. и доп. Кн.1- М.: "Машиностроение" 1974. – 416с.
Анурьев В.И. Справочник конструктора – машиностроителя. Изд. 4еперераб. и доп. Кн.2- М.: "Машиностроение" 1974. – 576с.
Бессекерский В. А. Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука 1975.- 992 с.
Данилов А.А. Автоматизированные газораспределительные станции: Справочник.-СПб.:ХИМИЗДАТ2004
Иванова Г.В. Автоматизация технологических процессов основных химических производств: Методическое пособие. Часть 1 СПбГТИ(ТУ).-СПб. 2003.- 70с.
Ионин А.А. Газоснабжение. М: Стройиздат 1989 – 439с
Конструирование и расчет трубопроводной арматуры Гуревич Д. Ф. М.:
Машииостроение 1968- 888 с.
Ротач В.Я.Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами.-М.:Энергоатомиздат.1985.-296с.
Современные конструкции трубопроводной арматуры для нефти и газа
Котелевский Ю.М. Мамонтов Г.В. Нисман Л.М. Фукс И.Г.Экслер Л.И.М.:Недра1976-496
Справочник :Промышленное газовое оборудование Издание 5-е. Под редакцией Е.А.Карякина 2010—148 с. Научно-исследовательский центр промышленного газового оборудования «Газовик» ISBN 978-5-9758-1209-4
Справочник техника-конструктора Я.А. Самохвалов М.Я. Левицкий В.Д. Григораш и др. 3-е изд. перераб. и доп. К.: Техника. -2001- 592 с.
Чеботарев В.И. Новгородский Е.Е. Газоснабжение Коттеджного
поселка: Учеб. пособие по курсовому проекту Специальность «Теплогазоснабжение и вентиляция» Ростов нД: Рост. гос. строит. ун-т. 2010. – 140 с