К вопросу о разработке компьютерных систем непрерывного мониторинга взрывоопасных технологических объектов

ситуаций требуют использования современных методов и средств. Важную роль в системе оперативного контроля на обширном пространстве озера Байкал может сыграть автоматическая судовая лаборатория. Полная автоматизация циклов сбора, предварительной обработки, архивирования и передачи информации на центральный пункт позволит выполнять задачи на попутных судах без вмешательства персонала судна. Современные средства автоматизации сущест-

венно увеличат эффективность контроля параметров экосистемы озера Байкал.

Библиографический список

1. Шимараев М.Н., Гранин Н.Г. К вопросу о стратификации и механизме конвекции в Байкале // ДАН СССР. 1991. Т. 321. С. 81-385.

2. Суранов А.Я. LabVIEW 7: справочник по функциям. М.: ДМК Пресс, 2005. 512 с.

УДК 665.6.001.8

К ВОПРОСУ О РАЗРАБОТКЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ НЕПРЕРЫВНОГО МОНИТОРИНГА ВЗРЫВООПАСНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Ю.С.Маршалко1

ОАО «ИркутскНИИхиммаш», 664074, г. Иркутск, ул. Курчатова, д. 3.

Разработана и внедрена на нефтеперерабатывающем заводе система мониторинга для контроля в режиме реального времени температуры, перемещений реперных точек, а также деформаций горячей стенки аппарата (при помощи высокотемпературных капсулированных тензодатчиков) и экспертной оценки его фактического состояния. Датчики находятся во взрывоопасной зоне. Ил. 2. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: система диагностического мониторинга; система сбора данных; механические напряжения; тензометрирование; экспертная система; искробезопасная цепь; безопасность эксплуатации; опасный производственный объект.

TO THE QUESTION OF DEVELOPMENT OF COMPUTER SYSTEMS OF CONTINUOUS MONITORING OF HIGHLY

EXPLOSIVE TECHNOLOGICAL OBJECTS

Y.S.Marshalko

Public Corporation "Irkutsk Scientific Research Institute of Chemical Machine Building" 3, Kurchatov St., Irkutsk, 664074

The authors worked out and introduced a monitoring system to control temperature, movements of reference points, and deformations of the hot side of an apparatus with the help of high temperature capsuled tensometers and expert estimation of its actual condition in the real time regime at the oil-refining plant. Sensors are placed in a highly explosive zone. 2 figures. 4 sources.

Key words: diagnostics monitoring system; data collection system; mechanical stresses; tensometering; expert system; spark-proof circuit; exploitation safety; dangerous production object.

Разработка компьютеризированных систем сбора данных и управления относится к определяющим направлениям научно-технического прогресса. Одна из сфер применения таких систем - обеспечение безаварийной эксплуатации опасных производственных объектов (ОПО) [3, 4]. Для России эта задача особенно актуальна в связи со значительным износом технологического оборудования и часто небезопасным размещением ОПО по отношению к населенным пунктам и местам нахождения производственного персонала. Собственники предприятий также заинтересованы во внедрении непрерывной диагностики состояния ОПО, поскольку скидки с платежей страхования гражданской ответственности этих объектов напрямую связаны с их оснащением системами безопасности.

При создании систем непрерывного диагностического мониторинга состояния ОПО следует учитывать

их отличие от систем автоматизации технологических процессов. Первая особенность систем мониторинга связана с задачами нахождения критериев оценки состояния объекта, выбора мест размещения датчиков и допустимого диапазона показаний этих датчиков. Экспериментальное решение этих задач для действующих или вновь создаваемых уникальных объектов, как правило, невозможно, поскольку может привести к их повреждению в ходе исследований. Поэтому необходимо построить математическую модель объекта, позволяющую определить напряженно-

деформированное состояние (далее по тексту - НДС) конструкции в различных режимах технологического процесса.

Другая проблема, возникающая при внедрении систем мониторинга ОПО, связана со взрыво- и пожароопасным характером производства на этих объек-

1Маршалко Юрий Станиславович, старший научный сотрудник отдела новых неразрушающих методов контроля и мониторинга состояния оборудования, тел.: 89041206633, e-mail: marshalko@mail.ru

Marshalko Yuriy Stanislavovich, a senior scientific worker of the Department of new nondestructive control methods and monitoring of equipment condition, tel.: 89041206633, e-mail: marshalko@mail.ru

тах. Данное обстоятельство ограничения на используемое оборудование предъявляет жесткие требования к проектированию и монтажу такой системы - она не должна создавать дополнительной опасности при эксплуатации объекта. Следует также учитывать необходимость функционирования системы мониторинга независимо от технологической автоматики, по крайней мере, на стадии отладки этой системы, что ведет к дополнительным затратам на компьютерное оборудование.

Следует также учитывать, что система не должна генерировать ложные тревоги, ответная реакция на которые может привести к остановке оборудования с существенными экономическими потерями.

И, наконец, разработка и эксплуатация системы мониторинга должны производиться в строгом соответствии с действующим законодательством о промышленной безопасности. Это требует оформления «разрешения на применение» системы в органах государственного регулирования, а также сопутствующей организационно-технической документации для получения этого разрешения [1].

Таким образом, учитывая сложность создания систем непрерывного контроля состояния ОПО, важно не только создать надёжную систему, но и правильно выбирать первоочередные объекты предприятия, нуждающиеся в мониторинге. На ОАО «АНХК» в качестве такого объекта был выбран трансферный трубопровод подачи сырья от печи П3/2 к ректификационной колонне К-11.

Схема контролируемого объекта с осями условной системы координат приведена на рис. 1. Это пространственная, предварительно напряженная, самокомпенсирующаяся система трубопроводов, состоящая из стальных труб переменного диаметра 530/720/920 мм суммарной длиной 150 м, в конструкции которой при расчётной температуре стенки труб 400оС отсутствуют сильфонные компенсаторы температурного расширения материала. Последнее обстоятельство ведёт к появлению в процессе эксплуатации значительных механических напряжений конструкции. Поэтому для обеспечения безопасной эксплуатации объекта было принято решение о создании системы мониторинга НДС, действующей в режиме реального времени.

С целью предварительного выбора критериев оценки состояния объекта производилась оценка напряжений, возникающих под воздействием температурного расширения трансферного трубопровода на колонну. Вначале с помощью компьютерной программы «Старт» определялись силы и вращающие моменты, действующие в сечении фланцевого соединения патрубка с трубопроводом. Затем в соответствии с методикой [2] проводился расчёт НДС патрубка. Расчеты показали, что максимальная концентрация напряжений, связанных с температурными перемещениями трубопровода и соизмеримых с пределом текучести металла, возникает в зонах приварки патрубка к колонне (точки С1 и С2 на рис.1). Было принято решение установить в эти зоны тензодатчики, ориентированные в кольцевом, меридиональном направлениях

(параллельно осям О2 и ОХ) и под углом 45 градусов к оси ОХ, что позволяет измерить величину главных деформаций стенок патрубка.

Л 3/2

Поскольку причиной возникновения напряжений в патрубках является перемещение трубопровода, для независимого определения этих напряжений следует контролировать изменение трёхмерных координат не менее, чем двух точек на каждой трубе (А1, А2, Б1, Б2).

Поэтому система мониторинга содержит 6 тензо-метрических каналов контроля деформации стенок патрубков в точках С1 и С2, 12 каналов для определения положения в пространстве четырех реперных точек А1, А2, Б1, Б2 трубопроводов, а также 4 канала контроля температуры поверхности трубопроводов в точках Б1, Б2 и патрубков в точках С1 и С2.

Для контроля деформаций стенки трансфера используются капсулированные полумостовые тензоре-зисторы типа КНС с максимальной рабочей температурой 550оС. С их помощью, в частности, производится оценка накопления пластических деформаций в материале патрубков в зоне врезки их в колонну. Для этого ведется непрерывный контроль деформаций патрубков во время эксплуатации, а также определение остаточной деформации, накопленной за период между плановыми ремонтами с остановом колонны К-11. Величина пластических деформаций материала каждого патрубка определяется и сравнивается с допускаемой величиной 0,2%. При остаточной деформации более 0,2% назначается очередное обследование зоны врезки патрубков в колонну. Если деформа-

ция превышает 0,5%, то автоматически выдаётся предписание о прекращении эксплуатации колонны и проведении обследования зоны врезки.

Измерение координат реперных точек А1, А2, Б1, Б2, перемещающихся относительно неподвижных опор, осуществляется датчиками перемещений LWG-225 реостатного типа с диапазоном измерений 0+225 мм - по три датчика на каждую точку. Они устанавливаются параллельно осям ОХ, ОУ, 02 в рабочем состоянии трансфера (рис.2).

Рис. 2. Датчики перемещения в точке А1

Для контроля температуры в точках Б1, Б2, С1 и С2 используются термоэлектрические преобразователи с характеристикой ТХА, закреплённые на специальных стальных пластинках и закрытых теплоизоляцией.

Сигналы от датчиков по кабельным линиям длиной 300 метров через барьеры искрозащиты поступают на аналоговые входы электронных модулей, где преобразуются в цифровой вид. Далее сигналы обрабатываются по специальному алгоритму для получения координат реперных точек, температуры и величин фактических механических напряжений в зонах патрубков, которые затем сохраняются в базе данных на жестком диске станции оператора.

Для дальнейшей обработки данных применяется экспертная система. Её основой является теоретическая модель объекта, позволяющая по данным о перемещениях реперных точек рассчитать напряжения в патрубках вблизи зон врезки их в колонну и оценить эквивалентные напряжения непосредственно в зонах врезки. Полученные эквивалентные напряжения сравниваются с допускаемыми значениями напряжений а (а = 316 МПа для материала патрубков - сталь 09Г2С) и дополняются данными о величине пластической деформации, полученными с помощью тензодатчиков. Далее экспертная система автоматически определяет техническое состояние, остаточный ресурс объекта, а также возможность его дальнейшей эксплуатации.

Заметим, что сведения о толщине стенки патрубков, необходимые для расчётов остаточного ресурса объекта, вводятся вручную по результатам периодических обследований толщины стенки патрубков методами инструментального контроля. В дальнейшем

предполагается оснастить систему датчиками коррозионного контроля для автоматического получения этих данных.

Программный код алгоритма работы системы сбора данных и экспертной системы был разработан в SCADA-среде TRACE MODE 6, имеющей соответствующие сертификаты на применение в составе ОПО. Результаты работы всей системы мониторинга выдаются на монитор станции оператора в форме набора видеограмм. Экспертная система также автоматически формирует протокол, который при необходимости может быть распечатан в виде документа.

Аппаратная часть системы мониторинга состояния трубопроводов и патрубков трансферных линий состоит из следующих составных частей:

- датчики полевого уровня (тензодатчики, потен-циометрические датчики перемещений, термоэлектрические преобразователи), непосредственно установленные на конструктивных элементах аппарата, входящего в состав ОПО;

- аналоговые кабельные линии от датчиков к измерительным каналам;

- шкаф устройства связи с объектом, включающий барьеры искрозащиты, нормирующие преобразователи, модули ввода-вывода, блоки питания, устройство бесперебойного питания;

- цифровая линия связи с операторной станцией и кабели питания;

- операторная станция (промышленный компьютер, монитор, печатающее устройство).

Обеспечение взрывобезопасности является ключевым фактором, определяющим состав и структуру системы. Всё оборудование системы мониторинга размещено в двух зонах В-1г и Д. Территория размещения технологического оборудования установки ЭЛОУ+АВТ6, включая колонну К-11 и трансферные трубопроводы, относится к классу взрывоопасности В-1г, границы которой установлены по периметру здания щита управления установкой. В этой зоне находятся все датчики и аналоговые кабельные линии. Здание операторной, где установлено остальное оборудование системы, имеет взрывобезопасную категорию Д.

Для обеспечения безопасности применен тип взрывозащиты электрооборудования «искробезопас-ная цепь». В системе используются серийно выпускаемые датчики общего назначения, встроенные в защитную оболочку, не имеющие собственного источника тока, которые в соответствии с Правилами [3] могут включаться в состав искробезопасных цепей.

Защита цепей тензодатчиков и датчиков перемещений обеспечивается барьерами искробезопасности, которые установлены в шкафу УСО перед входом измерительных усилителей МР-55. Нормирующие усилители PI-x-ME-THC-1, используемые для регистрации сигналов термопар, имеют собственные искробезо-пасные входные цепи.

Шкаф УСО и рабочая станция связаны между собой при помощи линии промышленного интерфейса RS-485 и кабеля питания 220 В.

Эксплуатация системы мониторинга осуществля-

ется на основании разрешения на применение, полученного в органах государственного регулирования.

Внедрение системы мониторинга позволило повысить безопасность эксплуатации трансферного трубопровода, предотвращать возможные нештатные ситуации, получить дополнительные сведения об изменении состояния основных элементов трубопровода и патрубков в процессе эксплуатации.

Библиографический список 1. ПБ 09-563-03 Правила промышленной безопасности

для нефтеперерабатывающих производств.

2. ПНАЭ Г-7-002-86 Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок М., 1989.

3. Стандарт организации «Мониторинг оборудования опасных производств. Порядок организации» (СТО-03-002-08). Серия 03 / кол. авт. М.: Химическая и компрессорная техника, 2008. 28 с.

4. Внезапных аварий не бывает / А.Шаталов [и др.]. Нефть России. 2006. №7.

УДК 621.314

ОБ ОТКЛИКЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ РЕГИСТРАЦИИ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

В.И.Муратов1, С.М.Куценко2

Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.

Рассмотрена методика измерений электромагнитного поля частичных разрядов, возникающих в высоковольтных изоляторах. Приведены результаты измерений и их анализ. Ил. 8. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: частичный разряд; фарфоровый изолятор; электромагнитное излучение; антенна.

ON THE RESPONSE OF THE MEASURING SYSTEM WHEN REGISTING PARTIAL DISCHARGES V.I.Muratov, S.M.Kutsenko

Irkutsk State University of Railway Engineering 15 Chernyshevskii St., Irkutsk, 664074

The authors consider the procedure to measure the electric field of partial discharges occurring in high-voltage insulators. The results of measurements and their analysis are presented. 8 figures. 7 sources.

Key words: partial discharge; porcelain insulator; electromagnetic radiation; aerial.

При изучении частичных разрядов измерения приходится проводить на высоковольтных установках, ограждённых, по соображениям безопасности, металлическими решётками. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.

ИТ

Рис. 1. Принципиальная схема регистрации частичных разрядов в изоляторах: ИТ - высоковольтный регулируемый трансформатор; Сх - исследуемый образец изолятора; 1 - измерительное сопротивление 50 Ом;

ЦО - цифровой осциллограф

С трансформатора на исследуемый образец изолятора подавалось регулируемое высокое напряжение частотой 50 Гц. В качестве образцов использовались фарфоровые изоляторы. Регистрация электро-

магнитных импульсов осуществлялась цифровым осциллографом типа ОБО 3202А посредством широкополосной вертикальной штыревой антенны.

При разряде генерируются электромагнитные поля, распространяющиеся от места возникновения частичного разряда. После достижения ограждающих решёток часть поля поглощается, часть проходит сквозь стенки, часть уходит через незащищённое пространство, а часть отражается от стенок и возвращается обратно. Если в спектре разряда присутствуют гармоники, длина волны которых соответствует условию пЛ /2 =L, где п- целое число, 2 - длина волны, L -линейные размеры ограждения, то между решётками могут возникнуть стоячие волны. Для рождения волны существенную роль играет место возбуждения и поляризация источника. В наших условиях форма ограждения - прямоугольник с размерами 3,7x2,4 м2. Частота первой гармоники 1 = с/Л составляет для одного размера 40 МГц, для другого - 60 МГц. Для определения возможностей измерительной системы были проведены измерения пробоя воздушного промежутка размерами 3 мм в открытом пространстве. Результаты представлены на рис. 2.

1Муратов Валерий Илларионович, аспирант, тел.: (3952)638323, e-mail: klinn@irgups.ru Muratov Valeriy Illarionovich, a postgraduate, tel.: (3952)638323, e-mail: klinn@irgups.ru

2Куценко Сергей Михайлович, доцент кафедры телекоммуникационных систем, тел.: (3952)638338, e-mail: kucenko_s@irgups.ru

Kutsenko Sergey Mihailovich, an associate professor of the Chair of Telecommunicational Systems, tel.: (3952)638338, e-mail: kucenko_s@irgups.ru