СИСТЕМА "СМАРТ-МОНИТОРИНГ" ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
"SMART-MONITORING" SYSTEM FOR REMOTE CONTROL OF STATE OF STOP VALVES OF MAIN GAS PIPELINES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к дистанционному контролю состояния трубопроводной арматуры (ТПА), а именно к дистанционному контролю состояния запорной арматуры (ЗА) газопроводов, в состав которой входят краны или задвижки с запорным органом (затвором), а также к контролю рабочих параметров исполнительных механизмов, например, пневмогидравлического привода управления затвором.
Изобретение может быть использовано при создании автоматизированных систем управления и контроля технологическими процессами трубопроводного транспорта газа и других продуктов; при организации каналов коммуникации между средствами телеметрии ТПА и работником в режиме реального времени для контроля текущего состояния оборудования, прогнозирования критических режимов его эксплуатации; сквозного мониторинга работы и обслуживания оборудования на всех этапах управленческого и оперативного контроля; при разработке планов-графиков обслуживания трубопроводной арматуры в соответствии с интенсивностью технологического процесса и расчетом потребности в расходных материалах (демпферной жидкости, уплотнительной пасте и др.); для объективного обоснования необходимости замены дефектной ТПА.
Уровень техники
Одним из основных требований, предъявляемых к трубопроводной арматуре магистральных газопроводов, и в частности, к запорной арматуре при исполнении ее функционального назначения, является обеспечение герметичности запорного органа (затвора) запорной арматуры. В этой связи для предотвращения аварийных ситуаций необходим постоянный оперативный и качественный контроль герметичности запорного органа запорной арматуры, в т.ч. с выявлением дефектов системы уплотнения в начальный момент их образования и интенсивности последующего развития.
Известна система дистанционного контроля состояния магистрального газопровода (патент на полезную модель RU 65175), осуществляющая сбор, передачу, прием и преобразование реальных физических параметров, поступающих с объектов в реальном масштабе времени, и выдачу управляющих воздействий на исполнительные механизмы для обработки команд с пульта управления. Система включает в себя пульт управления, канал связи и блок контрольно-измерительных приборов для измерения текущих параметров технологических объектов, исполнительные механизмы запорной арматуры и не менее одного контролируемого пункта, оборудованного блоком передачи информации, который соединен с блоком центрального процессора, и включает в себя последовательно соединенные процессор, блок ввода аналоговых сигналов и блок ввода/вывода дискретных сигналов; блок модулей сопряжения аналоговых сигналов; блок модулей сопряжения дискретных сигналов; блок модулей реле. Каждый из контролируемых пунктов соединен информационной связью через канал связи с пультом управления. Аналоговые датчики блока контрольно-измерительных приборов соединены с блоком модулей сопряжения аналоговых сигналов, выход которого соединен с блоком ввода аналоговых сигналов. Дискретные датчики блока контрольно-измерительных приборов соединены с блоком модулей сопряжения дискретных сигналов, выход которого соединен с блоком модулей ввода/вывода.
Однако данная система не позволяет оперативно реагировать на неисправности в начальной стадии их развития для обеспечения своевременного проведения диагностического, технического обслуживания и ремонта, автоматизировать разработку планов-графиков эксплуатируемой ТПА, рассчитать потребность в расходных материалах - демпферной жидкости, уплотнительной пасте и др., обосновать необходимость замены дефектной ТПА. Система не позволяет формировать управляющий сигнал для организации восстановительных работ и проводить оценку полноты проведенных мероприятий.
Из уровня техники известна система контроля состояния газопроводов с целью раннего оповещения при возникновении повреждений (CN 110260168 A). Система включает главную станцию и подстанции. Главная станция содержит блок обработки данных и терминал отображения информации о возможных повреждениях газопровода. Подстанция содержит блок сбора данных, связана с блоком обработки данных. Блок сбора данных включает датчик акустических волн, датчик инфразвуковых волн, датчик давления газовой среды в трубопроводе и датчик обнаружения газа. Датчик инфразвуковой волны установлен внутри трубы и используется для приема сигнала звуковой волны внутри трубы, а датчик акустической волны установлен на трубе и предназначен для приема сигнала звуковой волны вне трубы. Датчик обнаружения газа установлен в непосредственном контакте с газопроводом и выполнен с возможностью оценки объема и скорости утечки газа. В качестве датчиков обнаружения газа может быть использован инфракрасный, или лазерный, или электрохимический датчик обнаружения газа. Кроме того, подстанция также включает в себя предусилитель и модуль синхронизации GPS, при этом предусилитель подключен к блоку измерения акустических волн и связан с блоком обработки данных через модуль передачи данных. Блок обработки данных обрабатывает и анализирует данные, отправленные блоком сбора для выявления утечки газа в трубопроводе. Работа блока обработки данных основана на распознавания сигналов с использованием алгоритмов глубокого обучения нейронных сетей. Система обеспечивает постоянный мониторинг трубопроводной арматуры газопровода независимо от того, происходит утечка газа или нет для обеспечения возможности раннего предупреждения об опасности, и позволяет определять факт наличия утечки, тип и место утечки газа.
Однако данная система предназначена для мониторинга протяженного газопровода без привязки к запорно-регулирующей арматуре, которая является наиболее изнашиваемой частью газопровода ввиду воздействия на него запорного органа. При этом известная система преимущественно контролирует коррозионные повреждения транспортирующих газ труб, которые могут привести к их разрыву и утечке газа, стать причиной несчастных случаев, таких как возгорание и взрыв. Данная система не позволяет отображать характеристику работоспособности оборудования (в частности, запорно-регулирующей арматуры), оповещать о параметрах, способствующих образованию дефектов.
Наиболее близкой к заявляемому решению является автоматизированная система диагностического обслуживания (АСДО) технологического оборудования промышленных агрегатов для мониторинга магистральных трубопроводов (патент на полезную модель RU 114748), включающая автоматизированное рабочее место (АРМ), снабженное компьютером и устройством цветного мнемонического отображения текущего состояния технологического оборудования и соединенное с сервером и, по меньшей мере, с одной подсистемой, включающей по меньший мере один блок датчиков, установленных на диагностируемом технологическом оборудовании и соединенных через блоки усиления и согласования с блоками преобразования и обработки сигналов подсистемы. При этом каждый блок преобразования и обработки сигналов выполнен с возможностью приема, регистрации сигналов с датчиков, их первичной обработки и передачи на сервер, который обеспечивает возможность сравнения информации от блоков преобразования и обработки сигналов подсистемы с рассчитываемыми и/или внесенными его память пороговыми значениями. Компьютер АРМ выполнен с возможностью опроса сервера и визуализации информации, переданной на сервер от блоков преобразования и обработки сигналов подсистемы.
Однако известная система не обеспечивает высокоточный контроль безопасности эксплуатации основного и вспомогательного оборудования, эффективную оценку текущего технического состояния и прогнозирования остаточного ресурса отдельных элементов в составе функциональных узлов. Данная система не позволяет осуществлять интегральный принцип оповещения о наличии факторов, способствующих образованию неисправностей.
Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в преодолении недостатков, присущих аналогам, раскрытым при описании уровня техники, за счет разработки системы высокоточного контроля состояния трубопроводной арматуры газопроводов с возможностью прогнозирования критических режимов ее эксплуатации и организации своевременного проведения диагностического, технического обслуживания и ремонта запорной аппаратуры с контролем расходных материалов, обеспечивающих герметичность затвора.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в обеспечении безопасности эксплуатации трубопроводной, в т.ч. запорной, арматуры за счет диагностики ее состояния с возможностью выявления на раннем этапе нарушения герметичности запорного органа (или затвора) запорной арматуры, вызванной в т.ч. дефектами системы уплотнения.
Также заявленное решение обеспечивает повышение точности и оперативности определения аварийных и предаварийных ситуаций на запорной арматуре магистрального трубопровода, за счет многофакторной оценки состояния запорной арматуры и линий трубопровода путем одновременного контроля, как акустических параметров, так и параметров окружающей среды, перекачиваемой среды и параметров управляющего давления на каждом затворе линии трубопровода.
Измерение и контроль параметров позволяют также управлять движением материальных ресурсов предприятия, включая расходные материалы, обеспечивающие герметичность затвора и целостность узлов уплотнения, посредством внесения корректировок в графики технического обслуживания и ремонта ТПА.
Технический результат достигается при использовании системы дистанционного контроля состояния запорной арматуры (ЗА) газопровода с пневматическим или пневмогидравлическим управлением, включающей, по меньшей мере, один контрольный пункт (КП), снабженный компьютером, выполненным с возможностью цветного мнемонического отображения информации о состоянии запорной арматуры (ЗА) магистрального газопровода, соединенный каналами связи, по меньшей мере, с одной подсистемой, включающей, по меньшей мере, один блок контрольно-измерительных приборов (КИП) и соединенный с ним блок обработки сигналов (БОС), выполненный с возможностью приема, регистрации, обработки сигналов с КИП, включая сравнение измеренных параметров с рассчитываемыми и/или внесенными в его память пороговыми (нормативными) значениями, и передачи в контрольный пункт (КП),
при этом блок контрольно-измерительных приборов (КИП) включает:
по меньшей мере, два датчика давления импульсного газа, выполненные с возможностью измерения величины давления импульсного газа при открытии или закрытии затвора, установленные на линии подачи управляющей среды (например, газа) для открытия или закрытия затвора ЗА,
акустический датчик (или датчик акустической эмиссии или датчик перетока), выполненный с возможностью контроля герметичности затвора и/или штока привода управления затвором (по величине перетока транспортируемой среды через затвор), расположенный на корпусе колонны - удлинителя привода затвора, или корпусе, в котором расположен затвор, или с внешней стороны магистрального трубопровода в непосредственной близости к затвору; при этом акустический датчик снабжен преобразователем акустического сигнала в электрический, и, как правило, расположен радом с акустическим датчиком - на расстоянии не более 0,5 м,
датчик загазованности, например, датчик метана, предназначенный для контроля утечек газа через корпусные разъемы ЗА, и установленный вблизи штатного дыхательного отверстия, расположенного на корпусе колонны - удлинителя привода управления затвором ЗА и/или корпусе привода управления затвором ЗА,
по меньшей мере, два датчика расхода высоковязкого материала, используемого для обеспечения герметичности уплотнения затвора ЗА, установленные на линиях принудительного подвода высоковязких материалов в зону размещения уплотнения затвора ЗА с противоположных сторон корпуса колонны-удлинителя привода затвора ЗА, (датчики позволяют измерять количество промывочных, смазочных, герметизирующих, консервирующих и уплотнительных материалов, поступивших в систему уплотнения затвора),
а блок обработки сигналов (БОС) представляет собой программируемый логический контроллер (или микроконтроллер), оснащенный блоком аналоговых входов, блоком дискретных входов, модулем CAN интерфейса, модулем питания, модулем интерфейса для связи с контрольным пунктом, и выполнен с возможностью определения по измеренной величине давления импульсного газа следующих параметров: положения затвора, количества перестановок затвора за единицу времени (за период наблюдения), времени прохождения затвора от положения «открыто» до положения «закрыто» или скорости перестановки затвора; величины крутящего момента, требуемого для перестановки затвора.
CAN (Controller Area Network) - стандарт промышленной сети, ориентированный на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков.
В качестве датчика давления импульсного газа может быть использован преобразователь давления измерительный ПД100-ДИ10,0-115-0,5Exd (https://owen-prom.ru/katalog/datchiki/preobrazovateli-davleniya/pd100-model-115-exd-datchik-davleniya-vo-vzryvonepronitsaemom-ispolnenii/). В качестве датчика загазованности может быть использован газосигнализатор ИГС-98 «Марш-Д» исп. 010 (https://www.gazoanalizators.ru/tech/igs-98-d-010-re.pdf ). В качестве датчика расхода высоковязкого материала может быть использован датчик СФ-0,1 - РДПИ.407168.001 (http://ekvaremkomplekt.ru/tech/RDPI.407168.001-SF.pdf). В качестве акустического датчика может быть использован датчик РДПИ.402152.001-ДП-800 (http://ekvaremkomplekt.ru/tech/DP-800.RDPI.402152.001.pdf), включающий акустический датчик РДПИ.408119.001 и преобразователь РДПИ.402161.001.
Блок обработки сигналов (БОС) выполнен с возможностью передачи данных в виде единого массива с периодичностью, например, не чаще одного раза в секунду с использованием портов интерфейсной связи с программными протоколами RS-485, Modbus-RTU. БОС содержит программируемый микроконтроллер, в качестве которого может быть использована микросхема STM32F407VG (https://www.chipdip.ru/product/stm32f407g-disc1-2), обьединённая с блоками дискретного (Овен МВ110-24 16Д) и аналогового (Овен МВ110-24 2АС) входа (ввода соответствующих сигналов) для подключения датчиков.
Отличием заявляемой системы от известных является использование комплекса контрольно-измерительных приборов, установленных на конструктивных элементах ЗА с обеспечением возможности своевременного оповещения о критических режимах, при которых вероятность образования неисправностей достигает докритического значения, что позволяет своевременно организовать необходимые компенсирующие мероприятия для обеспечения работоспособности запорной арматуры при неблагоприятных технологических факторах.
Система выполнена с возможностью:
- измерения данных о величине давления, поступающих в БОС с двух датчиков давления импульсного газа привода управления затвором ЗА (или двух преобразователей давления измерительных типа ПД100-ДИ10,0-115-0.5 Exd) по физическим линиям (4-20мА), где происходит их сравнение с эталонными значениями,
при этом в качестве эталонных значений используют значения импульсного газа для запорной арматуры, не имеющей замечаний по работоспособности, удовлетворяющей требованиям конструкторской и эксплуатационной документации, в качестве которых в одном из вариантов осуществления изобретения могут быть использованы следующие параметры: давление импульсного газа (открытие) для арматуры с рабочим давлением 8,0 МПа - менее 4,0 МПа; давление импульсного газа (закрытие) для арматуры с рабочим давлением 8,0 МПа - менее 4,0 МПа; крутящий момент, требуемый для перестановки затвора; скорость перестановки затвора; количество перестановок затвора; которые определяются заводом изготовителем запорно-регулирующей арматуры и указываются в паспорте изделия, и при отклонении от значений нормы в БОС формируется сигнал о том, что техническое состояние ЗА требует диагностики или обслуживания;
- контроля загазованности (наличия метана) у корпусных разъемов ЗА, например, с помощью газосигнализатора ИГС-98 "МАРШ-Д", данные с которого поступают в БОС по физической линии 4-20мА, БОС обрабатывает полученную информацию с вычислением загазованности в процентах относительно нижнего концентрационного предела взрываемости (НКПВ) по метану; при загазованности, например, 20 % НКПВ и более БОС формирует сигнал «затвор не герметичен»;
- определения наличия перетока газа через затвор ЗА (нарушение герметичности), например, с помощью датчика ДП-800, установленного на колонну - удлинитель привода запорного крана и соединенного с БОС по интерфейсу CAN 2.0; при этом БОС формирует выходной параметр с возможными тремя состояниями: норма; предупреждение - достигнут предел предупредительной уставки, при котором зафиксирован переток газа через затвор, требующий обслуживания; авария - достигнут предел аварийной уставки, при котором зафиксирован переток газа через затвор, требующий срочного обслуживания; значения указанных уставок определяются для конкретного диаметра ЗА, типа транспортируемой среды и записываются в энергонезависимую память БОС при вводе в эксплуатацию;
- контроля за расходом и количеством поступающих в систему уплотнения затвора на узлах ЗА промывочных, смазочных, герметизирующих, консервирующих и уплотнительных материалов, посредством использования ротационных датчиков объемного действия, например, СФ-0,1; полученные данные используют для осуществления контроля за полнотой и своевременностью проведения технического обслуживания ЗА посредством передачи данных об объеме и времени прохождения расходного материала, фиксируемых в БОС при срабатывании ротационного датчика;
- оценки соответствия периодичности проведения регламентных работ и соответствие объема расходного материала требованиям производителей запорной арматуры по обеспечению ее работоспособности.
Перечисленный комплекс измеряемых и вычисляемых параметров позволяет проводить высокоточный дистанционный контроль состояния запорной арматуры магистральных газопроводов, прогнозировать критические режимы ее эксплуатации, проводить своевременное диагностическое, техническое обслуживание и ремонт запорной аппаратуры с контролем расходных материалов, обеспечивающих герметичность затвора, что повышает эффективность и безопасность эксплуатации запорно-регулирующей арматуры (трубопроводной арматуры).
При длительной работе арматуры в режиме ожидания, образование дефектов и нарушение герметичности запорного органа (или затвора) ЗА происходят в т.ч. за счет уноса потоком транспортируемой среды легких связующих фракций смазывающих составов, ранее поданных в систему уплотнения при техническом обслуживании. Смазка перестает исполнять свое назначение, следствием чего является «прикипание» эластичного материала системы уплотнения к затвору запорной арматуры, образование микротрещин на рабочей поверхности уплотнительных колец в начальный момент движения затвора и дальнейшее увеличение размеров дефекта. В момент начала движения запорного органа «прикипевшим» уплотнением создаются дополнительные противодействия за счет сил трения, преодоление которых требует увеличенного крутящего момента для перестановки затвора, развиваемого приводом. Величина крутящего момента прямо пропорциональна давлению импульсного газа, поступающего на управление затвором. Информация о величине давления поступает от датчиков, установленных на линии управляющего газа пневматической системы привода управления затвором. Система проводит сравнение полученного значения с нормативным показателем, которая через БОС передается оператору технологического процесса.
Микротрещины, образовавшиеся на рабочей поверхности уплотнительных колец, являются причиной негерметичности затвора. Информация о наличии перетока транспортируемой среды через затвор запорной арматуры контролируется акустическим датчиком (или датчиком акустической эмиссии), который не требует применения каких-либо внешних источников сигнала, предполагает улавливание упругих колебаний, генерируемых проверяемым объектом. Комплект оборудования включает ультразвуковой датчик и преобразователь сигналов, размещаемый на определенном расстоянии от датчика с возможностью получения информации от датчика при деформации напряженного материала, ее обработки и вывода на периферийные устройства.
Герметичность арматуры по отношению к внешней среде, например, по корпусным разъемам, шпиндельному узлу, соединениям трубок подвода смазки и отбора импульсного газа, контролируется датчиком загазованности.
Полученная информация с КИП и БОС позволяет эффективно контролировать состояние запорной арматуры и сигнализировать о необходимости проведения технического обслуживания, включая обновление смазывающего состава, в т.ч. на основании информации об использующейся смазке или уплотнительной пасте. Техническое обслуживание запорной арматуры включает мероприятия по очистке и набивке системы уплотнения затвора смазкой или уплотнительной пастой в зависимости от степени негерметичности. Заявляемая система также может быть использована для оценки качества проведенных работ по показателям герметичности в затворе и величине давления импульсного газа пневматического или пневмогидравлического привода затвора ЗА.
Взаимодействие подсистемы (БОС и блок КИП или датчиков) с другими системами - контрольным пунктом (КП), или системой телемеханики (СТМ), или автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУТП), осуществляется по протоколу Modbus RTU через интерфейс RS-485. Подсистема осуществляет сбор, передачу, прием и преобразование информации (параметров) с датчиков, поступающих с объектов в реальном масштабе времени для оценки состояния ЗА при выполнении операции открытия-закрытия затвора, наличия утечек газа - нарушения герметичности ЗА, необходимости технического обслуживания и/или ремонта ЗА, расчета скорости перестановки затвора ТПА, расхода и количества эксплуатационного материала на узлах ЗА, контроля линий связи с внешними системами. Для отображения передаваемой диагностической информации на мониторе пользовательского интерфейса системы используются графические, цифровые, текстовые и звуковые индикаторы.
Таким образом, использование изобретения, помимо перечисленных выше преимуществ, позволяет повысить производительность магистрального газопровода за счет сокращения простоя оборудования, безопасность его эксплуатации за счет возможности оперативного реагирования на неисправности в начальной стадии их развития, своевременной организации и проведения диагностического, технического обслуживания и ремонта, автоматизации разработки планов-графиков эксплуатируемой ЗА, включая расчет потребности в расходных материалах при необходимости замены дефектной ЗА, а также снизить вредное воздействие на окружающую среду вдоль трассы магистрального газопровода.
Краткое описание чертежей
Заявляемая система поясняется графическими материалами, где:
на фиг. 1 представлен общий вид запорной арматуры с пневмогидравлическим приводом; на фиг. 2 и 3 представлены фронтальная и профильная проекции пневмогидравлического привода трубопроводной запорной арматуры с установленными датчиками, соответственно; на фиг. 4 - схема (разрез) датчика расхода высоковязкого материала; на фиг. 5 - структурная схема системы; фиг. 6 - структурная схема БОС; на фиг. 7 и 8 - примеры пользовательского интерфейса с графическими и цифровыми индикаторами состояния запорной арматуры; на фиг. 9-16 - алгоритм работы программы микроконтроллера в БОС.
Позициями на фигурах обозначены: 1 - магистральный газопровод, 2 - запорная арматура (ЗА), 3 - запорный орган (затвор), 4 - корпус затвора ЗА, 5 - привод управления затвором ЗА, 6 - пневмогидравлический цилиндр привода затвора ЗА, 7 - колонна-удлинитель привода затвора ЗА, 8 - линии подачи управляющей среды (например, газа) пневматической системы привода управления затвором ЗА, 9 - линии принудительного подвода высоковязких материалов к узлу уплотнения затвора ЗА, 10 - контрольный пункт (КП), 11 - блок контрольно-измерительных приборов (КИП) (или блок датчиков), 12 - блок обработки сигналов (БОС), 13 - датчики давления импульсного газа привода затвора ЗА, 14 - датчик перетока (или акустический датчик, или датчик акустической эмиссии), 15 - датчик загазованности, 16 -датчики расхода высоковязкого материала (ВВМ), 17 - кабели соединения датчиков с БОС, подвода питания к БОС, связи БОС с контрольным пунктом по протоколу Modbus RTU , 18 - швеллер, 19 - модуль CAN интерфейса, 20 - модуль питания 24В, 21 - модуль интерфейса (или преобразователь) RS485 UART, 22 - блок аналоговых входов, 23 - интерфейсный модуль, 24 - блок дискретных входов, 25 - микроконтроллер.
Осуществление изобретения
В настоящем изобретении использованы следующие термины и определения.
Запорная арматура, которая также может встречаться в научно-технической литературе как трубопроводная арматура - вид трубопроводной арматуры, предназначенный для перекрытия и регулирования направлений потоков рабочей среды.
Исполнительный механизм - механизм, обеспечивающий движение запорного элемента (затвора, задвижки или запорного органа) в соответствии с командной информацией, поступающей от внешнего источника энергии.
Затвор или запорный орган - подвижная рабочая часть запорной арматуры, связанная с приводным устройством, позволяющая при взаимодействии с седлом уплотнения корпуса осуществлять управление (перекрытие, отключение, распределение, смешивание и др.) потоками (потоков) рабочих сред путем изменения площади проходного сечения.
Далее представлено более подробное описание заявляемого изобретения, демонстрирующее возможность достижения заявленного технического результата. Настоящее изобретение может подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту на основе прочтения данного описания. Такие изменения не ограничивают объем притязаний. Например, могут изменяться типы и количество используемых датчиков, объем исходных данных для проведения расчетов, абсолютные значения заранее заданных параметров (пороговых значений) и т.д.
Заявляемая система выполнена с возможностью подключения к контрольному пункту 10 (или пульту управления, или системе телемеханики (СТМ), или автоматизированной системе технологического процесса (АСУТП), или автоматизированному рабочему месту оператора), который содержит компьютер с программным обеспечением, поддерживающим работу в режиме Modbus-клиент по протоколу Modbus RTU через интерфейс RS-485.
Контрольный пункт 10 соединен каналами связи посредством сетевого оборудования, по меньшей мере, с одной подсистемой, включающей, по меньшей мере, один блок контрольно-измерительных приборов (КИП) 11 и блок обработки сигналов (БОС) 12 (фиг. 2 и 3), выполненный с возможностью приема, регистрации, обработки сигналов с КИП, включая сравнение измеренных датчиками параметров с рассчитываемыми и/или внесенными в его память пороговыми (нормативными) значениями, и передачи информации в контрольный пункт. КИП включает перечисленные выше датчики (позиции на фигурах 13, 14, 15, 16), при этом возможна установка других датчиков давления и датчиков загазованности при полном совпадении параметров подключения, требований взрывобезопасности и параметров преобразования физических величин в электрический сигнал 4-20 мА.
Блок обработки сигналов (БОС) 12 (фиг. 5) выполнен на интегральных микросхемах и других элементах (компонентах), которые располагаются на одной или нескольких печатных платах и включает в себя: микроконтроллер 25 (программируемый микроконтроллер или программируемый логический контроллер), соединенный посредством интерфейсного модуля 23 с блоком аналоговых входов 22 и блоком дискретных входов 24, модуль CAN интерфейса 19; модуль питания 24В 20, модуль интерфейса RS485 21, а также, кабели 17 для соединения датчиков 14-17 с БОС, подвода линий питания +24В к модулю питания 20 БОС, связи БОС с контрольным пунктом 10 по протоколу Modbus RTU.
Микроконтроллер 25 производит обработку поступающих на него аналоговых и дискретных сигналов, например, по схеме (алгоритму), представленной на фиг. 9-16, с возможностью определения загазованности, давления газа на импульсной линии открытия и закрытия крана, акустической эмиссии, количества использованных при обслуживании крана высоковязких материалов, акустической эмиссии, срока, прошедшего с момента последнего технического обслуживания. В частности, по измеренной величине давления импульсного газа производят определение следующих параметров: положения затвора, количества перестановок затвора за единицу времени (за период наблюдения), времени прохождения затвора от положения «открыто» до положения «закрыто» или скорости перестановки затвора; величины крутящего момента, требуемого для перестановки затвора. Конструктивно БОС размещают во взрывобезопасном корпусе (коробке) с разъемами для подключения к нему кабельных вводов от датчиков, линий питания +24В, каналов связи с контрольным пунктом по протоколу Modbus RTU.
Устройство работает следующим образом.
Сигналы с датчиков 14-16 (фиг. 5) через кабели 17 (линии связи) поступают на шину CAN2.0 модуля CAN интерфейса 19 в БОС. Аналоговые и дискретные сигналы с датчиков поступают на соответствующие аналоговые или дискретные входы шины в блоки аналоговых входов 22 и дискретных входов 24. Далее через интерфейсный модуль 23 сигналы преобразуются в вид, необходимый для дальнейшей программной обработки микроконтроллером 25 внутри БОС. После программной обработки и анализа сигналов с датчиков формируется пакет (или файл), который с некоторой периодичностью (например, 1 раз в секунду) через модуль интерфейса RS485 21 и кабели 17 (линии связи по протоколу Modbus RTU) передается в контрольный пункт (КП) 10. Файл содержит информацию о текущем состоянии датчиков, а также, дополнительную информацию с рассчитанными на основе состояния датчиков параметрами, в частности: величину крутящего момента для перестановки затвора, скорость перестановки затвора, факт проведения работ по техническому обслуживанию, количество герметизирующей смазки, поступившей в систему уплотнения затвора, состояние линий связи БОС с КП. Процесс программной обработки и анализ сигналов с датчиков поясняются схемами на фигурах 9-16.
Контроль процесса перестановок затвора ЗА 3 (фиг. 1) осуществляется путем выдачи БОС в КП сравнительной информации о величине давления импульсного газа каналов открытия и закрытия затвора с эталонными значениями. Перед началом работы в автоматическом режиме производят запись эталонных значений давления импульсного газа для управления затвором. Предварительно производят диагностическое обследование затвора и его техническое обслуживание. Запись эталонных значений давления импульсного газа производят для затвора, не имеющего замечаний по работоспособности, удовлетворяющего требованиям конструкторской и эксплуатационной документации. В процессе работы системы данные о величине давления поступают с двух соответствующих преобразователей давления типа ПД100- ДИ10,0-115-0.5 Exd по физическим линиям 4-20мА в БОС, где происходит их сравнение с эталонными значениями. Оценка давления импульсного газа производится путем сравнения фактического давления с эталонным, по результатам сравнения формируется сигнал о его соответствии норме. Информация о соответствии давления импульсного газа эталонному передается в КП на пульт оператора. При необходимости использования численных значений давления, на мониторе оператора выводится всплывающее окно с текущими значениями параметров работы ЗА.
Наличие метана у корпусных разъемов ЗА БОС контролируют газосигнализатором ИГС-98 "МАРШ-Д" с использованием физической линии 4-20мА. БОС обрабатывает полученную информацию с вычислением загазованности в % НКПР по метану.
Наличие перетока газа через затвор ЗА (нарушение герметичности) определяют путем анализа звукового спектра с использованием датчика ДП-800 установленного на колонну-удлинитель привода затвора ЗА и соединенного с БОС по интерфейсу CAN 2.0.
Контроль за расходом и количеством эксплуатационного материала на узлах ЗА осуществляет с помощью датчика расхода ВВМ (фиг. 4, фиг. 5 поз. 16) СФ-0,1 (ротационный, объемного действия). Высоковязкий материал под давлением нагнетается через переходник в рабочую камеру датчика, где, воздействуя на поверхность лопасти, заставляет ее вращаться вместе с ротором. При взаимодействии со стенками рабочей камеры лопасть также совершает возвратно-поступательное движение в радиальном направлении вдоль паза, расположенного в корпусе ротора. При этом объем нагнетаемого материала, поступающий со стороны входного отверстия камеры, переносится к выходному отверстию. Магниты вращаясь вместе с ротором создают магнитное поле, которое взаимодействует с чувствительным элементом датчика, поочередно замыкая и размыкая его контакты. Информация о количестве включений датчика 16 подается на БОС. Каждое дискретное значение импульса, подаваемого с датчиков СФ-0,1, соответствует конкретному значению объема поступающего высоковязкого материала в миллилитрах.
БОС, используя информацию, полученную с датчиков, производит расчет и передачу в КП следующих параметров (посредством сравнения параметров текущего технологического режима с оптимальными условиями, обеспечивающими надежную работоспособность):
• величину крутящего момента, требуемого для перестановки затвора ТПА;
• скорость перестановки затвора ТПА;
• факт проведения работ по техническому обслуживанию;
• измерение количества герметизирующей смазки, поступившей в систему уплотнения затвора.
Для отображения диагностической информации в КП, полученной от БОС, могут быть использованы графические, цифровые и текстовые индикаторы пользовательского интерфейса систем, примеры которых представлены на фиг. 7-8.
В Таблице 1 представлены примеры параметров для отображения н индикаторах.
Таблица 1
Наименование параметра
Ед. изм.
Диапазон значений
Давление импульсного газа на открытие
МПа
0…10
Давление импульсного газа на закрытие
МПа
0…10
Объем уплотнительной пасты
л
0…1000
Объем смазочных материалов 1..n (несколько параметров по количеству датчиков расхода высоковязких/смазочных материалов в линиях принудительного подвода высоковязких материалов в узел уплотнения затвора ЗА)
мл
0…65535
Мониторинг обслуживания
дн.
0...65535
Загазованность
% НКПР
0...72,73
Амплитуда сигнала акустического (датчика перетока) (несколько параметров по количеству акустических датчиков)
мВ
0…40000
Напряжение телеуправления
В
0…120
Ток телеуправления
мА
0…640
Время открытия затвора
С
0…10000
Время закрытия затвора
С
0…10000
Количество переключений за год
раз
0…1000
Температура в БОС
Град С
-50…+200
В результате программной обработки и анализа сигналов с датчиков (фиг. 9-16) производится передача в КП предупредительных сигналов - «Необходимо ТО», «Требуется ТО», «Кран открывается», «Кран открыт», «Кран закрывается», «Кран закрыт», «Крутящий момент имеет отклонения», «Крутящий момент в норме», «Высокая скорость передвижения», «Низкая скорость передвижения», «Количество перестановок превысило 95% нормы выработки ТПА», «Количество перестановок превысило 90% нормы выработки ТПА», «Выработка ТПА в норме», , а также, аварийных сигналов - «Загазованность на крановом узле», «Нет импульсного газа», «Техническая неисправность», «Количество перестановок превысило 100% нормы выработки ТПА». При формировании в системах предупредительной или аварийной сигнализации оператор принимает решение о дальнейшей эксплуатации, техническом обслуживании или ремонте ЗА.
Примеры реализации изобретения
Опытный образец заявляемой системы «Смарт-Мониторинг» был установлен на трубопроводной арматуре - шаровых кранах DN 1200 (2 шт.) и DN 300 (6 шт.), входящих в состав крановых узлов КУ 1925-2 и КУ 1925-6 магистрального газопровода Уренгой - Петровск, работающего при рабочем давлении 6,2 МПа. Система включала КИП и БОС, представленные на фиг. 5, при этом датчики КИП были установлены на элементах ЗА в соответствии со схемой, представленной на фиг. 1. Измеряемые параметры состояния запорной арматуры магистрального газопровода отображались на мониторе компьютера в режиме реального времени. Отдельные примеры пользовательского интерфейса с графическими и цифровыми индикаторами состояния запорной арматуры представлены на фиг. 6-8. Наблюдения проводились в течение 23 месяцев. После проведения плановых ремонтных работ на участке газопровода, пуска участка в работу, поступило предупреждение на АРМ диспетчера о наличии негерметичности на свечном кране ду300. Негерметичность в затворе образовалась вследствие длительного периода эксплуатации крана (более 30 лет) и стравливания газа, при котором происходил унос ранее поступившей в узел затвора уплотнительной пасты. В результате были организованы работы по восстановлению герметичности затвора для обеспечения безопасной эксплуатации запорной арматуры и предупреждения сверхнормативных потерь газа.