XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время автоматизация процессов и производств является одним из ключевых факторов развития промышленности. С каждым годом все больше компаний внедряют системы автоматизации, чтобы повысить эффективность работы и сократить затраты.

Внедрение автоматизации – это достаточно трудоемкий процесс, который требует длительного времени и больших финансовых затрат, поэтому предприятия, которые не обладают достаточными финансовыми возможностями, могут автоматизировать свое предприятие частично.

Частичная автоматизация — это автоматизация какого-либо отдельного оборудования и производственных операций. Нередко частичную автоматизацию применяют к действующему на производстве оборудованию. Подобная автоматизация производственных процессов используется в том случае, когда усложняется система управления производств, а условия труда опасны для жизни.

Часть компаний старается автоматизировать производство в полной мере. Полная автоматизация процессов производства представляет собой наивысший уровень автоматизации, при котором происходит передача всех функций техническим приборам, но контроль над процессами осуществляет человек. Стоит отметить, что сегодня такой вид автоматизации применяется довольно редко. Но, не смотря на свою высокую стоимость, эффективно внедренная промышленная автоматизация гарантирует:

− улучшение качества выпускаемой продукции;

− рост производительность труда;

− повышение эффективности работы предприятия;

− сокращение затрат на производство;

− рост уровня безопасности.

В этой связи, работа посвящена исследованию расчёта надёжности и разработке методов и технологий автоматизации процессов и производств [1-3].

1ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Насыщенный кислыми газами раствор 45% МДЭА поступает в сборник насыщенного раствора МДЭА 321-V101. На линии перед сборником расход насыщенного раствора замеряется датчиком расхода (поз. FТ1101) с индикацией, регистрацией и сигнализаций максимального и минимального значений (поз. FIRCA) и регулируется клапаном (поз. FV1101), установленным на трубопроводе насыщенного раствора [4].

В сборнике происходит выделение газов и отделение жидких углеводородов из насыщенного 45% МДЭА. Газы направляются в емкость-сепаратор факельных сбросов 321-V101, а затем на факел. На время пуска блока в сборник насыщенного раствора предусматривается подача топливного газа для создания давления 5,0 кгс/см2 и дальнейшего приема насыщенного раствора МДЭА. На линии поступления топливного газа в сборник насыщенного раствора осуществляется измерение расхода (поз. FТ1113) с индикацией и регистрацией показаний (поз. FIR1113). Давление топливного газа в сборнике насыщенного раствора 321-V101 измеряется первичным измерительным преобразователем давления (поз. PE1102) с индикацией, регистрацией, сигнализацией значений по максимальному и минимальному значению (поз. PIRCA1102) и регулируется клапаном (поз. PV1102-2), установленным на трубопроводе топливного газа на каждую линию. Также в сборнике предусмотрен замер раствора МДЭА датчиком уровня (поз. LE1117), сигнализирующим о максимальных и минимальных значениях (поз. LIRA1117).

Экспанзерный газ направляется в десорбер 321-Т101. Давление экспанзерного газа 5,0 кгс/см2 в сборнике насыщенного раствора 321-V101 регулируется клапаном (поз. PV1102-1), установленным на линии экспанзерного газа в десорбер 321-Т101. Температура и расход экспанзерного газа на выходе из сборника измеряются приборами (поз. TE1113) и (поз. FТ1122).

Жидкие углеводороды, содержащиеся в насыщенном растворе 45%-го МДЭА, через специальную перегородку переливаются в отсек для сбора жидких углеводородов, где замеряются уровнемером (поз. LE1103) с сигнализацией максимального и минимального значения (поз. LIRCA1103) и регулируются клапаном (поз. LV1103), установленным на линии вывода в дренажный сборник жидких углеводородов 321-V003.

Насыщенный раствор 45% МДЭА направляется на регенерацию в десорбер 321-Т101, предварительно пройдя рекуперативные теплообменники «раствор-раствор» 321-Е101А/В. В теплообменниках 321-Е101А/В насыщенный раствор нагревается до 65°С за счет тепла регенерированного раствора, который охлаждается при этом до 58°С.

Регенерированный раствор, вытекающий из нижней части десорбера 321-Т101 направляется в сборник регенерированного раствора 321-V102 или в сливной сборник 321-V104.

Во избежание потерь амина за счет окисления его кислородом воздуха, поскольку окисленный МДЭА склонен к образованию полимеров и способствует засорению и вспениванию системы, в сборник 321-V102 предусмотрена подача азота для создания «азотной подушки» над раствором МДЭА давлением 0,1 кгс/см2. В сборнике осуществляется измерение давления (поз. PE1159) с индикацией, регистрацией, сигнализацией показаний по минимальному и максимальному значению (поз. PIRCA1159). Регулирование постоянства давления «азотной подушки» в сборнике регенерированного 321-V102 осуществляется при помощи системы двух клапанов (поз. PV1159-1) и (поз. PV1159-2), установленных на трубопроводе подачи азота низкого давления в сборник регенерированного раствора 321-V102 и на линии сброса вентиляционного газа в газоход печи дожига.

Ведется контроль уровня (поз. LE1104) регенерированного раствора МДЭА в сборнике регенерированного раствора 321-V102. При аварийном минимальном значении уровня срабатывает блокировка на останов насоса 321-Р101А/Р клапаном (поз. LV1104), установленным на линии вывода раствора из сборника. При остановке рабочего насоса проектом предусмотрено автоматическое включение резервного насоса.

Сливной сборник 321-V104 выполнен идентично сборнику регенерированного раствора 321-V102. В сборник 321-V104 предусмотрена подача азота для создания «азотной подушки» над раствором МДЭА. В сборнике осуществляется измерение давления (поз. PE1160) с индикацией, регистрацией, сигнализацией показаний по минимальному и максимальному значению (поз. PIRCA1160). Регулирование постоянства давления «азотной подушки» в сливном сборнике 321-V104 осуществляется при помощи системы двух клапанов (поз. PV1160-1) и (поз. PV-1160-2), установленных на трубопроводе подачи азота низкого давления в сливной сборник 321-V104 и на линии сброса вентиляционного газа в газоход печи дожига.

Ведется контроль уровня (поз. LE1109) регенерированного раствора МДЭА в сливном сборнике 321-V104. При аварийном минимальном значении уровня срабатывает блокировка на останов насоса 321-Р103А/Р клапаном (поз. LV1109), установленным на линии вывода раствора из сборника. При остановке рабочего насоса проектом предусмотрено автоматическое включение резервного насоса.

Из сборника 321-V102 регенерированный раствор МДЭА, насосами 321-Р101А/Р подается на охлаждение в аппараты воздушного охлаждения 321-А101А/В/С/D. При неработающем сборнике регенерированного раствора из сливного сборника 321-V104.

Для нормальной работы насосов 321-Р101А/Р при снижении производительности установки предусмотрен байпас насосов 321-Р101А/Р, на котором установлен датчик давления (поз. PE1168) и регулирующий клапан (поз. PV1168), поддерживающий постоянное давление в нагнетательной линии насосов. При остановке рабочего насоса проектом предусмотрено автоматическое включение резервного насоса.

Регулирование температуры (поз. TV1111) регенерированного раствора МДЭА на выходе их аппарата воздушного охлаждения 321-А101А/В/С/D осуществляется за счет изменения числа оборотов электродвигателя вентилятора частотным преобразователем. В АВО предусмотрена рециркуляционная камера для поддержания положительной температуры воздуха в зимний период.

Из аппарата воздушного охлаждения 321-А101А/В/С/D раствор, пройдя пластинчатый теплообменник 321-Е103, разделяется на 2 потока. Первый поток выводится с блока, другой отправляется на секцию в БОТК. В период пуска секции при наладке холодной циркуляции и в период нормальной или кратковременной остановки на ремонт, с целью рециркуляции раствора для поддержания секции в работе горячей циркуляции, предусмотрена подача регенерированного раствора в сборник насыщенного раствора 321-V101.

Во избежание накопления в системе нежелательных примесей, вызывающих вспенивание раствора и коррозию оборудования, дополнительно предусмотрен узел фильтрации. Узел включает в себя патронный фильтр 321-F101А/B для удаления механических примесей из раствора, угольный фильтр 321-F102, предназначенный для удаления растворимых углеводородов и патронный фильтр 321-F103, предназначенный для удаления любых мелких твердых частиц или частиц угля.

Подача всего количества регенерированного раствора на фильтрацию осуществляется из сборника регенерированного раствора 321-V102 с помощью насосов фильтрации 321-Р103А/Р. При неработающем сборнике регенерированного раствора из сливного сборника 321-V104.

Для нормальной работы насосов 321-Р103А/Р при снижении производительности установки предусмотрен байпас насосов 321-Р103А/Р, на котором установлен на котором установлен датчик давления (поз. PE1138) и регулирующий клапан (поз. PV1138), поддерживающий постоянное давление в нагнетательной линии насосов. При остановке рабочего насоса проектом предусмотрено автоматическое включение резервного насоса.

После патронного фильтра 321-F101А/В регенерированный раствор поступает на угольный фильтр 321-F102 и патронный фильтр 321-F103. Расход в системе фильтрации поддерживается датчиком расхода (поз. FТ105) с индикацией, регистрацией и регулированием (поз. FIRC105) клапаном (поз. FV1105), установленным после фильтрации. Отфильтрованный раствор возвращается в 321-V102. На линии вывода раствора в сборник 321-V102 после фильтра 321-F101А/В установлен первичный измерительный преобразователь расхода (поз. FE1106) и регулирующий клапан (поз. FV1106), обеспечивающий постоянный расход регенерированного раствора на угольную фильтрацию. Работа регулирующего клапана (поз. FV1106) будет реализована только при работе всех трех фильтров. Регулирующий клапан (поз. FV1105) будет находиться в работе при любых режимах работы узла фильтрации. При работе только первой ступени фильтрации – на 321-F101А/В, регулирующий клапан (поз. FV-1106) будет иметь «0» уставку. Отфильтрованный раствор будет возвращаться в систему по байпасу (поз. FV1106) через регулирующий клапан (поз. FV-1105).

2РАСЧЁТ НАДЁЖНОСТИ

Для процесса насыщения кислыми газами МДЭА выберем контур регулирования уровня регенерированного раствора в сборнике 321-V102 (поз. LE1104) и рассчитаем его надёжность (См. Рисунок 1).

Рисунок 1 – Контур регулирования уровня регенерированного раствора в сборнике

Для этого составим логическую схему системы, представленную на Рисунке 2.

Рисунок 2 – Логическая схема системы автоматического регулирования

В схеме: А – первичный преобразователь уровня; В – линия связи 1; С – контроллер системы автоматического регулирования; D – линия связи 2; E – блок преобразователя привода регулятора; F – механизм регулятора; G – линия связи 4; H – отсечная задвижка.

2.1Расчёт показателей надёжности

В Таблице 1 приведены показатели интенсивности отказов элементов, входящих в состав системы [5-7].

Таблица 1 – Интенсивность отказов элементов

Элемент	Значение интенсивности отказов, ч-1
Первичный преобразователь уровня	0,4*10-6
Линия связи 1	2,4*10-6
Контроллер САР	0,7*10-6
Линия связи 2	2,4*10-6
Блок преобразователя привода регулятора	7,4*10-6
Механизм регулятора	31,4*10-6
Линия связи 4	2,4*10-6
Отсечная задвижка	15,7*10-6

Примем следующие допущения при построении математической модели надежности системы:

1. Элементы прошли период приработки;

2. Справедлив экспоненциальный закон распределения;

3. Отказы элементов независимы.

Согласно составленной схеме, вероятность безотказной работы системы будет выражаться формулой:

Интенсивность отказов данной системы находится по формуле:

Для вычислений воспользуемся программой «Matlab». На Рисунке 3 представлен код для вычисления интенсивности отказов и построения её графика.

Рисунок 3 – Код вычислений в программе Matlab

На Рисунке 4 представлен график интенсивности отказов системы во времени.

Рисунок 4 – График интенсивности отказов системы во времени

2.2Повышение надежности системы

К способам повышения надежности систем относят:

1. Увеличение надежности отдельных элементов (замена приборов, линий связи, а также использование устройств с более высокими характеристиками надежности);

2. Упрощение системы при проектировании;

3. Резервирование элементов системы;

4. Систематический контроль и обслуживание системы.

Для рассматриваемой системы введем резервирование каждого элемента системы. Схема системы с резервированием приведена на Рисунке 5 [8-9].

Рисунок 5 – Логическая схема системы с резервированием

Вероятность безотказной работы на каждом из участков будет равна:

где i – соответствующий участок.

Тогда вероятность безотказной работы зарезервированной системы будет находиться по формуле:

Интенсивность отказов данной системы находится по формуле:

Код вычисления интенсивности отказов и построения её графика для системы с резервированием в программе Matlab представлен на Рисунке 6.

Рисунок 6 – Код вычисления интенсивности отказов системы с резервированием

Графики интенсивности отказов системы с резервированием и без резервирования представлены на Рисунке 7.

Рисунок 7 – Графики интенсивностей отказов системы с резервированием и без резервирования

Рассчитаем отношение интенсивности отказов системы до резервирования к интенсивности отказов системы после резервирования, результат представим в Таблице 2:

Таблица 2 – Отношение интенсивностей

t, 104	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
10-4	0,0089	0,0083	0,0082	0,0082	0,0082	0,0082	0,0082	0,0082	0,0082	0,0082
10-4	0,0043	0,0057	0,0064	0,0069	0,0072	0,0074	0,0076	0,0077	0,0077	0,0078
	2,07	1,46	1,28	1,19	1,14	1,11	1,08	1,06	1,06	1,05

Таким образом, из данных Таблицы 2 видно, что резервирование системы позволяет снизить интенсивность отказов в начале эксплуатации в 2 раза, сохраняя срок службы системы до конца срока эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы был проведён проектный расчёт надёжности системы автоматического регулирования уровня регенерированного раствора процесса насыщения кислыми газами МДЭА. Были определены показатели надёжности, такие как вероятность безотказной работы, интенсивность отказов.

В целом, результаты исследования имеют практическую значимость для обеспечения бесперебойной и безопасной работы промышленных установок. Они могут быть использованы инженерами и техническими специалистами при проектировании, эксплуатации и обслуживании систем автоматического регулирования.

Результаты расчёта позволили выявить наиболее уязвимые элементы системы и разработать рекомендации по повышению её надёжности. Это включает в себя использование более надёжных компонентов, резервирование критически важных элементов и проведение регулярного технического обслуживания.

Дальнейшие исследования в этой области могут быть направлены на разработку более точных методов расчёта надёжности систем автоматического регулирования с учётом специфики конкретных технологических процессов. Также перспективным направлением является изучение влияния различных факторов на надёжность работы таких систем.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. А.Г. Щипицын Элементы прикладной теории надежности: учебное пособие / А.Г. Щипицын, А.А. Кощеев, Е.А. Алёшин и др. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. - 114 с.;

2. ГОСТ 27.310-95. Надежность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения [Текст]. − Введ. 1997−01−01.

3. Сугак Е. В. Прикладная теория надежности. Практикум: учебное пособие для вузов / Е. В. Сугак. - 2-е изд., стер. - СанктПетербург: Лань, 2023. - 312 с.

4. Технический регламент установки процесса насыщения кислыми газами МДЭА.

5. Атапин В.Г. Основы теории надежности: учебное пособие / В.Г. Атапин. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2017. – 94 с.

6. Тимошенков, С. П. Основы теории надежности: учебник и практикум для вузов / С. П. Тимошенков, Б. М. Симонов, В. Н. Горошко. — Москва: Издательство Юрайт, 2024. — 445 с.

7. Каштанов В.А., Медведев А.И. Теория надежности сложных систем. - 2-е изд., перераб. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 608 с.

8. Хазин, М. Л. Надежность, оптимизация и диагностика автоматизированных систем: учебник / М. Л. Хазин. - Москва; Вологда: Инфра-Инженерия, 2022. - 248 с.

9. Зубарев Ю. М. Надежность и диагностика технологических систем: учебник для вузов / Ю. М. Зубарев, Е. В. Богданов. Санкт-Петербург: Лань, 2024. 156 с.

Код для цитирования: Скопировать