Автоматизация налива нефтепродуктов и нефти в железнодорожные цистерны

 

  Налива нефти и нефтепродуктов в железнодорожные цистерны – важнейший технологический узел нефтеперерабатывающей отрасли России, который обеспечивает отгрузку нефти, готовых нефтепродуктов как конечным потребителям - нефтебазам, нефтеперерабатывающим заводам, - так на другие перевалочные комплексы для последующего экспорта. Автоматический налив, который спроектирован, внедрен в соответствии с действующими федеральными требованиями с использованием современных программно-аппаратных комплексов, не только повышает производительность жд эстакады, но обеспечивает точный учет отгружаемой продукции: нефти, светлых, темных нефтепродуктов. Внедрение АСУ ТП требует профессионального подхода к выбору оборудования, программного обеспечения, обеспечивая выполнение актуальных законов об использовании отечественных программно-технических комплексов в топливно-энергетическом комплексе страны. От качества используемых приборов, контроллеров, SCADA-систем, программного обеспечения напрямую зависит как надежность работы всего комплекса, так итоговая стоимость проекта.

 

  Современные системы автоматизации железнодорожного слива-налива нефтепродуктов и нефти представляют собой комплексное решение, объединяющее технологии измерения, контроля и управления. Ключевыми моментами являются:

• обеспечение точности дозирования,
• безопасность технологического процесса,
• эффективный учет нефти и нефтепродуктов.

  Автоматические комплексы позволяют контролировать все технологические этапы: от позиционирования цистерны и подключения наливного оборудования до завершения операции с формированием отчетной документации. При этом особое внимание необходимо уделять интеграции различных локальных подсистем в единый автоматизированный комплекс.

  Оптимизация техпроцесса начинается с правильного подбора, размещения технологического оборудования на жд эстакаде. Это касается не только механо-технологической части, но средств контроля и измерения. Современные комплексы используют устройства верхнего наполнения цистерн с телескопическими наливными трубами, оснащенные сигнализаторами предельного уровня, при срабатывании которых подача нефти, нефтепродуктов должна быть остановлена. В качестве средств учета отгруженного продукта могут быть использованы как массомеры, имеющие наилучшую точность, так ультразвуковые расходомеры меньшей точности, имеющие повышенные требование к правильному монтажу на эстакаде.

  Важным элементом безопасности техпроцесса является заземление оборудования налива, самой цистерны с постоянным контролем наличия заземления. Автоматизированные системы управления обеспечивают безопасность наполнения с учетом свойств продукта, параметров цистерны – для каждой цистерны задается ее объем. При этом процесс наполнения для исключения резких изменений (бросков) расхода начинается через кран/клапан меньшего диаметра, к которому со временем подключается кран/клапан большего диаметра. Перекрытие потока продукта происходит заблаговременно в обратном порядке.

  Внедрение на железнодорожной эстакаде автоматического контроля налива существенно повышает производительность, уменьшает время нахождения состава на эстакаде за счет параллельного наполнения нескольких жд цистерн с автоматическим контролем технологических операций. Это невозможно безопасно реализовать при ручном режиме управления или требует существенно большего количества персонала – по одному на каждую наполняемую цистерну. Внедренная нами АС ТП параллельно обслуживает шестнадцать железнодорожных цистерн. Обеспечивается автоматический контроль параметров:

• объем или масса налитого продукта,
• температура продукта,
• плотность продукта,
• давление в коллекторе -

  что позволяет регулировать подачу продукта из резервуарного парка соответствующей насосной станцией, обеспечивая максимально возможную с точки зрения безопасности производительность наполнения. Это существенно увеличивает пропускную способность жд эстакад, снижая время погрузки.

  Как было указано выше, существенное значение при внедрении имеет повышение безопасности процесса налива нефти и нефтепродуктов. АСУ ТП обеспечивает непрерывный контроль:

• загазованности парами нефтепродуктов на железнодорожной эстакаде,
• наличия заземления,
• положения наливного оборудования.

 

  При возникновении внештатных ситуаций происходит автоматическая остановка наполнения, включение систем противоаварийной защиты и авариной сигнализации. Также к противоаварийной защите относится система автоматического пожаротушения эстакады, завершающая погрузку в случае обнаружения возгорания. Это существенно снижает риски развития аварийных ситуаций, повышает промышленную, экологическую безопасность объекта.

  Экономический эффект от автоматизации достигается за счет нескольких факторов, а именно:

1. Во-первых, это повышение точности учета отгружаемой продукции благодаря применению точных расходомеров. Как было указано выше, наилучшим средством измерения для налива является массовый расходомер. Для повышения точности передачи измеренных данных от расходомера в ПЛК связь между ними должна быть реализована по цифровым интерфейсным каналам связи без использования модулей АЦП ПЛК. Как правило, используется интерфейс RS-485 и протокол Modbus rtu.
2. Во-вторых, повышение производительности с уменьшением времени загрузки жд цистерн.
3. В-третьих, снижение потерь продукта за счет точного дозирования (исключения перелива) и герметичности процесса.

  На экономическую эффективность проекта влияет снижение затрат на оперативный персонал, так как автоматизация позволяет безопасно выполнять все необходимые функции меньшим количеством сотрудников. При этом важно учитывать, что стоимость внедрения, а значит период окупаемости зависят:

• от стоимости используемого оборудования,
• количества оборудования/наливаемых цистерн,
• функционала АСУ ТП.

  Правильный выбор компонентов системы, сделанный профессиональным предприятием, позволяет достичь наилучшего соотношения затрат к эффективности.

 

  Ключевыми компонентами автоматизации данного техпроцесса являются:

 

• датчики и сигнализаторы, обеспечивающие контроль технологических параметров,
• кабельные линии, которые являются достаточно протяженными на железнодорожных эстакадах,
• ПЛК, обрабатывающие поступившую от датчиков информацию,
• SCADA-системы, панели оператора, обеспечивающие человеко-машинный интерфейс.

  Датчики и сигнализаторы – это расходомеры, уровнемеры, датчики давления, температуры, загазованности. Все первичные преобразователи должны иметь взрывозащищенное исполнение, так как устанавливаются во взрывоопасной зоне. Вид и уровень взрывозащиты определяется в соответствии с типом переваливаемых нефтепродуктов, условием возникновения паров нефтепродуктов (постоянно или в аварийном случае), местом установки.

 

  Важную роль в реализации алгоритмов обработки информации играют программируемые логические контроллеры (ПЛК), осуществляющие автоматическое управление процессом наполнения. При этом выделяют два вида ПЛК:

• технологический,
• ПАЗ – противоаварийной защиты.

 

  Каждый из них должен соответствовать установленным законом требованиям к надежности, структуре, времени реакции, функциональности.

  Верхний уровень системы представлен:

• панелями оператора, расположенными непосредственно на жд эстакаде,
• SCADA, функционирующей в операторной.

  Проект SCADA обеспечивает визуализацию процесса, сбор, хранение данных, формирование отчетности, диалог с оператором. Он позволяет оператору безопасно выполнять налив нефти и нефтепродуктов на нескольких эстакадах одновременно. Выбор SCADA влияет на функциональные возможности комплекса, удобство работы операторов.

 

  Проектирование, разработка и ввод в эксплуатацию автоматизированной системы управления железнодорожным наливом нефти и нефтепродуктов выполняется комплексно, так как требуется учет множества производственных факторов. Начальные этапы проектирования:

• обследование существующей инфраструктуры,
• разработка технического задания с учетом технологических особенностей объекта,
• выбор архитектуры системы,
• выбор компонентной базы, соответствующей действующим нормативным требованиям для промышленно опасных производственных объектов.

  Особое внимание уделяется интеграции новой АСУ ТП с действующими ПТК предприятия:

• энергоснабжения,
• пожаротушения,
• связи на железной дороге,
• насосной станции резервуарного парка готовой продукции,
• иными вспомогательными системами.

  При проектировании важно предусмотреть возможность дальнейшей модернизации, масштабирования проекта. В частности, при разработке документации внедренной нами АСУ ТП проектной организацией были допущены ошибки при выборе типа сигналов от концевых выключателей кранов и задвижек, а также при прокладке кабельных трасс от ЩСУ к железнодорожной эстакаде. Проектом были определены: напряжение 220В переменного тока, прокладка неэкранированных контрольных кабелей совместно (параллельно) с силовыми кабелями 380 В. Из-за этих ошибок во время ПНР появились ложные сигналы положения задвижек и кранов. После обнаружения проблемы нам пришлось рассчитать и изготовить RC-вставки для цепей сигнализации концевых выключателей, исключающие формирование ложных сигналов на промежуточных реле с катушками 220В переменного тока.

  При грамотном выполнении технологии проектирования на начальном этапе проводится детальное обследование технологического объекта, включающее анализ существующих производственных схем, изучение особенностей перекачиваемых продуктов, требований к их учету. Определяются точки контроля параметров, места установки датчиков, исполнительных механизмов. Разрабатывается функциональная схема автоматизации с учетом требований промышленной безопасности, метрологического обеспечения. Формально, в нашем проекте проектной организацией все выполнялось в соответствии с этим порядком, но все же было допущено много ошибок. Общая аварийная отсекающая задвижка подачи продукта на жд эстакаду была запроектирована с учетом верного удаления от эстакады, но в неудобном месте для обслуживания – на технологической эстакаде над транзитными железнодорожными путями. Это усложнило монтажные работы и обслуживание во время эксплуатации.

  Следующим этапом проекта является разработка технического задания, определяющего архитектуру системы, требования к оборудованию, программному обеспечению. Производится выбор датчиков уровня, расхода, давления, температуры, а также систем противоаварийной защиты. Особое внимание уделяется выбору контроллерного оборудования, SCADA-системы, обеспечивающих требуемый функционал и надежность работы комплекса.

  Опять-таки, при разработке технического задания с последующим выбором оборудования уже заказчиком были допущены существенные ошибки, которые нашли свое отражение в техническом задании и негативно повлияли на конечный результат, а именно:

1. для учета продукта с целью удешевления были выбраны объемные расходомеры, при этом отгрузка нефтепродуктов и расчеты производятся по массе,
2. для пересчета объема в массу для эстакады с 16 железнодорожными цистернами был применен один массомер для определения плотности и температуры нефтепродукта, первоначально смонтированный в конце коллекторной линии, что искажало суммарные показания по всей отгружаемой партии продукции,
3. подключение расходомеров в ПЛК предусматривалось проектом через модули АЦП, что привело к увеличению погрешности измерения массы отгруженного нефтепродукта за счет дополнительной погрешности АЦП ПЛК.

  Нам удалось повысить точность измерения за счет подключения первичных средств измерения к ПЛК по цифровым интерфейсным каналам связи, что потребовало внесение изменений в проектную документацию.

  Безопасность процесса наполнения в соответствии с федеральными требованиями выполняется многоуровневой системой защит и блокировок, реализованной в ПЛК ПАЗ.

  Системой контролируются:

• положение наливного устройства,
• состояние кранов и задвижек,
• заземление цистерны,
• аварийный уровень продукта,
• уровень загазованность рабочей зоны,
• отсутствие пожара.

  Датчики предельного уровня поставляются совместно с устройством налива, предотвращают переполнение цистерн. Уровень их установки должен быть выбран таким образом, чтобы в случае срабатывания в цистерне было достаточно свободного объема для приема нефти и нефтепродуктов, поступающих за время закрытия задвижек и клапанов, установленных на линиях подачи нефтепродукта и нефти в железнодорожную цистерну. Все параметры безопасности непрерывно отслеживаются контроллером ПАЗ, который при нарушении допустимых значений параметров автоматически прекращает наполнение цистерн. При этом ПАЗ имеет два уровня защит:

• локальные защиты, связанны с выходом за установленные пределы параметров конкретной цистерны,
• общие защиты, влияющие на безопасность всей железнодорожной эстакады.

  Программное обеспечение реализует не только алгоритмы защит, но алгоритмы блокировок, не позволяющие начать наполнение цистерны при отсутствии необходимых условий безопасности. Все события безопасности протоколируются с указанием времени, характера нарушения.

  Реализованная нами АСУ ТП была интегрирована с существующими:

• системой ПАЗ всех наливных жд эстакад,
• АСУ насосных подачи продукта из резервуарного парка,
• АСУ пожаротушения (АСУ ПТ).

  Внедряя АСУ ТП мы должны были сохранить работоспособность уже введенных в эксплуатацию эстакад налива нефтепродуктов, так как приходилось добавлять программный код как в функционирующую ПАЗ, так в проект SCADA. Все указанные работы выполнялись во время остановки техпроцесса на комплексе эстакад нефтеперерабатывающего завода. Для проведения соответствующих работ согласовывался график подачи цистерн, период времени готовности нефтепродуктов в резервуаром парке и непосредственно наша готовность оперативно выполнить необходимые изменения в программном коде, провести тестирование, передать модернизированную систему управления эксплуатирующему персоналу. Особое внимание мы уделили обучению персонала по работе с нашим проектов, так как часть внедренных нами алгоритмов отличалась от уже функционировавших. Соответствующие изменения были отражены в руководстве по эксплуатации. Кроме этого, каждый оператор прошел дополнительное обучение, тренировку с системой в режиме имитации и непосредственную работу под руководством нашего персонала. Такой подход позволил не допустить ошибки операторов при работе с модернизированной АСУ ТП жд налива нефтепродуктов, что в итоге исключило создание аварийных ситуаций.

  На наш взгляд внедрение новых функций в действующей АСУ ТП без аварийных остановок технологического процесса — показатель профессионализма и ответственности каждого сотрудника фирмы-интегратора.

 

  Внедрение автоматизированных систем налива нефтепродуктов и нефти требует существенных первоначальных затрат, однако во время эксплуатации создает дополнительный положительный экономический эффект. Основные статьи экономии для нефтезавода состоят из:

• сокращение потерь продукта,
• снижение фонда оплаты труда персонала,
• повышение пропускной способности железнодорожных эстакад,
• повышение точности учета.

 

  По данным открытых источников внедрение асу железнодорожной эстакады слива-налива нефти и нефтепродуктов в итоге:

 

• снижают потери продуктов на 0,5-1,5%,
• сокращают время загрузки на 30-40%,
• уменьшают фонд оплаты труда на 25-35%.

 

  Срок окупаемости таких проектов зависит от стоимости используемых средств АСУ ТП и возможности масштабирования принятых решений.

  Как было указано выше, стоимость автоматизации железнодорожного налива нефти и нефтепродуктов определяется комплексом факторов, наибольшее влияние из которых оказывают технические и организационные. Стоимость массового расходомера в несколько раз выше стоимости ультразвукового. Но погрешность измерения массового расходомера может быть на порядок лучше погрешности измерения ультразвукового. Также существенную долю расходов составляет стоимость программируемых логических контроллеров, модулей ввода-вывода, соответствующих требованиям, предъявляемым к ПАЗ, технологическим функциям на промышленно опасных производственных объектах.

  Отдельной статьей затрат является закупка SCADA-системы, сопутствующего программного обеспечения, в том числе для отчетов. Стоимость лицензий, цена разработки прикладного ПО может составлять до 30% от общих затрат. Но при этом необходимо помнить, что за счет масштабирования типового проекта при автоматизации нескольких типовых железнодорожных эстакад стоимость внедрения SCADA-проекта может быть существенно снижена.

  На экономические показатели проекта влияют последующие расходы на техническую поддержку, обновления программного обеспечения, обучение персонала.