СИСТЕМА ДЛЯ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ ТРУБОПРОВОДА
SYSTEM FOR PIPELINE OPERATION MODE MONITORING AND REGULATION

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может быть использовано для автоматического контроля технологического процесса транспортировки жидкости и газа, например для контроля и управления блоком электроприводных задвижек на участках нефтепроводов, газопроводов, водоводов, расположенных в труднодоступной местности.
Известен магистральный трубопровод, содержащий установленные на трассе трубопровода задвижки с приводами, разделяющие трассу на отдельные участки, на каждом из которых установлены датчики, причем контакты реле датчиков расхода и давления включены последовательно в электрическую цепь, при этом электрическая цепь выработки сигнала управления для каждого участка связана с приводом задвижки, расположенной на входе участка (а.с. №1651015, F17D 5/02, приоритет от 27.03.80 г., оп. 23.05.91 г., бюл. №19).
Недостатком указанного технического решения является его невысокая надежность работы.
Известна система контроля и регулирования режима работы трубопровода, содержащая узел средств измерений, приемно-передающую аппаратуру, источник питания и центральный диспетчерский пункт с записывающим устройством (пат. №1839706, F17D 5/00, приоритет от 24.12.90 г., оп. 30.12.93 г., бюл. №48-47).
Недостатком указанной системы является ее невысокая надежность работы.
Известна система контроля и регулирования режима работы трубопровода, которая содержит узел средств измерений, приемно-передающую аппаратуру, источник питания и центральный диспетчерский пункт с записывающим устройством, узел электроприводных задвижек, микропроцессорный контроллер, выход которого подключен к входу узла электроприводных задвижек, а в качестве источника питания используют автономный комбинированный источник питания (пат. №2304740 F17D 5/00, приоритет от 06.04.2005 г.).
Недостатком указанной системы является также ее невысокая надежность работы, обусловленная, в том числе, применением комбинированного источника питания с дизель-генератором, и, кроме того, система предполагает частое нахождение при ней обслуживающего персонала.
Предлагаемая система контроля и регулирования режима работы трубопровода лишена приведенных выше недостатков и позволяет, не требуя больших материальных и человеческих затрат, повысить безопасность эксплуатации трубопровода, предотвратить аварийные ситуации на нем, повысить достоверность контроля, экологичность и эффективность управления.
Поставленная цель достигается тем, что система для контроля и регулирования режима работы трубопровода содержит узел средств измерений, приемно-передающую аппаратуру (радиомодем), автономный комбинированный источник питания и центральный диспетчерский пункт с записывающим устройством, узел электроприводных задвижек, микропроцессорный контроллер, выход которого подключен к входу узла электроприводных задвижек.
Причем записывающее устройство представляет собой микроконтроллер с программным обеспечением, а в качестве датчика измеряемых параметров используют датчик давления, датчик температуры, датчик расхода и автономный комбинированный источник питания, который представляет собой сочетание химического, вихревого и термоэлектрического источников.
При этом выделение аварийных отклонений параметров в микропроцессорном контроллере осуществляют посредством программного обеспечения; прием и передачу информации о параметрах системы осуществляют с помощью радиомодема, а обработку информации о параметрах системы осуществляют путем сравнения измеряемых параметров с предельными значениями этих параметров с помощью программного обеспечения.
На фиг.1 представлена схема системы для контроля и регулирования режима работы трубопровода.
Система для контроля и регулирования режима работы трубопровода (далее по тексту - система) содержит защитный кожух 1 в виде блок-бокса контейнерного типа, аккумуляторную часть автономного комбинированного источника питания 2, узел средств измерений 3, узел электроприводных задвижек 4, микропроцессорный контроллер 5 с программным обеспечением, приемно-передающую аппаратуру 6, которая представляет собой радиомодем, и центральный диспетчерский пункт 7.
Защитный кожух 1 - блок-бокс контейнерного типа - выполнен в виде прочного корпуса, в котором размещены микропроцессорный контроллер 5, узел средств измерений 3, система поддержания микроклимата 8, представляющая собой обогреватель или несколько обогревателей, система безопасности 9, включающая систему пожарной безопасности и систему контроля несанкционированного доступа в виде замкнутой электрической цепи, работающей на разрыв, радиомодем 6 и аккумуляторная часть автономного комбинированного источника питания 2.
Внутри трубопровода, например на его внутренней стенке, перед узлом электроприводных задвижек 4 смонтирована вихревая трубка 11 с термоэлектрическим преобразователем, выход которой через электропружинный клапан 12 соединен с окружающей средой, причем электропружинный клапан 12 предварительно регулируется таким образом, что он срабатывает автономно (то есть, открывается) при снижении давления в трубопроводе на 7…10% ниже номинального, либо принудительно по сигналу микропроцессорного контроллера 5, включая при этом по его управляющему сигналу вихревую трубку с термоэлектрическим преобразователем 11, а выход вихревой трубки с термоэлектрическим преобразователем 11 соединен с узлом средств измерений 3.
Также поясним, что возникающий при этом вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша) реализуется за счет перепада давления газа и заключается в снижении температуры центральных слоев закрученного потока и нагреве периферийных слоев. Отметим, что вихревая трубка характеризуется предельной простотой и надежностью в работе, поскольку она не имеют движущихся частей. Основными элементами вихревой трубки (ВТ) являются вихревая камера с тангенциальным сопловым вводом, диафрагма, примыкающая к камере, и вентиль на горячем конце трубы для обеспечения необходимого соотношения потоков. Аппарат работает следующим образом: сжатый газ, расширяясь в сопле, разгоняется до скорости звука и интенсивно закручивается. При этом в рабочем объеме ВТ формируется высокоскоростной вихревой поток, в котором и возникает эффект Ранка-Хилша. Внутренние - охлажденные - слои газа отводятся через диафрагму в виде холодного потока, а периферийные - нагретые - в виде горячего потока. Возникающая при этом разность температур достигает 200°С градусов и более.
Для выработки электрического тока при работе ВТ могут быть использованы, например, классические термоэлектрические преобразователи на основе эффекта Зеебека, широко применяемые на практике, либо преобразователи на основе нового физического явления, заключающегося в возникновении спонтанной генерации электрического напряжения образцом материала при его равномерном нагреве. В основе эффекта лежит коллективный процесс изменения валентности ионов редкоземельного металла (Sm-самария), сопровождающийся скачкообразным увеличением количества свободных электронов и обеспечивающий коэффициент полезного действия порядка 45%, что превосходит лучшие образцы классических термоэлектрических преобразователей в 3...4 раза.
Указанные термопреобразователи на основе преобразующего элемента из монокристаллического либо поликристаллического сульфида самария SmS, легированного донорными примесями, обладают полной автономностью, высокой надежностью, простотой эксплуатации и конструкции, долговечностью, малогабаритностью, высокими энерговесовыми характеристиками и технологичностью в производстве. Полученный таким образом электрический ток используется после преобразования далее для привода узла электроприводных задвижек 4 и подзарядки химических источников тока 2.
Микропроцессорный контроллер 5 соединен с узлом средств измерений 3 и узлом электроприводных задвижек 4, установленными на контролируемом участке трубопровода. Причем выход микропроцессорного контроллера 5 подключен к входу узла электроприводных задвижек 4.
Кроме того, микропроцессорный контроллер 5 соединен с узлом средств измерений 3, системой безопасности 9, системой поддержания микроклимата 8, радиомодемом 6 и аккумуляторной частью автономного комбинированного источника питания 2, расположенными внутри защитного кожуха 1.
Микропроцессорный контроллер 5 осуществляет управление узлами и оборудованием, расположенными как внутри защитного кожуха, так и на контролируемом участке трубопровода, посредством программного обеспечения, а для реализации заданных ему функций имеет необходимые входы и выходы.
Поэтому сбор информации о технологических параметрах системы, ее обработку и выработку управляющего сигнала на исполнительные механизмы (аккумуляторная часть автономного комбинированного источника питания 2 и узел электроприводных задвижек 4) производят в микропроцессорном контроллере 5.
Информационная связь (прием и передача информации) между микропроцессорным контроллером 5 и центральным диспетчерским пунктом 7 осуществляется посредством радиомодема 6, а связь между остальными узлами и оборудованием - по проводной - кабельной линии связи.
Узел средств измерений 3 состоит из первичных средств измерений, представляющих собой датчик или несколько датчиков, преобразователя сигнала и установлен как внутри защитного кожуха 1, так и на контролируемом участке трубопровода. Выход узла средств измерений 3 соединен с входом микропроцессорного контроллера 5.
В частности, могут быть использованы датчики температуры среды размещения оборудования и/или узлов, давления транспортируемой среды, ее температуры и расхода и другие.
По показаниям датчика или нескольких датчиков осуществляют контроль за состоянием транспортной системы (трубопровода и протекающей в нем среды), защитного кожуха 1, узлов и оборудования, расположенного внутри него.
Таким образом, в качестве информации о параметрах системы используют данные контроля за состоянием самого трубопровода, протекающей в нем среды, защитного кожуха 1, узлов и оборудования, расположенного как внутри него, так и на контролируемом участке трубопровода, например контроль за целостностью защитного кожуха 1, трубопровода, за давлением протекающей в нем среды.
Преобразователь сигнала представляет собой источники питания первичных средств измерений и электронные блоки нормирования - преобразования нестандартных сигналов, поступающих с первичных средств измерений, в унифицированные сигналы.
Аккумуляторная часть автономного комбинированного источника питания 2 является частью комбинированного источника питания, который представляет собой сочетание химического (аккумуляторные батареи), вихревого и термоэлектрического источников, то есть вихревой трубки с термоэлектрическим преобразователем 11.
При этом постоянно подключенными к аккумуляторной части автономного комбинированного источника питания 2 остаются узел средств измерений 3, радиомодем 6 и микропроцессорный контроллер 5.
Электропитание системы поддержания микроклимата 8 всегда осуществляется от аккумуляторной части автономного комбинированного источника питания 2, а электропитание узла электроприводных задвижек 4 при резком понижении давления в трубопроводе и подзарядка аккумуляторной части автономного комбинированного источника питания осуществляются от вихревого и термоэлектрического источников, то есть вихревой трубки с термоэлектрическим преобразователем 11, которые включаются при автономном срабатывании электропружинного клапана 12 при резком понижении давления в трубопроводе либо при принудительном срабатывании электропружинного клапана 12 по управляющему сигналу микропроцессорного контроллера 5.
Центральный диспетчерский пункт 7 включает в себя приемно-передающую аппаратуру 6, которая представляет собой радиомодем, и записывающее устройство 10 в виде микроконтроллера с программным обеспечением, с помощью которых осуществляет прием и передачу информации, запись данных и контроль обработанной информации о параметрах, поступающей с микропроцессорного контроллера 5.
Предлагаемая система для контроля и регулирования режима работы трубопровода функционирует следующим образом.
Защитный кожух 1 располагают вблизи контролируемого участка трубопровода.
Во время работы транспортной системы узел электроприводных задвижек 4 открыт и датчиками узла средств измерений 3 измеряются сигналы технологических параметров, например давления, температуры, расхода в текущем рабочем режиме.
В процессе транспортирования текущей среды (нефти, газа) по трубопроводу осуществляют сбор информации о параметрах транспортной системы, то есть контролируемая информация о технологических параметрах транспортной системы передается от узла средств измерений 3 (с датчика или датчиков через преобразователь сигнала) в микропроцессорный контроллер 5 для ее обработки с помощью программного обеспечения.
При этом обработку информации о параметрах транспортной системы осуществляют в микропроцессорном контроллере 5 с выделением аварийных отклонений параметров с помощью программного обеспечения.
Одновременно с процессом обработки технологических параметров транспортной системы микропроцессорным контроллером 5 осуществляется и процесс обработки технологических параметров защитного кожуха 1, узлов и вспомогательного оборудования, например целостности защитного кожуха 1, пожарной безопасности и температурного режима внутри него. Для этого посредством датчиков узла средств измерений 3, установленных внутри защитного кожуха 1, осуществляется сбор информации о контролируемых технологических параметрах, таких как температуры внутри защитного кожуха 1, уровня заряда аккумуляторных батарей - аккумуляторной части автономного комбинированного источника питания 2, которая поступает в микропроцессорный контроллер 5 для ее обработки с помощью программного обеспечения.
Вся информация, полученная микропроцессорным контроллером 5 в процессе сбора информации о параметрах системы, им же и обрабатывается, то есть сравниваются измеряемые параметры с предельными значениями этих технологических параметров. При этом предельные значения заранее занесены в память микропроцессорного контроллера 5 с центрального диспетчерского пункта 7. Кроме этого, в файле текущих или аварийных ситуаций фиксируется, то есть записывается и запоминается, как само значение контролируемого технологического параметра, так и время события, и далее передается на центральный диспетчерский пункт 7 в виде регламентных сообщений, например «параметры в норме», где принятая информация о параметрах системы также записывается, запоминается и осуществляется контроль за обработанной микропроцессорным контроллером 5 информацией о параметрах системы.
Процесс сравнивания значений контролируемых технологических параметров с его предельными значениями микропроцессорным контроллером 5 осуществляется для каждого измеренного значения технологического параметра в отдельности.
В результате сравнения в микропроцессорном контроллере 5 формируется - вырабатывается сигнал на исполнительные механизмы, который управляет ими, то есть управляющий сигнал.
В качестве исполнительных механизмов используют:
узел электроприводных задвижек 4 (опустить/поднять);
аккумуляторную часть автономного комбинированного источника питания 2 с электропружинным клапаном 12 (включение вихревой трубки с термоэлектрическим источником 11, зарядка аккумуляторной части автономного комбинированного источника питания);
систему поддержания микроклимата (включить/выключить).
Например, отслеживая состояние аккумуляторной части автономного комбинированного источника питания 2, микропроцессорный контроллер 5 управляет их зарядкой посредством выработки управляющего сигнала на электропружинный клапан 12 для его принудительного срабатывания для включения вихревой трубки с термоэлектрическим источником 11 для подзарядки химического источника питания 2, а при значении параметра температуры внутри защитного кожуха 1 ниже заданного микропроцессорный контроллер 5 вырабатывает управляющий сигнал на электропружинный клапан 12, после которого запускается вихревая трубка с термоэлектрическим источником 11. При достижении заданного значения контролируемого параметра температуры микропроцессорный контроллер 5 снова вырабатывает управляющий сигнал и вихревая трубка с термоэлектрическим преобразователем 11 выключается.
Кроме этого, постоянно под контролем программного обеспечения микропроцессорного контроллера 5 находится система безопасности 9 защитного кожуха 1. В случае выхода контролируемых параметров за заданную предельную величину значений микропроцессорный контроллер 5 вырабатывает соответствующий управляющий сигнал на исполнительный механизм, например на автономный комбинированный источник питания 2, и отключает силовые цепи в защитном кожухе 1. Также микропроцессорный контроллер 5 обеспечивает несколько уровней защиты от ложного срабатывания узла электроприводных задвижек 4. При выявлении в процессе сравнения значений технологических параметров отклонений от заданного предельного значения эта аварийная информация также фиксируется программным обеспечением микропроцессорного контроллера 5, как само значение, так и время события, и передается на центральный диспетчерский пункт 7, в том числе и в виде запроса для определения контролируемой ситуации.
Вся собранная микропроцессорным контроллером 5 информация о параметрах системы с датчиков 3 формируется для передачи на центральный диспетчерский пункт 7, согласно протоколу обмена, в виде файла для передачи информации о состоянии как внутри защитного кожуха 1, так и самого трубопровода и текущей в нем среды. Передача информации о параметрах системы с микропроцессорного контроллера 5 и прием ее на центральном диспетчерском пункте 7 осуществляется как в обычном текущем режиме (в защитном кожухе 1 и в транспортной системе), так и в виде запроса для получения подтверждения аварийной ситуации в транспортной системе. Кроме того, запрос для получения подтверждения аварийной ситуации или для уточнения полученной информации может поступать как с центрального диспетчерского пункта 7 на микропроцессорный контроллер 5, так и наоборот.
Обмен (прием-передача) информацией о параметрах системы между микропроцессорным контроллером 5 и центральным диспетчерским пунктом 7 осуществляется по команде управляющего сигнала с микропроцессорного контроллера 5 в виде, например, передачи аварийных сообщений, регламентного сообщения «параметры в норме» и так далее. После получения микропроцессорным контроллером 5 с центрального диспетчерского пункта 7 подтверждения аварийной ситуации в транспортной системе и разрешения на управление узлом электроприводных задвижек 4 осуществляется выработка управляющего сигнала с микропроцессорного контроллера 5 на узел электроприводных задвижек 4, который под воздействием этого управляющего сигнала закрывается, тем самым перекрывая контролируемый участок трубопровода. Причем при резком понижении давления в трубопроводе электропружинный клапан 12 срабатывает автономно и при этом включается вихревая трубка с термоэлектрическим преобразователем 11, включающим далее узел электроприводных задвижек 4.
Независимо от этого в случае подтверждения аварийной ситуации в транспортной системе (пока давление в трубопроводе не успело упасть) в короткий срок (3…8 минут) дистанционно перекрывается узел электроприводных задвижек 4 контролируемого участка трубопровода с помощью управляющего сигнала с микропроцессорного контроллера 5. Благодаря этому предотвращаются длительные утечки нефти, газа из трубопровода, которые могут привести к аварии, значительным экономическим потерям и загрязнению окружающей среды (переходы нефтепроводов через водные преграды, при расположении нефтепроводов рядом с лесными массивами и так далее).
При возникновении аварийной ситуации как внутри защитного кожуха 1, так и в транспортной системе на центральном диспетчерском пункте 7 автоматически срабатывает устройство оповещения путем включения световой, звуковой или иной сигнализации. Для выработки дополнительной электроэнергии в светлое время суток на крыше и боковых поверхностях защитного кожуха 1 могут быть дополнительно размещены солнечные элементы, соединенные через преобразователь с аккумуляторной частью автономного комбинированного источника питания 2.
В целом предлагаемая система контролирует и управляет технологическими параметрами транспортной системы (трубопровода и протекающей в нем среды) на участке трубопровода в труднодоступных зонах (болота, водные переходы, пойменные территории и так далее), к которым затруднено или нецелесообразно подведение силовых линий электроснабжения, и технологическими параметрами защитного кожуха 1 с узлами и оборудованием, при этом не требуя больших материальных и человеческих затрат (не используются, например, линии электропередач - ЛЭП) и позволяя повысить безопасность эксплуатации трубопровода, а также повысить достоверность контроля, экологичность и эффективность управления.
Указанные функции системы осуществляются в режиме реального времени путем непрерывного сбора информации о параметрах, ее обработки, записи, приема и передачи, своевременно оповещая диспетчера на центральном диспетчерском пункте 7 обо всех штатных, нештатных и аварийных режимах работы системы.
В целом система проста в изготовлении, в монтаже и обслуживании, надежна и экономична в эксплуатации.