автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка инвариантных систем управления ректификационными установками

На правах рукописи

АБРАМОВ Кирилл Владимирович

РАЗРАБОТКА ИНВАРИАНТНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РЕКТИФИКАЦИОННЫМИ УСТАНОВКАМИ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДПР 2012

Москва-2012

005020378

Работа выполнена на кафедре «Техническая кибернетика и автоматика» Московского государственного университета инженерной экологии

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Софиева Юлия Николаевна

доктор технических наук, профессор Гартман Томаш Николаевич зав. кафедрой информатики и компьютерного проектирования РХТУ им. Д. И. Менделеева

доктор технических наук, профессор Цыганков Михаил Петрович профессор кафедры кибернетики ЯГТУ

Ведущая организация:

ЗАО «ПРИЗ», г. Москва

Защита состоится «26» апреля 2012 года в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4.

Автореферат разослан «23» марта 2012 г.

Учёный секретарь Диссертационного совета Д 212.145.02

/

Доктор технических наук, доцент /1 Мокрова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Создание оптимальных систем управления ректификационными установками требует детального изучения физических свойств разделяемых смесей, анализа чувствительности измеряемых показателей состава продукта к режимным параметрам процесса, учёта реальных условий работы аппаратов.

Системы оптимального управления ректификационными установками требуют наличия непрерывных анализаторов состава в контуре управления и использования автономных систем регулирования составов верхнего и нижнего продуктов. Отсутствие непрерывных анализаторов состава для некоторых смесей и сложность настройки автономной системы регулирования для промышленных объектов приводит к тому, что решение такой задачи практически невозможно.

В последние годы появилась возможность для анализа технологического объекта на стадии проектирования использовать специализированные программные комплексы. Объединив в своей структуре полные модели технологических объектов, вычислительный комплекс позволяет проводить эксперимент на модели реального технологического аппарата и даёт возможность исследовать влияние различных возмущений на работу всей системы в целом. Особый интерес представляет моделирование и исследование различных режимов в ректификационных установках, которые являются одними из наиболее сложных технологических объектов управления из-за их многосвязности и большой инерционности.

Целью диссертационной работы является повышение точности управления процессом ректификации за счёт применения разомкнутой инвариантной системы регулирования в автоматизированной системе управления (АСУ) ректификационными установками. В соответствии с данной целью были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка разомкнутой системы управления процессом массообмена в колонне, обеспечивающей инвариантность состава продуктов к колебаниям расхода и состава питания в широком диапазоне.

2. Разработка алгоритма логического управления и диагностики режимных параметров ректификационных колонн на основе анализа рабочей области промышленных установок.

3. Вывод динамической модели колонны для расчёта инвариантных систем регулирования.

4. Создание алгоритма проектирования инвариантной системы управления ректификационными установками.

5. Разработка методических рекомендаций по имитационному моделированию систем автоматического регулирования ректификационных колонн.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы математического анализа, статистической динамики, теории управления и имитационного моделирования.

Достоверность результатов работы подтверждает сопоставление расчётных и экспериментальных данных по режимным параметрам промышленной колонны для разделения смеси «этан-этилен». Режимные параметры имитационной модели сравнивались с проектными данными промышленной колонны; рабочая область по расходу и составу питания выбиралась по реализациям процессов в промышленной колонне, полученной в режиме нормальной эксплуатации; оценки времени запаздывания модели секционной части колонны сопоставлялись с характеристиками, полученным по взаимнокорреляционным функциям реальной колонны; установлено их качественное и количественное совпадение с характеристиками промышленной колонны.

На защиту выносится: 1. Динамическая модель ректификационной колонны для расчёта инвариантной системы управления.

2. Способ диагностики и алгоритм логического управления ректификационными установками в зависимости от возмущений по расходу питания и температуре на контрольной тарелке.

3. Алгоритм выбора структуры системы управления ректификационными колоннами на основе анализа физических свойств разделяемых смесей и внешних возмущений.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработана секционная модель динамики ректификационной колонны для расчёта инвариантной системы регулирования.

2. Предложен новый способ диагностики технологического режима в ректификационной установке по технологическим показателям процесса (расход питания, температура на контрольной тарелке), позволяющий провести коррекцию настройки системы управления колонной.

3. Предложен новый подход к разработке систем автоматизации ректификационных колонн с учётом чувствительности режимных параметров процесса к составу продуктов.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Предложена методика имитационного моделирования с использованием блочных моделей технологических аппаратов для разработки АСУ ректификационными колоннами при колебаниях по расходу и составу питания в широком диапазоне. Разработан учебно-тренировочный комплекс для студентов, обучающихся по дисциплине «Автоматизация технологических процессов и производств» (АТПП). Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются при проведении практических занятий и выполнении курсовых и дипломных проектов в МГУИЭ.

Алгоритм программно-логического управления колоннами при изменении параметров питания в широком диапазоне рассмотрен ЗАО «Нефтехимпроект» с целью применения для разработки проектной и рабочей документации.

Алгоритм диагностики нарушений в технологическом процессе по режимным параметрам принят к внедрению в ООО «ГПИ СПЕЦАВТОМАТИКА».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на II Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (Москва, 2011 г.), Втором инвестиционном фестивале «Экология для человека-семьи-общества: социально значимые молодёжные проекты» (Москва, 2011 г.), научная конференция студентов и молодых учёных МГУИЭ (Москва, 2010,2011 г.)

Публикации результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работы, из них 4 - в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа включает введение, четыре главы, заключение, список литературы и приложения. Объём работы составляет 142 страницы машинописного текста, в том числе 85 рисунков, 26 таблиц. Список литературы включает 96 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена краткая характеристика процесса ректификации и его анализ как объекта управления, обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована научная новизна и практическая ценность работы, приведена постановка задачи.

В первой главе проанализированы основные работы, посвященные современному состоянию и проблемам автоматизации управления ректификационными установками.

Основные направления современных исследований включают комплексную модернизацию АСУ ректификационными установками с целью минимизации энергозатрат на разделение смеси при изменении нагрузок в широком диапазоне и способы одновременного регулирования составов верхнего и нижнего продуктов.

Одним из способов оптимизации работы ректификационных колонн является одновременное управление верхом и низом колонны с использованием обратной связи по составу продуктов или температуре на контрольных тарелках. Практическая реализация подобных систем существенно ограничивается сложностью их расчёта и наладки для обеспечения устойчивой работы установки.

В настоящей работе предложена разомкнутая система управления верхом и низом колонны, обеспечивающая инвариантность составов продуктов к колебаниям расхода и состава питания в широком диапазоне.

в сг

Рис. 1. Структурная схема разомкнутой системы регулирования

F - расход; С - концентрация легколетучего; Якв, /?и, - динамические компенсаторы верха и низа колонны; IV- передаточная функция; / - тарелка питания; п - число тарелок; гр - греющий пар; фл - флегма; д - дистиллят;

к - куб.

Исследование проведено на примерах продуктовой колонны для разделения бинарной смеси «этан-этилен» с получением дистиллята высокой концентрации (98,5 %) и колонны для разделения смеси «метанол-вода».

Таким образом, в первой главе приводится постановка задачи построения алгоритма и программы логического управления ректификационными колоннами при колебаниях расхода и состава питания в широком диапазоне; разработки динамической модели тарельчатой секции колонны, удобной для расчёта динамических компенсаторов и вывода

формулы для определения параметров модели по конструктивным и режимным параметрам технологического процесса.

Во второй главе приведена разработка алгоритма логического управления ректификационной установкой на основе моделирования статических режимов колонн для разделения смеси «метанол-вода» при возмущениях в пределах ± 10 % от проектных значений и для смеси «этан-этилен» в переделах ± 20 % от проектных значений. Рассмотрены три варианта основной задачи управления: стабилизация состава дистиллята, стабилизация производительности по дистилляту, стабилизация тепловой нагрузки на кипятильник (Табл. 1).

Таблица 1. Параметры ректификационной колонны при постоянных

тепловой нагрузке и составе дистиллята

компонент Нф1 У Рфд;1 г ШЪ ЛШ: Г

Нормальный режим Метанол 10000 5000 5.1 23308 4570.2 5429.8 33281.3

Вода 5000

При возм. по расходу -10 % Метанол 9000 4500 5.2 23543.5 4527.2 4472.8 33281.3

Вода 4500

+ 10 % Метанол 11000 5500 5.54 23588.5 4256.1 6743.9 33281.3

Вода 5500

При возм. по составу - 10 % Метанол 10000 4500 6.07 23925.4 3944.4 6055.6 33281.3

Вода 5500

+ 10 % Метанол 10000 5500 4.35 22798.5 5240.5 4759.5 33281.3

Вода 4500

3 3-10* РАЗ 3*10' ЕП4 СИ 23.10* 1'Л1 ^_____*" '¿И ' _ «о" ------------- - л10!

- 10 -5 0 3 10 -ш 5 '"'о 5 10

■ 1

а) б)

Рис. 2. Зависимость управляющих воздействий от возмущений

(а-Рфл и £ от ^ и Су; б - и от/у и С»

Яф., - флегмовое число; Q - тепловая нагрузка кипятильника; Тк -температура на контрольной тарелке; 3 - индекс Ff) 4 - индекс Cf.

Процесс моделирования проведён при условии постоянства составов дистиллята и кубового продукта. График зависимости определяет закон управления этими параметрами: постоянство тепловой нагрузки (Рис. 2а) требует стабилизации расхода флегмы при отсутствии возмущений по составу питания. При этом состав дистиллята остаётся постоянным за счёт уменьшения отбора дистиллята и увеличения отбора кубового продукта. Во всех остальных случаях наклонные линии показывают изменение параметров в пропорциональной зависимости от возмущения.

Анализ рабочей области «этан-этиленовой» колонны проведён при условии Сд - const, Тк - const для восьми вариантов возмущений: Ff = Ff' ± SFf\ Cf = С/; (Вариант 1,2); Ff = Ff';Cf = С} ± SCf; (Вариант 3,4);

Ff - Ff ± SFf- Cf = Cf ± SCf; sign SFf = sign SCf; (Вариант 5,6) (Табл. 2); Ff = Ff ± SFf; Cf = Cf ± SCf; sign SFf = - sign SCf\ (Вариант 7,8);

В таблице 2 приведены результаты моделирования рабочей области.

Таблица 2. Режимные параметры процесса для варианта 5

комп. Ff Cf Яфл F(pn Сд тзз Q

Нормальное состояние Этан 4500 1125 4,067 13921,6 1,43 -17,11 3499,2

Этилен 3375 98,57

+ 6% Этан 4770 906,3 3,62 14197,5 1,43 -18,44 3619,51

Этилен 3863,7 98,57

+10 % Этан 4950 742,5 3,35 14284 1,43 -19,2 3675,42

Этилен 4207,5 98,57

+14 % Этан 5130 564,3 3,06 14188,4 1,43 -19,9 3680,86

Этилен 4565,7 98,57

+ 16% Этан 5220 469,8 2,91 14004,3 1,43 -20,24 3644,04

Этилен 4750,2 98,57

+ 20% Этан 5400 270 2,48 12913,4 1,43 -20,96 3357,14

Этилен 5130 98,57

Из таблицы видно, что при стабилизации состава дистиллята и увеличении расхода и концентрации этилена на 10 % в питании, режимные параметры изменяются на 3 - 5 % для и <3, и 18 % для Яфл.

Из анализа всех рассмотренных вариантов возмущений сделан вывод: система управления ректификационной колонны должна включать регуляторы соотношений расходов флегмы и питания и соотношения расходов греющего пара и питания, при условии, что коэффициенты соотношения и кгр корректируются в зависимости от возмущения по составу питания или температуре на контрольной тарелке, как косвенному показателю состава (Табл. 3).

Таблица 3. Коэффициенты соотношения расходов и /с,

+ сг С{ + 6СГ; ?г sign = 5С[ .^п 6Р{ = — <5 Су

5,% кфл кГр к$л кгр ^фл кгр к$л кгр

20 3.09 0.78 3.2 0.8 2.39 0.62 2.96 0.76

16 3.09 0.78 3.18 0.79 2.68 0.7 2.98 0.76

12 3.09 0.78 3.16 0.79 2.77 0.72 3 0.76

8 3.09 0.78 3.14 0.79 2.89 0.74 3.02 0.77

4 3.09 0.78 3.12 0.78 2.98 0.76 3.05 0.77

0 3.09 0.78 3.09 0.78 3.09 0.78 3.09 0.78

-4 3.09 0.78 3.06 0.77 3.22 0.8 3.14 0.79

-8 3.09 0.78 3.04 0.77 3.31 0.81 3.17 0.79

-12 3.09 0.78 3.03 0.77 3.41 0.83 3.21 0.8

-16 3.09 0.78 3.02 0.77 3.45 0.84 3.23 0.8

-20 3.09 0.78 3 0.76 3.56 0.86 3.27 0.81

<.ч

а) б)

Рис. 3. Зависимость коэффициентов соотношений расходов от возмущений (а - ; б —

Во второй главе сделаны следующие выводы: стабилизация режимных параметров на проектных значениях неэффективна при любом характере возмущений и ведёт к отклонениям в качестве продукта, либо в увеличении энергозатрат на разделение; стабилизация тепловой нагрузки на проектном значении приводит к нарушению регламента по составу продукта, к перерасходу энергии и нарушению давления в колонне; для продуктовых колонн, в которых к чистоте продуктов предъявляются высокие требования, стабилизация коэффициентов кфл и кгр допустима при возмущениях по расходу и составу питания не более 2 %; расходы кубового продукта и дистиллята должны определяться условиями материального баланса регуляторами уровня кубового продукта и давления в колонне.

Схема логического анализа возмущений и выбора вариантов управления, представлена на рисунке 4.

/ Ввод Тк /

Условные обозначения: f - увеличение величины; J. - уменьшение величины; const - величина не изменяется.

В третьей главе приведён вывод секционной динамической модели ректификационной установки. Общая структура колонны предлагается в виде следующих модулей: куб и кипятильник колонны Wo, нижняя

тарельчатая часть колонны 1Ун, верхняя тарельчатая часть колонны и дефлегматор со сборником флегмы 1¥п+1, тарелка питания IV/ (Рис. 5а).

Л

г*

Т

ИV/ 1 .

......и.....- №в с.

*

р

■ О, - С.Н

Сг

Г, Л

ХГ'-

Г иу

ГУ

№и

гх

т

а) б)

Рис. 5. Динамическая модель колонны (а - структура модели; б - графики переходных процессов на тарелках) I - уровень; Р - давление; Дп+1 - регулятор давления; /?0 - регулятор уровня кубовой жидкости; * - задание; Те, Тн - температура верха и низа в колонне.

Динамическая модель колонны выведена при допущении, что самой медленной составляющей массообмена является изменение состава жидкой фазы на тарелке, в которой принят режим идеального смешения. При таких допущениях, моделью отдельной тарелки является апериодическое звено первого порядка с постоянной времени (Г,):

7*1 =

м1

(1)

¿с/1.

где - масса жидкости на тарелке; - —п - пар; ж - жидкость.

Модель тарельчатой секции из т тарелок принята в виде звена второго порядка с запаздыванием с передаточной функцией:

Для определения тт проведена аппроксимация кривых переходных процессов для секции из двадцати тарелок (Рис. 56) и выведена приближённая формула для времени запаздывания секции в зависимости от числа тарелок (т):

= тТу(т), (3)

где Т - средняя по колонне постоянная времени одной тарелки; у(т) - коэффициент пропорциональности (Табл. 4).

Таблица 4. Выбор у(т)

ш 5 10 15 20 25 30 35 40

/Т 0,6 2,4 6 8 11,2 14,6 18,4 22,8

у(тп) 0,12 0,24 0,4 0,4 0,45 0,49 0,53 0,57

Оценка динамических характеристик для реальной колонны по отдельным каналам проведена статистическим методом, путём обработки реализаций случайных процессов для промышленной установки

а) б)

Рис. 6. Взаимнокорреляционные функции по каналам управления

(а - состава на верхней контрольной тарелке и Fфл; б - состава на верхней контрольной тарелке и Ргр) В работе приведены взаимнокорреляционные функции по каналам возмущения, а также графики реализаций.

13

По взаимнокорреляционным функциям между входными и выходными координатами оценено запаздывание по каналам возмущения и управления (Рис. 6). Оценки времени запаздывания для модели секционной части колонны сопоставлялись с характеристиками, полученными на реальной колонне; установлено качественное и количественное совпадение результатов с характеристиками промышленной колонны.

а) б)

Рис. 7. Схема автоматизации ректификационной колонны

(а - принципиальная схема; б - процесс регулирования) Для оценки динамики работы локальных контуров регулирования проведено моделирование систем стабилизации уровня и давления в колонне в пакете СЬетСАЭ (Рис. 7).

В четвёртой главе приведён алгоритм выбора структуры системы управления ректификационными колоннами на основе анализа физических свойств разделяемых смесей и внешних возмущений.

Рис. 8. Алгоритм выбора структуры системы управления

Проанализирован способ контроля концентрации легколетучего компонента в смеси по косвенному параметру, в частности, по температуре кипения или по парциальному давлению. Показано что: для смеси близкокипящих компонентов температуры кипения и конденсации практически не могут использоваться для регулирования состава; при косвенном контроле состава по температуре кипения необходима точная стабилизация давления в колонне; анализ диаграмм равновесного состояния смеси позволяет определить место установки датчика температуры: в верхней части датчик устанавливается в паровой фазе, а в нижней части - в жидкой фазе.

На основе полученных результатов разработана структура АСУ и программа логического управления ректификационной колонной (Рис. 9).

Система АСУ имеет двухуровневую структуру: Уровень 1: локальные системы регулирования отдельных технологических параметров (давление, уровень, температура питания, расходы); Уровень 2: станция оператора осуществляет управление технологическим процессом, производит обмен блоками данных между контроллером и станцией оператора по сети Ethernet. Моделирующая станция - расчёт режимов технологического процесса и корректировка параметров.

Станция оператора

Уровень 8САРА

Отображение иифорл каши, архивирование данных.

\VinCC О ¡еШ 4 \VinCC ЗСГУСГ 4 коррекция задании

I ПЬсгпс! ¿00ЩШ |тшт ЕАсгпс! : 1п(1и8(па1 Etheгnet

Связь

контроллера и 8САРА

ПЛК

Уровень ПЛК

Обработка информации. формирование заданий

ж

~~ | Датчики I Регулирующим

Расходомеры I ' ' -,

• емиеряпры клапан Ур0Вень пОЛеВЫХ уСТрОИСТВ

('бор информации. Выполнение задании

!,: ь.ь

|г

Интеллектуальные полевые устройства

Рис. 9. Структура АСУ ректификационной установки

Гпавный экран

Ректификационная установка

':10\1Ш012 18:34

КЯНДи

Рис. 10. АРМ оператора-технолога По результатам исследований разработан учебно-тренировочный комплекс для студентов, обучающихся по специальности АТПП.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана методика исследования статических режимов ректификационной колонны при возмущениях по расходу и составу питания в широком диапазоне, на основании которого производится выбор структуры системы управления колонной.

2. Предложен алгоритм логического управления ректификационными колоннами при колебаниях расхода и состава питания в широком диапазоне.

3. Впервые получена и апробирована секционная модель тарельчатой части ректификационной колонны.

4. Разработан алгоритм выбора структуры системы управления ректификационными колоннами на основе анализа физических свойств разделяемых смесей и внешних возмущений.

5. Разработаны методические рекомендации по имитационному моделированию АСУ ректификационных колонн.

6. Предложенный алгоритм программно-логического управления колоннами при изменении параметров питания установки в широком диапазоне рассмотрен ЗАО «Нефтехимпроект» с целью применения для разработки проектной и рабочей документации.

7. Результаты, полученные в работе, использованы в учебном процессе для проведения практических занятий и выполнения курсовых и дипломных проектов в МГУИЭ.

8. Алгоритм диагностики нарушений в технологическом процессе по режимным параметрам принят к внедрению в ООО «ГПИ СПЕЦАВТОМАТИКА».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Абрамов К.В. Применение пакета ChemCAD в УТК для изучения процесса ректификации как объекта управления // науч. конф. студентов и молодых учёных МГУИЭ: Тезисы докладов. - М.: МГУИЭ, 2010 - с. 125-132.

2. Абрамов К.В. Особенности моделирования контуров управления уровнем жидкости в кипятильнике и конденсаторе ректификационной колонны // Техника и технология: новые перспективы развития: Материалы II международной научно-практической конференции (30.06.2011). - М.: «Спутник +»,2011 -с. 4-8.

3. Абрамов К.В. Методика определения коэффициентов ПИД-контроллера при моделировании автоматизированных систем управления ректификационной колонной с применением пакета ChemCAD // Инженерный Вестник Дона (электронный журнал) № 2,2011.

4. Абрамов К.В., Степанова A.A. Применение пакета ChemCAD в задачах исследования процесса ректификации как объекта управления // науч. конф. студентов и молодых учёных МГУИЭ: Тезисы докладов. -М.: МГУИЭ, 2011 - с. 205-208.

5. Софиева Ю.Н., Абрамов К.В. Применение пакета моделирующих программ ChemCAD в учебно-тренировочных комплексах для изучения систем автоматизации ректификационных установок // Инженерный Вестник Дона (электронный журнал) № 1,2012.

6. Абрамов К.В., Смирнов В.Н., Софиева Ю.Н. Программно-логическое управление ректификационными колоннами // Инженерный Вестник Дона (электронный журнал) № 1,2012.

7. Абрамов К.В., Софиева Ю.Н. Разработка инвариантной системы управления процессом ректификации // ПРИБОРЫ №3(64), 2012 - с. 42-47.

Подписано в печать: 23.03.12 Тираж: 100 экз. Заказ № 63 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, ул. Бауманская, д. 33 (495) 979-96-99; www.reglet.ru

61 12-5/2360

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ»

РАЗРАБОТКА ИНВАРИАНТНЫХ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ РЕКТИФИКАЦИОННЫМИ УСТАНОВКАМИ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Абрамов Кирилл Владимирович

ДИССЕРТАЦИЯ

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Софиева Юлия Николаевна

Москва-2012

Оглавление

Введение.....................................................................................................................4

Глава 1. Задачи автоматизации ректификационных колонн......................10

1.1. Краткое описание технологии процесса.......................................................10

1.2. Современное состояние и проблемы управления ректификационными установками..............................................................................................................12

1.3. Постановка задачи...........................................................................................22

1.3.1. Исследование ректификационной колонны как объекта управления.....22

1.3.2. Выбор структуры системы управления.......................................................30

Глава 2. Разработка алгоритма логического управления............................36

2.1. Планирование эксперимента по анализу рабочей области ректификационной установки................................................................................36

2.2. Моделирование статических режимов работы для трёх вариантов задачи управления................................................................................................................38

2.3. Исследование статических режимов ректификационных колонн при различных вариантах возмущений........................................................................46

2.4. Построение алгоритма логического управления..........................................56

Глава 3. Вывод динамической модели ректификационной колонны........59

3.1. Вывод динамической модели отдельных секций колонны для расчёта инвариантной системы регулирования.................................................................59

3.2. Моделирование переходных процессов в системах регулирования уровня, давления и расходов................................................................................................66

3.3. Исследование реакции колонны на периодические сигналы......................81

Глава 4. Выбор структуры системы управления ректификационными

колоннами...............................................................................................................95

4.1. Анализ чувствительности режимных параметров процесса к составу смеси ...................................................................................................................................95

4.2. Сравнительный анализ промышленных систем регулирования

ректификационных установок..............................................................................104

4.2.1. Локальные схемы регулирования отдельных параметров процесса......104

4.2.2 Схемы связанного регулирования ректификационных колонн...............108

4.3. Алгоритм проектирования систем управления ректификационными установками............................................................................................................113

4.4. Структура АСУ и программа логического управления............................114

4.5. Разработка учебно-тренировочного комплекса по курсу АТПП.............121

Заключение...........................................................................................................127

Используемая литература.....................................................................................129

Приложения............................................................................................................143

Введение

Актуальность работы. Создание оптимальных систем управления ректификационными установками требует детального изучения физических свойств разделяемых смесей, анализа чувствительности измеряемых показателей состава продукта к режимным параметрам процесса, учёта реальных условий работы аппаратов.

Системы оптимального управления ректификационными установками требуют наличия непрерывных анализаторов состава в контуре управления и использования автономных систем регулирования составов верхнего и нижнего продуктов. Отсутствие непрерывных анализаторов состава для некоторых смесей и сложность настройки автономной системы регулирования для промышленных объектов приводит к тому, что решение такой задачи практически невозможно.

В последние годы появилась возможность для анализа технологического объекта на стадии проектирования использовать специализированные программные комплексы. Объединив в своей структуре полные модели технологических объектов, вычислительный комплекс позволяет проводить эксперимент на модели реального технологического аппарата и даёт возможность исследовать влияние различных возмущений на работу всей системы в целом. Особый интерес представляет моделирование и исследование различных режимов в ректификационных установках, которые являются одними из наиболее сложных технологических объектов управления из-за их многосвязности и большой инерционности.

Целью диссертационной работы является повышение точности

управления процессом ректификации за счёт применения разомкнутой

инвариантной системы регулирования в автоматизированной системе

управления (АСУ) ректификационными установками. В соответствии с данной

целью были поставлены и решены следующие задачи:

4

1. Разработка разомкнутой системы управления процессом массообмена в колонне, обеспечивающей инвариантность состава продуктов к колебаниям расхода и состава питания в широком диапазоне.

2. Разработка алгоритма логического управления и диагностики режимных параметров ректификационных колонн на основе анализа рабочей области промышленных установок.

3. Вывод динамической модели колонны для расчёта инвариантных систем регулирования.

4. Создание алгоритма проектирования инвариантной системы управления ректификационными установками.

5. Разработка методических рекомендаций по имитационному моделированию систем автоматического регулирования ректификационных колонн.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методы математического анализа, статистической динамики, теории управления и имитационного моделирования.

Достоверность результатов работы подтверждает сопоставление расчётных и экспериментальных данных по режимным параметрам промышленной колонны для разделения смеси «этан-этилен». Режимные параметры имитационной модели сравнивались с проектными данными промышленной колонны; рабочая область по расходу и составу питания выбиралась по реализациям процессов в промышленной колонне, полученным в режиме нормальной эксплуатации; оценки времени запаздывания модели секционной части колонны сопоставлялись с характеристиками, полученными по взаимнокорреляционным функциям реальной колонны; установлено их качественное и количественное совпадение с характеристиками промышленной колонны.

На защиту выносится:

1. Динамическая модель ректификационной колонны для расчёта инвариантной системы управления.

2. Способ диагностики и алгоритм логического управления ректификационными установками в зависимости от возмущений по расходу питания и температуре на контрольной тарелке.

3. Алгоритм выбора структуры системы управления ректификационными колоннами на основе анализа физических свойств разделяемых смесей и внешних возмущений.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработана секционная модель динамики ректификационной колонны для расчёта инвариантной системы регулирования.

2. Предложен новый способ диагностики технологического режима в ректификационной установке по технологическим показателям процесса (расход питания, температура на контрольной тарелке), позволяющий провести коррекцию настройки системы управления колонной.

3. Предложен новый подход к разработке систем автоматизации ректификационных колонн с учётом чувствительности режимных параметров процесса к составу продуктов.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Предложена методика имитационного моделирования с использованием блочных моделей технологических аппаратов для разработки АСУ ректификационными колоннами при колебаниях по расходу и составу питания в широком диапазоне. Разработан учебно-тренировочный комплекс для студентов, обучающихся по дисциплине «Автоматизация технологических процессов и производств». Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются при проведении практических занятий и выполнении курсовых и дипломных проектов в МГУИЭ.

Алгоритм программно-логического управления колоннами при

изменении параметров питания в широком диапазоне рассмотрен

6

ЗАО «Нефтехимпроект» с целью применения для разработки проектной и рабочей документации.

Алгоритм диагностики нарушений в технологическом процессе по режимным параметрам принят к внедрению в ООО «ГПИ СПЕЦАВТОМАТИКА».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на II Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (Москва, 2011 г.), Втором инвестиционном фестивале «Экология для человека-семьи-общества: социально значимые молодёжные проекты» (Москва, 2011 г.), научная конференция студентов и молодых учёных МГУИЭ (Москва, 2010, 2011 г.)

Публикации результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работы, из них 4 - в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура работы.

Во введении приведена краткая характеристика процесса ректификации как объекта управления, обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проанализированы основные работы, посвящённые современному состоянию и проблемам автоматизации управления ректификационными установками (школа Анисимова И.В., школа Дудникова Е.Г., Douglas А.Р., LePree J., Luyben W.L., и др.).

Основные направления современных исследований включают комплексную модернизацию АСУ ректификационными установками с целью минимизации энергозатрат на разделение смеси при изменении нагрузок в широком диапазоне и способы одновременного регулирования составов верхнего и нижнего продуктов.

Во второй главе приведена разработка алгоритма логического

управления ректификационной установкой на основе моделирования

7

статических режимов колонн для разделения смеси «метанол-вода» при возмущениях в пределах ± 10 % от проектных значений и для смеси «этан-этилен» в переделах ± 20 % от проектных значений. Рассмотрены три варианта основной задачи управления: стабилизация состава дистиллята, стабилизация производительности по дистилляту, стабилизация тепловой нагрузки на кипятильник. Проведён анализ рабочей области «этан-этиленовой» колонны при восьми вариантах возмущений при условии Сд — const; Тк — const.

Третья глава посвящена выводу секционной динамической модели ректификационной установки. Моделированию переходных процессов в системах регулирования уровня, давления, расхода. Исследованию реакции ректификационной колонны на периодические сигналы.

В четвёртой главе приводится алгоритм выбора структуры системы управления ректификационными колоннами на основе анализа физических свойств разделяемых смесей и внешних возмущений. Проанализирован способ контроля концентраций легколетучего компонента в смеси по косвенному параметру, в частности, по температуре кипения или по парциальному давлению. Разработана структура АСУ и программа логического управления ректификационной колонной. Представлен учебно-тренировочный комплекс для студентов, обучающихся по специальности ATI 111.

В приложении приводится описание методического обеспечения для учебно-тренировочного комплекса по курсу АТПП, текст программы логического управления колонной, результаты моделирования рабочей области промышленной колонны, копии актов о внедрении основных результатов работы.

Работа выполнена в Московском Государственном Университете Инженерной Экологии на кафедре «Техническая кибернетика и автоматика».

Автор глубоко благодарен коллективу кафедры ТКА МГУИЭ за дружескую помощь и поддержку.

Автор искренне благодарен заведующему кафедры ТКА МГУИЭ доктору технических наук профессору Софиеву Александру Эльханановичу за ценные советы и замечания.

Автор выражает особую признательность научному руководителю кандидату технических наук доценту Софиевой Юлии Николаевне за постановку задачи и помощь в её решении.

Глава 1. Задачи автоматизации ректификационных колонн

1.1. Краткое описание технологии процесса

Сущность процесса ректификации можно охарактеризовать более детально как разделение жидкой смеси на дистиллят и остаток в результате двухступенчатого взаимодействия жидкости с парами.

Пар для питания ректификационного аппарата получается многократным испарением жидкости, имеющей тот же состав, что и кубовый продукт, а жидкость - многократной конденсацией пара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята. На рисунке 1 представлена технологическая схема ректификационной колонны.

Рхл

Бгр

Рк, Ск

Рис. 1 Технологическая схема ректификационной колонны

1 - ректификационная колонна; 2 — конденсатор; 3 - сборник флегмы; 4 — кипятильник.

- расход питания; Су - состав питания; расход греющего пара; Р^- расход хладагента; ^ - расход дистиллята; Сд - состав дистиллята; Рк- расход кубовой жидкости; Ск - состав кубовой жидкости; Fфл- расход флегмы; Ь - уровень кубовой жидкости; Р - давление в колонне.

Сырье подается в середину колонны на тарелку питания, дистиллят, обогащенный легколетучими компонентами, отбирается сверху после конденсатора, а кубовый продукт, обогащенный тяжелолетучими компонентами, отбирается снизу колонны. В нижней части колонны исходная смесь взаимодействует с паром, и из неё извлекается легколетучий компонент. В верхней части пар взаимодействует с жидкостью, вследствие чего пар обогащается легколетучим компонентом, а менее летучий компонент извлекается из паровой фазы.

Материальному балансу разделения отвечают два равенства: для всей смеси

рГ = рд + Рк (1)

для легколетучего компонента в смеси

РГСг = РДСД + FKCK (2)

Пусть — = И, — = В, тогда уравнения (1) и (2) примут вид:

рд рд

О = 1 +В (3)

ЪСТ = сд + ВСК = Сд + (В — 1 )СК (4)

Разделение смеси при ректификации возможно в результате

взаимодействия потоков паров и жидкостей в ректификационном аппарате при

кратности испарения (Рп+1) и кратности конденсации

Решение задачи, сформулированной уравнением (4), сводится, в

конечном счёте, к ответу на вопрос, какова должна быть кратность испарения

жидкости для выделения из неё легколетучего компонента в виде дистиллята, а

11

также кратность конденсации полученных паров для освобождения их от менее летучего компонента.

При рассмотрении взаимодействия жидкости и пара в ректификационной колонне, обычно принимаются следующие допущения [1]:

1) Мольные теплоты испарения компонентов одинаковы, поток пара, движущийся снизу вверх, одинаков в любом сечении аппарата;

2) Состав пара, уходящего из колонны, равен составу дистиллята;

3) Состав пара, образующийся в испарителе, равен составу кубового остатка.

Таким образом, технологические параметры, соответствующие определённому режиму включают в себя /у, Cf, Сд, Ск, которые рассчитываются при определённых давлениях и температуре. В непрерывных аппаратах поддержание материального баланса по жидкой фазе обычно реализуется через регулирование уровня в колонне.

Обычная система автоматизации ректификационной установки должна обеспечить стабилизацию всех указанных технологических параметров на расчётных значениях.

1.2. Современное состояние и проблемы управления ректификационными установками

Задача минимизации энергозатрат

Процесс ректификации требует большого количества энергии, идущего на разделение исходной смеси, поэтому существует необходимость поиска путей экономии энергозатрат на процесс разделения. Первый путь заключается в модернизации контактных устройств и увеличения их коэффициента полезного действия (КПД) или перехода к насадочным колоннам [2, 3,4, 5].

Второй путь заключается в поиске параметров ректификационной колонны, прямо или косвенно влияющих на потребление энергии в процессе. Исследования показали, что на все основные показатели ректификации, в том

12

числе и на расход энергии, существенно влияет выбор давления и температуры. Главной составной частью расхода энергии на ректификационных установках является подвод теплоты на парообразование в кипятильнике. Понижение температуры и давления ректификации вызывает, как правило, увеличение коэффициента разделения и даёт возможность сократить потоки по колоннам и, соответственно, расход энергии на испарение. Кроме этого понижение температуры позволяет использовать для обогрева испарителей теплоноситель с более низкими параметрами, то есть более дешевый, в том числе дешевое отбросное тепло. Понижение температуры и давления