Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)»
Кафедра «АиЭМ»
Тема: “Автоматизированный контроль параметров процесса замедленного коксования”
Пояснительная записка к курсовой работе
по дисциплине: “Технические измерения и приборы”
Руководитель доцент, к.т.н.:
Реброва И.А.
Выполнил студент: Султанов Т.Н.
Группа АПб-23Т1
Оценка
_________________________
«____» ______________2025 г.
Министерство науки и высшего образования РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет
(СибАДИ)»
Кафедра «Автоматизация и энергетическое машиностроение»
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
по дисциплине «Технические измерения и приборы»
студенту _____Апб-23Т1_____ ____Султанов Т.Н.______________
группа
Ф.И.О. студента
Тема работы____Автоматизированный контроль параметров процесса
замедленного коксования_____________________________________ ____
Срок сдачи студентом законченной работы _______________202___г.
Перечень подлежащих разработке вопросов:
1. Описание объекта (процесса) контроля (измерений). Выбор контролируемого
параметра.
2. Методы измерения контролируемого параметра.
3. Описание и анализ объекта (процесса) с точки зрения автоматизации
измерений.
4. Средства измерения (измерительные преобразователи) контролируемого
параметра. Типы, технические характеристики.
5. Функциональная схема автоматизированного контроля (измерений)
Перечень графического материала:
Схема функциональная автоматизированной системы контроля (А4)
Руководитель работы: к.т.н. ______________ И.А. Реброва
Содержание
1. Описание процесса замедленного коксования ............................................................................ 4
1.1 Выбор и анализ параметров, подлежащих контролю и управлению .................................. 5
2. Методы измерения контролируемого параметра ........................................................................ 9
3. Описание и анализ объекта с точки зрения автоматизации измерений .................................. 13
3.1. Задачи, решаемые автоматизацией измерений ................................................................... 13
3.2. Анализ особенностей объекта, влияющих на выбор средств измерений ........................ 14
4. Средства измерения контролируемого параметра. Типы, технические характеристики ...... 17
4.1. Состав комплекта средств измерения ................................................................................. 17
4.2. Принцип действия термопреобразователя ТСМУ Метран-274 ........................................ 17
4.3. Технические характеристики средства измерения ............................................................ 18
4.4. Обоснование выбора конкретной модели и её характеристик ......................................... 19
4.5. Аналоги и сравнительный анализ (на примере термопары) ............................................. 20
5. Функциональная схема автоматизированного контроля (измерений) .................................... 21
5.1. Описание элементов схемы и их взаимодействия ............................................................. 21
5.2. Принцип работы контура автоматического регулирования .............................................. 22
5.3. Спецификация основных средств измерений и автоматизации ....................................... 22
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ....................................................................... 25
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
2
1. Описание процесса замедленного коксования
Замедленное коксование представляет собой термический процесс глубокой
переработки тяжёлых нефтяных остатков, осуществляемый на установках
замедленного коксования (УЗК) полурегенеративного или непрерывного типа.
Основной целью процесса является получение жидких углеводородных фракций
(бензиновых и газойлевых) и твёрдого нефтяного кокса при переработке
тяжёлого сырья – вакуумного остатка, гудрона или крекинг-остатка. Процесс
проводится в вертикальных необогреваемых коксовых камерах цилиндрической
формы, рассчитанных на давление 0,2–0,6 МПа и температуру до 510 °C.
Установка замедленного коксования включает следующие основные
аппараты: сырьевую ёмкость Е-1, трубчатые печи П-1–П-3, коксовые камеры Км1
и
Км-2,
колонну
фракционирования
К-1,
отпарную
колонну
К-3,
теплообменники, сепараторы и насосное оборудование.
Процесс начинается с подачи сырья из ёмкости Е-1 насосом Н-1 в колонну
фракционирования К-1, где оно предварительно подогревается за счёт тепла
циркуляционного орошения и тяжёлого газойля. Далее сырьё направляется в
трубчатые печи, где нагревается до температуры начала коксования (470–510 °C)
без преждевременного образования кокса в змеевиках за счёт подачи конденсата
высокого давления. Нагретое сырьё через переключающий клапан Кл-1
поступает в одну из коксовых камер, где в условиях отсутствия внешнего нагрева
происходит термический крекинг с образованием кокса и паров углеводородов.
Камеры работают попеременно: пока одна находится в стадии коксования (цикл
24–48 часов), вторая проходит стадии охлаждения, выгрузки кокса и подготовки
к следующему циклу.
Пары из работающей коксовой камеры направляются в колонну
фракционирования К-1, где разделяются на «жирный» газ, лёгкий газойль,
тяжёлый газойль и тяжёлый рециркулят. Тяжёлый газойль стабилизируется в
отпарной колонне К-3, а лёгкие фракции возвращаются в колонну К-1. Для
предотвращения выноса пены и коксовой мелочи в колонну на завершающей
стадии цикла в камеру впрыскивается антивспениватель.
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
3
После заполнения камеры коксом поток сырья переключается на другую
камеру, а заполненная камера переводится в режим выгрузки: производится
охлаждение, вскрытие, гидравлическая резка кокса и его выгрузка с помощью
коксодробильных установок и транспортёров.
Продолжительность полного цикла работы камеры составляет от 24 до 48
часов в зависимости от типа сырья и требуемого качества кокса. Процесс
характеризуется
высокой
тепловой
нагрузкой, необходимостью точного
поддержания температурного режима в печах и давления в камерах, а также
жёсткими требованиями к безопасности из-за работы с высокотемпературными
углеводородными средами и водородсодержащими газами.
1.1 Выбор и анализ параметров, подлежащих контролю и управлению
Для обеспечения стабильного, безопасного и экономически эффективного
режима
работы
непрерывный
установки
контроль
и
замедленного
коксования
автоматическое
(УЗК)
необходим
регулирование
ключевых
технологических параметров. Выбор этих параметров осуществляется на основе
следующих критериев:
1. Влияние на качество и выход целевых продуктов (изомеризата, кокса).
2. Критичность для безопасности оборудования и персонала.
3. Необходимость поддержания в узком диапазоне для стабильности
технологического режима.
4. Роль в энергоэффективности процесса.
5. Информативность для сигнализации об аномальных и аварийных
ситуациях.
Анализ технологического процесса, описанного в разделе 1.1, позволяет
выделить следующие наиболее важные контролируемые параметры.
Температура сырья на выходе из печи коксования (контур №97) является
наиболее критичным параметром. Она определяет:
• Скорость и глубину реакции крекинга. При температуре ниже 470°C
реакции протекают медленно, что снижает конверсию сырья и выход жидких
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
5
продуктов. При температуре выше 510°C резко возрастают побочные реакции
пиролиза и газообразования, снижается выход целевых фракций.
• Качество и структуру получаемого кокса. Оптимальная температура
обеспечивает
формирование
кокса
с
требуемой
прочностью
и
электропроводностью.
• Предотвращение закоксовывания труб печи. Превышение температуры
приводит к термическому разложению углеводородов непосредственно в
змеевиках, их быстрому зарастанию и аварийным остановам.
• Энергоэффективность.
Поддержание
оптимальной
температуры
минимизирует расход топливного газа.
Давление в коксовой камере (контур №21) – ключевой параметр
безопасности и управления процессом.
• Влияние на равновесие. Повышенное давление способствует конденсации
тяжёлых фракций и влияет на фазовое состояние среды в камере.
• Контроль за заполнением. Давление является косвенным показателем
степени заполнения камеры коксом.
• Безопасность выгрузки. Цикл выгрузки кокса начинается только после
безопасного снижения давления в камере до 0.15-0.25 МПа.
Уровень жидкости в колонне фракционирования К-1 (контур №27)
обеспечивает эффективное разделение продуктов.
• Стабильность фракционирования. Отклонение уровня от заданного
значения приводит к уносу тяжёлых фракций в верхние части колонны или,
наоборот, к осушению куба и нарушению теплового режима.
• Защита оборудования. Контроль уровня предотвращает переполнение
колонны или работу насосов вхолостую.
Расход сырья на входе в печь (контур №1/2) – основной параметр управления
производительностью установки.
• Поддержание материального баланса. Стабилизация расхода необходима
для согласованной работы всех аппаратов технологической цепи.
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
5
• Оптимизация тепловой нагрузки. Расход сырья напрямую определяет
нагрузку на печи и теплообменное оборудование.
Расход топливного газа и содержание кислорода в дымовых газах печи
(контуры №97-102) критичны для энергоэффективности и экологической
безопасности.
• Эффективность горения. Поддержание оптимального соотношения "газвоздух" и содержания O₂ (2-4%) минимизирует потери тепла с уходящими
газами.
• Предотвращение выбросов. Контроль обеспечивает полное сгорание
топлива, снижая выбросы CO и сажи.
Таблица 1 – Основные контролируемые параметры процесса замедленного
коксования
Измеряемый параметр
Наименование
Пределы
измерения
Температура сырья
400 – 550 °С
на выходе из печи
Давление в коксовой
камере
0 — 1 МПа
Уровень в колонне
фракционирования
К-1
0 — 15 м
Расход сырья на
входе в печь
0 – 300 м^3/ч
Расход топливного
газа на горелки
0 – 5000 нм³/ч
Содержание O2 в
дымовых газах
0 – 10 % об.
Место измерения
Характеристика среды
Трубопровод на выходе Углеводородная смесь
из печи П-1 (контур 97) (гудрон, газойль),
t=470-510°C, p=2.0-4.0
МПа, склонность к
коксообразованию.
Корпус коксовой
Паро-газовая смесь
(пары углеводородов,
камеры Км-1 (контур
H₂, H₂S, водяной пар),
21)
t=450-500°C, p=0.2-0.6
МПа, агрессивная.
Нижняя часть колонны Многокомпонентная
К-1 (контур 27)
жидкость (тяжёлый
газойль, остаток),
t=350-400°C, p=0.3-0.8
МПа, взвесь коксовой
пыли.
Трубопровод сырья
Жидкая
перед печью П-1
углеводородная
(контур 1/2)
фракция, t=350-400°C,
p=3.0-5.0 МПа.
Трубопровод
Газ (природный,
топливного газа к печи попутный), p=0.5-1.2
П-1
МПа, взрывоопасная
среда.
Дымовой тракт печи
Дымовые газы (CO₂,
П-1 (контур 97-102)
N₂, O₂, H₂O), t=150300°C, запылённость,
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
6
коррозионная
активность.
Для детальной проработки в рамках данной курсовой работы в качестве
основного контролируемого и регулируемого параметра выбран контур №97 –
температура сырья на выходе из печи коксования. Этот выбор обусловлен
наибольшим влиянием данного параметра на все ключевые показатели процесса:
выход продукции, качество кокса, безопасность и энергопотребление. Требуемая
точность поддержания температуры в реакторе составляет ±2.5 °C.
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
7
2. Методы измерения контролируемого параметра
Контролируемым и регулируемым параметром в рамках данной работы
выбрана температура сырья на выходе из печи коксования П-1 (контур №97).
Диапазон измерения: 0–550 °C, рабочий диапазон: 470–510 °C.
Требуемая точность поддержания технологического режима: не более
±2.5 °C. Отклонение температуры за пределы допустимого диапазона (±5 °C)
приводит к значительному снижению выхода жидких продуктов, ухудшению
качества кокса и повышению риска аварийного закоксовывания труб печи.
Для измерения температуры в промышленных условиях при высоких
температурах, давлениях и в агрессивных средах применяются следующие
основные методы.
1. Контактный метод измерения с использованием термоэлектрических
преобразователей (термопар).
Метод основан на термоэлектрическом эффекте Зебека: в замкнутой цепи из
двух разнородных проводников возникает электродвижущая сила (ЭДС), если
места соединений (спаи) имеют разную температуру. Величина ТЭДС зависит от
материалов электродов и разности температур между рабочим (горячим) и
свободным (холодным) концами.
• Типы, применяемые в нефтепереработке: Термопары типов K (хромельалюмель, -40…+1100 °C), S (платинородий-платина, 0…1600 °C), J
(железо-константан, -40…+750 °C).
• Преимущества: Широкий диапазон измеряемых температур, высокая
механическая прочность, простота конструкции, относительно низкая
стоимость, быстрый отклик.
• Недостатки: Необходимость компенсации температуры свободных концов
(холодного
спая),
относительная
нелинейность
невысокая
градуировочной
точность
(погрешность
характеристики,
±1.5–4.5
°C),
подверженность дрейфу характеристик во времени, чувствительность к
составу атмосферы (окисление, водородная атака).
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
8
2. Контактный метод измерения с использованием термопреобразователей
сопротивления (ТС).
Метод основан на свойстве чистых металлов изменять свое электрическое
сопротивление при изменении температуры. Зависимость для платины близка к
линейной в широком диапазоне. Наиболее распространены платиновые
термопреобразователи Pt100 (сопротивление 100 Ом при 0 °C).
• Принцип действия: Чувствительный элемент (платиновая проволока или
плёнка) помещается в измеряемую среду. Его сопротивление измеряется с
помощью уравновешенного или неуравновешенного моста постоянного
тока.
• Преимущества: Высокая точность и стабильность показаний (класс А:
±(0.15 + 0.002|t|) °C), хорошая воспроизводимость, линейная зависимость,
возможность дистанционной передачи сигнала на большие расстояния.
• Недостатки: Меньший верхний предел измерений по сравнению с
термопарами (обычно до 600–850 °C), более медленный отклик (большая
постоянная времени), необходимость внешнего источника питания для
мостовой схемы, большие размеры чувствительного элемента.
3. Бесконтактный (оптический) метод – пирометрия.
Метод основан на измерении интенсивности теплового излучения,
испускаемого нагретым объектом, в определённом спектральном диапазоне
(инфракрасном
или
видимом).
Излучение
фокусируется
на
приёмник
(фотодетектор), сигнал с которого преобразуется в значение температуры.
• Преимущества:
Возможность
измерения
температуры
движущихся
объектов или сред в чрезвычайно агрессивных средах без физического
контакта, очень высокое быстродействие.
• Недостатки: Показания зависят от степени черноты (коэффициента
эмиссии) поверхности объекта, которая неизвестна для потока сырья в
трубопроводе и может меняться. На точность влияют запылённость,
задымлённость, влажность и состав среды между объектом и пирометром.
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
9
Высокая стоимость высокоточных промышленных моделей, сложность
калибровки и обслуживания в условиях установки.
Сравнительный анализ методов применительно к условиям измерения в
контуре №97:
Критерий
сравнения
Термопара (Тип К, Термопреобразова Радиационный
класс 1)
тель Pt100 (Класс пирометр
А)
Диапазон
измерений, °C
-40…+1100
Расчётная
погрешность
500 °C
-200…+600
Δt
= Δt = ±(0.15 + δ ≈ ±1% от
при ±(0.004×500)=±2.0 0.002×500)=±1.15 ° значения ≈ ±5.0 °C
°C
C
Быстродействие
(постоянная
времени)
5–15 с
Влияние
среды Высокая
(агрессивность,
чувствительность
водород)
(окисление,
водородная атака)
10–30 с
<1с
Устойчив,
требуется
герметичная
защитная гильза
Не
влияет
(бесконтактный)
Необходимость
Нет
(пассивный Да
источника питания датчик)
схема)
Выходной сигнал
ТЭДС, мВ
Сложность
Требуется
вторичной
усилитель
обработки сигнала компенсация
холодного спая
Пригодность
встраивания
контур АСР
250…3000
(мостовая Да
Сопротивление,
Ом
Требуется
и измерительный
мост и усилитель
Сигнал
фотодетектора
Сложная
обработка,
коррекция
по
степени черноты
для Приемлема
при Оптимальна
Низкая
в использовании
(линейный сигнал, (используется
точных
высокая точность) преимущественно
преобразователей
для сигнализации)
Обоснование выбора метода:
Для контура регулирования температуры на выходе из печи коксования
критичными являются следующие требования:
1. Точность: Суммарная погрешность измерения должна быть существенно
ниже допуска ±2.5 °C.
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
10
2. Надёжность и долговечность: Датчик должен работать длительное время
в условиях высокой температуры (до 550 °C), давления (до 4 МПа), в среде,
содержащей углеводороды, сернистые соединения и водород.
3. Пригодность для автоматического регулирования: Необходима выдача
стабильного,
линейного
сигнала,
удобного
для
преобразования
в
унифицированный токовый сигнал 4–20 мА и обработки контроллером.
4. Эксплуатационная пригодность: Возможность монтажа в существующий
трубопровод, простота поверки, доступность.
На основе проведённого анализа в качестве оптимального выбран
контактный метод измерения температуры с использованием платинового
термопреобразователя сопротивления Pt100.
Метод на основе ТС Pt100 обеспечивает требуемую точность (±1.15 °C),
которая вносит основной вклад в общую погрешность контура регулирования.
Его рабочий диапазон полностью перекрывает технологический. Выходной
сигнал
(изменение
сопротивления)
легко
и
с
высокой
линейностью
преобразуется в стандартный токовый сигнал 4–20 мА для передачи в систему
управления. Высокая стабильность и малый дрейф характеристик во время
длительных циклов коксования делают этот метод наиболее предпочтительным
по сравнению с термопарой (менее точной и стабильной) и пирометром
(непригодным для точного регулирования в данных условиях).
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
11
3. Описание и анализ объекта с точки зрения
автоматизации измерений
Установка замедленного коксования (УЗК) представляет собой сложный
технологический комплекс с циклическим характером работы отдельных
аппаратов (коксовых камер), высокой тепловой нагрузкой, работой с
взрывоопасными и токсичными средами под давлением. Эффективное и
безопасное управление таким объектом невозможно без разветвлённой системы
автоматизированного контроля и измерений (АСИ). Автоматизация измерений на
УЗК решает следующие ключевые задачи:
3.1. Задачи, решаемые автоматизацией измерений
1. Обеспечение безопасности процесса и персонала:
•
Контроль предельных значений: Непрерывный мониторинг
температуры, давления и уровня с формированием предупредительной и
аварийной сигнализации предотвращает развитие опасных ситуаций
(разогрев печи, разрыв аппаратов, переполнение).
•
Контроль
взрывоопасных
сред:
Измерение
содержания
кислорода в дымовых газах и довзрывоопасных концентраций в
помещениях.
•
Управление
аварийными
отключениями:
Формирование
логических блокировок и команд на отключение оборудования при выходе
параметров за критические границы (например, отсечка подачи топлива при
погасании факела).
2.
Стабилизация технологического режима и повышение качества
продукции:
•
Поддержание оптимальных параметров: Точное регулирование
температуры в печи (контур №97) и давления в камерах (контур №21)
обеспечивает максимальный выход целевых жидких фракций и кокса
заданного качества.
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
12
•
Компенсация
возмущений:
Автоматические
системы
регулирования (АСР) оперативно компенсируют колебания в составе сырья,
давлении топливного газа, температуре окружающей среды.
•
Снижение влияния «человеческого фактора»: Исключение ошибок
оператора при считывании показаний и ручном управлении.
3. Повышение энергоэффективности и экономия ресурсов:
•
Оптимизация расхода топлива: Контур регулирования соотношения
«топливо-воздух» (контуры №97-102) поддерживает минимальный избыток
воздуха, снижая потери тепла с уходящими газами.
•
Контроль и учёт: Точное измерение расходов сырья, топлива, пара
и продукции для ведения технологического и коммерческого учёта.
4. Обеспечение надёжности и увеличение межремонтного пробега:
•
Защита оборудования от режимов, сокращающих ресурс:
Предотвращение перегрева труб печи, работы насосов вхолостую, гидроударов.
•
Диагностика состояния оборудования: Анализ тенденций
изменения параметров (например, рост перепада давления на теплообменнике)
позволяет прогнозировать необходимость обслуживания.
3.2. Анализ особенностей объекта, влияющих на выбор средств измерений
Выбор конкретных средств измерений (СИ) для УЗК определяется рядом
специфических условий:
•
Агрессивность и сложный состав сред: Измеряемые среды (сырьё, пары
коксования, топливный газ, дымовые газы) содержат сероводород,
меркаптаны, непредельные углеводороды, водород, а также взвеси
коксовой пыли. Это требует от первичных преобразователей (датчиков)
коррозионной стойкости материалов смачиваемых частей (нержавеющая
сталь 12Х18Н10Т, хастелой) и специальных исполнений (кислородные,
сероводородные).
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
13
•
Высокие температуры и давления: Рабочая температура в зоне контроля
может достигать 510 °C, а давление – 4-6 МПа. Датчики должны иметь
соответствующие пределы измерений и прочностные характеристики. Для
термопар и термометров сопротивления обязательны защитные гильзы.
•
Взрывоопасность: Большинство зон установки классифицируются как
взрывоопасные (зоны 1 и 2 по ПУЭ). Все электронные СИ должны иметь
соответствующее взрывозащищённое исполнение (например, Ex ia IIC T4,
Ex d).
•
Циклический характер работы с ударными нагрузками: Процессы
выгрузки кокса сопровождаются вибрациями и ударными нагрузками.
Средства измерений должны обладать высокой виброустойчивостью и
механической прочностью.
•
Удалённость и распределённость точек контроля: Точки измерения
разнесены по территории установки. Это обуславливает необходимость
использования СИ с унифицированным токовым выходным сигналом 4-20
мА для дистанционной передачи на большие расстояния с минимальными
искажениями, а также предпочтительность интеллектуальных датчиков с
цифровым интерфейсом (HART, Foundation Fieldbus) для упрощения
монтажа, настройки и диагностики.
• Требования к точности и быстродействию: Для контуров
регулирования, особенно температуры в печи, критична высокая точность
(класс 0,5-1,0) и адекватное быстродействие (постоянная времени не более
20-30 с), чтобы система управления успевала парировать возмущения.
Таким образом, установка замедленного коксования является объектом, где
автоматизация измерений носит не вспомогательный, а критически важный,
системообразующий характер. Она напрямую определяет безопасность,
экономичность и производительность всего производства. Специфические
условия эксплуатации (агрессивные среды, высокие t и p, взрывоопасность)
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
14
предъявляют жёсткие требования к надёжности, коррозионной стойкости и
взрывозащите применяемых средств измерений. Для построения эффективной
АСИ необходимы современные интеллектуальные датчики с цифровыми
интерфейсами, способные не только передавать точные данные, но и
осуществлять самодиагностику, что снижает эксплуатационные затраты и
повышает готовность системы. Оптимальным выбором для ключевого контура
регулирования температуры (контур №20) в таких условиях, как было
обосновано
в
разделе
термопреобразователь
2,
является
сопротивления
высокоточный
(Pt100)
во
платиновый
взрывозащищённом
исполнении.
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
15
4. Средства измерения контролируемого параметра. Типы,
технические характеристики
В соответствии с выбором, обоснованным в предыдущих разделах, в
качестве средства измерения температуры сырья на выходе из печи коксования
П-1
(контур
№20)
применяется
комплект
на
основе
платинового
термопреобразователя сопротивления. Для данного технологического контура
выбран
конкретный
сопротивления
тип:
ТСМУ
Интеллектуальный
Метран-274-Ex
в
термопреобразователь
комплекте
с
защитной
преобразователь
(датчик):
термометровочной гильзой.
4.1. Состав комплекта средств измерения
1.
Первичный
измерительный
Термопреобразователь сопротивления ТСМУ Метран-274-Ex.
2.
Защитная гильза (термометровочный карман): Прямая гильза из
нержавеющей стали 12Х18Н10Т с фланцевым креплением ANSI 300 LB.
3. Вторичный прибор / система: Программируемый логический контроллер
(ПЛК)
или
распределённая
система
управления
(РСУ),
принимающая
унифицированный сигнал 4-20 мА.
4.2. Принцип действия термопреобразователя ТСМУ Метран-274
Принцип действия основан на свойстве чистых металлов увеличивать свое
электрическое сопротивление при повышении температуры. В качестве
чувствительного
элемента
используется
платиновая
проволока
или
тонкоплёночный элемент с номинальным сопротивлением 100 Ом при 0 °C
(Pt100).
1. Температура измеряемой среды передаётся на чувствительный элемент
через защитную гильзу и корпус датчика.
2.
Сопротивление платинового элемента изменяется пропорционально
температуре в соответствии со стандартной статической характеристикой (НСХ)
Pt100 по ГОСТ Р 8.625-2006.
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
16
3.
Встроенный в головку датчика интеллектуальный измерительный
преобразователь на основе микропроцессора измеряет это сопротивление,
выполняет линеаризацию, температурную компенсацию и преобразует значение
в унифицированный выходной токовый сигнал 4-20 мА, пропорциональный
температуре.
4. Цифровой интерфейс HART позволяет осуществлять дистанционную
настройку, калибровку и диагностику датчика без его демонтажа.
4.3. Технические характеристики средства измерения
•
Тип чувствительного элемента: Pt100 (платиновый, 100 Ом при 0°C)
•
Номинальная статическая характеристика (НСХ): Pt100 385 (IEC 60751)
• Класс допуска (точности): Класс А (высокая точность)
•
Диапазон измеряемых температур: -50…+600 °C (выбранный поддиапазон
настройки для контура №20: 400…550 °C)
•
Выходной сигнал: Двухпроводной, унифицированный токовый сигнал
4…20 мА постоянного тока.
•
Цифровой интерфейс: HART-протокол версии 7.
•
Основная приведённая погрешность: ±(0,1 + 0,0017·|t|) °C.
•
Расчёт для t = 500 °C: Δt = ±(0,1 + 0,0017*500) = ±(0,1 + 0,85) = ±0,95 °C.
•
Постоянная времени (тепловая инерция): Не более 25 с (в среде с
линейной скоростью 0,2 м/с в гильзе).
•
Питание: От петли тока 4-20 мА (12…36 В постоянного тока).
•
Взрывозащита: Ex ia IIC T6 Gb / Ex tb IIIC T85°C Db (искробезопасное
исполнение для взрывоопасных зон).
•
Степень защиты корпуса: IP66/IP67 (пыленепроницаем, защищён от
струй воды).
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
17
•
Материал
смачиваемых
частей:
Нержавеющая
сталь
12Х18Н10Т
(чувствительный элемент, защитная гильза).
•
Рабочее избыточное давление: До 25 МПа (с запасом для технологических
условий).
•
Межповерочный интервал: 4 года.
•
Диапазон рабочих температур окружающей среды: -40…+80 °C.
•
Функции самодиагностики: Контроль обрыва/короткого замыкания
чувствительного элемента, диагностика электроники.
4.4. Обоснование выбора конкретной модели и её характеристик
•
Тип Pt100 и класс А: Обеспечивает максимальную точность (±0.95 °C при
500°C), что является основным требованием для контура регулирования с
допуском ±2.5 °C.
•
Диапазон до 600 °C: Полностью перекрывает рабочий диапазон (470510°C) и предоставляет запас для аварийных ситуаций.
•
Интеллектуальный преобразователь с HART: Позволяет интегрировать
датчик в современную АСУ ТП, дистанционно менять диапазон,
контролировать состояние, что снижает эксплуатационные затраты.
•
Взрывозащита Ex ia: Соответствует требованиям к оборудованию,
устанавливаемому во взрывоопасной зоне класса 1 у печи коксования.
•
Степень защиты IP66/67: Гарантирует работоспособность в условиях
возможного попадания воды, пара и пыли.
•
Материал 12Х18Н10Т: Обеспечивает необходимую коррозионную
стойкость в среде, содержащей сернистые соединения и водород.
•
Давление 25 МПа: Значительный запас прочности относительно рабочего
давления в трубопроводе (до 4 МПа) гарантирует надёжность.
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
18
4.5. Аналоги и сравнительный анализ (на примере термопары)
В
качестве
основного
аналога
рассмотрен
термоэлектрический
преобразователь (термопара) типа K TxAу Метран-271-Ex.
Параметр сравнения
ТСМУ
(Pt100)
Метран-274-Ex TxAу
Метран-271-Ex
(Термопара K)
Принцип измерения
Изменение
сопротивления
Термо-ЭДС
Точность при 500 °C
±0,95 °C
±(0,75% от t) ≈ ±3,75 °C
Стабильность (дрейф)
Очень
высокая
0,1 °C/год)
Линейность
характеристики
Высокая
Нелинейная
Необходимость
компенсации
Не требуется
Обязательна компенсация
холодных концов
Стоимость комплекта
Выше
Ниже
(< Средняя (до 1-2 °C/год)
Для автоматизированного контроля температуры в критическом контуре
№20 выбран интеллектуальный термопреобразователь сопротивления ТСМУ
Метран-274-Ex. Его технические характеристики (высокая точность класса А,
взрывозащищённое
исполнение,
цифровой
интерфейс
HART,
коррозионностойкие материалы) в полной мере соответствуют жёстким
условиям эксплуатации на установке замедленного коксования и требованиям к
системе автоматического регулирования. Использование данного средства
измерения обеспечит достоверность измерительной информации, необходимую
для стабилизации технологического режима, оптимизации выхода продукции и
обеспечения безопасной работы оборудования.
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
19
5. Функциональная схема автоматизированного контроля
(измерений)
Функциональная схема автоматизированного контроля температуры сырья
на выходе из печи коксования (контур №97) представлена на листе графического
материала формата А4. Схема разработана в соответствии с требованиями ГОСТ
21.208-2013 «Обозначения условные приборов и средств автоматизации в
схемах».
5.1. Описание элементов схемы и их взаимодействия
Схема отображает структуру автоматизированной системы контроля и
регулирования температуры в ключевой точке технологического процесса – на
выходе из трубчатой печи коксования перед поступлением сырья в коксовые
камеры. Контур №97 входит в состав системы управления процессом горения.
Основные элементы:
1. Объект
измерения
и
регулирования: Участок
технологического
трубопровода с нагретым сырьём на выходе из радиантной секции печи П1 (или температура в зоне контроля процесса горения).
2. Первичный измерительный преобразователь (датчик): На схеме обозначен
как TT-97 (где
«T»
–
температура,
«T»
–
первичный
преобразователь/передатчик, «97» – номер контура). Это термопара или
термопреобразователь сопротивления, установленный в защитной гильзе.
Датчик преобразует температуру в унифицированный токовый сигнал 4–
20 мА.
3. Контроллер-регистратор (регулятор): На схеме обозначен как TRC-97 (где
«R» – регистрация, «C» – регулирование). Это контроллер в составе
распределённой системы управления (РСУ), который:
o
Принимает сигнал от TT-97.
o
Записывает значения температуры (функция регистрации).
o
Сравнивает текущее значение с уставкой.
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
20
o
Выполняет ПИД-алгоритм и формирует управляющий сигнал для
корректировки расхода топлива.
4. Исполнительный механизм: Взаимодействует с контурами регулирования
давления топлива (например, через клапан на линии топливного газа) или
соотношения
"топливо/воздух".
Управляющий
сигнал
от
TRC-97
поступает на позиционер соответствующего клапана в системе горения.
5. Средства отображения: Рабочая станция оператора в РСУ отображает
текущую температуру, уставку, тренды и статус контура №97.
5.2. Принцип работы контура автоматического регулирования
1. Датчик TT-97 непрерывно измеряет температуру.
2. Сигнал 4–20 мА поступает на контроллер TRC-97.
3. TRC-97 вычисляет отклонение от уставки и определяет необходимое
корректирующее воздействие для системы подачи топлива.
4. Управляющий сигнал направляется в связанные контуры (например, на
клапан регулирования давления топливного газа).
5. Изменение расхода топлива корректирует тепловую мощность печи, что
приводит к изменению температуры, регистрируемой датчиком TT-97.
5.3. Спецификация основных средств измерений и автоматизации
Позиция
схеме
на Наименование
технические
характеристики
и Тип,
марка
Заводизготовитель
TT-97
Термопреобразоват ТСМУ
ель сопротивления. МетранPt100, кл. А, - 274-Ex
50…+600 °C, выход
4-20 мА, HART, Ex
ia.
TRC-97
Функциональный (В составе блок
ПИД- РСУ,
регулятора
напр.,
температуры
в Siemens
АО «Метран», 1
г. Челябинск
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Кол-во
1
Лист
21
составе РСУ.
PCS
7,
Emerson
DeltaV)
Разработанная функциональная схема наглядно отображает структуру и
взаимодействие всех элементов автоматизированной системы контроля и
регулирования температуры в ключевом контуре установки замедленного
коксования. Применение современного интеллектуального датчика, цифрового
контроллера в составе РСУ и регулирующего клапана с позиционером позволяет
реализовать
высокоточное
и
надежное
автоматическое
поддержание
технологического режима, что является необходимым условием для достижения
проектных
показателей
по
выходу
продукции,
безопасности
и
энергоэффективности процесса.
КР-02068982-15.03.04-12-25
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
22
Изм. Лист
Разраб.
Провер.
Н. Контр.
Утверд.
№ докум.
Султанов Т.Н.
Реброва И.А.
Подпись Дата
КР-02068982-15.03.04-42-С3
Схема функциональная
Лит.
Лист
1
Листов
1
СибАДИ, гр. АПб-23Т1
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Фарзане, Н. Г. Технологические измерения и приборы [Текст] : учебник
для вузов по специальности "Автоматизация технологических процессов и
производств" / Н. Г. Фарзане, Л. В. Илясов, А. Ю. Азим-заде. - Стер. изд. - М. :
Альянс, 2018. - 456 с.
2. Рачков, М. Ю. Технические измерения и приборы : учебник и практикум
для вузов / М. Ю. Рачков. – 3-е изд., испр. и доп. – М. : Издательство Юрайт, 2017.
– 201 с. – Серия : Специалист.
3. Миронов, Э. Г. Метрология и технические измерения [Электронный
ресурс]: учебное пособие / Э. Г. Миронов, Н. П. Бессонов. – Москва : КноРус,
2016. – 421 с. (ЭБС «Book.ru»).
4. Зубков, М. В. Датчики и измерительные преобразователи для контроля
окружающей среды. Учеб. пособие / М. В. Зубков, В. Н. Локтюхин, А. С.
Совлуков ; РГРУ. – Рязань, 2009. – 64 с.
5. Горбунова, Т. С. Измерения, испытания и контроль. Методы и средства
[Электронный ресурс] : учебное пособие / Т. С. Горбунова ; Министерство
образования и науки России, Федеральное государственное бюджетное
образовательное
учреждение
высшего
профессионального
образования
«Казанский национальный исследовательский технологический университет». –
Казань : Издательство КНИТУ, 2012. – 108 с. (ЭБС «Университетская библиотека
онлайн»).