CC BY
148
Программно-логическое управление ректификационными колоннами К.В. Абрамов, В.Н. Смирнов, Ю.Н. Софиева.
Московский государственный университет инженерной экологии
Известно, что большинство продуктовых ректификационных колонн являются завершающими в технологическом процессе, поэтому на их долю выпадают возмущения от предыдущих стадий, как по расходу, так и по составу питания.
Системы оптимального управления ректификационными установками требуют наличие непрерывных анализаторов состава в контуре управления процесса и использование автономных систем регулирования составов верхнего и нижнего продуктов. Отсутствие непрерывных анализаторов состава и сложность настройки автономной системы регулирования для промышленных объектов приводит к тому, что решение такой задачи практически невозможно.
Данная статья посвящена построению алгоритма программнологического управления колоннами при изменении параметров питания установки в широком диапазоне.
Анализ различных систем управления ректификационными установками показал, что они решают три основные задачи [1]:
1) Стабилизация состава дистиллята (Табл. 1);
2) Стабилизация производительности по дистилляту;
3) Стабилизация тепловой нагрузки на кипятильник (Табл. 2).
Ниже приводятся результаты моделирования указанных режимов для смеси «метанол-вода» в пределах ± 10 % от проектных значений расхода питания и концентрации легколетучего компонента (Табл. 1, 2).
Таблица 1. Параметры ректификационной колонны при постоянном ___________________составе дистиллята и возмущениях по питанию
компоненты р.г СІ Rфл Fфл Fд Fк б
Нормальный режим Метанол 10000 5000 5.1 23308 4570.2 5429.8 33281.3
Вода 5000
При возмущении по расходу - 10 % Метанол 9000 4500 5.1 21049.5 4113.1 4886.9 29953.1
Вода 4500
+ 10 % Метанол 11000 5500 5.1 25727.1 5027.1 5972.9 36609.3
Вода 5500
При возмущении по составу - 10 % Метанол 10000 4500 6.01 24141.9 4015.8 5984.2 33613
Вода 5500
+ 10 % Метанол 10000 5500 4.38 22472.8 5124.4 4875.6 32769.1
Вода 4500
В первой задаче (Табл.1), при возмущениях по расходу (р) производительность по дистилляту (Рд), расход кубовой жидкости (РК) и тепловая нагрузка кипятильника (О) изменяются пропорционально изменению расхода питания, а флегмовое число ^фл) остаётся постоянным. При колебаниях состава питания в пределах 10 % от номинального, тепловая нагрузка на кипятильник изменяется в пределах 1 %, а расход флегмы - 3 %. Следовательно, в этом случае, в систему автоматизации можно включить автоматическую стабилизацию этих потоков.
Во второй и третьей задачах необходимо программное управление процессами, так как при стабилизации производительности по дистилляту
состав дистиллята за счёт изменения состава питания на ± 10 % изменяется в пределах 9 % от проектного, что противоречит требованиям к системе управления и является недопустимым, а в случае стабилизации тепловой нагрузки кипятильника и состава дистиллята, колебания расхода и состава питания вызывают значительные изменения всех режимных параметров системы, за исключением расхода флегмы (Табл. 2).
Таблица 2. Параметры работы ректификационной колонны при постоянной тепловой нагрузке, составе дистиллята и различных ___________________________________возмущениях по питанию
компоненты Р/ С/ Rфл Fфл Fд Fк О
Нормальный режим Метанол 10000 5000 5.1 23308 4570.2 5429.8 33281.3
Вода 5000
При возмущении 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 возмущении 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
При отсутствии возмущений по питанию, регулирование соотношения между расходом греющего пара и расходом питания обеспечивает минимизацию энергозатрат на разделение смеси в статическом режиме. В динамическом режиме подобная коррекция должна учитывать запаздывание в ректификационной колонне путём введения соответствующего динамического компенсатора.
Анализ условий работы промышленных колонн на примере этан-этиленовой колонны показал, что в реальных условиях колонна работает с переменной нагрузкой по расходу и составу питания в пределах 8-20 % от проектного режима (Рис. 1, 2).
О 60 120 ISO 240 300 360 420 «0 S4¡ 600 660 720 780 8« ?00 960 1.02*105 1.0S»103 1.14<103 1.2*103 1.26*1С3 1.32*103 1.38=<103 1.4М03 l.J*103
т
«Рис. 1. Изменение расхода питания смеси «этан-этилен» в течение суток»
62-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- _
О 60 120 1S0 240 300 360 420 4S0 540 600 660 720 780 840 900 960 1.02x103 1.08х103 1.14*103 1.2*103 1.26x103 1.32*103 1.38x103 1.4Ф403 1.5*Ю2
Т1
«Рис. 2. Изменение концентрации этилена в течение суток»
Для построения алгоритма программно-логического управления в работе рассмотрена задача стабилизации состава дистиллята в этан -этиленовой колонне при четырёх вариантах возмущений по питанию:
1) Изменение расхода питания (5/у) в переделах ± 20 % от проектного значения;
2) Изменение концентрации легколетучего в питании (8Cf) в пределах ± 20 % от проектного значения;
3) Одновременное увеличение (или уменьшение) расхода и концентрации легко летучего в питании (sign 5 /у= sign S£y);
4) Разнознаковое изменение расхода и состава питания (sign 5/у= - sign bCf) (Табл.3);
Таблица 3. Разнознаковое изменение расхода и концентрации
легколетучего в питании в пределах ± 20 % (Вариант 4)
Возмущение Rфл Fфл Fд Fк б
20 % 3,57 14648 4108 842 3741,57
10 % 3,8 14292,1 3765,5 959,5 3622,59
6 % 3,9 14141,2 3628,5 1006,5 3572,45
Нормальное состояние 4,067 13921,6 3423 1076,9 3499,2
- 6 % 4,26 13704,9 3217,5 1147,5 3427,28
- 10 % 4,41 13572 3080,5 1194,5 3381,74
- 20 % 4,84 13246,6 2738 1312 3272,33
На основе анализа полученных результатов моделирования сделаны выводы о предпочтительной структуре системы управления для каждого из случаев:
1) При реализации варианта работы ректификационной колонны №1, поддержание концентрации дистиллята возможно только использованием системы стабилизации флегмового числа, при этом расходы флегмы, дистиллята и кубовой жидкости, а также тепловая нагрузка кипятильника должны изменяться пропорционально возмущению. В этом случае, поддержание материального баланса остаётся за локальными схемами регулирования: в верхней части колонны - стабилизацией давления, в нижней - стабилизацией уровня;
2) При условии выполнения вариантов №2-№4, стабилизация тепловой нагрузки на конденсатор и стабилизация расхода флегмы в колонну хотя и возможны, но неизбежно приведут к потере качества состава дистиллята, поэтому в этих случаях требуется программно-логическое управление.
Из сравнения рассмотренных вариантов сделан вывод, что наиболее универсальной оказывается система регулирования, включающая регуляторы соотношений расходов флегмы и питания и соотношения расходов греющего пара и питания. При этом коэффициенты соотношения &фл и к.^ должны
корректироваться по определённой программе в зависимости от возмущения в колонне по составу питания или составу на контрольной тарелке (Табл. 4).
Косвенным показателем состава является температура смеси на контрольной тарелке и тенденция её изменения [2].
Таблица 4. Коэффициенты соотношения расходов &фл и к.ф
Ff + №f;cf Cf + 5 Cf, Ff sign 5/у = sign дС^ sign 5/у = - sign дС^
5, % к фЛ *гр кфл *гр кфл к?? кфл к??
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
Сравнение энергозатрат на разделение при постоянстве состава дистиллята показало неэффективность стабилизации тепловой нагрузки кипятильника на проектном значении: разность между максимумом и минимумом потребления энергонагрузки при ± 20 % возмущения составляет 40 % от расчётного, а при ± 10 % интервале - 20 %.
Рассмотрим систему автоматического регулирования с программно -логическим управлением, где регулирование основных технологических потоков осуществляется в соответствии с программным управлением, путём корректировки заданий регуляторам. Для реализации программного управления необходимо контролировать расход питания /у и определять
изменение температуры на контрольной тарелке [3].
Логика работы корректирующего устройства иллюстрируется схемой, представленной на рисунке 3.
Рис. 3. Схема логического анализа возмущений и выбора вариантов
управления
Условные обозначения: Тк - температура на контрольной тарелке; /у - расход питания; С? - состав питания; | - увеличение величины; I - уменьшение величины; const - величина не изменяется.
Таким образом, универсальной системы управления, основанной на стабилизации режимных параметров, для реализации требуемого качества дистиллята при всех различных вариантах работы колонн нет и, соответственно требуется инвариантная система с программно-логическим управлением.
Рис. 4. Инвариантная система управления ректификационной колонной
Условные обозначения: ГТ - расходомер; ГС - регулятор расхода; ГУ -программный модуль вычисления запаздывания регулирования; ТТ - датчик температуры; ТУ - программный модуль вычисления изменения температуры; РС - регулятор давления; ЬС - регулятор уровня.
Пример такой системы управления представлен на рисунке 4. Она включает:
- стабилизацию давления в колонне отводом дистиллята;
- регулирование уровня в кубе отводом кубовой жидкости;
- регулирование расхода греющего пара с коррекцией по расходу питания и температуре на нижней контрольной тарелке;
- регулирование соотношения расхода флегмы с коррекцией по расходу питания и температуре на верхней контрольной тарелке.
Таким образом, использование инвариантной системы автоматического регулирования ректификационных установок позволяет на основе анализа состояния процесса провести коррекцию параметров настройки регуляторов, соответствующих минимальным энергозатратам [4].
Литература
1. Эрриот П. Регулирование производственных процессов. Пер. с англ., М., «Энергия», 1967. 480 с.
2. 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.
3. Roat S.D., Moore C.F., and Downs J.J., A Steady State Distillation Column Control System Sensitivity Analysis Technique, Proceedings IEEE Southeast Con, 1988, pages 296-300.
4. Luyben W.L., Steady-State Energy Conservation Aspects of Distillation Column Control System Design, Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals 14(4), 1975, pages 321-325.
