Автоматизация блока осушки природного газа на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях.

Крушневич С.П., аспирант. Институт газа НАН Украины .

ВВЕДЕНИЕ.

Осушка газа на АГНКС осуществляется с целью предотвращения образования газовых гидратов (CH4x5.75·H2O) в процессе заправки и эксплуатации газобаллонных автомобилей. Для этой цели обычно используют процесс адсорбции влаги цеолитами или силикагелями до или после компримирования газа. ГОСТом 27577-87 установлено допустимое влагосодержание осушенного газа при давлении 20 МПа должно быть не более 9 мг/м3, что соответствует точке росы минус 30 °С (минус 62 °С при стандартных условиях) [1].

Блоки осушки природного газа на АГНКС разных производителей отличаются, в основном, выбором места установки (на входе или выходе из компрессора), способом нагрева газа, поступающего на регенерацию, и его влагосодержанием [2]

Используемые на АГНКС системы осушки чаще всего не содержат средств прямого контроля степени насыщения адсорбента влагой как во время осушки природного газа так и в процессе регенерации. Это требует завершать процесс осушки природного газа задолго до полного насыщения адсорбента влагой, а во время регенерации, наоборот, значительно увеличивается время регенерации для гарантированного удаления всей влаги из адсорбента, что вызывает дополнительные затраты энергоресурсов, так как в конце процесса регенерации выделение влаги из адсорбента практически отсутствует.

Повысить эффективность процесса осушки природного газа возможно путем более точного определения момента завершения интенсивного выделения влаги из адсорбента. Дополнительно снизить энергозатраты можно за счет плавного или ступенчатого повышения температуры газа регенерации.

АВТОМАТИЗАЦИЯ

На основе проведенного анализа разработан и изготовлен блок осушки природного газа и система автоматики, которая представлена на рисунке 1. Блок устанавливается на входе в компрессор.

Рисунок 1. Схема автоматизации блока осушки природного газа. 1 - вход влажного природного газа; 2 - адсорбер №1; 3 - адсорбер №2; 4, 5 - задвижки переключения потоков осушиваемого газа; 6 - выход газа регенерации; 7 - циркуляционный компрессор; 8 - электрический нагреватель; 9, 10 - задвижки переключения потоков газа регенерации; 11 - аппарат воздушного охлаждения; 12 - сепаратор; 13 - слив конденсата; ВГ - влажный газ; СГ - сухой газ; ГР - газ регенерации; К - конденсат.

Во время работы блока осушки природного газа один адсорбер работает в режиме осушки, а второй - в режиме регенерации. Рассмотрим случай, когда адсорбер 2 работает в режиме регенерации, а адсорбер 3 работает в режиме осушки. Поток влажного природного газа (ВГ) со входа 1 направляется в адсорбер 3 для осушки и поступает на выход блока осушки 6 и далее поступает на компрессор. С помощью задвижек 4 и 5 выбирается адсорбер, через который будет проходить газ для осушки. Газ регенерации (ГР) отбирается из входного потока и подается с помощью циркуляционного компрессора 7 в электрический нагреватель 8, где нагревается до рабочей температуры (250-280 ?С) и подается в регенерируемый адсорбер 2. После адсорбера насыщенный влагой газ регенерации подается в охладитель 11 и сепаратор 12. Сконденсированная в охладителе влага в сепараторе отделяется от потока газа и отводится (поток К) на слив через конденсатоотводчик. Газ регенерации снова подается на вход циркуляционного компрессора 7. С помощью задвижек 9 и 10 выбирается адсорбер для регенерации.

Рассмотрим далее модернизированную схему. Как было указано выше, часть осушиваемого газа используется для подпитки циркулирующего по замкнутому контуру газа регенерации. В базовой схеме газ регенерации нагревается с помощью электрического нагревателя сразу до рабочей температуры, но на начальном этапе регенерации такая высокая температура не требуется, поэтому система автоматики управляет мощностью нагревателя и ступенчато повышает температуру по заданному алгоритму. Используемый алгоритм управления мощностью нагревателя "медленный ШИМ" (ШИМ - широтно-импульсная модуляция) с периодом повторения 10 секунд позволяет избежать больших колебаний температуры в системе.

Система автоматики обеспечивает поддержание заданной температуры газа регенерации на выходе из нагревателя (Т1) и контролирует температуру масла в нагревателе (Т2). При повышении температуры газа регенерации на выходе из сепаратора (Т4) выше 45 ЇС система автоматики, при необходимости, включает вентилятор АВО (поз. 11).

Контроль момента окончания процесса регенерации по температуре на выходе из адсорбера 2 (Т3) позволяет снизить затраты тепловой энергии на процесс регенерации примерно на 25 % за счет более точного определения момента завершения процесса регенерации.

В данной системе автоматики предусматривается контроль степени насыщения адсорбента влагой специально разработанным датчиком, который установлен на выходе адсорбера. Сейчас датчик находится в стадии испытаний.

Конструктивно система автоматики состоит из нескольких основных составных частей (рис. 2): блок управления, блок силовой, датчики температуры (термометры сопротивления) и исполнительные механизмы (электронагреватель и вентилятор).

Рисунок 2. Схема расположения основных блоков системы автоматики.

Управление процессом регенерации выполняется с помощью микроконтроллерного блока управления (рис. 3), который построен на базе микроконтроллера PIC16F877A, дисплея на 2 строки по 16 символов и 4-х кнопок управления, что позволило организовать удобный диалоговый режим управления процессом. Дополнительно на лицевой панели установлены светодиодные индикаторы состояния управляющих выходов блока управления, которые служат для управления нагревателем и вентилятором АВО, а также индикации аварийных ситуаций мигающим светодиодом.

Рисунок 3. Внешний вид панели блока управления

К аварийным ситуациям, которые обрабатывает блок управления, относится выход значений температуры любого термометра сопротивления за установленные пределы (например, вследствие обрыва или короткого замыкания линии связи). Для предотвращения ложных срабатываний блок управления некоторое время контролирует параметр и если он не вернулся в допустимые пределы, отключает нагреватель, включает звуковой и световой сигнал "авария" и выводит на дисплей соответствующее сообщение. Для продолжения работы требуется подтверждение оператора.

Блок управления имеет COM-порт (RS232), с помощью которого он может быть подключен к компьютеру для удобного контроля и регистрации основных параметров процесса в виде диаграммы. На рисунке 4 показан внешний вид специально разработанной программы построения диаграмм. К COM-порту блока управления может быть подключен автономный регистратор, который сохраняет данные в своей памяти и затем передает их на персональный компьютер.

Так как микроконтроллер не требует подачи управляющих команд по СОМ-порту, а вывод данных производится непрерывно (с интервалом опроса датчиков) в текстовом режиме, то для мониторинга данных можно использовать любую терминальную программу, установленную как на стационарном компьютере, так и на мобильном или карманном и даже на мобильном телефоне (поддерживающем доступ к COM-порту).

Рисунок 4. Общий вид программы регистрации параметров

В случае пропадания напряжения питания во время процесса регенерации блок управления сохраняет текущий режим регенерации и количество отработанных часов в энергонезависимой памяти и после возобновления питания сразу продолжает свою работу. В энергонезависимой памяти также сохраняются и параметры процесса регенерации, которые могут быть подкорректированы оператором.

"Медленный ШИМ", реализованный в алгоритме работы блока управления, позволяет проводить включение и выключение нагревателя в момент перехода сетевого напряжения через ноль, что снижает уровень коммутационных помех в сети. ШИМ, в отличие от более простого двухпозиционного регулирования, позволяет поддерживать температуру масла в нагревателе на стабильном уровне, а не вызывать ее колебание в некоторых пределах. К недостаткам ШИМ можно отнести необходимость в частом включении/выключении нагрузки, что предъявляет большие требования к коммутационному ресурсу контактора. Вследствие малого ресурса механические контакторы для этого малопригодны. Полупроводниковые легко выдерживают такой режим, поэтому в силовом блоке были установлены мощные полупроводниковые симисторы BTA140.

Блок силовой рассчитан на подключение нагревателей общей мощностью до 10 кВт включенных в трехфазную сеть ~380 В 50 Гц по схеме "треугольник", а также вентилятора АВО мощностью до 0,4 кВт.
Для индикации режима работы силового блока установлены сигнальные неоновые лампочки в каждую фазу.

Рисунок 5. Внешний вид силового блока

Система автоматики была испытана на специально подготовленном стенде. В диапазоне рабочих температур погрешность измерения температуры не превышала 2 ?С, что вполне достаточно для проведения процесса регенерации. При имитации мощной помехи по питанию блока управления (+14 В:+20 В), которая вызывала зависание управляющей программы микроконтроллера, успешно выполнялась процедура автоматической перезагрузки микроконтроллера с подачей предупреждающего звукового сигнала и сохранением текущего режима работы. Благодаря наличию световой индикации работы нагревателя и вентилятора как на блоке управления так и на силовом блоке заметно упрощается поиск неисправностей в процессе настройки и эксплуатации.
Блок осушки природного газа в комплекте с системой автоматики был поставлен ОАО "Черниговгаз".

ВЫВОДЫ

Благодаря применению системы автоматики блока осушки природного газа на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях удалось снизить продолжительность и энергозатраты на процесс регенерации за счет более точного определения момента окончания процесса регенерации и ступенчатого повышения температуры газа регенерации. Также система автоматики имеет выход RS232 для подключения к компьютеру или регистратору для автоматического построения диаграмм процесса осушки по измеряемым температурам.

ЛИТЕРАТУРА