Исследование и разработка опытного образца преобразователя сорбционно-емкостного температуры точки росы по влаге в природном газе
|
Введение
1. Анализ технологического процесса транспорта газа, и оценка предполагаемых условий эксплуатации сорбционно - емкостного
отечественного преобразователя ТТР на установках подготовки 13 газа и узлах подключения на объектах Сосногорского и Вуктыльского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Ухта»
1.1 Определение места предположительной установки опытного образца преобразователя температуры точки росы на территории 13 КЦ Вуктыльского ЛПУМГ и Сосногорского ЛПУМГ.
1.2 Характеристики транспортируемой среды (давление и температура среды)
1.3 Характеристики окружающей среды
1.4 Анализ технической документации на преобразователь TTP Michell Instruments Transmet 1.5 Сведения об особенностях работы преобразователя Instruments Transmet.
2. Исследование физико-химических свойств (чувствительных элементов) зарубежных преобразователей Michell (Великобритания). Разработка концепции опытного отечественного преобразователя, его составным частям, способу 17 измерения температуры точки росы. Разработку топологии чувствительного элемента, определение структуры, произведение расчёта слоев.
2.1 Сорбционно-емкостной чувствительный элемент
2.3 Корпус преобразователя
2.4 Кабельный ввод
2.5 Герметичный электроввод
3 Разработка принципиальной электрической схемы электронной платы, математических и графических моделей отечественного
3.1 Разработка математической модели электронной платы преобразователя сорбционно - емкостного опытного преобразователя температуры точки росы
4 Исследование, разработка и изготовление чувствительного элемента отечественного преобразователя ТТР
4.1 Условия работы чувствительного элемента преобразователя
4.2 Разработка технологии изготовления сорбционно - емкостных чувствительных элементов преобразователей влажности на основе пористой керамики
5. Проведение ЗПСИ, сертификации
Заключение
Список использованной литературы
Приложения
1. Анализ технологического процесса транспорта газа, и оценка предполагаемых условий эксплуатации сорбционно - емкостного
отечественного преобразователя ТТР на установках подготовки 13 газа и узлах подключения на объектах Сосногорского и Вуктыльского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Ухта»
1.1 Определение места предположительной установки опытного образца преобразователя температуры точки росы на территории 13 КЦ Вуктыльского ЛПУМГ и Сосногорского ЛПУМГ.
1.2 Характеристики транспортируемой среды (давление и температура среды)
1.3 Характеристики окружающей среды
1.4 Анализ технической документации на преобразователь TTP Michell Instruments Transmet 1.5 Сведения об особенностях работы преобразователя Instruments Transmet.
2. Исследование физико-химических свойств (чувствительных элементов) зарубежных преобразователей Michell (Великобритания). Разработка концепции опытного отечественного преобразователя, его составным частям, способу 17 измерения температуры точки росы. Разработку топологии чувствительного элемента, определение структуры, произведение расчёта слоев.
2.1 Сорбционно-емкостной чувствительный элемент
2.3 Корпус преобразователя
2.4 Кабельный ввод
2.5 Герметичный электроввод
3 Разработка принципиальной электрической схемы электронной платы, математических и графических моделей отечественного
3.1 Разработка математической модели электронной платы преобразователя сорбционно - емкостного опытного преобразователя температуры точки росы
4 Исследование, разработка и изготовление чувствительного элемента отечественного преобразователя ТТР
4.1 Условия работы чувствительного элемента преобразователя
4.2 Разработка технологии изготовления сорбционно - емкостных чувствительных элементов преобразователей влажности на основе пористой керамики
5. Проведение ЗПСИ, сертификации
Заключение
Список использованной литературы
Приложения
Обеспечение низкой влажности газа имеет большое значение для эффективной и безопасной работы оборудования магистральных газопроводов и сетей газораспределения (газораспределительных станций). Главным образом, наличие воды в транспортируемом газе влечет за собой убытки, связанные с затратами на его транспорт и экспорт (контрактные параметры) а также, коррозионное влияние, оказываемое водой на трубопроводы, арматуру и другие элементы трубопроводной системы. Контроль влажности газа в системе магистрального транспорта, ведется на газоизмерительных станциях, компрессорных цехах и на крановых узлах. Контролируемым технологическим параметром является температура точки росы, а измерения проводятся с помощью преобразователей (гигрометров) температуры точки росы.
Для объектов ПАО «Газпром» это:
- гигрометры температуры точки росы на основе технологии охлаждаемого зеркала Конг-Прима (производство НПО «Вымпел»-Россия);
- преобразователи температуры точки росы на основе конденсационной технологии Michell Instruments (производство-Великобритания).
Гигрометры Конг-Прима имеют высокие метрологические показатели, но вместе с ними и высокие требования к подготовке газа перед измерением, что позволяет устанавливать их только на оборудованных технологических площадках, например, газоизмерительных станциях и установках подготовки топливного и импульсного газа. Кроме того, стоимость гигрометров Конг- Прима очень высока и составляет свыше 4,5 млн. руб.
Для установки непосредственно на газопроводе применяются преобразователи Michell, производящиеся за рубежом и имеющие стоимость, комплектно с устройством подготовки пробы, свыше 2 млн. руб. Аналоги преобразователей Michell с требуемыми техническими характеристиками и метрологическими свойствами в России не производятся.
7
Между ФГБОУ ВО «Ухтинский государственный технический университет» и ООО «Газпром трансгаз Ухта» заключен договор №585 от 12 мая 2016 года, направленный на разработку отечественного преобразователя температуры точки росы сорбционно-емкостного типа измерения и устройства подготовки пробы, не уступающего по метрологическим и техническим характеристикам зарубежным аналогам и стоимостью не превышающей 300 тыс. руб.
Опытно-конструкторская работа выполняется аспирантским составом (Михин Сергей Олегович, Копчиков Александр Евгеньевич) кафедры «Электрификации и автоматизации технологических процессов».
Цель работы
Разработка отечественного преобразователя ТТР сорбционно-емкостного типа измерения, обладающего необходимыми технико-метрологическими характеристиками, для применения непосредственно на магистральном газопроводе и объектах газораспределения, не уступающий зарубежным аналогам по метрологическим и техническим характеристикам.
Задачи исследования
1. Анализ и исследование технологического процесса в точках отбора проб для измерения температуры точки росы на объектах ООО «Газпром трансгаз Ухта» (КС-10 Сосногорского ЛПУМГ и КС-4 Вуктыльского ЛПУМГ);
2. Разработка концепции опытного отечественного преобразователя ТТР. Структура отечественного преобразователя и составные части;
3. Разработка математических моделей опытного отечественного преобразователя ТТР (поэлементная и укрупненная) в 111111 Mathlab&Simulink;
4. Проектирование графической модели опытного отечественного преобразователя ТТР и в Autodesk AutoCAD;
5. Разработка принципиальной электрической схемы опытного отечественного преобразователя ТТР на российской элементной базе в программном комплексе orCad;
6. Исследование, проектирование и расчет чувствительного элемента отечественного преобразователя ТТР;
7. Изготовление чувствительного элемента опытного отечественного сорбционно - емкостного преобразователя ТТР.
8. Изготовление герметичного электроввода опытного отечественного сорбционно - емкостного преобразователя ТТР;
9. Изготовление электронной платы опытного сорбционно — емкостного отечественного преобразователя ТТР и написание программного кода для ИМИ;
Научная новизна
1. Определение необходимой марки керамической массы стойкой к кислотно-щелочным средам, применяемым в среде природного газа и агрессивных газовых средах. Обеспечение достаточной механической прочности сорбирующего слоя чувствительного элемента за счет определения оптимального режима монолитной опресовки и концентрации пластификатора;
2. Влияние ультразвуковой обработки на вымывание пор сорбирующего слоя в кислотной среде;
3. Получены газопропускаемые электроды чувствительного элемента стойкие к агрессивным газовым средам;
4. Исследование влияние частоты подаваемых импульсов от выходного значения емкости ЧЭ;
5. Исследовано влияние зернистости молекул присадок от времени стабилизации и инерционной составляющей (гистерезиса) преобразования влажности в выходной электрический сигнал емкости.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:
1. ПХ Научно-техническая конференция молодых работников ООО «Газпром трансгаз Ухта» (5-9 декабря 2016 г.): Диплом 2-ой степени;
2. XII Международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех- 2017» (14-16 апреля): Диплом 1 степени;
3. VII Научно-техническая конференция молодых работников ООО «Газпром трансгаз Ухта» «Инженерно - технического центра» (5-8 декабря 2017 г.): Диплом 1-ой степени;
4. XIII Международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех- 2018» (24-26 апреля): Диплом 1 степени;
5. II научно - практическая конференция молодых работников Воркутинского ЛПУМГ «Газпром трансгаз Ухта» (3-5 мая 2018 г.): Диплом 1-ой степени;
6. XX Отраслевая научно-техническая конференция молодых руководителей и специалистов ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» (03-07 июня 2019 г.): Диплом 2-ой степени.
Публикации
Основные результаты исследований опубликованы в 10 работах, в том числе: 6 - в материалах научно-технических конференций; 3 - в форме описания к патенту на полезную модель, 1 - в форме описания к патенту на изобретение.
В процессе реализации опытно-конструкторской работы и написания диссертации были определены объекты патентных прав по опытному отечественному преобразователю температуры точки росы по воде в природном газе. В процессе реализации ОКР и написания диссертации получены 3 полезных моделей и 1 изобретение:
средах» - материалы находятся на экспертизе по существу в «ФИПС»;
- Патент на полезную модель «Преобразователь температуры точки росы природного газа по воде» - получен Патент № 191918. Дата государственной регистрации в Государственном реестре полезных моделей РФ: 28 августа 2019 г.;
- Патент на полезную модель «Сорбционно-емкостной чувствительный элемент влажности газа» - получен Патент № 190945. Дата государственной регистрации в Государственном реестре полезных моделей РФ: 16 июля 2019 г.;
- Патент на полезную модель «Герметичный электроввод взрывозащищенный для средств измерений» - получен Патент № 192379. Дата государственной регистрации в Государственном реестре полезных моделей РФ: 16 сентября 2019 г.
Основные защищаемые положения работы
1. Определение необходимой марки керамической массы стойкой к кислотно-щелочным средам, применяемым в среде природного газа и агрессивных газовых средах;
2. Обеспечение достаточной механической прочности сорбирующего слоя чувствительного элемента за счет определения оптимального режима монолитной опресовки и концентрации пластификатора;
3. Влияние ультразвуковой обработки на вымывание пор сорбирующего слоя в кислотной среде;
4. Пористые газопропускаемые электроды для агрессивных и неагрессивных газовых сред;
5. Исследование влияние частоты подаваемых импульсов от выходного значения емкости ЧЭ.
6. Исследованы влияние зернистости молекул присадок от времени стабилизации и инерционной составляющей (гистерезиса)
емкости
Теоретическая значимость исследования
Теоретическая значимость научно-квалификационной работы
заключается:
1. Определена наиболее эффективная керамическая масса для создания сорбирующего слоя для применения в среде природного газа и щелочных газовых средах;
2. Определена необходимая концентрация пластификатора в керамической массе сорбирующего слоя, необходимая для прочной монолитной опресовки;
3. Определено влияние давления применяемого при монолитной опрессовке сорбирующих слоев от температуры обжига в газовых печах;
4. Определена зависимость влияния концентрации и материала модифицирующей присадки от механических свойств сорбирующего слоя;
5. Эффективное влияние ультразвуковых волн при травлении сорбирующего слоя в соляной кислоте;
6. Определение материала газопропускаемых электродов стойких к агрессивным средам;
7. Зависимость площади перфорации электродов от выходной электрической величины
Практическая значимость исследования
Практическая значимость НКР заключается в изготовлении опытного отечественного преобразователя температуры точки росы для измерения в среде природного газа и агрессивных газовых средах. Преобразователь включает в себя: чувствительный элемент, герметичный электроввод, корпус прибора, электронную плату. Преобразователь прошел все процедуры сертификации и внесения в государственный реестр СИ.
Для объектов ПАО «Газпром» это:
- гигрометры температуры точки росы на основе технологии охлаждаемого зеркала Конг-Прима (производство НПО «Вымпел»-Россия);
- преобразователи температуры точки росы на основе конденсационной технологии Michell Instruments (производство-Великобритания).
Гигрометры Конг-Прима имеют высокие метрологические показатели, но вместе с ними и высокие требования к подготовке газа перед измерением, что позволяет устанавливать их только на оборудованных технологических площадках, например, газоизмерительных станциях и установках подготовки топливного и импульсного газа. Кроме того, стоимость гигрометров Конг- Прима очень высока и составляет свыше 4,5 млн. руб.
Для установки непосредственно на газопроводе применяются преобразователи Michell, производящиеся за рубежом и имеющие стоимость, комплектно с устройством подготовки пробы, свыше 2 млн. руб. Аналоги преобразователей Michell с требуемыми техническими характеристиками и метрологическими свойствами в России не производятся.
7
Между ФГБОУ ВО «Ухтинский государственный технический университет» и ООО «Газпром трансгаз Ухта» заключен договор №585 от 12 мая 2016 года, направленный на разработку отечественного преобразователя температуры точки росы сорбционно-емкостного типа измерения и устройства подготовки пробы, не уступающего по метрологическим и техническим характеристикам зарубежным аналогам и стоимостью не превышающей 300 тыс. руб.
Опытно-конструкторская работа выполняется аспирантским составом (Михин Сергей Олегович, Копчиков Александр Евгеньевич) кафедры «Электрификации и автоматизации технологических процессов».
Цель работы
Разработка отечественного преобразователя ТТР сорбционно-емкостного типа измерения, обладающего необходимыми технико-метрологическими характеристиками, для применения непосредственно на магистральном газопроводе и объектах газораспределения, не уступающий зарубежным аналогам по метрологическим и техническим характеристикам.
Задачи исследования
1. Анализ и исследование технологического процесса в точках отбора проб для измерения температуры точки росы на объектах ООО «Газпром трансгаз Ухта» (КС-10 Сосногорского ЛПУМГ и КС-4 Вуктыльского ЛПУМГ);
2. Разработка концепции опытного отечественного преобразователя ТТР. Структура отечественного преобразователя и составные части;
3. Разработка математических моделей опытного отечественного преобразователя ТТР (поэлементная и укрупненная) в 111111 Mathlab&Simulink;
4. Проектирование графической модели опытного отечественного преобразователя ТТР и в Autodesk AutoCAD;
5. Разработка принципиальной электрической схемы опытного отечественного преобразователя ТТР на российской элементной базе в программном комплексе orCad;
6. Исследование, проектирование и расчет чувствительного элемента отечественного преобразователя ТТР;
7. Изготовление чувствительного элемента опытного отечественного сорбционно - емкостного преобразователя ТТР.
8. Изготовление герметичного электроввода опытного отечественного сорбционно - емкостного преобразователя ТТР;
9. Изготовление электронной платы опытного сорбционно — емкостного отечественного преобразователя ТТР и написание программного кода для ИМИ;
Научная новизна
1. Определение необходимой марки керамической массы стойкой к кислотно-щелочным средам, применяемым в среде природного газа и агрессивных газовых средах. Обеспечение достаточной механической прочности сорбирующего слоя чувствительного элемента за счет определения оптимального режима монолитной опресовки и концентрации пластификатора;
2. Влияние ультразвуковой обработки на вымывание пор сорбирующего слоя в кислотной среде;
3. Получены газопропускаемые электроды чувствительного элемента стойкие к агрессивным газовым средам;
4. Исследование влияние частоты подаваемых импульсов от выходного значения емкости ЧЭ;
5. Исследовано влияние зернистости молекул присадок от времени стабилизации и инерционной составляющей (гистерезиса) преобразования влажности в выходной электрический сигнал емкости.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:
1. ПХ Научно-техническая конференция молодых работников ООО «Газпром трансгаз Ухта» (5-9 декабря 2016 г.): Диплом 2-ой степени;
2. XII Международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех- 2017» (14-16 апреля): Диплом 1 степени;
3. VII Научно-техническая конференция молодых работников ООО «Газпром трансгаз Ухта» «Инженерно - технического центра» (5-8 декабря 2017 г.): Диплом 1-ой степени;
4. XIII Международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех- 2018» (24-26 апреля): Диплом 1 степени;
5. II научно - практическая конференция молодых работников Воркутинского ЛПУМГ «Газпром трансгаз Ухта» (3-5 мая 2018 г.): Диплом 1-ой степени;
6. XX Отраслевая научно-техническая конференция молодых руководителей и специалистов ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» (03-07 июня 2019 г.): Диплом 2-ой степени.
Публикации
Основные результаты исследований опубликованы в 10 работах, в том числе: 6 - в материалах научно-технических конференций; 3 - в форме описания к патенту на полезную модель, 1 - в форме описания к патенту на изобретение.
В процессе реализации опытно-конструкторской работы и написания диссертации были определены объекты патентных прав по опытному отечественному преобразователю температуры точки росы по воде в природном газе. В процессе реализации ОКР и написания диссертации получены 3 полезных моделей и 1 изобретение:
средах» - материалы находятся на экспертизе по существу в «ФИПС»;
- Патент на полезную модель «Преобразователь температуры точки росы природного газа по воде» - получен Патент № 191918. Дата государственной регистрации в Государственном реестре полезных моделей РФ: 28 августа 2019 г.;
- Патент на полезную модель «Сорбционно-емкостной чувствительный элемент влажности газа» - получен Патент № 190945. Дата государственной регистрации в Государственном реестре полезных моделей РФ: 16 июля 2019 г.;
- Патент на полезную модель «Герметичный электроввод взрывозащищенный для средств измерений» - получен Патент № 192379. Дата государственной регистрации в Государственном реестре полезных моделей РФ: 16 сентября 2019 г.
Основные защищаемые положения работы
1. Определение необходимой марки керамической массы стойкой к кислотно-щелочным средам, применяемым в среде природного газа и агрессивных газовых средах;
2. Обеспечение достаточной механической прочности сорбирующего слоя чувствительного элемента за счет определения оптимального режима монолитной опресовки и концентрации пластификатора;
3. Влияние ультразвуковой обработки на вымывание пор сорбирующего слоя в кислотной среде;
4. Пористые газопропускаемые электроды для агрессивных и неагрессивных газовых сред;
5. Исследование влияние частоты подаваемых импульсов от выходного значения емкости ЧЭ.
6. Исследованы влияние зернистости молекул присадок от времени стабилизации и инерционной составляющей (гистерезиса)
емкости
Теоретическая значимость исследования
Теоретическая значимость научно-квалификационной работы
заключается:
1. Определена наиболее эффективная керамическая масса для создания сорбирующего слоя для применения в среде природного газа и щелочных газовых средах;
2. Определена необходимая концентрация пластификатора в керамической массе сорбирующего слоя, необходимая для прочной монолитной опресовки;
3. Определено влияние давления применяемого при монолитной опрессовке сорбирующих слоев от температуры обжига в газовых печах;
4. Определена зависимость влияния концентрации и материала модифицирующей присадки от механических свойств сорбирующего слоя;
5. Эффективное влияние ультразвуковых волн при травлении сорбирующего слоя в соляной кислоте;
6. Определение материала газопропускаемых электродов стойких к агрессивным средам;
7. Зависимость площади перфорации электродов от выходной электрической величины
Практическая значимость исследования
Практическая значимость НКР заключается в изготовлении опытного отечественного преобразователя температуры точки росы для измерения в среде природного газа и агрессивных газовых средах. Преобразователь включает в себя: чувствительный элемент, герметичный электроввод, корпус прибора, электронную плату. Преобразователь прошел все процедуры сертификации и внесения в государственный реестр СИ.
Основная часть НКР направлена на разработку принципиальной электрической схемы электронной платы и ее математическое моделирование в 1 Hill «Mathlab&Simulink», также исследованиям и разработке технологии изготовления чувствительного элемента из пористой керамики.



