Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация технических процессов в химической промышленности

Подождите немного. Документ загружается.

Топливо

Топочные

газы

а 5

Рис. 4.21. Схемы связанного регулирования процесса в трубчатой печи.

В связи с тем что для трубчатой печи характерны большие

запаздывания (20—30 мин по каналу «расход топлива — конеч-

ная температура продукта»), целесообразно использовать свя-

занное регулирование. На рис. 4.21, а представлена схема регу-

лирования расхода топлива с коррекцией по температуре нагре-

ваемого продукта на выходе из печи. Качество регулирования

заметно улучшается при введении вспомогательного контура

регулирования температуры топочных газов над перевальной

стенкой. Это улучшение сильно влияет на температуру продукта

на выходе из -печи. Схема на рис. 4.21,6 обеспечивает регули-

рование температуры продукта на выходе из печи с учетом из-

менений температуры над перевальной стенкой и расхода на-

греваемого продукта.

Качество регулирования можно улучшить также, введя до-

полнительно регулятор расхода нагреваемого продукта.

Регулирование процесса в топках. При сушке, выпаривании,

обжиге и других процессах в качестве теплоносителя часто ис-

пользуют топочные газы, получаемые в топках в результате

сжигания топлива. В зависимости от требований, предъявляе-

мых к топочному газу, в промышленности используют топки

разных конструкций. Наиболее простой является топка с ин-

жекционными горелками (рис. 4.22,а). Расход топлива в этом

случае изменяется в зависимости от температуры (или какого-

либо другого параметра) того процесса, в котором используют

полученные топочные газы. Соотношение расходов топлива и

воздуха, подсасываемого из атмосферы, поддерживается посто-

янным за счет изменения инжекционной способности горелки

при изменении расхода топлива. Температуру топочных газов

сразу после топки регулируют изменением расхода вторичного

воздуха.

При использовании горелок с принудительной подачей пер-

вичного воздуха возникает необходимость в регуляторе соотно-

шения топливо-первичный воздух (рис. 4.22,6).

В отдельных случаях разбавляющий воздух подается одно-

временно в охлаждающую рубашку топки и в смесительную ка-

158 =

Рис. 4.22. Схемы регулирования топок:

а — с инжекционной горелкой; б —с принудительной подачей первичного воздуха; 7 —

топка; 2 — смесительная камера; 3 — технологический аппарат; 4 — инжекционная го-

релка.

меру. Расход вторичного воздуха при такой технологии изменя-

ется в зависимости от температуры во внутренней футеровке

топки или температуры в топке вблизи футеровки, а расход

третичного воздуха — от температуры после смесительной ка-

меры.

Регулирование работы парокотельных установок. На многих

химических предприятиях имеются свои парокотельные уста-

новки, предназначенные для получения пара заданных парамет-

ров. Основной регулируемой величиной парокотельной установ-

ки является давление получаемого пара. Заметим, что для на-

сыщенного пара существует определенная зависимость между

давлением и температурой, поэтому стабилизация давления

обеспечит и постоянство температуры.

Одной из серьезных задач при регулировании процесса го-

рения в топках парокотельных установок является экономичное

сжигание топлива благодаря подаче определенного количества

воздуха. Показателем соответствия расходов воздуха и топли-

ва может служить коэффициент избытка воздуха a =

/С

>1 (где G

— действительное значение расхода воздуха;

. т — теоретическое значение расхода воздуха, обеспечиваю-

щего полное сжигание топлива). При постоянной теплотворной

способности топлива заданное значение коэффициента а («1,1)

может обеспечить простой регулятор соотношения расходов

топлива и воздуха (рис. 4.23).

Если же качество топлива изменяется, то требуется более

сложная система регулирования, позволяющая непрерывно оп-

.160

Рис. 4.23. Схема регулирования pa- Jlap Тот

боты парокотельной установки.

<}-

| -| газ'

ределять оптимальное значе- ^Штькгр

ние а

пт по 'содержанию кис- |

вода

лорода в топочных газах. Топливо & /^^^У

Схема регулирования пост-

So3dfjX

^ L

роена таким образом, что из- Г~Н*?—

менение давления пара вызы- ДкТ

вает одновременно изменение ^

подачи топлива и воздуха.

Изменение разрежения в топке отражается на расходах топ-

лива и воздуха. Для компенсации этого возмущающего воздей-

ствия устанавливают регулятор разрежения в топке.

Поддержание материального баланса в схеме обеспечивает-

ся регулятором уровня, при этом регулирующее воздействие

вносится изменением расхода питательной воды.

Искусственное охлаждение

Типовое решение автоматизации рассмотрим на примере уста-

новки охлаждения, состоящей из поршневого компрессора 1,

конденсатора 2, испарителя 3 (с кипящим хладоагентом в меж-

трубном пространстве) и дросселирующего элемента 4 (рис.

4.24). В качестве показателя эффективности примем конечную

температуру охлаждаемого продукта t

(часто рассола). Под-

держание ее на постоянном значении путем корректировки

технологических режимов аппаратов, входящих в объект управ-

ления, и будет являться целью управления процессом 'Искусст-

венного охлаждения.

Конечная температура продукта определяется параметрами

охлаждаемого продукта и хладоагента, поступающих в испари-

тель. Параметры продукта зависят от хода технологического

процесса, для проведения которого применяется данная уста-

новка охлаждения. С их изменением, а также с изменением па-

раметров воды, подаваемой в конденсатор, в объект будут по-

ступать внешние возмущения; температура t

при этом будет от-

клоняться от заданного значения. С другой стороны, варьируя

параметры хладоагента (в частности, его расход), сравнитель-

но легко управлять процессом искусственного охлаждения. Из

сказанного следует, что основным узлом регулирования процес-

са искусственного охлаждения должен быть регулятор темпера-

туры а регулирующие воздействия целесообразно вносить из-

менением расхода хладоагента, используя метод пуска и оста-

нова поршневого компрессора, вошедшего в типовой объект

управления. При этом холодопроизводительность установки бу-

дет изменяться так, что возмущающие и регулирующие воздей-

ствия полностью компенсируются.

Одним из сильных возмущений, которые могут поступать в

испаритель через дросселирующий элемент 4, является измене-

11-581

161

Рис. 4.24. Типовая схема автоматизации процесса искусственного охлажде-

ния:

/ — компрессор; 2 — конденсатор; 3 — испаритель; 4 — дросселирующий элемент; 5 — вы-

носная камера.

ние давления в конденсаторе 2. Последнее может произойти, на-

пример, при колебаниях параметров прямой воды. Для ликви-

дации таких возмущений давление конденсации стабилизируют,

изменяя расход воды, подаваемой в испаритель.

Работа испарителя в значительной мере определяется также

степенью заполнения его жидким хладоагентом. Для большин-

ства испарителей существует оптимальная степень заполнения,

при отклонении от которой эффективность процесса снижается

вследствие неполного использования теплопередающей поверх-

ности испарителя или из-за «влажного» хода компрессора. Оп-

ределенная степень заполнения поддерживается стабилизацией

уровня, который измеряется в выносной камере 5. Регулятор

уровня воздействует на регулирующий орган, помещенный меж-

ду конденсатором и испарителем. Причем в случае непрерыв-

ного дросселирования хладоагента, что обеспечивают все регу-

ляторы, кроме позиционных, регулирующий орган будет одно-

временно служить и дросселирующим элементом 4, изменяю-

щим давление хладоагента с величины, соответствующей давле-

нию конденсации, до значения, соответствующего давлению ки-

пения.

Для безаварийной работы установки следует сигнализиро-

вать о повышении уровня хладоагента выше предельного зна-

чения для предотвращения «влажного» хода компрессора, а

также о понижении давления паров хладоагента после испари-

теля ввиду возможности замерзания продукта. В случае дости-

жения этими параметрами предельно допустимых значений

срабатывают устройства защиты, отключающие компрессор.

При искусственном охлаждении контролю подлежат расхо-

ды продукта и охлаждающей воды, а также их начальные и ко-

.162

рис. 4.25. Терморегулирующий вентиль:

j —- мембрана; 2 — термобаллон; 3 — трубка; 4 — ис-

паритель; 5 — клапан; 6 — шток; 7—пружина; 8 —

сальник.

печные температуры. Сигнализации и

контролю, кроме того, подлежат все

параметры компримирования газов.

Регулирование компрессоров уста-

новок искусственного охлаждения.

В зависимости от типа компрессора

регулирование его работы может про-

изводиться различными способами

(см. с. 136).

В наиболее мощных холодильных установках используют

винтовые компрессоры, снабженные специальным золотником

(ползуном). Перемещаясь параллельно осям винтов под дейст-

вием исполнительного механизма регулятора, золотник изменя-

ет их ход сжатия и тем самым — производительность компрес-

сора.

Регулирование перегрева паров после испарителя. При ис-

пользовании хладоагентов с низкой теплотой парообразования,

например фреонов, нельзя принимать уровень хладоагента в ка-

честве параметра, характеризующего степень заполнения испа-

рителя (ввиду бурного вспенивания). Кроме того, точность ра-

боты уровнемера с выносной камерой часто недостаточно вы-

сока, так как уровень жидкости в этой камере может отличать-

ся от уровня в самом испарителе. Это обусловливается различ-

ной степенью насыщения кипящей жидкости паром и, следо-

вательно, различным значением плотности кипящей жидкости.

Косвенным параметром, по значению которого судят о сте-

пени заполнения испарителя, служит перегрев паров на выходе

из испарителя: чем больше перегрев, тем меньше заполнение,

т. е. больше теплопередающая поверхность, и наоборот. В за-

висимости от разности температур кипящего хладоагента и пе-

регретых паров позиционный регулятор открывает или закрыва-

ет клапан на линии жидкого хладоагента.

Для плавного регулирования перегрева разработан специ-

альный терморегулирующий вентиль (рис. 4.25), основным эле-

ментом которого является мембрана 1. Ее положение соответст-

вует разности давлений в термобаллоне 2 и паровой линии, а

эти давления в свою очередь определяются температурами пе-

регретого пара и кипения хладоагента.

Выпаривание

Типовое решение автоматизации. Основные принципы управле-

ния процессом выпаривания рассмотрим на примере однокор-

пусной выпарной установки естественной циркуляции (рис.

конденсатора.

10*

163

4.26). Показателем эффективности процесса является концент-

рация упаренного раствора, а целью управления — поддержа-

ние определенного значения этой концентрации.

Уравнения материального баланса выпарной установки по

растворенному веществу и по всему количеству вещества имеют

соответственно следующий вид:

Gc.pCc.p

Gy.pCy.P* Gc.p

Gy.p

~f~ Gn

где G

. p, G

. p — расход свежего и упаренного растворов; С

— концентра-

ция растворенного вещества в свежем растворе; С

— концентрация рас-

творенного вещества в упаренном растворе (показатель эффективности);

— расход паров растворителя.

Решая совместно эти уравнения, получим:

£ _ Gc.pG

.p Gc.pQ.p

~~ Gy.p

—

Gc.p— G

Расход G

можно стабилизировать или изменять для до-

стижения цели управления процессом выпаривания, так как

этот процесс в большинстве случаев является основным на хи-

мических производствах. Так, его уменьшение приводит к сни-

жению скорости движения раствора по аппарату, а следователь-

но— к увеличению концентрации С

. То же можно сказать

и о расходе G

Концентрация С

определяется предшествующими техно-

логическими процессами; ее изменения будут сильными возму-

щениями для процесса выпаривания.

Расход G

определяется параметрами исходного раствора,

а также режимными параметрами в аппарате: температурой,

давлением, концентрацией раствора и интенсивностью подвода

тепла.

Если предположить, что цель управления достигнута, т. е.

концентрация С

на выходе из аппарата постоянна и соот-

ветствует заданной, то между температурой и давлением в ап-

парате будет соблюдаться определенная зависимость. Поэтому

достаточно стабилизировать только один из этих параметров.

В большинстве случаев это — давление в аппарате, которое

можно регулировать изменением отбора пара из аппарата.

Интенсивность подвода тепла к кипятильнику определяется

параметрами теплоносителя: расходом, температурой, давлени-

ем и энтальпией.

К наиболее сильным возмущающим воздействиям относятся

изменения расхода теплоносителя. Эти возмущения компенси-

руют установкой стабилизирующего регулятора расхода. При

целенаправленном изменении расхода теплоносителя в объект

могут вноситься и регулирующие воздействия. Однако при этом

может возникнуть «пленочное кипение», что неэкономично.

С изменением других параметров теплоносителя в объекте бу-

дут иметь место другие возмущения.

.164

Пары

растворителя

Рис. 4.26. Типовая схема автоматизации процесса выпаривания:

1 — кипятильник; 2 — выпарной аппарат; 3 — устройство для измерения температурной

депрессии.

Анализ возмущающих воздействий в объекте управления

показал, что часть параметров, определяющих концентрацию

Су.

р, будет изменяться. Сильным возмущением процесса выпа-

ривания, как правило, является и «засоление» греющей камеры

теплообменника. Чтобы при наличии возмущающих воздействий

цель управления была достигнута, следует в качестве главной

регулируемой величины брать концентрацию С

, а регулирую-

щее воздействие вносить изменением расхода G

Концентрацию С

в настоящее время определяют по раз-

ности между температурами кипения раствора и растворителя

(по температурной депрессии). О концентрации С

можно

судить и по другим косвенным параметрам: плотности, удельной

электропроводности, показателю преломления света или тем-

пературе замерзания упаренного раствора.

Итак, для достижения цели управления процессом следует

регулировать температурную депрессию (изменением расхода

); давление в аппарате (изменением расхода G

) и расход

теплоносителя.

Для поддержания материального баланса в аппарате необ-

ходимо регулировать уровень раствора изменением расхода

упаренного раствора G

В процессе выпаривания контролируют расходы G

, G

; температуры свежего и упаренного растворов; температуру,

давление и расход теплоносителя; давление, температуру и уро-

вень в аппарате; температурную депрессию. Сигнализации под-

.165

лежат отклонение концентрации С

от заданного значения и

прекращение подачи раствора. В последнем случае устройство

защиты должно отключить линию теплоносителя для предотвра-

щения порчи продукта и аварии.

Регулирование концентрации упаренного раствора изменени-

ем его расхода. В отдельных случаях для предотвращения ого-

ления греющих труб кипятильника предъявляют повышенные

требования к узлу регулирования уровня в выпарном аппарате.

Качество регулирования уровня можно улучшить, внося регу-

лирующие воздействия изменением расхода свежего раствора.

Концентрацию С

в этих случаях стабилизируют изменением

расхода упаренного раствора, а узлы регулирования расхода

теплоносителя и давления в аппарате остаются прежними.

Такая схема предпочтительнее и при частых «засолениях»

поверхности теплообмена и связанных с ними промывках теп-

лообменника, так как регуляторы могут быть включены сразу

после промывки. При регулировании концентрации в соответст-

вии с типовым решением включение выпарного аппарата произ-

водится вручную.

Регулирование концентрации упаренного раствора измене-

нием расхода теплоносителя. Если расход свежего раствора оп-

ределяется ходом предшествующего технологического процесса,

то этот параметр нельзя использовать для регулирования кон-

центрации или уровня. В этих случаях концентрацию упаренно-

го раствора регулируют изменением расхода теплоносителя.

Аналогичная ситуация возникает и в случае, если следующим

процессом определяется расход упаренного раствора. Тогда

расход свежего раствора следует использовать для стабилиза-

ции уровня и единственным регулирующим воздействием при

стабилизации концентрации будет изменение расхода теплоно-

сителя.

Регулирование при постоянной концентрации растворенного

вещества в свежем растворе. Если отсутствует одно из самых

сильных возмущающих воздействий — изменение концентрации

вещества в свежем растворе, целесообразно вместо сложного и

ненадежного узла регулирования концентрации С

установить

регулятор расхода свежего раствора. При этом концентрацию

.р только контролируют и по ее значению периодически про-

изводят перенастройку регуляторов системы.

При сильно изменяющихся расходах свежего раствора и

теплоносителя качество регулирования показателя эффективно-

сти можно улучшить (уменьшить запаздывание), регулируя со-

отношение этих расходов изменением расхода теплоносителя.

Регулятор соотношения будет реагировать и на другие возму-

щения, так как они приведут в конечном итоге к срабатыванию

регулятора концентрации раствора и изменению расхода све-

жего раствора.

Регулирование с помощью двухконтурных систем. Улучшить

качество регулирования можно, используя многоконтурное регу-

.166

с. 4.27. Схема регулирования си-

стемы создания вакуума:

I __ выпарной аппарат; 2 — барометриче-

ский конденсатор; 3 — вакуум-насос (паро-

в0

,1 эжектор).

лирование расхода свежего

раствора, упаренного раствора

и паров растворителя с кор-

рекцией соответственно по тем-

пературной депрессии, уровню

и давлению в аппарате.

Регулирование разрежения

в вакуум-выпарных аппаратах. Разрежение при вакуум-выпарке

создается с помощью барометрических конденсаторов и 'вакуум-

насосов, служащих для отсоса смеси несконденсировавшихся

газов с воздухом. Регулирование разрежения может осуществ-

ляться изменением расхода и температуры воды, расхода паров

растворителя, поступающих в барометрический конденсатор,

расхода воздуха, подсасываемого вакуум-насосом из атмосферы.

Все эти способы нашли применение в промышленности. Наибо-

лее часто применяют последний способ (рис. 4.27). Расход во-

ды при этом изменяется в зависимости от температуры стоков

из барометрического конденсатора. В качестве регулируемой

величины можно использовать также перепад температур воды

на входе и выходе конденсатора.

Управление выпарными аппаратами периодического дейст-

вия. Операция выпарки здесь осуществляется при стабилиза-

ции уровня изменением расхода свежего раствора до момен-

та достижения температурной депрессией заданного значения.

При срабатывании реле температурной депрессии устройство

управления дает сигнал"на открытие магистрали упаренного

раствора и закрытие магистралей свежего раствора и теплоно-

сителя путем прекращения питания регуляторам уровня и дав-

ления (давление в аппаратах периодического действия регули-

руется изменением расхода теплоносителя). Начинается опе-

рация- выгрузки. При полном опорожнении аппарата по сигна-

лу от реле уровня вновь начинается операция загрузки и вы-

парки.

Можно осуществлять и полупериодический режим работы,

когда выпарной аппарат опорожняется лишь частично. Для этой

цели регулятор уровня должен быть дополнен логическим уст-

ройством, которое при достижении уровнем какого-то промежу-

точного значения срабатывает и дает сигнал на открытие кла-

пана свежего раствора. Добавляемый в аппарат свежий раствор

снижает концентрацию раствора, срабатывает реле температур-

ной депрессии, и выгрузка продукта прекращается.

Регулирование работы многокорпусных и многоступенчатых

установок. При управлении процессом выпаривания в установ-

Вода

боздул

из

атмоссреры

Пар Высокого

давления

Пары

растворителя

у Парв

о конденсатор

.167

ках такого типа стабилизируют концентрацию С

в последнем

корпусе изменением расхода упаренного раствора. Уровень во

всех корпусах при таком способе стабилизации концентрации

регулируется изменением расхода раствора, подаваемого в кор-

пус.

В промышленности реализованы также схемы стабилизации

концентрации С

изменением расхода раствора, подаваемого

в последний корпус. Соответственно изменится способ регулиро-

вания уровня.

Стабилизация давления в корпусах установки обеспечивает-

ся самостоятельными регуляторами давления путем сброса ча-

сти пара в общую линию паров растворителя. В том случае, ес-

ли весь пар из предыдущего корпуса направляется в кипятиль-

ник следующего, стабилизируют давление только в последнем

корпусе изменением расхода выводимых из него паров раство-

рителя.

Расход теплоносителя, поступающего в кипятильник, стаби-

лизируется регулятором расхода.

Регулирование работы теплообменника свежего раствора.

Нормальный технологический режим выпарного аппарата воз-

можен лишь при температуре свежего раствора, близкой к тем-

пературе кипения. Если температура раствора будет значитель-

но ниже, нарушится циркуляция раствора и снизится коэффи-

циент теплопередачи; перегрев раствора приведет к вскипанию

его на входе в аппарат, что сопровождается выделением крис-

таллов соли, забивающей трубопроводы. В связи с этим при на-

личии теплообменника на линии свежего раствора температуру

раствора на его выходе регулируют изменением расхода тепло-

носителя.

Кристаллизация

Типовое решение автоматизации. Основные принципы управле-

ния процессом кристаллизации рассмотрим на примере кристал-

лизатора с выносным холодильником (рис. 4.28). Показателем

эффективности процесса является размер полученных кристал-

лов. Для обеспечения текучести и неслеживаемости кристалли-

ческих веществ необходимо получать кристаллы одинакового

размера, что и является целью управления. Размер кристаллов,

с одной стороны, определяется условиями, при которых про-

водится процесс (температурой в аппарате, интенсивностью

охлаждения и перемешивания раствора), а с другой — свойст-

вами поступающего на кристаллизацию раствора (степенью на-

сыщения твердой фазой, т. е. начальной концентрацией, а так-

же температурой, содержанием примесей и т. д.).

Температура в аппарате будет постоянной при соблюдении

теплового баланса процесса:

GpCptp

-f- G

' -j- G

кр

= G

,pC

M-

p -f- G

~f- G

где Gp, G

. p, G

, G

— расходы соответственно раствора, маточного раство-

.168