Фафурин В.А., Терюшов И.Н. Автоматизация технологических процессов и производств

Подождите немного. Документ загружается.

Требуется:

1. Провести анализ технологического процесса ректификации

как объекта управления. С учетом конструктивных особенностей и

реальных условий работы колонны ректификации, а также ее

характеристик выявить все существенные входные и выходные

переменные процесса (возмущения, допускающие стабилизацию;

контролируемые и неконтролируемые возмущения; управлявшие

воздействия и выходные регулируемые координаты), а также связи

между ними через процесс. В нашем случае важна степень связи К

между основными регулируемыми величинами - составами

(температурами) верха и низа колонны и соответствующими им

регулирующими воздействиями: расходом флегмы на орошение и

расходом пара в кипятильник колонны. Её величину рассчитать по

формуле (27), исходя из заданных характеристик колонны

(коэффициентов передачи) по соответствующим динамическим

каналам (см. табл. 3.4 исходных данных).

2. Определить точки отбора импульсов (места установки

первичных измерительных преобразователей) и места приложения ре-

гулирующих воздействий.

Регулирующие воздействия, осуществляющие стабилизацию

температуры θ

после теплообменника T-1 (X

Р2

или X

Р2

*) и

давления в колонне (X

Р4

или X

Р4

*), выбрать исходя на заданных

динамических характеристик колонны по п.п. 3 б, 3 е и 3 г, 3 ж (см.

табл. 3, 4 исходных данных).

3. Согласно п.2 исходных данных выбрать оптимальную

структуру АСР, стабилизирующую работу верхней и нижней частей

колонны.

При этом необходимо учесть следующие факторы:

а. Температуры (составы верха и низа колонны) являются

взаимосвязанными через процесс параметрами со степенью связи K,

определяемой по формуле (27).

б. При работе колонны имеют место сильные возмущения по

давлению греющего агента, подаваемого в кипятильник Т-2.

За основу при выборе оптимальной структуры АСР взять

методику, изложенную в этом пособии (лабораторная работа №2).

4. Рассчитать АСР расхода сырья, установленную перед тепло-

обменником T-1, т.е. выбрать тип регулятора расхода (П, ПИ и др.) и

рассчитать его настроечные параметры, обеспечивающие заданное

качество работы автоматической системы.

Выбрать (рассчитать) сужающее устройство (диафрагму), пере-

пад давления Р

max

дифманометра - расходомера и его тип (марку),

верхний предел измерения вторичного прибора [7, 8, 9, 10].

Верхний предел измерения выбирается из ряда: А = а 10

где а = 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; n - целое (положительное

или отрицательное) число или нуль.

Недостающие исходные данные для расчетов, задаются

преподавателем в процессе работы.

5. Выбрать и обосновать выбор структуры АСР температуры

сырья: после теплообменника T-1 (одноконтурная, каскадная,

комбинированная и др.). Рассчитать АСР выбранной структуры, т.е.

выбрать тип регулятора (или регуляторов в сложных АСР) и

рассчитать его (их) настроечные параметры, обеспечивающие

заданное качество работы автоматической системы.

Подобрать датчики и вторичные приборы на заданные пределы

измерения. Пределы измерения автоматических потенциометров,

мостов и измерительных преобразователей различных градуировок и

их типы (марки) приведены в [8, 9].

6. Рассчитать АСР состава дистиллята на верхней контрольной

тарелке.

Если одноконтурная АСР окажется неработоспособной, то необ-

ходимо применить и рассчитать каскадную АСР (с дополнительным

воздействием по расходу флегмы или по какому-либо другому

параметру). Подобрать датчики и вторичные приборы на заданные

пределе измерения [8].

7.Аналогичным путём рассчитать АСР давления в верхней части

колонны и АСР уровня в кубе колонны. Подобрать датчики давления

и уровня и вторичные приборы на заданные пределы измерения [7, 8,

9].

Расчет АСР следует осуществлять по программам “ЦАСР РПФ”,

“ЦАСР РНП” и “ЦАСР РПП”, приведенные в приложении 3.

Примечание. Расчет АСР состава, давления, уровня по п.п. 6, 7

и 8 проводить лишь при наличии достаточного объема часов на

лабораторный практикум, По усмотрению преподавателя объем работ

по п.п. 6, 7, 8 можно ограничить выбором и изображением схем

указанных АСР и подбором технических средств для их реализации.

8. Разработать автоматическую систему защиты (АСЗ)

ректификационной установки при превышении давления Р в

колонне его максимально допустимого значения, падении расхода

сырья F и давления греющего агента в T-1 и Т-2 ниже минимально

допустимых значений [2].

Порядок выполнения лабораторной работы

1. Проводим анализ технологического процесса ректификации

как объекта управления. Материал, необходимый для анализа

процесса ректификации с позиции задач управления, перечень

решаемых при этом задач приведены в [1,3] и определены этапом 1

построения систем автоматизации.

2. Устанавливаем параметры контроля, регулирования,

сигнализации и защиты, определяем точки отбора импульсов по этим

параметрам и места приложения регулирующих воздействий.

Решение вопросов оп этому пункту осуществляем на основе

использования типовой схемы автоматизации процесса ректификации

[1,3] и рекомендаций, изложенных в [2].

Для основного числа параметров контроля и регулирования

решения по выбору точек технологического контроля и мест

приложения регулирующих воздействий однозначны. Поэтому

обратим внимание только на те решения, которые могут быть

неоднозначными и требуют пояснений.

АСР расхода сырья

Диафрагма и регулирующий клапан АСР расхода должны быть

установлены до теплообменника T-1 обязательно. Дело в том, что

после нагревания смеси до температуры кипения в теплообменнике

она может содержать паровую фазу, что нарушает работу регулятора

расхода.

АСР температуры сырья после теплообменника T-1

Для уменьшения вредного влияния запаздывания на работу АСР

датчик температуры (термопара, манометрический термометр и др.)

должен быть установлен как можно ближе к теплообменнику,

желательно в непосредственной близости от выходного патрубка.

Регулирующий орган АСР температуры может быть установлен на

линии подачи греющего агента в T-1 (рис.3.37), или на байпасной

линии теплообменника, (рис.3.38) по нагреваемому продукту [3].

Согласно рекомендациям, наложенным в [3], в качестве

регулирующего обычно выбирают то воздействие, по отношении к

которому регулируемая величина имеет наибольший коэффициент

передачи К и наименьшее отношение τ/ Т.

В нашем случае имеем (см. исходные данные по динамике

каналов X

Р2

→Δ θ

и ΔX

Р2

* →Δ θ

, табл. 3,4);

1. для варианта, изображенного на рис.3.37

об

=0,40 , τ/Т =0,74 ;

2. для варианта, изображенного на рис. 3.38

об

=0,58 , τ/Т=0,44

Следовательно, в качестве регулирующего воздействия более

целесообразно выбрать воздействие байпасированием нагреваемого

продукта. В данном случае динамические характеристики АСР

улучшаются за счет частичного исключения теплообменника из цепи

регулирования. Однако при этом следует учитывать, что установка

байпасной линии усложняет монтаж АСР, делает систему более

дорогостоящей.

Рис. 3.37. АСР температура теплообменника с клапаном на

линии подачи теплоносителя

Рис. 3.38. АСР температура теплообменника с клапаном на

байпасной линии

АСР состава дистиллята

Отбор пробы по составу дистиллята может быть осуществлен с

контрольной тарелки или на линии дистиллята после колонны.

Согласно рекомендациям, изложенным в [3] , отбор осуществляем о

верхней контрольной тарелки. В этом случае запаздывание и

инерционность канала регулирования состава удается свести к

минимуму.

Регулирование состава в принципе может быть осуществлено

воздействием регулятора на расход флегмы или на расход пара в кипя-

тильник колонны [3] . Анализ динамических параметров каналов

Р3

,, θ

и X

Р6

дает основание принять в

качестве регулирующего воздействия по расходу флегмы, так как при

этом отношение τ/ Т меньше, а К

об

больше, чем при воздействии по

расходу пара.

АСР давления верха колонны

По давлению ректификационная колонна является объектом с

сосредоточенными параметрами. Поэтому место отбора импульса по

давлению на имеет значения. Обычно информация по давлению

отбирается в верхней части колонны. Регулирующее воздействие

вносится изменением расхода хладагента в конденсатор Т-3, или

изменением положения регулирующего органа на линии сдувки из

емкости орошения (если в паровом потоке имеются

неконденсируемые компоненты или инертные газы). При наличии

последних предпочтение отдают регулирующему воздействию

сдувкой, так как в этом случае инерционность канала регулирования

давления минимальна. В соответствии с данными, приведенными в

таблицах 3.3 и 3.4. динамические параметры каналов регулирования

ΔХ

Р4

→ΔР, ΔХ

Р4

→ΔР имеют следующие числовые значения:

Таблица 3.5

Динамические параметры каналов ΔХ

Р4

, ΔХ

Р4

Динамические параметры

Канал регулирования

τ/Т К

об

ΔХ

Р4

→ΔР

ΔХ

Р4

→ΔР

0,53

0,24

0,10

0,15

Согласно рекомендациям [3] в качестве регулирующего

воздействия выбираем воздействие по положению клапана на линии

сдувки X

Р4

*).

Заметим, что в ряде случаев в качества регулирующего

воздействия принимают воздействие на оба регулирующих органа.

АСР давления такого типа описаны в [1].

Выбираем оптимальные структуры основных АСР процесса

Выбор структуры АСР, стабилизирующих работу верхней и

нижней частей колонны.

Выбор структуры АСР, управляющей положениями

регулирующих органов на линии подачи флегмы на орошение и линии

подачи пара в кипятильник колонны, осуществлен по методике,

изложенной в [1] . При этом необходимо учесть условия, заданные

пунктами 3, 4 исходных данных.

Исходные давние по выбору оптимальной структуры АСР

задаются в виде областей допустимых управлений, построенных по

моделирующим алгоритмам STAT В05 и STAT B06, приведены в

лабораторной работе 2 этого пособия.

При выборе структуры нерешенным остается вопрос контроля

и регулирования температурного режима низа ректификационной

колонны. В принципе он может быть решен установкой регулятора

температуры в нижней части колонны с выдачей его регулирующего

воздействия в камеру задания регулятору расхода пара [3].

Так как по заданию ректификационная колонна имеет

небольшое число тарелок и небольшую высоту, то здесь существенны

связи между основными выходными координатами - температурами

(составами) верха θ

и низа θ

колонны и регулирующими

воздействиями - расходом флегмы на орошение Х

Р3

и расходом

пара в кипятильник колонны Х

Р6.

Структурная схема процесса ректификации как объекта

управления с перекрестными связями имеет вид

Xp3

Xp6

W22(p)

W11(p)

Θв(хд)

Θк(х0)

Рис. 3.39. Структурная схема процесса ректификации как

объекта управления: W

(p), W

(p) – передаточные функции объекта

по прямым каналам передачи воздействий; W

(p), W

(p) – то же по

перекрестным каналам

Исходя из заданных коэффициентов передачи колонны по

каналам X

Р3

, θ

и X

Р6

, θ

по формуле

(27)

определим степень связи К:

.36,0

8,07,0

4,05,0

2211

2112











КК

Так как К=0,36 > 0,2, то для качественного регулирования

режимов работы верха и низа колонны, необходимо применение

автономной АСР [1] .

Ввиду сложности технической реализации автономных АСР

задачу регулирования режимов работы верха и низа колонны можно

решить так: температуру (состав) верха колонны регулировать

изменением расхода флегмы, а внизу колонны регулировать не

температуру (состав), а расход пара в кипятильнике с помощью АСР

расхода. Температуру же (или состав) в кубе колонны просто

контролировать. Такое решение позволит ликвидировать вредное

влияние перекрестных связей в объекте, возникающих при

раздельном регулировании температур (составов) верха и нива

колонны.

Коэффициенты передачи динамических каналов, заданные в

таблице 3.4, определят выбор места установки регулирующего органа

АСР состава дистиллята.

Вариант II

1. Технологическая (а) и упрощенная структурная (б) схемы

абсорбционной установки.

Х-2

Х-1

газ

Gс.п.

Gо.п.

Сб

Gс.п.

Gо.п.

W22(p)

W11(p)

Qж

Рис.3.30.Технологическая (а) и упрощенная структурная (б)

схемы абсорбционной установки: А – абсорбер; Т – 1, Т – 2 –

холодильники; Со – сборник орошения

2. Передаточные функции объекта по основным и перекрестным

каналам передачи воздействий:

 









 









 









 









Численные значения величин k, T и τ, входящих в выражения

для передаточных функций, приведены в таблице 3.6.