АВТОМАТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР ЖИДКОСТИ ДЛЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОН

Высокопроизводительная и безопасная работа мини-установок для обработки нефти и нефтепродуктов требует применения современных методов и средств измерения технологических параметров, характеризующих ход процесса и состояние оборудования [1]. Автоматический контроль и управление является логически первой ступенью автоматизации, без успешного функционирования которых невозможно создание АСУ мини-установок для обработки нефти и нефтепродуктов [2].

Одним из параметров в мини-установках по обработке нефти и нефтепродуктов является измерение и автоматический контроль уровня. Существует множество различных приборов и устройств для контроля уровня жидкости: поплавковые, буйковые, гидростатические, акустические, электрические (емкостные, резонансные, резистивные), вибрационные, радарные, радиоизотопные [3, 4].

Анализ известных в настоящее время уровнемеров, которые широко применяются в нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, показал, что мировыми лидерами по исследованию, разработке и производству современного измерительного оборудования являются следующие крупнейшие фирмы-производители: MTS

(США), Balluff (Германия), Schlumberger Industries (Франция). В России производством данной группы приборов занимаются ЗАО ПТФ "НОВИН-ТЕХ" (г. Королев, Московская область), НПП "СЕНСОР" (г. Заречный, Пензенская область), "Первая Приборная фабрика" (г. Рязань). В основном известные компании разрабатывают и производят датчики, настраиваемые на широкий диапазон измерения технологических параметров. Они собраны на микропроцессорах с встроенным программным обеспечением. Поэтому себестоимость этого оборудования весьма высокая.

С развитием малого бизнеса значительно возросло проектирование и строительство различных мини-установок для обработки нефти и нефтепродуктов [5, 6]. Установки проектируются с учетом измерительных и управляющих устройств, которые составляют значительную часть себестоимости проекта. Стоимость основных первичных датчиков (уровнемер, расходомер, термодатчик) в взрывобезопасном варианте в 2–3 раза больше, чем датчиков, ориентированных на обычный режим работы [7–10]. Например, цена радарных уровнемеров, рассчитанных на взрывобезопасные зоны, колеблется от 0.5 до 2 тысяч долларов США, а в взрывобезопасном варианте — от 3 до 12 тысяч долларов. Кроме этого, общепромышленные датчики имеют достаточные точности из- мерения. Как показывает практика, при проектировании мини-установок не требуются значительные точности измерения в процессе обработки. В технологических процессах обработки участвует не один технологический параметр, а взаимосвязанные параметры, которые покрывают друг друга [11–13]. Например, измеряемый уровень зависит одновременно как от температуры, так и от давления системы.

Для дальнейшего развития малой промышленности необходимо разрабатывать простые и дешевые датчики и измерительные системы, отвечающие современным требованиям приборостроения [14–15]. Поэтому разработка системы измерения уровня жидкости в взрывоопасных зонах является одной из актуальных.

УРОВНЕМЕР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Промышленная нефть до отделения на различные виды нефтепродуктов проходит первичный технологический процесс очистки нефти от нефтяного газа, воды и механических примесей — этот процесс называется первичной сепарацией нефти. После этого очищенная нефть направляется в реактор для разделения на различные виды нефтепродуктов. В реакторе, управляя расход, температуру, давление и уровень по определенным технологиям, получают определенные нефтепродукты (рис. 1). В данной схеме использован взрывобезопасный датчик давления, взрывозащищенная схема термодатчика и разработанный авторами статьи уровнемер.

Рис. 1. Блок схема уровнемера.

1 — поплавок, 2 — металический вал, 3 — подшипник с уплотнением, 4 — железная ось, 5 — трос, 6 — ролики, 7 — переменный резистор, 8 — вращательный барабан с проемом, 9 — груз для поддержки, 10 — поправочный резистор, 11 — вход (термосопротивление) контроллера, 12 — выход контроллера, 13 — вход частотного преобразователя, 14 — силовой кабель, 15 — реактор, 16 — ТРМ-101, 17 — частотный преобразователь, 18 — насос

Предложенный уровнемер рассчитан для измерения уровня нефтепродуктов. Преимущество данной системы заключается в следующим:

– система разработана для работы во взрывоопасных зонах;

– рассчитана для измерения различных уровней с соответствующими настройками;

– простота построения;

– себестоимость значительно ниже, чем готовых взрывобезопасных уровнемеров;

– точность измерения колеблется в диапазоне 0.5–1 %.

Выше было отмечено, что в мини-установках после первичной обработки очищенная нефть передается к реактору. В реакторе производится нагревание нефти до определенной температуры. Нефть в реакторе находится под давлением, в нашем случае до 2.5 кгс/см2. Температура поднимается до 280–300 °С в зависимости от обрабатываемой и получаемой продукции. При этом технолог, согласно технологическим картам, должен соблюдать следующие параметры: уровень, температура и давление. Разработанная система направлена на автоматическое удержание уровня нефти в реакторе. Для удержания уровня необходимо измерить уровень нефти в реакторе. В данном случае на разработанном уровнемере главным элементом является переменное сопротивление 680 кОм. Инновационным техническим решением считается следующее:

– изготовление и установка поплавковой системы в реакторе;

– перевод измеренного уровня поплавкового уровнемера к взрывобезопасной зоне (передача тросом);

– организация плавного вращения переменного сопротивления с установкой расчетного барабана с приемкой;

– калибровка сопротивления в градировке унифицированного сигнала 4–20 мА с подгонкой и добавлением поправочного сопротивления (в нашем случае 280 Ом);

– настройка внутренней программы обработки котроллера измерителя ТРМ-101 к измеренному уровню;

– организация настройки выходного сигнала к управляющему входу частотного преобразователя.

При разработке системы измерения и управления уровнями проведено достаточное количество экспериментов для расчета значения подгоночного сопротивления. Основным параметром подгонки является получение 4–20 мА унифицированного сигнала. Контроллер-измеритель ТРМ-101 имеет аналогичный вход, как в варианте подключения термодатчика. Питание системы измерения уровня составило 5 В постоянного тока.

Рис. 2. График зависимости унифицированного сигнала от уровня жидкости

К измерителю подключается выходной унифицированный токовый сигнал 4–20 мА, полученный от системы измерения (уровнемера). В данном случае разработанный измеритель является "активным", поскольку содержит блок питания.

Показания контроллера настраиваются на реальный уровень (в процентном отношении) с использованием параметров внутренней программы контроллера. Параметры подбираются изменением коэффициентов "смещение", "верхние" и "нижние" граничные значение параметров. На рис. 2 приведен график зависимости унифицированного сигнала от уровня.

В данной работе организован "верхний" уровень автоматического управления технологическим процессом на персональных компьютерах. "Верхний" уровень создан на основе программного пакета "TraceMode" компании "Adastra" (Россия). В программном комплексе предусмотрено следующее:

– передача "уставок" с компьютера;

– предварительная аварийная сигнализация;

– архивация данных технологических параметров;

– мнемосхема прохождения технологических параметров в реальном режиме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан уровнемер жидкости для взрывоопасных зон. Стоимость уровнемера значительно ниже, чем у промышленных аналогов, и для разработки его не требуются большие финансовые затраты.

Уровнемер жидкости для взрывоопасных зон рассчитан для технологического учета и управления процессами.

В автоматизированной системы использован программный пакет "TraceMode" компании "Adastra" (Россия).