Система автоматического регулирования давления в ректификационной колонне

Система автоматического регулирования давления в ректификационной колонне

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЕ с конденсатором воздушного охлаждения и концевым конденсатором с водяным охлаждением, содержащая датчик и регулятор давления , датчик и регулятор расхода охлаждающей воды в концевой конденсатор , подключенный к исполнительному механизму на трубопроводе охлаждающей воды, датчик температуры охлаждающего воздуха, блок дискретного управления, вход которого соединен с выходом датчика расхода охлаждающей воды, а выходы - с злектродвигателями вентиляторов конденсатора воздущного охлаждения, вычислительный блок, входы которого связаны с блоком дискретного управления и выходами датчиков температуры охлаждающего воздуха и расхода охлаждающей воды, динамический I компенсатор, вход которого связан с выходом вычислительного блока, и сумматор, один вход которого соединён с выходом регулятора давления, другой вход - с выходом динамического компенсатора, а вькод сумматора подключен к входу регулятора расхода охлаждающей воды, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью улучшения качества продукта путем уве-, личения динамической точности и быстродействия системы, в нее дополнительно введены датчики расходов флегмы и дистиллята, датчик уровня продукта во флегмоной емкости, блок вычисления расхода пара через конт денсатор воздущного охлаждения, (Л входы которого подключены к датчикам расходов флегмы и дистиллята и датчику уровня продукта во флегмовой емкости, а выход - к первому дополнительному входу вычислительного блока, блок адаптации, один вход которого соединен с первым дополнительным выходом вычислитель СП ного блока, а другие входы связаны с ьо выходами сумматора, датчика темпераОд туры охлаждающего воздуха, датчика расхода охлаждакщей воды и блока вычисления расхода пара через конденсатор воздзшного охлаждения, а выход блока адаптации подключен к второму дополнительному входу вычислительного блока, при этом второй дополнительный выход вычислительного блока соединен с дополнительным входом блока дискретного управления.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИ4ЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

4(!1 B Ol D 3/42

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2l) 3676548/23-26 (22) 13.12.83 (46) 30.04,85. Бюл. М 16 (72) В.А.Дзираев, 10.А.Куликов, В.Б.Покровский, Н.Н.Рено, И.Н.Терюшов и А.N.Ðÿáoâ (71) Казанский ордена Трудового

Красного Знамени химико-технологический институт им.С.M.ÊHðoâà (53) 66.012.52 (088.8) (56) 1.Патент США Р 2976234, кл.208-350,1961.

2.Авторское свидетельство СССР

Р 971394, кл.В Ol Р 3/42,1981. (54)(57) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО

РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЕ с конденсатором воздушного охлаждения и концевым конденсатором с водяным охлаждением, содержащая датчик и регулятор давления, датчик и регулятор расхода охлаждающей воды в концевой конденсатор, подключенный к исполнительному механизму на трубопроводе охлаждающей воды, датчик температуры охлаждающего воздуха, блок дискретного управления, вход которого соединен с выходом датчика расхода охлаждающей воды, а выходы — с электродвигателями вентиляторов конденсатора воздушного охлаждения, вычислительный блок, входы которого связаны с блоком дискретного управления и выходами датчиков температуры охлаждающего воздуха и расхода охлаждающей воды, динамический

„„SU„,; 1152604 компенсатор, вход которого связан с выходом вычислительного блока, и сумматор, один вход которого соединен с выходом регулятора давления, другой вход — с выходом динамического компенсатора, а выход сумматора подключен к входу регулятора расхода охлаждающей воды, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью улучшения качества продукта путем уве;„ личения динамической точности и быстродействия системы, в нее допол-нительно введены датчики расходов флегмы и дистиллята, датчик уровня продукта во флегмовой емкости, блок вычисления расхода пара через конч денсатор воздушного охлаждения, входы которого подключены к датчикам расходов флегмы и дистиллята и датчику уровня продукта во флегмовой емкости, а выход — к первому дополнительному входу вычислительного блока, блок адаптации, один вход которого соединен с первым дополнительным выходом вычислитель ного блока, а другие входы связаны с выходами сумматора, датчика темпера. туры охлаждающего воздуха, датчика расхода охлаждающей воды и блока вычисления расхода пара через конденсатор воздушного охлаждения, а выход блока адаптации подключен к второму дополнительному входу вычислительного блока, при этом второй дополнительный выход вычислительного блока соединен с дополнительным входом блока дискретного управления.

1 115

Изобретение относится к системам автоматического регулирования режимов работы ректификационных колонн с конденсатором (дефлегматором ) воздушного охлаждения (КВО ),представляющим груп- 5 пу параллельно включенных аппаратов воздушного охлаждения (АБО 1, и концевым конденсатором с водяным охлажде нием, и может найти применение при автоматизации процессов ректифика- 10 ции в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Известна система автоматического регулирования давления в ректификационной колонне, содержащая датчики 15 расходов флегмы и дистиллята, датчик уровня продукта во флегмовой емкости, связанные с вычислительным блоком, соединенным с датчиком давления в колонне и с клапаном подачи флег- 20

Ñ1 3.

Однако известная система не учитывает изменений характеристик аппаратов в процессе эксплуатации.

Наиболее близкой по технической !5 сущности и достигаемому результату к изобретению является система автоматического регулирования давления в ректификационной колонне с конденса тором воздушного охлаждения и кон- 30 цевым конденсатором с водяным охлаждением, содержащая датчик и регулятор давления, датчик и регулятор расхода охлаждающей воды в концевой конденсатор, подключенный к исполнительному механизму на трубопроводе охлаждающей воды, датчик температуры охлаждающего воздуха, блок дискретного управления, вход которого соединен с выходом датчика рас- 0 хода, а выходы — с электродвигателями вентиляторов конденсатора воздушного охлаждения, вычислительный блок, входы которого связаны с блоком дискретного управления и выхо,дом датчиков температуры охлаждающего воздуха и расхода охлаждающей воды, динамическич компенсатор, вход которого связан с выходом вычислительного блока, и сумматор, один вход 0 которого соединен с выходом регулятора давления, другой — с выходом динамического компенсатора, а выход сумматора подключен к входу регулятора расхода охлаждающей во- 55 ды (21.

Однако известная система не решает задачи измерения расхода

2б04 пара через КВО и коррекции по величине этого расхода воздействий на изменение расхода охлаждающей воды в концевой конденсатор, осуществляемых системой регулирования при отключении (подключении ) вентиляторов КВО. Это приводит к ошибкам в определении тепловой производительности КВО и, следовательно, к снижению качества регулирбвания давления в ректификационной колонне, что, в свою очередь, вызывает ухудшение технико-экономических показателей процесса.

Известная система не обеспечивает адаптации математической модели, используемой в вычислительном блоке для расчета управляющих воздействий, к изменяющимся в процессе эксплуатации характеристикам КВО и концевого конденсатора. Это приводит к ошибкам в определении управляющих воздействий, и следовательно, к снижению качества регулирования давления.

Кроме того, в системе не предус, мотрена возможность расчета и изменения числа одновременно подключаемых (отключаемых ) вентиляторов КВО в зависимости от величины расхода пара через KBO и температуры окружающего воздуха для обеспечения перестановки исполнительного механизма концевого конденсатора из крайнего верхнего (нижнего )положения в положение, обеспечивающее его эффективную работу по стабилизации давления в колонне. Это приводит при определенных условиях.к увеличению частоты срабатывания вентиляторов КВО и, следовательно, к ухудшению качества работы автоматической системы.

Цель изобретения - повышение качества продукта путем увеличения динамической точности и быстродействия регулирования давления в ректификационной колонне.

Укаэанная цель достигается тем; что в систему автоматического регулирования давлении в ректификационной колонне с конденсатором воздушного охлаждения и концевым конденсатором с водяным охлаждением, содержащую датчик и регулятор давления, датчик и регулятор расхода охлаждающей воды в концевой конденсатор, подключенный к исполнительному ме.—

3 11526 ханизму на трубопроводе охлаждающей воды, датчик температуры охлаждающего воздуха, блок дискретного управления, вход которого соединен с выходом датчика расхода охлаждающей воды, а выходы — с электродвигателями вентиляторов конденсатора воздушного охлаждения, вычислительный блок, входы которого связаны с блоком дискретного управления и выхо- !О дами датчиков температуры охлаждающего воздуха и расхода охлаждающей воды, динамический компенсатор, вход которого связан с выходом вычислительного блока, и сумматор, !5 один вход которого соединен с выходом регулятора давления, другой вход — с выходом динамического компенсатора, а выход сумматора подключен к входу регулятора расхода 20 охлаждающей воды, дополнительно введены датчики расходов флегмы и дистиллята, датчик уровня продукта во флегмовой емкости, блок вычисления расхода пара через конденсатор воз- 25 душного охлаждения, входы которого подключены к датчикам расходов флегмы и дистиллята и датчику уровня продукта во флегмовой емкости, а выход — к первому дополнительному 30 входу вычислительного блока, блок адаптации, один вход которого соединен с первым дополнительным выходом вычислительного блока, а другие входы связаны с выходами сумматора, датчика температуры охлаждающего воздуха, датчика расхода охлаждающей воды и блока вычисления расхода пара через конденсатор воздушного охлаждения, а выход блока адаптации подключен к второму дополнительному входу вычислительного блока, при этом второй дополнительный выход вычислительного блока соединен с дополнительным входом блока дискретного45 управления

На чертеже дана принципиальная схема системы автоматического регулирования давления в ректификационной колонне.

Система включает в себя объект регулирования, состоящий из ректификационной колонны 1, КВО 2, представляющего собой группу-параллельно работающих АВ0, концевого конденсатора 3 с водяным охлаждением и флегмос вой емкости 4, электродвигатели венти04 4 ляторов 5 1(ВО 2, датчик и регулятор давления 6 в ректификационной колон- не 1, датчик 7 расхода охлаждающей воды, регулятор расхода 8, исполнительный механизм 9, блок дискретного управления !О, вычислительный блок ll динамический компенсатор 12, сумматор 13, датчик 14 температуры охлаждающего воздуха, датчики расхода флегмы 15 и дистиллята 16, датчик 17 уровня продукта во флегмовой емкости 4, блок 18 вычисления расхода пара через КВО 2 и блок адаптации !9.

Система автоматического регулиР рования давления работает следующим образом.

Для сохранения заданной величины давления Р в ректификационной колонне 1 необходимо обеспечить тепловой баланс установки, то есть равенство между количеством тепла, содержащимся в выходящих из колонны парах продукта, и количеством тепла, снимаемым в конденсаторах воздушного 2 и водяного 3 охлаждения. Последнее распределяется между аппаратами воздушного охлаждения KBO 2 и концевым конденсатором 3 и может изменяться в широких пределах ступенчато, путем включения и отключения вентиляторов 5 KBO 2, и в узких пределах плавно, изменением подачи воды в концевой конденсатор 3. Подключение (отключение вентиляторов

5 КВО 2 производится блоком дискретного управления 10 по команде вычислительного блока -ll при исчерпании регулирующих ресурсов концевого конденсатора 3, то есть когда исполнительный механизм 9 на линии подачи охлаждающей воды достигает крайне го верхнего (нижнего ) положения.

Сохранение заданной величины давления P в ректификационной колонне при небольших колебаниях температуры окружающего воздуха и изменениях паровой нагрузки колонны обеспечивается датчиком и регулятором давления 6, оказывающим воздействие на исполнительный механизм 9 через сумматор 13 и регулятор расхода 8.

При этом эффективность подавления регулятором 6 возмущений по температуре окружающего воздуха обусловлена низкочастотным характером последних по сравнению с собственной частотой контура регулирования давления. Возмущения по расходу пара

1152604

1 (ц (!1 где и — приращение тепловой производительности

КВО 2 при включении (отключении ) j-го вентилятора (j-1,2) на -м аппарате воздушного охлаждения:

Й„ — количество тепла, отвод димое в концевом конденсаторе 3 с водяным о. лаждением1 также эффективно отрабатываются контуром регулирования по отклонению., поскольку узел конденсации обладает по отношению к изменениям парового потока в колонне большим 5 самовыравниванием, чем узел конденсации, содержащий лишь конденсатор водяного охлаждения.

При значительных изменениях температуры окружающего воздуха и паро10 вого потока в колонне 1 для поддержания заданной величины давления необходимо изменение числа работающих вентиляторов 5 КВО 2. Это осуществляет блок дискретного управления 10 который в моменты достижения исполнительным механизмом 9 заданных верхнего или нижнего положений вырабатывает команду на вычислительный блок 11, Последний производит расчет числа подключаемых (отключаемых ) вентиляторов 5 КВО 2 и,в свою очередь, воздействует на блок диск-. ретного управления 10, выдающий команду на срабатывание вентиляторов

Для обеспечения инвариантности давления по отношению к изменениям тепловой производительности КВО 2, возникающим в моменты подключения (отключения ) вентиляторов, вычисли- ЗО тельный блок 11 осуществляет одновременное воздействие на исполнительный механизм 9 концевого конденсатора 3 через динамический компенсатор 12, сумматор 13 и регулятор рас- g хода 8. Расчет этих воздействий должен производиться на основе математических моделей конденсаторов воздушного 2 и водяного 3 охлаждения,-представляющих собой статические 1р зависимости

G„, 8> — расход пара через КВО 2 и температура окружающего воздуха соответственно.

Поскольку зависимости (1) и (2 ) носят монотонный, слабонелинейный характер, возможно использование линеариэованных моделей аппаратов в виде !! оь) кк(Gi! о)=f5 (Ops ) x oв юв,о) 1 (q) где G О C — текущие значения napaTl Q ОЬ метров, 6 ь G — значения параметров, hO> Ь0i О,д относительно которых производится линеаризация зависимостей (1) и (2).

Учитывая,что при включении (выключении ) j-го вентилятора íà i-м аппарате воздушного охлаждения общее изменение тепловой производительности КВО 2 дй„@, дадв

И и что

1 воздействие DG,О, на изменение расхода воды в концевой конденсатор необходимо производить из условия й& „

= — Й, получим на основании соотношений (3 ) и (4! следующую линейную модель, используемую в вычислительном блоке 11; (1!

I (!! О! i, 01

Здесь К, . = )ф К2,1 = "т, ) Р

I а подстрочные индексы 1 и надстрочные 1 означают, что расчет управляющих воздействий производится для случая включения(отключения ) j --го вентилятора на 1-м аппарате воздушного охлаждения.

Информация о величине расхода пара 6„через КВО 2 поступает в вычислительный блок 11 от блока 18 вычисления расхода пара через КВО, связанный с датчиками расходов флегмы 15 и дистиллята 16, а также датчиком 17 уровня продукта во флегмовой емкости 4. Алгоритм работы блока 18 базируется на использова1152604 нии уравнения материального баланса фпегмовой емкости 4:

, )

G Gф-G = —, (ь)

Ф А где 4ф,Gд — значения расходов флег- 5 мы и дистиллята, измеряемые датчиками 15 и 16; у — удельный вес продукта во флегмовой емкости 4; объем, занимаемый продуктом во флегмовой емкости.

Значение правой части соотношения (6 I вычисляется в блоке 18 вычисления расхода пара через КВО !5 путем обработки сигнала датчика уров ня 17 по алгоритму, определяемому формой и геометрическими размерами флегмовой емкости 4. При этом предполагается, что удельный вес 20 продукта г = const

В модели (5 ), используемой в вычислительном блоке 11, коэффици нты К „,.1и К, изменяются с течением (11 времейи вследствие загрязнения теплопередающих поверхностей КВО 2 и концевого конденсатора 3 а также при значительных изменениях расхода rapa Q через KBO 2 и температуры окруи жающего воздуха 9в . Это определяет 30 необходимость, адаптации коэффициентов модели К,, и К 1,, что реали1 зуется в предлагаемои системе блоком адаптации 19. Для адаптации коэффициентов математической модели (5) в блоке адаптации 19 используют оптимальный одношаговый алгоритм„

Принцип работы вычислительного блока ll и блока адаптации 19 заключается в следующем„ 40

Пусть tg(f = 0,1,2,...) — моменты включения (отключения ) j-ro вентилятора на i-и аппарате воздушного охлаждения, имеющие место при достижении исполнительным механизмом 9 45 заданного верхнего (нижнего) положения, с в время переходного процесса в системе регулирования давления после включения (отключения ) вентилятора АВ0. Вычислительный блок 11 в S0 моменты рассчитывает по модели (5) и вырабатывает ступенчатое воздействие AG в (t<)(,. на изменение расхода воды через концевой конденсатор 3 с целью компенсации возмущения, выз- 55 ванного срабатыванеим вентилятора ABO

Это воздействие подается на динамический компенсатор 12, который формиФ рует закон перемещения исполнительного механизма 9 во времени обесУ печивая инвариантность давления в колонне по отношению к рассматриваемому возмущению в переходном режиме.

К моменту времени t. + регулятор давления 6, оказывающий дополнительное воздействие на исполнительный механизм 9 через сумматор 13 и регулятор расхода 8, устанавливает такое приращение расхода воды 5 oe(kqt

d"It,I". =dc,, (, с)-DG, (, " .р!

В случае, если ошибка превышает допустимую, блок адаптации производит в момент 4< + i вычисление новых значений коэффициентов модели (5) и осуществляет воздействие на вычислительный блок 11 с целью корректировки их старых значений.

Алгоритм работы вычислительного блока ll реализуя изложенный вьппе принцип, предусматривает также возможность одновременного подключения вентиляторов на нескольких аппаратах АВ0. Алгоритм имеет следующий

ВИДе

1.Расчет управляющего воздействия на изменение расхода воды в концевой конденсатор 3 для j-ro вентилятора на 1-м аппарате воздушного охлаждения по рекуррентиой формуле ь,,(< )". =ад (a -.Ii ê"

»fG„(4,) -G„(t, „+ i))+ <" . (,„-.) (в,(<, Iдв (Ее-1+ )3, (в! где 4 — число одновременно включенных в момент 1 1 вентиляторов АВО.

2.Нахождение суммарного изменения расхода воды в концевой конденсатор 3 при одновременном включении вентиляторов на несколько АВО: и G,„(<,)=Z. C„(<,) .„ ко

1152604

1j) „ ij)

5 (е } А-")

« « (и (Е ") и (- ") где d,G — минимальная величина

f0 воздействия, осуществляющего перестановку исполнительного механизма 9 в попожение, в котором обеспечивается его эффективная работа по стабилизации давления в ректификационной колонне 1.

4.В случае выполнения условия

110) — проверка условия д п () « М, где И вЂ” заданная величина, опреде-

20 ляющая максимально допустимое изменение расхода охлаждающей воды;

Окончание расчета и выдача команды на блок дискретного управления 10

25 о срабатывании соответствующих вентиляторов КВО 2 с одновременным воздействием на исполнительный механизм 9 через динамический компенсатор 12, сумматор 13 и регулятор ЗО расхода 8 для изменения расхода охлаждающей воды через концевой конденсатор 3. При этом величина изме нения расхода равна д zz qt<) при

+ выполнении условия (11) и равна M д в случае его невыполнения, что обеспечивает змциту системы от случайных сбоев в блоке адаптации 19.

5.В случае невыполнения условия

Блок адаптации 19 в моменты 4 + работает в соответствии со следующим алгоритмом: 45

I.Âåëè÷èíà суммарной ошибки предсказания . в) д вв("г ") () « 1 « ) . - «" « )/

З,В случае выполнения условия 55 (13) — окончание расчета.

4.В случае невыполнения условия (13) — вычисление новых значений где М 0 при первом обращении к пункту 2 (срабатывает один вентилятор КВО 2), п = 1 при втором обращении (срабатывают одновременно два вентйлятора )и т.д.

З.Проверка условия (

2.Проверка условия

У ® а „,„,, (в) коэффициентов моделей аппаратов по рекуррентным формулам:

3 п(у ") п(1-1" 5j (в(Е ) в((-1 ")l

К (+ « «) к ($ / ) +

« I М (() " l)

"+fG(Е Ч С и (41- "Л Рв(е "") дв (tj.- ")2 где г — параметр алгоритма, величина которого определяется во время наладки системы на действующем объекте; (j) "1 в),. — ошибка предсказания для одного аппарата АВО, определяемая соотношением где И вЂ” число одновременно подключенных в момент 1 вентиляторов.

5.Окончание расчета и выдача команды на вычислительный блок 11 для корректировки прежних значений параметров модели.

Рассмотрим работу предлагаемой системы автоматического регулирования давления в следующей ситуации.

Пусть в момент времени 1„ за счет увеличения температуры 8в охлаждающего воздуха тепловая производительность КВО 2 уменьшилась до такой величины, что исполнительный механизм 9 на линии подачи охлаждающей воды в концевой конденсатор 3 за счет воздействий регулятора 6 давления в колонне достиг своего верхнего граничного положения. Допустим, что очередным вентилятором для подключения в этот момент, является второй вентилятор АВО, то есть j=2> j=2

Пусть предшествующее включение данного вентилятора произошло в момент времени 1 и вычислительный блок Il одновременно выдал тогда управляющее воздействие на изменение расхода воды в )концевой конденсатор 3 на величину дС+в (to) .Это воздействие, рассчитанное по формуле (8 ), вследствие неточности коэффици(z.j pj ентов К 1, и К модели аппаратов, мог1152604

12 ло не обеспечить инвариантности в статике давления Р в колонне по отношению к возмущению, вызванному включением. вентилятора. Однако регулятор давления 6, содержащий в законе регулирования интегральную составляющую, оказал дополнительное воздействие на исполнительный механизм 9 через сумматор,13 и регулятор расхода 8 и к моменту + окончания переходного процесса, вызванного включением вентилятора, обеспечил изменение расхода охлаждающей воды л(» (to++i) . Обычно время переходного процесса в системе регулирования давления не превышает 10-15 мин.Поэтому можно допус-тить что в ректификационной установке большой единичной мощности за время Г не произойдет существенных изменений расхода пара 6„ через

КВО 2 и температуры Е охлаждающего воздуха, то есть

GÄ(C,.с) =E; Я; В,(<,.с)=О,(,). t0

Таким образом, в момент 1 + Г была определена величина изменения расхода охлаждающей воды дЬ, «о Ц, которая обеспечивает инвариантность в в статике давления в колонне по ° Зо отношению к возмущению, вызванному включением данного вентилятора, при значениях расхода пара » () через КВ0 2 и температуры 8 (

В момент времени 1 вычислительный блок 11 по формуле (8 ), осуществляет расчет величины управляющего воздействия й4 (1„)2, используя коэффициенты модели, найденные в момент 4,+ 7 . B частности, если в момент 1, величина расхода пара С1„(4,) через КВО 2 и температуры 0 ((„)oõлаждающего воздуха равны их значениям в момент 1,, то величина управляющего воздействия принимается равной значению a Q os (o + . ) обеспечивающему при тех же условиях инвариантность в статике при предыдущем включении данного вентилятора.

Таким образом, данная система автоматического регулирования дав/ ления в ректификационной колонне позволяет обсуществить качественную и надежную стабилизацию давления при колебаниях температуры окружающего воздуха и паровой нагрузки на колонну, а также при изменениях характеристик аппаратов, имеющих место при эксплуатации установки вследствие загрязнения теплопередающих поверхностей аппаратов воздушного охлаждения KBO 2 и концевого конденсатора.

В данной системе автоматического регулирования давления максимальное динамическое отклонение Zp 2 рав2 тих но 0,35 кгс/см, что составляет 3,2Х от номинала, т.е. меньше допустимого значения, равного 5Х.

Указанная величина отклонения давления практически не окажет влияния на качество получаемого продукта.

1152604

l98999t Заказ 2368/4 . Тираж 659 Подписное

Филиал ППП ПатенР, F.Ужгород, .ул.Проектная, 4