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

Подождите немного. Документ загружается.

4. Исходные данные и порядок выполнения лабораторной

работы

Дано:

1. Фрагмент блок-схемы алгоритма пуска одной из колонн

ЦГФУ, аналогичный приведенному на рис.6.3. Математическое

обеспечение алгоритма.

2. Расход F и состав x

сырья (широкая фракция), подаваемого

на установку, требуемые по условиям технологии составы дистиллята

и кубового продукта x

колонн К1-К6, диапазоны изменения

расхода греющего пара V, подаваемого в кипятильники всех шести

колонн (V

min ,

max

), и расхода хладагента G в конденсаторы колонн

( G

min

, G

max

3. Конструктивные параметры колонн: общее число тарелок N и

номер контрольной тарелки N

К.Т

, считая от низа колонны.

4. Режимные параметры колонн (давление верха Р

и низа Р

колонны, давление Р

К.Т.

и температура Т

К.Т.

на контрольной тарелке,

концентрации компонентов в жидкой x

и паровой y

фазах, i-номер

компонента.

5. Допустимые погрешности δ

и δ

в условиях (7,8)

Весь перечень исходных данных по п.п. 2, 3, 4, 5 задается

преподавателем перед началом работы.

Порядок выполнения лабораторной работы

При известных F, x

, x

и диапазоне изменения V для

первой колонны рассчитываем выход с нее дистиллята D

и кубового

продукта W

, рассчитываем расходы F

при заданных составах x

для каждой из оставшихся пяти колонн (К2-К6), причем, согласно

схеме, приведенной на рис. 6.4 имеем

DF 

1

;

xx 

1

;

или

WF 

1

;

xx 

1

Рассчитываем также оптимальные расходы греющего пара V

Jопт

для колонн К2-К6 из заданного диапазона V

min

, V

max

и расходы

хладагента G

J опт

, обеспечивающие заданную величину давления на

контрольных тарелках Р

К.Т

Для расчетов используем уравнения материального баланса

общие и покомпонентные, математические модели и моделирующие

алгоритмы STAT B05 и STAT B06, описанные в лабораторной работе

3 этого методического пособия.

Дальнейший порядок выполнения лабораторной работы

определяется процедурой пуска установки после полного останова

одной из колонн.

Расчет равновесных составов паровой и жидкой фаз и констант

фазового равновесия можно проводить по методу, изложенному в

лабораторной работе 3 данного методического пособия, или с

использованием других методов, подробно описанных, например, в

[3,4].

Если в технологической системе контроль составов

осуществляется в самих колоннах, то порядок выполнения

лабораторной работы будет следующим:

1. Из диапазона возможных значений выхода дистиллята с

колонны D

jmax ,

jmin

выбираем его среднее значение

maxjminj





(10)

и, используя процедуры STAT B05 и STAT B06, описанные в

лабораторной работе 3 этого методического пособия, по

компьютерным программам рассчитываем состав дистиллята x

на контрольной тарелке колонны.

2. Если при этом окажется, что x

D1,3

, то выход дистиллята

с установки увеличивают, принимая его равным

maxjj





(11)

и рассчитываем состав дистиллята x

на контрольной тарелке.

Далее возможны:

maxjj





и x

D3 ,





и т.д.

до тех пор, пока не выполниться условие

| ≤ ε , (12)

аналогично условию (8).

3. При

D1,3

расход дистиллята уменьшают, принимая его

равным

jminj





(13)

и также рассчитывают состав дистиллята

Далее возможны

jminj





и x

;

jminj





и x

;

т.д. до выполнения условия (12)

В вышеприведенных формулах

jmax

jmin

рассчитываются

из условий

0

minj

;















31,

maxj

, (14)

где D

jmax

- максимально возможные теоретические значения отбора

дистиллята заданного состава x

D1,3.

Найденные значения x

определяют расходы дистиллята D и

кубового продукта W ( W= F-D) , а также расход пара в кипятильник

V, являющиеся составляющими вектора управляющих воздействий

при пуске соответствующей колонны.

Определение D и V позволит в ручном или автоматическом

режиме, открывая соответствующие регулирующие органы, перевести

колонну из первоначального состояния в режим ПГР, а затем, после

решения задачи 20405, в режим нормальной эксплуатации. [1].

5. Содержание отчета

1. Краткое описание цели работы и основных теоретических

положений по реализации задач программно- логического управления

состояниями ТОУ.

2. Блок- схема алгоритма пуска объекта с его математическим

обеспечением и пояснением работы.

3. Результаты расчетов и полученные при этом данные,

необходимые для реализации задачи пуска объекта (задача У20401)

4. Использованные при расчетах вычислительные процедуры и

компьютерные программы (потарельчатый многоитерационный

расчет составов и температур по высоте колонны).

5. Выводы по работе.

6. Контрольные вопросы

1. Состояния объекта автоматизации (нормальной эксплуатации,

пуска, останова, горячего резерва и др.). Их характеристика, причины

перевода объектов в эти состояния из режима нормальной

эксплуатации, уровень автоматизации состояний.

2. Пусковой горячий резерв для ЦГФУ, характеристика этого

состояния, уровень его автоматизации.

3. Программные и логические операции при пуске ЦГФУ.

4. Перечислить исходные данные, необходимые для расчета и

получения данных, используемых при реализации задач пуска объекта

в режим ПГР.

5. Последовательность расчета, используемые при расчетах

вычислительные процедуры и компьютерные программы.

Литература

1.Покровский В.Б. Автоматизированное управление

газофракционирующими установками / В.Б.Покровский, Н.В.Лемаев-

М.: Химия, 1981.-192 с.

2.Федоров Ю.А. Основы построения АСУТП взрывоопасных

производств. В 2-х томах.- М.:Синтег, 2006.- 710 с.

3.Кафаров В.В. Основы массопередачи. 3-е изд.-М.: Высшая

школа, 1980. – 680 с.

4.Системы автоматизации и управления: лабораторный

практикум / В.А.Фафурин, И.Н.Терюшов, А.И.Мухаметзянов. –

Казань: Издательство Казанского Государственного Технологического

Университета, 2007.- 188 с.

5.Бородин И.Ф. Автоматизация технологических процессов /

И.Ф.Бородин, Ю.А.Судник.-М.: Колос,2004. -344 с.

Лабораторная работа 7

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ

ЗАЩИТЫ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ПРОЦЕССОВ

Цель работы:

1. Ознакомиться с классом объектов в химии, нефтехимии,

теплоэнергетике и др. отраслях промышленности, являющихся

потенциально опасными, управление которыми представляет собой

сложную инженерную задачу. Выяснить какие характеристики

объектов с позиций задач управления делают их потенциально

опасными.

2. Научиться анализировать устойчивость режимов работы

таких объектов, разрабатывать эффективные системы управления ими.

3. На конкретном производственном примере научиться

разрабатывать эффективные системы противоаварийной защиты,

обладающие требуемыми показателями быстродействия, надежности

и безотказности в работе.

4. Приобрести практические навыки разработки систем

РСУ/ПАЗ, выбора оптимальных архитектурных систем и технических

средств для их реализации.

1. Характеристика потенциально опасных процессов.

Обеспечение безопасности их ведения

Для потенциально опасных процессов характерно то, что при

определенных условиях они входят в аварийные режимы. Наиболее

распространенные потенциально опасные процессы имеют ряд

особенностей. Так границы зон интенсивного протекания и

неустойчивости у них общие. При этом интенсивность протекания

процессов снижается по мере того, как зона их функционирования

отдаляется от границы неустойчивости. Зона неустойчивости опасна в

отношении выхода процесса в аварийный режим. Поэтому при

составлении технологических регламентов стремятся выбирать

режимы, отдаляющие процесс от границ неустойчивости, а это

снижает интенсивность его протекания

Кроме того, потенциально опасные процессы могут протекать в

двух принципиально различных режимах. Режим нормального

функционирования процесса определяется тем, что характеризующие

его «опасные» величины (например, температура, давление и др.)

находятся в регламентных границах, оборудование и системы

управления исправны, а значения опасных величин поддерживаются с

помощью автоматических систем регулирования и управления.

В предаварийном режиме, возникающем в результате отказов в

работе механизмов или приборов или вследствие резких возмущений,

значения опасных величин возрастают и выходят за регламентные

границы. В прежнее состояние они возвращаются лишь применением

специальных защитных воздействий. Если этих воздействий

недостаточно, чтобы возвратить процесс в нормальный режим, то

наступает аварийная ситуация, или неуправляемый предаварийный

режим. Тогда возврат опасных величин в регламентные границы не

представляется возможным.

Эта особенность потенциально опасных процессов определяет

некоторую специфику их исследования и управления.

К проблеме обеспечения безопасности потенциально опасных

процессов можно подходить с различных точек зрения.

Технологические пути решения этой проблемы направлены на

разработку обоснованных регламентов. Но они часто не дают

должного эффекта, потому что безопасность и интенсивность

являются противоречивыми условиями. Повышение надежности

оборудования и системы управления процессом может способствовать

безопасности процесса. Однако на систему автоматического

регулирования не следует возлагать функции защиты – такая система

при высоких показателях надежности становиться сложной и мало

эффективной.

2. Исследование потенциально опасных процессов

Потенциально опасные процессы должны подвергаться

исследованию в режиме нормального функционирования и в

предаварийном режиме.

В режиме нормального функционирования потенциально

опасные процессы исследуются в промышленных условиях с

применением статистических методов. Исследование в

предаварийном режиме проводятся на лабораторных и пилотных

установках.

В силу специфики рассматриваемых процессов, известных

методов математической статистики, применяемых для исследования

процессов в промышленных условиях, оказывается недостаточно, и

возникает необходимость в некоторых специальных

методологических приемах.

Прежде всего, трудно получить исходные данные для

статистической обработки, так как потенциально опасный процесс

нельзя оставить на длительное время без вмешательства. Поэтому

приходиться усреднять данные по большому числу кратковременных

реализаций. При этом корреляционные функции искажаются за счет

низкочастотных составляющих случайного спектра, которые не

усредняются при обработке. Чтобы преодолеть этот недостаток,

применяется метод фильтрации сигналов специально выбранными

фильтрами. Фильтрация осуществляется на ЭВМ с помощью

статистической обработки данных. В этом случае корреляционные

функции не искажаются.

Для создания эффективной системы автоматической защиты

необходимо выявить существующие в технологическом процессе

связи между косвенными величинами и опасной величиной.

Если динамические характеристики каналов защиты заданы или

определены, степень связи можно оценивать с помощью

коэффициента корреляции между опасной величиной и косвенной

величиной, приведенной к той же точке измерения. Для нелинейных

связей таким же образом определяется корреляционное отношение.

Для исследования каналов защиты, по которым в естественных

условиях возмущений не поступает, требуется подача

детерминированных возмущающих сигналов. Эти сигналы должны

быть малыми, так как потенциально опасные процессы критичны к

большим воздействиям из-за опасности выхода объекта в аварийное

состояние.

В результате комплексных исследований устанавливаются

динамические и статические зависимости по канал связи между

величинами, характеризующими процесс, и по каналам возмущающих

и защитных воздействий.

Выявленные в результате промышленного исследования

процесса данные позволяют приближенно оценить ход развития

предаварийной ситуации и служат обоснованием программы

экспериментов на физических моделях и конструктивного

оформления последних.

Эксперименты на физических лабораторных моделях дают

возможность непосредственно наблюдать те каналы возмущения,

которые не поддаются этому в промышленных условиях.

На лабораторных и пилотных установках изучаются

предаварийные режимы потенциально опасных процессов, способы и

количественные характеристики защитных воздействий и

накапливаются данные о величинах, характеризующих процесс, с тем

чтобы создать эффективные алгоритмы защиты для реализации в

промышленных условиях.

3. Состояния РСУ/ПАЗ, ТОУ/ПАЗ управление

потенциально опасными процессами и эффективность

Современные АСУТП строятся как многоуровневые (чаще всего

двух или трех уровневые) распределенные структуры и включают в

себя две функциональные законченные системы: РСУ

(распределенную систему для управления технологическим

процессом в режиме нормальной эксплуатации) и ПАЗ (систему

противоаварийной защиты объекта в предаварийных и аварийных

ситуациях).

РСУ включает в себя совокупность автоматических систем

регулирования (АСР), число которых определяется количеством

параметров регулирования объекта n, т.е.







n,i,РСУACP

(1)

Системы ПАЗ – это одна или несколько многоступенчатых

автоматических систем защиты (АСЗ), связанных между собой

аппаратно и программно, и функционирующих в предаварийных и

аварийных режимах.







m,i,ПАЗЗAC

(2)

где m – число параметров, по которым защищается объект в

предаварийном или аварийном состоянии.

В АСУТП ситуации при управлении потенциально опасными

процессами можно уменьшить двумя путями: повышая

функциональную надежность технологического оборудования и

аппаратуры управления или вводя специальный противоаварийный

резерв – автоматическую систему противоаварийной защиты (ПАЗ).

В первом случае необходимы затраты на профилактическую

замену технологического оборудования, резервирование

управляющих систем (например АСР) и т.д. Во втором случае, кроме

затрат на создание АСЗ возникают потери от необходимых и

напрасных остановок объекта после срабатывания АСЗ. Поэтому

выбору пути для эффективного уменьшения вероятности аварийной

ситуации должен предшествовать тщательный анализ надежностно

экономических предпосылок, что, в конечном счете, сводится к

решению задач экономической оптимизации.

Рассмотрим случай возникновения аварийной ситуации в

результате отказа АСР или технологического оборудования с учетом

того, что управляющие воздействия приводят к прекращению

процесса.

Сравним экономические затраты на повышение надежности

АСР и затраты при использовании АСЗ в качестве противоаварийного

резерва при заданном требовании на безаварийность. В первом случае

расходы определяются стоимостью

ACP

ввода и эксплуатации АСР

повышенной надежности, во втором случае они складываются из

стоимости

0ACP

ввода и эксплуатации АСР стандартной

надежности, стоимости

ЗAC

ввода и эксплуатации АСЗ с

надежностными характеристиками, обеспечивающими требуемую

безаварийность процесса, и, кроме того, из стоимости

технологических потерь, связанных с рабочими и ложными

срабатываниями системы ПАЗ.

При использовании комплекса РСУ/ПАЗ с повышением

надежности АСР оптимизация достигается за счет сведения к

минимуму суммарных экономических затрат, в том числе на

повышение надежности АСР. При определении требуемых

надежностных характеристик АСР и АСЗ для всех случаев

обеспечения безаварийности составляется схема возможных

состояний и переходов комплекса РСУ/ПАЗ и система

дифференциальных уравнений, позволяющая определить вероятности

нахождения комплекса в этих состояниях (см. рис.7.1).