способ автоматического управления путевым подогревом

Формула изобретения

1. Способ управления питанием, подаваемым на цепь путевого подогрева, размещенную вокруг технологического трубопровода, характеризующийся тем, что

измеряют начальную температуру технологического трубопровода;

устанавливают температуру уставки для цепи путевого подогрева;

устанавливают величину зоны нечувствительности, превышающей указанную температуру уставки;

подводят питание к цепи путевого подогрева в течение определенного интервала времени для повышения температуры указанного технологического трубопровода по меньшей мере до температуры уставки плюс величина зоны нечувствительности;

выключают подвод питания к цепи путевого подогрева в течение предварительно определенного начального интервала времени;

измеряют температуру указанного технологического трубопровода в конце указанного предварительно определенного начального интервала отсутствия подвода питания;

определяют для указанного технологического трубопровода разность между значением указанной температуры уставки плюс величина зоны нечувствительности и значением температуры, полученным в результате измерения в конце указанного предварительно определенного начального интервала отсутствия подвода питания; и

рассчитывают последующий интервал отсутствия подвода питания на основании длительности указанного предварительно определенного начального интервала отсутствия подвода питания, величины зоны нечувствительности, температуры уставки и начальной температуры технологического трубопровода таким образом, чтобы температура указанного технологического трубопровода в конце указанного следующего интервала отсутствия подвода питания не снизилась до уровня ниже указанной температуры уставки.

2. Способ по п.1, в котором расчет интервала отсутствия подвода питания выполняют на основе формулы:

t_{выкл.__расч.} = (t_{выкл._начальн.} × T_{зоны нечувст.} ) / (T_{уставки} + T_{зоны нечувст.} - T ₁),

где: t_{выкл.__расч.} последующий интервал отсутствия подвода питания; t_{выкл._начальн.} - предварительно определенный интервал отсутствия подвода питания; T_{зоны нечувст.} - величина зоны нечувствительности, превышающей указанную температуру уставки; T_{уставки} - температура уставки для цепи путевого подогрева; T₁ - конечная температура технологического трубопровода.

3. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором подают питание на указанную цепь путевого подогрева после измерения температуры указанного технологического трубопровода в конце указанного предварительно определенного начального интервала отсутствия подвода питания.

4. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором измеряют температуру указанного технологического трубопровода в конце указанного последующего интервала отсутствия подвода питания.

5. Способ по п.4, дополнительно содержащий этап, на котором определяют для указанного технологического трубопровода разность между указанной температурой уставки плюс величина зоны нечувствительности и температурой, полученной в результате измерения в конце указанного последующего интервала отсутствия подвода питания.

6. Способ по п.5, дополнительно содержащий этап, на котором рассчитывают длительность отсутствия подвода питания в одном или более последующих циклов на основе указанной разности температур.

7. Способ по п.1, дополнительно содержащий этапы, на которых: (a) измеряют температуру указанного технологического трубопровода в конце указанного рассчитанного последующего интервала отсутствия подвода питания; (b) определяют разность для указанного технологического трубопровода между указанной температурой уставки плюс величина зоны нечувствительности и температурой, полученной в результате измерения в конце указанного последующего рассчитанного интервала отсутствия подвода питания; и (c) рассчитывают дополнительный последующий интервал отсутствия подвода питания на основе длительности предварительно определенного начального интервала отсутствия подвода питания, величины зоны нечувствительности, температуры уставки и последующего измеренного значения температуры технологического трубопровода таким образом, чтобы температура указанного технологического трубопровода в конце указанного последующего интервала отсутствия подвода питания не снижалась до уровня ниже указанной температуры уставки.

8. Способ по п.7, в котором этапы (a)-(c) повторяют n раз, где n равно или больше 2.

9. Способ по п.8, в котором n равно приблизительно 10000 или более.

10. Способ по п.9, в котором n равно примерно 10000000 или более.

11. Система путевого подогрева, содержащая:

датчик, связанный с технологическим трубопроводом, причем указанный датчик выполнен с возможностью измерения температуры указанного трубопровода;

греющий кабель, прикрепленный к указанному технологическому трубопроводу;

источник питания, подключенный к указанному греющему кабелю через контактор, для подвода питания на указанный греющий кабель;

контроллер, взаимодействующий с указанным контактором и указанным датчиком, причем указанный контроллер выполнен с возможностью включения и выключения подвода питания на указанный греющий кабель с помощью указанного контактора на основе значений температуры указанного технологического трубопровода, при этом указанный датчик выполнен с возможностью измерения температуры указанного технологического трубопровода в конце начального интервала, в течение которого подвод питания на указанный греющий кабель отключен, причем контроллер выполнен с возможностью расчета последующих интервалов отсутствия подвода питания таким образом, чтобы температура указанного технологического трубопровода в конце определенного интервала из числа указанных последующих интервалов отсутствия подвода питания не снижалась до уровня ниже предварительно определенной температуры уставки,

причем датчик также выполнен с возможностью измерения начальной температуры указанного технологического трубопровода и передачи данной информации на контроллер.

12. Система путевого подогрева по п.11, в которой указанный контроллер выполнен с возможностью поддержания температуры уставки указанной цепи путевого подогрева.

13. Система путевого подогрева по п.11, в которой указанный контроллер выполнен с возможностью поддержания определенной величины зоны нечувствительности указанной цепи путевого подогрева, причем указанная величина зоны нечувствительности выше указанной температуры уставки.

14. Система путевого подогрева по п.12, в которой указанный контроллер выполнен с возможностью обеспечения подвода питания от указанного источника питания на указанную цепь путевого подогрева в течение определенного интервала времени для повышения температуры указанного технологического трубопровода по меньшей мере до температуры уставки плюс величина зоны нечувствительности.

Описание изобретения к патенту

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.

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_{трубопр.} трубопровода с течением времени повышается (положительный наклон кривой Т _{трубопр.}) 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.

Например, в течение интервала t_вкл. от источника питания на греющий кабель через контакторы, такие как релейные выключатели, и контроллер подается питание до достижения температурой трубопровода значения уставки (Т_{уставки} ) плюс величина зоны нечувствительности (Т_{зоны нечувств.} ), и в данной точке питание выключается в момент t₀ времени. Величина зоны нечувствительности представляет собой значение T температуры, превышающее температуру уставки, по достижении которого прекращается подвод питания на греющий кабель. В течение интервала t_выкл. питание на греющий кабель или датчик через контроллер не поступает, и температура трубопровода снижается (отрицательный наклон кривой Т_{трубопр.}). При достижении температурой трубопровода значения Т₀ на греющий кабель через релейные выключатели и контроллер в течение интервала от t₁ до t₂ снова подается питание от источника питания, причем питание подается в течение интервала t_вкл. . 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_выкл. 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.

Для решения проблемы отсутствия питания на датчиках в известных устройствах предусматривается кратковременный подвод контроллером питания на греющий кабель через установленные интервалы t ₁. Типичная последовательность интервалов t₁ 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_{уставки} 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.

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 Т₀, контроллер 40 обеспечивает в течение определенного интервала t_вкл. 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}) уставки плюс величина зоны нечувствительности (Т_{зоны нечувст.}). После достижения трубопроводом 15 требуемой температуры (Т_{уставки}+Т_{зоны нечувст.} ), определяемой по данным, полученным от модуля 50 датчика, контроллер 40 при помощи контакторов 41 осуществляет отключение подвода питания на греющий кабель 20.

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_{уставки}). В частности, контроллер 40 обеспечивает подвод питания. на греющий кабель 20 и датчик 50. Температура трубопровода повышается от начальной температуры (Т₀) до температуры уставки (Т_{уставки}) плюс величина зоны нечувствительности (Т _{зоны нечувст.}) в течение интервала времени tвкл.1. После достижения температурой трубопровода значения Т_{уставки} +Т_{зоны нечувст.} контроллер 40 прекращает подвод питания на греющий кабель в течение интервала t_{выкл._начальн.} , 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.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения в течение интервала t _{выкл._начальн.} температура трубопровода снижается до значения T₁, 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_{выкл._начальн.} и до начала интервала t _вкл.2 указывает разность температуры трубопровода между температурой уставки плюс величина зоны нечувствительности (Т _{уставки}+Т_{зоны нечувст.}) и температурой Т ₁ в течение первого интервала t_{выкл._начальн.} цикла отключения питания. После завершения начального интервала цикла t_{выкл._начальн}. контроллер 40 осуществляет подвод питания на греющий кабель 20 в течение интервала цикла t _вкл.2 до достижения температурой трубопровода значения t_уcтaвки+t_{зоны нечувст.}, после чего контроллер 40 снова отключает подвод питания. Функция автоматической регулировки использует длительность произвольного постоянного интервала t _{выкл._начальн.}, температуру T₁ трубопровода, измеренную в конце цикла t_{выкл._начальн.}, температуру уставки (Т_{уставки}) и величину зоны нечувствительности (Т_{зоны нечувст.}) для расчета значения длительности следующего цикла отключения питания (t_{выкл._pacч.}). Длительность интервала цикла отключения питания (t_{выкл._расч.} ) ограничена временем, которое, согласно расчетам контроллера, потребуется для достижения температурой трубопровода значения уставки (Т_{уставки}). Расчет, который выполняется при допущении постоянной скорости изменения температуры трубопровода, выполняется по следующей формуле:

t_{выкл._pacч.} =( t_{выкл._начальн.}×Т_{зоны нечувст}.)/(Т _{уставки}+Т_{зоны нечувст.}-Т₁)

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.