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

Подождите немного. Документ загружается.

Из уравнения (49) находим значение

2/1

и подставляем его в

выражение (34), тогда





































, (50)

где

Bx 

Найдем второе параметрическое уравнение.

Из выражения (49) находим значение

2/1



и подставляем его

в уравнение (35). Тогда получим













. (51)

Выражения (50) и (51) являются параметрическими уравнениями

границы устойчивости

0



с параметром



, изображенные на

рис.7.7 .

Рис. 7.7. Граница устойчивости

0



на плоскости

параметров



Первый вариант (рис.7.7,а) соответствует наличию петли,

второй (рис.7.7,б) – ее отсутствию. Граничным случаем между первым

и вторым вариантами будет тот, при котором петля кривой

0



стягивается и превращается в точку возврата 1-го рода. При этом

кривая

0



становится подобной кривой

0



При фиксированных значениях





существует

определенное разбитие плоскости



на области, различающиеся

числом и устойчивостью положений равновесия. Вопрос об

устойчивости положений равновесия, которыми обладает система при

фиксированных значениях параметров, может быть решен путем

выполнения следующих построений на плоскости



1.Строим бифуркационную диаграмму по уравнению (31)

(рис.7.8.).

Рис. 7.8. Взаиморасположение кривых

0



0



бифуркационной диаграммы

2. Проводим горизонтальную прямую для заданного значения

const





3. Находим точки ее пересечения с бифуркационной

диаграммой, соответствующие положениям равновесия.

4. Строим границу седел

0



по уравнению. Положения

равновесия, находящиеся под этой кривой, являются седлами, потому

они неустойчивы.

5. Для определения устойчивости остальных положений

равновесия строим на плоскости



границу устойчивости

0



по уравнению. Положения равновесия, расположенные под

кривой

0



, неустойчивы; положения равновесия, расположенные

вне кривой

0



, устойчивы.

Из графика, приведенного на рис.7.8 следует, что

рассматриваемая система при выбранном



имеет три положения

равновесия, из которых среднее – седло (точка С). На основании

пунктов 4 и 5 заключаем, что при выбранных значениях параметров

положение А системы устойчиво, а положения В и С – неустойчивы.

8. Исходные данные и порядок выполнения лабораторной

работы

Исходные данные

1. Конструктивные, физические и режимные параметры

химического реактора, см. табл.7.1 исходные данные.

2. Численные значения кинетических и других параметров

химической реакции полимеризации, см табл.7.2.

3. Параметры защиты технологического оборудования в

предаварийных и аварийных режимах.

4. Блок-схема состояний объекта и взаимодействия их между

собой.

Требуется:

1. Исследовать устойчивость и выбрать режимные параметры

процесса полимеризации, обеспечивающие работу реактора в

устойчивой области.

2. Разработать схему автоматизации, обеспечивающую

стабилизацию выбранных по п.1 режимных параметров процесса

полимеризации в устойчивой для объекта области работы.

3. Используя схему, представленную на рис.7.3, разработать

схему противоаварийной защиты, обеспечивающую

последовательную (по ступеням) защиту объекта в предаварийных и

аварийных ситуациях.

4. Выполнить необходимые расчеты технологических и

экономических потерь, возможных при срабатывании системы ПАЗ;

определить вероятность возникновения аварийных ситуаций,

обусловленных запаздываниями в показаниях измерительных

приборов.

Порядок выполнения лабораторной работы

1. Подготовить исходные данные для расчета статических

характеристик процесса полимеризации этилена, а именно величины



,B,

, определяемые по формулам (23), (25), (26).

2. Используя уравнения (47), (48), (50) и (51) провести разбиение

плоскости



на области различных режимов работы

химического реактора при фиксированных значениях



,B,

3. Определить число состояний равновесия в каждой из областей

и их устойчивость путем совмещения и анализа взаиморасположения

бифуркационных диаграмм и кривых

0



0σ

в плоскости

параметров



. Бифуркационные диаграммы для конкретных

значений начальной концентрации инициатора

)I(BB

000



, взятых

из исследуемой области, необходимо строить по уравнению (31).

Выбрать входные параметры процесса



, обеспечивающие

устойчивый режим работы аппарата.

4. Разработать систему автоматизации, обеспечивающую

устойчивую работу реактора при выбранных входных параметрах



и температуре в зоне реакции равной



При этом главное внимание обратить на стабилизацию

температурного режима в верхней и нижней зонах реактора и

давления в зоне реакции. Температуру в верхней зоне реактора

стабилизировать измерением расхода пара в теплообменник T, а в

нижней зоне реактора – изменением расхода этилена, подаваемого

между средней и нижней зонами реактора. Давление стабилизировать

изменением расхода смеси этилена и расплавленного полиэтилена из

нижней зоны реактора в отделитель. Для улучшений качества

регулирования давления в реакторе предусмотреть стабилизацию

давления и в отделителе (дросселированием газа из отделителя О в

циклон Ц).

5. На основании схемы управления, приведенной на рис.7.3,

разработать алгоритм защиты и двухступенчатую систему

противоаварийной защиты, возвращающую процесс в режим

нормального функционирования или переводящую его в состояние

горячего резерва или останова. Перевести процесс из аварийного

состояния в режим нормального функционирования можно

уменьшением количества подаваемого в реактор инициатора и

увеличением расхода холодного газа этилена в его нижнюю часть. Для

останова необходимо закрыть клапан 1 подачи газа этилена в реактор

2 линии подачи пара в теплообменник Т, открыть полностью клапан 3

на линии сброса непрореагировавшего газа в атмосферу и клапан 4 на

линии выхода жидкого полиэтилена из реактора в отделитель. Для

технической реализации системы РСУ/ПАЗ можно использовать

комплексы, закупаемые по импорту (DelteV-Tricon, Apacs+ -Quadlog,

Centum-Prosafe DCP, PLC и д.р.), или комплексы отечественного

производства (ПТК «Круг-2000», Турбоком-4000 и д.р.).

Рекомендуемые для применения в лабораторной работе архитектуры

систем ПАЗ типа 1оо1, 1оо2, 2оо2, 2оо3 и др. приведены в

приложении этой работы [4].

6. По формулам (14), (15) определить вероятность

возникновения аварийной ситуации в объекте, обусловленной

несвоевременной выдачей приборами проектируемой системы,

РСУ/ПАЗ сигналов об аварийном отклонении контролируемых

величин, от заданных значений. Величины, входящие в формулы (14),

(15), включая динамические параметры объекта

ОБ

и время

запаздывания показаний приборов

ЗП

, взять у преподавателя перед

началом работы.

7. Решить задачу программирования функции ПАЗ на

лабораторном ПЛК и проверить работоспособность предложенных в

п.6 алгоритма и системы ПАЗ.

8. При наличии достаточного количества времени на

лабораторную работу, используя формулы (8) и (10), рассчитать

технологические потери и экономические затраты, связанные с

возможными отказами технологического и киповского оборудования

и ложными срабатываниями системы ПАЗ. Необходимые исходные

данные для выполнения работы взять у преподавателя.

Таблица 7.1

Конструктивные, физические и режимные параметры процесса

Исходные

данные

Варианты

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Объем

реактора V, м

1,5 2,0 1,64 1,80 1,60 1,75 1,90 1,76 1,95 2,0

Поверхность

теплообмена S,

225 200 200 210 220 190 205 210 215 208

Расход газа G,

/с

0,021 0,025 0,020 0,023 0,020 0,024 0,025 0,020 0,018 0,024

Коэффициент

теплопередачи

η ,

градм

вт

165 190 180 210 160 176 200 185 210 190

Плотность

смеси ρ , кг/м

500 520 480 500 510 470 450 480 510 505

Теплоемкость

смеси С,

градкг

Дж



2,50 2,60 2,45 2,52 2,40 2,35 2,42 2,45 2,50 2,54

Температура

газа на входе

реактор Т

, К

423 443 433 443 438 423 438 433 423 428

Температура

стенки

реактора Т

, К

473 483 473 488 473 478 483 473 483 478

Концентрация

манометра М,

кмоль

20 15 18 16 20 24 15 12 20 18

Продолжение таблицы 7.1

Исходные

данные

Варианты

Объем

реактора V, м

1,65 1,80 1,70 2,05 2,00 1,50 2,10 1,95 1,75 1,90

Поверхность

теплообмена S,

240 250 220 260 245 230 215 230 190 225

Расход газа G,

/с

0,032 0,020 0,026 0,025 0,028 0,030 0,024 0,018 0,024 0,026

Коэффициент

теплопередачи

η ,

градм

вт

180 165 170 185 182 186 190 210 200 160

Плотность

смеси ρ , кг/м

650 540 605 600 560 620 505 510 450 500

Теплоемкость

смеси С,

градкг

Дж



2,80 2,65 2,70 2,75 2,85 2,90 2,54 2,50 2,36 2,40

Температура

газа на входе

реактор Т

, К

450 420 440 460 430 450 428 423 420 410

Температура

стенки

реактора Т

, К

493 485 490 495 480 496 480 483 490 460

Концентрация

манометра М,

кмоль

25 20 24 26 20 28 16 20 18 20

Окончание таблицы 7.1

Исходные

данные

Варианты

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Объем

реактора V, м

2,15 1,76 1,54 1,94 2,05 2,0 1,84 2,20 1,65 1,80

Поверхность

теплообмена S,

226 280 250 245 240 220 236 240 220 240

Расход газа G,

/с

0,035 0,025 0,040 0,036 0,026 0,030 0,032 0,024 0,020 0,024

Коэффициент

теплопередачи

η ,

градм

вт

220 160 230 220 210 240 220 160 150 165

Плотность

смеси ρ , кг/м

540 520 620 600 590 580 640 520 650 640

Теплоемкость

смеси С,

градкг

Дж



2,56 2,62 2,86 2,75 2,84 2,76 2,85 2,50 2,90 2,92

Температура

газа на входе

реактор Т

, К

420 430 410 400 440 420 423 430 445 440

Температура

стенки

реактора Т

, К

490 500 495 482 496 485 483 490 498 496

Концентрация

манометра М,

кмоль

25 20 15 24 22 20 26 20 16 20

Таблица 7.2

Численные значения кинетических и других параметров

Наименование величины Численное значение

Тепловой эффект реакции Q

-3

кмоль

кдж

94,5

Энергия активации реакций,

кмоль

кдж

инициирования Е

-3

роста цепи Е

-3

обрыва цепи Е

об

-3

150

25,0

8,4

Предэкспоненциальные множители А

скмоль



об













скмоль



1,0·10

Универсальная газовая постоянная R ,

скмоль

кдж



8,31

9. Содержание отчета

1. Краткое описание цели и основных теоретических положений

работы.

2. Программы и результаты расчета бифуркационных диаграмм.

Результаты анализа режимов работы реактора на устойчивость.

Режимные параметры устойчивых и неустойчивых состояний

реактора.

3. Спроектированная система РСУ/ПАЗ, ее техническое и

алгоритмическое обеспечение.

4. Результаты расчета вероятности возникновения аварийной

ситуации в объекте, обусловленной несвоевременной выдачей

приборами сигналов об аварийном отклонении контролируемых

величин.

10. Контрольные вопросы

1. Потенциально опасные объекты в химической и

нефтехимической промышленности, в теплоэнергетике. Примеры

таких объектов их характеристика с позиций задач автоматизации.

2. Возможные схемы и состояния систем РСУ/ПАЗ, ТОУ/ПАЗ.

Вероятностные характеристики и показатель надежности этих схем и

состояний.

3. Возможные архитектуры систем ПАЗ: 1оо1, 1оо2, 2оо2, 2оо3 и

др. Их краткая характеристика, структурные схемы и показатели

надежности.

4. Техническая реализация систем ПАЗ. Использование для их

реализации контроллеров Quandlog, ProSafe, Iokogawa Electric, HIMA,

TRICON (Inversys Sistems Inc.).

Приложение 5

АРХИТЕКТУРА СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ