СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПУТЕВЫМ ПОДОГРЕВОМ
METHOD OF AUTOMATIC CONTROL OF HEAT TRACING

Область техники
Настоящее изобретение относится к системам путевого подогрева. В частности, варианты осуществления настоящего изобретения относятся к регулируемой системе путевого подогрева, в которой осуществляется автоматическое регулирование интервала подвода питания на греющий кабель.
Предшествующий уровень техники
Системы путевого электроподогрева используются для поддержания повышенной температуры технологического процесса в трубопроводах, заполненных жидкостями, и (или) для предотвращения замерзания различных трубопроводных систем. Системы путевого подогрева в основном используются в различных отраслях промышленности, в том числе нефтегазовой, энергетической, пищевой, химической, а также водоснабжении. Греющий кабель крепится на технологическом трубопроводе при помощи ленты из стекловолокна или с использованием другого средства крепления, причем кабель может быть намотан в несколько оборотов вокруг технологических клапанов и других теплоотводящих элементов системы для подвода дополнительного тепла к этим элементам. К греющему кабелю подключена схема питания, обеспечивающая подвод питания на греющий кабель для образования цепи путевого подогрева. Схема питания также подключена проводниками к источнику питания, такому как распределительный щит и трансформатор, которые размещены в пункте, удаленном от технологического трубопровода. В системах путевого подогрева могут применяться различные типы греющих кабелей, в том числе саморегулирующиеся кабели, кабели с ограничением мощности, кабели постоянной мощности и пр., в зависимости от конкретной требуемой температуры, условий эксплуатации и требований технологического процесса. Кроме того, для измерения температуры окружающей среды и температуры трубопровода, а также регулирования времени и режима подвода питания на греющий кабель может быть предусмотрена система контроля.
трубопр.
трубопр.
На фиг.1 представлена диаграмма изменения температуры и режима подвода питания во времени для известной системы путевого подогрева. В частности, при подводе питания на греющий кабель температура Т трубопровода с течением времени повышается (положительный наклон кривой Т) и при прекращении подвода питания - снижается. Греющий кабель может быть подключен к датчику, который контролирует подвод питания на греющий кабель и температуру трубопровода или технологической текучей среды, протекающей внутри трубопровода, и передает эти данные на контроллер. При подводе питания на греющий кабель также обеспечивается электропитание датчиков. Датчики передают информацию о температуре трубопровода на контроллер посредством проводного или беспроводного соединения в промышленной сети передачи данных. Примерами типичных промышленных сетей передачи данных являются системы modbus, fieldbus, profibus и аналогичные системы. В таких сетях применяются различные виды кабелей, в том числе витая пара, коаксиальный кабель и другие кабели. Аналогичным образом в сетях беспроводной связи применяются двухточечные системы большого радиуса действия и ячеистые структуры сети с передачей на небольшие расстояния. Типичным способом передачи данных является также использование несущей, передаваемой по линиям электропередачи. При использовании различных сетей и видов кабеля, таких как RS232, RS-485 или Ethernet применяются разнообразные стандарты программного обеспечения связи. Независимо от физической топологии сети передачи или телекоммуникационного протокола необходимость подвода питания на датчик и греющий кабель в течение определенного интервала времени для повышения температуры трубопровода определяет контроллер.
вкл.
уставки
зоны нечувств.
0
выкл.
трубопр.
0
1
2
вкл.
выкл.
Например, в течение интервала t от источника питания на греющий кабель через контакторы, такие как релейные выключатели, и контроллер подается питание до достижения температурой трубопровода значения уставки (Т) плюс величина зоны нечувствительности (Т), и в данной точке питание выключается в момент t времени. Величина зоны нечувствительности представляет собой значение ΔT температуры, превышающее температуру уставки, по достижении которого прекращается подвод питания на греющий кабель. В течение интервала t питание на греющий кабель или датчик через контроллер не поступает, и температура трубопровода снижается (отрицательный наклон кривой Т). При достижении температурой трубопровода значения Т на греющий кабель через релейные выключатели и контроллер в течение интервала от t до t снова подается питание от источника питания, причем питание подается в течение интервала t. Указанный цикл продолжается, пока сегмент трубопровода не нагреется до температуры, превышающей значение уставки, а затем с течением времени сегмент трубопровода охлаждается по мере понижения температуры трубопровода. Однако питание на датчики подается только в режиме подвода питания на греющий кабель. Таким образом, в течение интервалов t питание на датчики не подается, и датчики не могут передавать на контроллер данные температуры трубопровода в реальном времени, вследствие чего температура трубопровода может выйти за пределы требуемого диапазона температур.
1
1
уставки
Для решения проблемы отсутствия питания на датчиках в известных устройствах предусматривается кратковременный подвод контроллером питания на греющий кабель через установленные интервалы t. Типичная последовательность интервалов t может предусматривать подвод питания, например, через каждые 10 или 15 минут при продолжительности подвода питания приблизительно 15 секунд. Это обеспечивает временный подвод питания на датчики и измерение температуры трубопровода с последующей передачей данных на контроллер. Далее контроллер определяет, снизилась ли температура трубопровода до уровня ниже значения Т для определения необходимости подвода питания на греющий кабель и повышения температуры трубопровода. Однако недостатком данного процесса является то, что при включении питания для контроля температуры трубопровода увеличивается количество циклов включения-выключения, что приводит к ускоренному износу релейных выключателей и сокращению срока их службы. Кроме того, в зависимости от частоты и продолжительности интервалов включения-выключения может возникнуть значительное отклонение температуры трубопровода от требуемого уровня, что может оказать неблагоприятное воздействие на качество технологической текучей среды, находящейся в трубопроводе. Далее подвод питания на греющий кабель только для контроля температуры трубопровода приводит к избыточной потере энергии. Таким образом, для устранения указанных недостатков требуется автоматическая система путевого подогрева, регулирующая подвод питания на греющие кабели и исключающая возможность снижения качества технологической текучей среды, находящейся в трубопроводе, потери энергии и сокращения срока службы выключателя. Кроме того, требуется автоматическая система и процесс путевого подогрева, определяющие соответствующие интервалы подвода питания на греющие кабели системы.
Раскрытие изобретения
Варианты осуществления настоящего изобретения касаются системы и процесса путевого подогрева. В представленном варианте осуществления изобретения процесс путевого подогрева содержит измерение начальной температуры технологического трубопровода, нагреваемого при помощи греющего кабеля. Для цепи путевого подогрева определяются значения температуры уставки и величины зоны нечувствительности, связанные с технологическим трубопроводом, причем зона нечувствительности представляет собой величину температуры, превышающей температуру уставки. Питание подается на цепь путевого подогрева в течение определенных интервалов времени для повышения температуры технологического трубопровода от уровня начальной температуры минимум до температуры уставки плюс величина зоны нечувствительности. Подвод питания на цепь путевого подогрева отключается на предварительно определенный интервал времени, и по истечении данного интервала времени осуществляется измерение температуры технологического трубопровода. Температура технологического трубопровода, соответствующая температуре уставки плюс величина зоны нечувствительности, сравнивается с температурой, полученной в результате измерения в конце предварительно определенного интервала времени, в течение которого подвод питания был отключен. Следующий интервал, в течение которого подвод питания отключен, рассчитывается на основе длительности предварительно определенного интервала времени, величины зоны нечувствительности, температуры уставки и начальной температуры технологического трубопровода таким образом, чтобы в конце следующего интервала отсутствия подвода питания температура технологического трубопровода не снизилась до уровня ниже температуры уставки.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - диаграмма изменения температуры и режима подвода питания во времени для известного способа путевого подогрева;
фиг.2 - структурная схема системы путевого подогрева в соответствии с настоящим изобретением; и
фиг.3 - диаграмма изменения температуры и режима подвода питания во времени для автоматической системы путевого подогрева в соответствии с настоящим изобретением.
Варианты осуществления изобретения
Далее представлено подробное описание настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны предпочтительные варианты осуществления изобретения. Однако настоящее изобретение может быть осуществлено в различных вариантах и не ограничивается вариантами, представленными в данном описании. Указанные варианты осуществления изобретения приведены для получения детального и полного описания, при ознакомлении с которым сущность изобретения будет очевидна для специалистов в данной области. На всех фигурах для указания одинаковых элементов используются одинаковые позиции.
На фиг.2 показан упрощенный общий вид системы 10 путевого подогрева, в которой способ автоматического управления реализован в соответствии с настоящим изобретением. Система 10 путевого подогрева содержит технологический трубопровод 15, включающий в себя греющий кабель 20, размещенный на трубопроводе, который обеспечивает определенный тепловой выход в зависимости от конструкции и входного напряжения. Технологический трубопровод 15 содержит множество технологических клапанов 16 и (или) других теплоотводящих элементов, а также изолированные элементы 17. Типичными теплоотводящими элементами являются, например, опоры трубопровода, фланцы и клапаны. Как правило, греющий кабель 20 намотан или прикреплен к технологическим клапанам для обеспечения дополнительного путевого подогрева и надлежащего функционирования клапанов. Для крепления греющего кабеля 20 на технологическом трубопроводе 15 используется лента из стекловолокна либо другие средства крепления. Греющий кабель может быть, например, саморегулирующимся кабелем, кабелем с ограничением мощности или кабелем постоянной мощности. В кабеле с ограничением мощности на каждом из двух параллельных проводников в пределах определенного сегмента трубопровода удалена изоляция для формирования зоны путевого подогрева требуемой длины. В саморегулирующемся кабеле в ответ на колебания температуры в проводящей сердцевине происходят микроскопические изменения, которые приводят к уменьшению или увеличению числа проводящих путей между двумя проводниками кабеля. В кабеле постоянной мощности один или большее число проводников, имеющих фиксированное сопротивление, образуют нагревательный элемент с линейной характеристикой.
0
вкл.
уставки
зоны нечувст.
уставки
зоны нечувст.
Источник питания 25, который может включать в себя трансформатор и распределительный щит, обеспечивает подвод требуемого питания на греющий кабель 20 через разъем 30. Понятно, что одна цепь путевого подогрева представлена на фиг.2 для упрощения описания, однако обычно вдоль технологического трубопровода используется множество цепей. Контроллер 40 содержит контактор 41, который посредством передачи сигнала управления обеспечивает подвод питания от источника питания 25 к греющему кабелю 20. Подвод питания на греющий кабель 20 и продолжительность циклов включения-выключения регулируется контроллером 40. Для определения контроллером 40 необходимости подвода питания на кабель 20 модуль 50 датчика, подключенный к трубопроводу 15, выполняет измерение температуры трубопровода и передает полученные данные на контроллер 40. Для подключения к цепи путевого подогрева дополнительных датчиков 50 можно использовать дополнительные Т-образные отводы греющего кабеля. Кроме того, между контроллером 40 и модулем 50 датчика может быть установлен модуль дистанционного контроля (не показан) для передачи данных измерений температуры от множества цепей путевого подогрева. Контроллер 40 может обеспечивать управление отдельной цепью путевого подогрева или группой цепей путевого подогрева. Как правило, контроллер 40 осуществляет передачу полученных данных температуры трубопровода, а также дополнительной информации на центральный компьютер по линии обмена данных, такой как RS232, RS485 или Ethernet с использованием, например, экранированного кабеля с витой парой. На основании данных температуры трубопровода, измеренных модулем 50 датчика, контроллер 40 осуществляет в течение определенного времени подвод питания на греющий кабель для путевого подогрева сегмента 15 трубопровода до предварительно определенной температуры с учетом условий эксплуатации и технологической текучей среды, протекающей по трубопроводу. Например, когда температура трубопровода 15 снижается до уровня ниже определенной температуры Т, контроллер 40 обеспечивает в течение определенного интервала t подвод питания от источника питания 25 через контактор 41 на греющий кабель 20. В течение указанного интервала времени температура трубопровода повышается до температуры (Т) уставки плюс величина зоны нечувствительности (Т). После достижения трубопроводом 15 требуемой температуры (Т+Т), определяемой по данным, полученным от модуля 50 датчика, контроллер 40 при помощи контакторов 41 осуществляет отключение подвода питания на греющий кабель 20.
уставки
0
уставки
зоны нечувст.
уставки
зоны нечувст.
выкл._начальн.
На фиг.3 представлена диаграмма изменения температуры и режима подвода питания во времени для способа автоматического управления в соответствии с настоящим изобретением. В соответствии с указанным способом контроллер 40 осуществляет автоматическое определение интервалов времени, в течение которых питание отключено, на основании предшествующего цикла отсутствия подвода питания для исключения снижения температуры трубопровода ниже температуры уставки (Т). В частности, контроллер 40 обеспечивает подвод питания. на греющий кабель 20 и датчик 50. Температура трубопровода повышается от начальной температуры (Т) до температуры уставки (Т) плюс величина зоны нечувствительности (Т) в течение интервала времени tвкл.1. После достижения температурой трубопровода значения Т+Т контроллер 40 прекращает подвод питания на греющий кабель в течение интервала t, который для данного первого цикла представляет собой произвольный интервал времени стандартного цикла. Длительность указанного произвольного интервала времени стандартного цикла зависит от технологической текучей среды, условий эксплуатации, типа греющего кабеля, температуры уставки и пр.
выкл._начальн.
1
выкл._начальн.
вкл.2
уставки
зоны нечувст.
1
выкл._начальн.
выкл._начальн
вкл.2
уcтaвки
зоны нечувст.
выкл._начальн.
1
выкл._начальн.
уставки
зоны нечувст.
выкл._pacч.
выкл._расч.
уставки
В предпочтительном варианте осуществления изобретения в течение интервала t температура трубопровода снижается до значения T, и в данной точке контроллер 40 включает подвод питания на кабель 20, а датчик 50 немедленно осуществляет измерение температуры трубопровода. Данное показание температуры в конце интервала t и до начала интервала t указывает разность температуры трубопровода между температурой уставки плюс величина зоны нечувствительности (Т+Т) и температурой Т в течение первого интервала t цикла отключения питания. После завершения начального интервала цикла t. контроллер 40 осуществляет подвод питания на греющий кабель 20 в течение интервала цикла t до достижения температурой трубопровода значения t+t, после чего контроллер 40 снова отключает подвод питания. Функция автоматической регулировки использует длительность произвольного постоянного интервала t, температуру T трубопровода, измеренную в конце цикла t, температуру уставки (Т) и величину зоны нечувствительности (Т) для расчета значения длительности следующего цикла отключения питания (t). Длительность интервала цикла отключения питания (t) ограничена временем, которое, согласно расчетам контроллера, потребуется для достижения температурой трубопровода значения уставки (Т). Расчет, который выполняется при допущении постоянной скорости изменения температуры трубопровода, выполняется по следующей формуле:
выкл._pacч.
выкл._начальн.
зоны нечувст
уставки
зоны нечувст.
1
t=( t×Т.)/(Т+Т-Т)
или же расчет может выполняться при допущении непостоянной скорости изменения температуры трубопровода, например, на основе экспоненциального уменьшения скорости. Когда это целесообразно, при небольших перепадах и низкой скорости изменения температуры расчет с допущением постоянной скорости изменения температуры трубопровода является достаточно хорошей аппроксимацией экспоненциального затухания. Контроллер может выполнять расчет периодически или в случае обнаружения значительного снижения температуры трубопровода относительно температуры уставки. Кроме того, начальное и последующие значения температуры трубопровода могут быть измерены одним датчиком или могут представлять собой минимальное или среднее значение величин, измеренных несколькими датчиками. Таким образом, исключается необходимость частого кратковременного подвода питания на греющий кабель в течение циклов отключения контроллером питания. Это уменьшает износ и старение различных компонентов системы, в том числе контакторов и полупроводниковых реле. Кроме того, в результате расчета длительности интервалов отключения питания исключаются потери энергии, обусловленные подводом питания на греющий кабель для получения показаний температуры от датчика, и таким образом обеспечивается общее снижение потребляемой системой мощности. Кроме того, можно предусмотреть минимальные интервалы времени, через которые выполняется контроль температуры, в зависимости от потребностей технологического процесса, включающие обеспечение выполнения критичных условий или других параметров, связанных с технологическим Процессом, таких как диаметр трубопровода, характеристики изоляции с учетом условий эксплуатации и другие параметры, очевидные для специалистов в области путевого подогрева.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылками на конкретные варианты осуществления, возможны различные изменения и дополнения к представленным вариантам осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема настоящего изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления, и его объем в полной мере определяется приложенной формулой изобретения.