35
управления на автоматический и наоборот. Предусмотрена возможность
настройки параметров СУ со станций оператора-технолога.
В АСУ ТП регистрируются и архивируются в хронологическом порядке
с возможностью последующего просмотра и вывода на печать данные о ходе
технологического процесса – числовые значения измеренных величин с
заданной периодичностью (тренды), в том числе накопленные данные технико-
экономических показателей;
4) Должна быть реализована функция автоматического составления
отчетов и рабочих (режимных) листов за определенные периоды времени. В
системе должен автоматически формироваться режимный лист оператора-
технолога (1 раз в смену), суточный, месячный и годовой отчеты, отчет
технико-экономических параметров;
5) Должна быть реализована функция получения информации от
системы ПАЗ, сигнализация и регистрация срабатывания подсистемы ПАЗ, с
формированием сообщений срабатывания предупредительной и аварийной
сигнализации;
6) Должна быть реализована функция надежной защиты собственных
баз данных и программного обеспечения от несанкционированного доступа.
Все действия оператора-технолога должны быть защищены от возможных
ошибок. Для этого, в особо важных случаях, при попытке оператора провести
некоторые управляющие воздействия, система должна запрашивать
подтверждение действия.
Рассмотрим особенности проектирования АСУТП разделения воздуха.
Продуктами производства разделения воздуха являются: [6]
− газообразный кислород (GOX) по ГОСТ 5583-78 «Кислород
газообразный технический и медицинский. Технические условия»;
− жидкий кислород (LOX) по ГОСТ 6331-78 «Кислород жидкий
технический и медицинский. Технические условия»;
− жидкий азот (LIN), газообразный азот (GAN) по ГОСТ 9293-74
«Азот газообразный и жидкий. Технические условия»;
36
− жидкий аргон (LAR), газообразный аргон (GAR) по ГОСТ 10157-79
«Аргон газообразный и жидкий. Технические условия».
Получение кислорода и других газов из воздуха возможно несколькими
способами:
− ректификацией жидкого воздуха при криогенных (низких)
температурах;
− разделение воздуха методом короткоцикловой адсорбции при
температуре окружающей среды.
− мембранное разделение воздуха при температуре окружающей
среды
Преимуществами низкотемпературных ректификационных
воздухоразделительных установок являются: [6]
− экологически чистый процесс получения продуктов разделения
воздуха;
− высокое качество продукции, соответствующее Государственным
стандартам;
− высокая производительность;
− возможность получения различных продуктов на одной установке;
− гибкость при перенастройке технологического процесса;
− низкое удельное энергопотребление.
Для покрытия нужд в продуктах разделения воздуха потребителей
принята низкотемпературная ректификационная воздухоразделительная
установка. [18]
Режим работы воздухоразделительной установки – непрерывный
круглосуточный. Необходимые остановки оборудования и технологических
систем для проведения на них регламентных работ не более 210 часов в год и
могут осуществляться в соответствии с графиками, предписанными
документацией изготовителей оборудования или при возникновении
производственной необходимости. [18]
37
Расчетные данные по режимам работы установки приведены в
таблице 2.
Таблица 2
Основные режимы установки
Наименование
потока,
концентрация
продукта
Режим (расход (нм3/ч) / давление (МПа (абс) /
температура (°C)
1
2
3
4
5
Воздух
—
61900
нм3/ч
0,65 МПа
19°С
52800
нм3/ч
0,63 МПа
19°С
46400
нм3/ч
0,58 МПа
19°С
46400
нм3/ч
0,59 МПа
19°С
47400
нм3/ч
0,6 МПа
19°С
Газообраз
ный кисло
род
GOX
99,6 %
об.
по О2
8600
нм3/ч
3 МПа
20°С
8600
нм3/ч
3 МПа
20°С
4300
нм3/ч
3 МПа
20°С
4300
нм3/ч
3 МПа
20°С
0 нм3/ч
—
—
Жидкий
кислород
LOX
99,6 %
об.
по О2
4000
нм3/ч
0,105 МПа
минус183°
С
2200
нм3/ч
0,105 МПа
минус183°
С
4000
нм3/ч
0,105 МПа
минус183°
С
3300
нм3/ч
0,105 МПа
минус183°
С
4150
нм3/ч
0,105 МПа
минус183°
С
Газообраз
ный азот
GAN
1 ppm
О2
43 нм3/ч
1,3 МПа
20°С
43 нм3/ч
1,3 МПа
20°С
43 нм3/ч
1,3 МПа
20°С
43 нм3/ч
1,3 МПа
20°С
43 нм3/ч
1,3 МПа
20°С
Жидкий
азоттLIN
1 ppm
О2
1500
нм3/ч
0,105 МПа
минус195°
С
757 нм3/ч
0,105 МПа
минус195°
С
1520
нм3/ч
0,105 МПа
минус195°
С
1255
нм3/ч
0,105 МПа
минус195°
С
1605
нм3/ч
0,105 МПа
минус195°
С
Газообраз
ный аргон
GAR
1 ppm
О2
1 ppm
N2
23 нм3/ч
2,1 МПа
20°С
23 нм3/ч
2,1 МПа
20°С
23 нм3/ч
2,1 МПа
20°С
23 нм3/ч
2,1 МПа
20°С
23 нм3/ч
2,1 МПа
20°С
Жидкий
аргон LAR
1 ppm
О2
1 ppm
N2
456 нм3/ч
0,135 МПа
минус183°
С
401 нм3/ч
0,125 МПа
минус183°
С
344 нм3/ч
0,12 МПа
минус183°
С
352 нм3/ч
0,125 МПа
минус183°
С
379 нм3/ч
0,12 МПа
минус183°
С
Рассмотрим режимы более подробно:
− Режим 1: 100% газообразных продуктов / 100% жидких продуктов;
− Режим 2: 100% газообразных продуктов / минимум жидких
продуктов;
− Режим 3: минимум газообразных продуктов / 100% жидких
продуктов;
38
− Режим 4: минимум газообразных продуктов / минимум жидких
продуктов;
− Режим 5: без газообразных продуктов высокого давления /
максимум жидких продуктов.
Воздух состоит из кислорода и азота (99,04%). Концентрации этих газов
приблизительно одинаковые по всему миру. Также это относится и к
содержанию аргона в воздухе 0,93 % об., концентрации водорода, углекислоты
также могут изменяться в определенных пределах. Однако, содержание влаги в
воздухе значительно отличается и зависит от температуры, которая определяет
степень насыщения, от метеорологических условий и климатических
особенностей местности, влияющих на влажность воздуха. [9]
Основное сырье при производстве – атмосферный воздух. Состав
атмосферного воздуха, без учета количества водяных паров, колеблется в
весьма узких пределах. Наиболее важные компоненты сухого воздуха
перечислены в таблице 3. [6]
Таблица 3
Компоненты сухого воздуха
№
пп
Компоненты
Парциальное
давление,
мм.рт.ст
Объемная
доля, %
объёмных
Массовая
доля, %
массовых
1
Азот, N2
593,42
78,087
75,52
2
Кислород, О2
159,25
20,95
23,15
3
Аргон, Аr2
7,07
0,93
1,282
4
Двуокись углерода, СО2
0,23
0,03
0,046
5
Неон, Nе
13,7×10-3
18×10-4
12,5×10-4
6
Гелий, Не
4,0×10-3
5,24×10-4
0,72×10-4
7
Ацетилен и др.
углеводороды
1,5×10-3
2,03×10-4
1,28×10-4
8
Метан, СН4
1,1×10-3
1,5×10-4
0,8×10-4
9
Криптон, Кr
8,7×10-4
1,15×10-4
3,3×10-4
10
Водород Н2
3,8×10-4
0,5×10-4
0,035×10-4
11
Закись азота, N2О
3,8×10-4
0,5×10-4
0,8×10-4
12
Ксенон, Хе
0,6×10-4
0,08×10-4
0,36×10-4
13
Озон, О3
0,1×10-17
0,01×10-4
0,015×10-4
14
Радон, Rn
6×10-18
7×10-17
Свойства водяного пара и углекислоты по большей части значительно
отличаются от свойств воздуха. Эти компоненты испаряются от 0°C до минус
39
79°C при атмосферном давлении. Если они присутствуют, тонкие трубки
теплообменников и перфорированные тарелки в ректификационных колоннах
могут забиваться твёрдой фазой (льдом) указанных веществ.
Следовательно, эти составляющие должны быть удалены из воздуха
перед его разделением. [9]
Предельно-допустимые нормы содержания взрывоопасных примесей в
перерабатываемом воздухе для установок, работающих с цеолитовыми блоками
комплексной очистки воздуха, приведены в таблице 4. [9]
Таблица 4
Взрывоопасные примеси в воздухе
№ пп
Наименование параметров
Предельно допустимые
со
держания, в мг/дм3
1
Ацетилен
0,22
2
Высшие ацетиленовые углеводороды
0,15
3
Предельные и непредельные
углеводороды
С3-С6 (кроме пропана) в сумме
1,0
4
Углеводороды: этан, этилен, пропан в
сумме
11
5
Масло
0,4
6
Сероуглерод
0,12
7
Окислы азота
1,25
8
Окислы серы
20
9
Аммиак
20
10
Двуокись углерода
735
11
Сероводород
0,15
12
Твердых частиц и пыли
10
13
Содержание капельного масла
не допускается
Редкие газы химически неактивны (инертные газы), не влияют на
процесс разделения воздуха, за исключением He и Ne. Из-за очень низких точек
кипения, эти два газа всегда остаются в газообразном состоянии в течение
процесса разделения. [16]
Гелиевые газовые зоны могут блокировать теплообмен в конденсаторах
и ожижителях; покрывать их теплообменные поверхности и значительно
затруднять их нормальное функционирование. В данной установке указанные
газы отводятся из низкотемпературной зоны вместе с потоком затворного азота.
40
Разность точек кипения основных компонентов воздуха делает возможным
применять ректификацию для его разделения. [16]
Процесс низкотемпературного разделения одновременно обеспечивает
высокую степень чистоты и большой выход продукта (высокий коэффициент
извлечения).
Ректификация воздуха заключается в обмене кислородом и азотом
между жидкостными и газовыми фазами, где сквозь жидкость проходит
поднимающаяся газообразная смесь O2-N2. Чаще всего для этого обмена
используют так называемые ректификационные тарелки (например,
перфорированные тарелки). [24]
В равновесном состоянии, пар находящийся непосредственно над
жидкой смесью (жидким воздухом), имеет более высокое содержание N2 т.к. у
азота более низкая точка кипения, чем у жидкости. Пар и жидкость, проходя
соответственно сквозь и по ректификационным тарелкам, стремятся достичь
равновесия, обмениваясь кислородом и азотом при контакте, процесс, который
также включает теплообмен (конденсацию кислорода и испарение азота).
Поднимающаяся газообразная смесь постепенно обогащается азотом, а
стекающая жидкость кислородом. [24]
Газообразный воздух, находящийся в состоянии насыщения со своими
жидкими компонентами (O2 и N2), поднимается по колонне, полностью
сжижается в верхней части, например, в конденсаторе, затем стекает обратно на
сетчатые тарелки, не меняя своего состава. [18]
Кислород не токсичен, не горюч и не взрывоопасен, однако, являясь
сильным окислителем, резко увеличивает способность других материалов к
горению. [9]
Так, например, попадание жидкого кислорода на деревянные
конструкции или асфальт, включающие материалы органического
происхождения, может вызвать взрыв. [15]
Содержание кислорода в рабочей зоне должно быть не менее 19% и не
более 23% объёмных долей. Помещения, в которых возможно повышение
41
кислорода выше допустимого, оборудуются приточно-вытяжной вентиляцией.
В этих помещениях 1 раз в смену необходимо брать анализ воздуха рабочей
зоны или оборудовать их автоматическими приборами измерения содержания
кислорода в воздухе. [15]
Азот не токсичен, не горюч и не взрывоопасен. При утечках
газообразного или розливах жидкого азота в закрытых помещениях возможно
понижение процентного содержания кислорода ниже допустимых 19 %,
поэтому помещения, в которых возможно понижение содержания кислорода
ниже допустимого, оборудуются приточно-вытяжной вентиляцией. В этих
помещениях 1 раз в смену необходимо брать анализ воздуха рабочей зоны или
оборудовать их автоматическими приборами измерения содержания кислорода
в воздухе. [15]
Аргон не токсичен, не горюч и не взрывоопасен. При утечках
газообразного или розливах жидкого аргона в закрытых помещениях возможно
понижение процентного содержания кислорода ниже допустимых 19%,
поэтому помещения, в которых возможно понижение содержания кислорода
ниже допустимого, оборудуются приточно-вытяжной вентиляцией. В этих
помещениях 1 раз в смену необходимо брать анализ воздуха рабочей зоны или
оборудовать их автоматическими приборами измерения содержания кислорода
в воздухе. [15]
Прочие компоненты не накапливаются в процессе производства на
установке, не вносят существенного вклада с точки зрения токсикологии в
технологический процесс разделения воздуха, поэтому, безопасность процесса
для персонала, кроме углеводородов – по взрывоопасности, покомпонентно не
рассматриваются.
42
2.2. Основные элементы автоматики и технологические процессы АСУ ТП
разделения атмосферного воздуха
Узел приёма технологического воздуха предназначен для очистки
воздуха, направляемого на сжатие в компрессорную установку С1161, от
механических примесей, а также регулирования температуры воздуха,
направляемого в компрессорную установку (рисунок 8). [13]
Рисунок 8. Схема автоматизации узла приёма технологического
воздуха
Узел приёма технологического воздуха включает комбинированный
блок-фильтр, состоящий из двух последовательно установленных кассетных
фильтров S1146.1/2 сухой очистки и глушителя N1151А, а также глушителя
N1151В на байпасной линии. [13]
Компрессорная установка С1161 / С1261 предназначена для сжатия
атмосферного воздуха перед направлением его на последующие
технологические операции процесса разделения воздуха. [13]
Компрессорная установка С1161 / С1261 представляет собой
совмещённые в одном блоке (на одной раме, с общим приводом) два
43
компрессора – основной воздушный компрессор С1161 и дожимающий
компрессор С1261, а также систему промежуточного межступенчатого
охлаждения и систему смазки (рисунок 9).
Рисунок 9. Схема автоматизации компрессорной установки
После компрессора С1161 воздух отбирается из установки для
охлаждения и первичной очистки в оросительном воздухоохладителе Е2416 и
дальнейшей комплексной очистки воздуха в адсорберах А2626, после чего
часть его возвращается на всасывание дожимающего компрессора С1261. [13]
Компрессор представляет собой многовальную мультипликаторную
центробежную турбомашину. На корпусе цилиндрического редуктора с
шевронным зацеплением консольно установлены три пары корпусов ступеней
сжатия воздуха с рабочими колесами осерадиального типа, соединённых
коммуникациями с межступенчатыми воздухоохладителями и внешним
оборудованием. [17]
Для управления расходом воздуха через компрессор 1-е ступени
компрессоров С1161 и С1261 на стороне всасывания снабжены
диафрагменными устройствами регулирования расхода, компрессор С1261
снабжен агрегированным с компрессорной установкой байпасным
трубопроводом с регулирующим клапаном. [17]
44
Основные характеристики компрессора С1161 приведены в таблице 5.
Таблица 5
Основные характеристики компрессора С1161
Параметр
Размерность
Минимальн
ый
Расчётный
Максимальн
ый
Рабочая среда
—
воздух
воздух
воздух
Атмосферное давление
бар (абс.)
1,046
1,000
0,986
Давление всасывания
бар (абс.)
1,031
0,986
0,972
Температура на всасывании
0С
40,0
20,0
минус 36
Температура охлаждения
0С
28,0
20,0
10,0
Относительная влажность
%%
85,0
70,0
51,0
Давление нагнетания
бар (абс.)
6,91
6,91
6,91
Производительность
нм3/час
59 000
62 900
72 000
Потребляемая мощность
кВт
5329,7
5467,5
5797,1
Удельная мощность
кВт/1нм3/мин
4,50
4,60
5,3
Загрузка
%%
0,993
0,969
0,832
Компрессор С1161 / С1261 смонтирован на общей раме, в которую так
же интегрирована маслосистема циркуляционной смазки в составе маслобака,
двух маслонасосов (пускового поз. Р1193 с отдельным приводом и основного
поз. Р1192, приводящегося от мультипликатора компрессора),
маслонагревателя поз. Н1194 (установлен в маслобаке), маслоохладителя поз.
Е1195 и пары сепараторных фильтров поз. S1196А/Б. [19]
Все воздухоохладители аналогичны по конструкции и представляют
собой горизонтальные кожухотрубные двухходовые теплообменники с
прямыми трубками и плавающей головкой. По трубному пространству
проходит охлаждающая вода, по межтрубному воздух. [19]
Электродвигатель М1181 компрессора С1161 / С1261 представляет
собой асинхронную электрическую машину с короткозамкнутым ротором и
регулируемой частотой вращения. [21]
Электродвигатель М1181 имеет встроенные системы охлаждения и
подогрева.
Смазка подшипников электродвигателя производится от
централизованной системы циркуляционной смазки компрессорной установки
С1161 / С1261. Охлаждение электродвигателя производится от