Выбор регулируемых параметров процесса
Сложность обслуживания и стоимость регуляторов, необходимых для управления технологическим процессом, а также качество регулирования в значительной мере зависят от правильности выбора регулируемых параметров. Регулируемый параметр должен однозначно характеризовать технологический процесс. Чаще всего процесс характеризуется не одним, а несколькими параметрами. В этом случае необходимо выбрать в качестве регулируемого один из параметров, наиболее полно отвечающий следующим требованиям:
1. Наличие простых и надежных приборов для измерения выбранного параметра.
2. Удовлетворительная динамическая характеристика системы автоматического регулирования. Желательно минимальное запаздывание в изменении параметра и восприятии импульса регулятором при любых возмущениях процесса.
3. Значительные допустимые величины статических и динамических отклонений регулируемого параметра от заданной величины, чтобы можно было применить стандартный промышленный регулятор.
4. Минимальные взаимные связи параметров в объекте через процесс или, если это возможно, использование связи между параметрами для улучшения качества регулирования.
5. Минимум количества регуляторов, необходимых для управления процессом.
6. Замкнутость системы автоматического регулирования, чтобы все возмущения процесса воспринимались регулятором.
7. Экономичность ведения технологического процесса.
В зависимости от выбора регулируемого параметра и способа воздействия на объект система автоматического регулирования может быть замкнутой или разомкнутой. В замкнутой системе все звенья связаны между собой, поэтому изменение сигнала в любом звене передаётся через всю систему. Регулятор, воздействующий на вход объекта, измеряет величину регулируемого параметра на выходе из объекта и таким образом получает непрерывную автоматическую информацию о результатах своего корректирующего действия. В разомкнутой системе нет обратной связи между объектом и регулятором. Вследствие этого регулятор не получает сигнала об изменении величины регулируемого параметра и не может поддерживать его в узких пределах при различных возмущениях процесса. Как правило, нужно стремиться к созданию замкнутых систем автоматического регулирования.
Регулируемые параметры фракционирования нефти
В промышленных процессах перегонки нефти применяют следующие способы регулирования температурного режима по высоте колонны.
1. Отвод тепла в концентрационной секции путём:
а) использования парциального конденсатора;
б) организации испаряющегося (холодного) орошения;
в) организация неиспаряющегося (циркуляционного) орошения.
2. Подвод тепла в отгонной секции путем:
а) нагрева остатка ректификации в кипятильнике с паровым пространством;
б) циркуляции части остатка в трубчатой печи.
Парциальный конденсатор представляет собой аппарат, установленный горизонтально или вертикально наверху колонны. Охлаждающим агентом служит вода, иногда исходное сырье. Поступающие в межтрубное пространство пары частично конденсируются и возвращаются на верхнюю тарелку в виде орошения, а пары ректификата отводятся из конденсатора. Из-за трудности монтажа и обслуживания и значительной коррозии конденсатора этот способ получил ограниченное применение (в малотоннажных установках и при необходимости получать ректификат в виде паров)
Холодное (острое) орошение. Этот способ отвода тепла наверху колонны получил наибольшее распространение в практике нефтепереработки. Паровой поток, уходящий с верха колонны, полностью конденсируется в конденсаторе-холодильнике (водяном или воздушном) и поступает в емкость или сепаратор, откуда часть ректификата насосом подается обратно в ректификационную колонну в качестве холодного испаряющегося орошения, а балансовое его количество отводится как целевой продукт.
Циркуляционное неиспаряющееся орошение. Это вариант отвода тепла в концентрационной секции ректификационной колонны в технологии нефтепереработки применяется исключительно широко для регулирования температуры не только наверху, но и в средних сечениях сложных колонн. Для создания циркуляционного орошения с некоторой тарелки колонны выводят часть флегмы (или бокового дистиллята), охлаждают в теплообменнике, в котором она отдает тепло исходному сырью, после чего насосом возвращают на вышележащую тарелку.
На современных установках перегонки нефти чаще применяют комбинированные схемы орошения. Так, сложная колонна атмосферной перегонки нефти обычно имеет вверху острое орошение и затем по высоте несколько промежуточных циркуляционных орошений. Из промежуточных орошений чаще применяют циркуляционное орошение, располагаемые обычно под отбором бокового погона или использующие отбор бокового погона для создания циркуляционного орошения с подачей последнего в колонну выше точки возврата паров из отпарной секции. Использование только одного острого орошения в ректификационной колонне неэкономично, так как низкопотенциальное тепло верхнего погона малопригодно для регенерации теплообменом. Кроме того, в этом случае не обеспечивается оптимальное распределение флегмового числа по высоте колонны: как правило, оно значительное на верхних и низкое на нижних тарелках колонны. Соответственно по высоте колонны сверху вниз уменьшаются значения к. п. д. тарелок, а также коэффициента относительной летучести и, следовательно, ухудшается разделительная способность нижних тарелок концентрационной секции колонны, в результате не достигается желаемая четкость разделения. При использовании циркуляционного орошения рационально используется тепло отбираемых дистиллятов для подогрева нефти, выравниваются нагрузки по высоте колонны и тем самым увеличивается производительность ректификационной колонны и обеспечиваются оптимальные условия работы контактных устройств в концентрационной секции.
При подводе тепла в низ колонны кипятильником осуществляют дополнительный подогрев кубового продукта в выносном кипятильнике с паровым пространством (рибойлере), где он частично испаряется. Образовавшиеся пары возвращаются под нижнюю тарелку колонны. Характерной особенностью этого способа является наличие в кипятильнике постоянного уровня жидкости и парового пространства над этой жидкостью. По своему разделительному действию кипятильник эквивалентен одной теоретической тарелке. Этот способ подвода тепла в низ колонны наиболее широко применяется на установках фракционирования попутных нефтяных и нефтезаводских газов.
При подводе тепла в низ колонны трубчатой печью часть кубового продукта прокачивается через трубчатую печь, и подогретая парожидкостная смесь (горячая струя) вновь поступает в низ колонны. Этот способ применяют при необходимости обеспечения сравнительно высокой температуры низа колонны, когда применение обычных теплоносителей (водяной пар) невозможно или нецелесообразно.
Также к регулируемым параметрам относятся следующие:
Количество исходной смеси, поступающей в колонну
Если исходная смесь вводится в колонну в недостаточном количестве, то содержание низкокипящего компонента в дистилляте снижается и одновременно несколько уменьшается содержание его в продукте, выходящем из нижней части колонны. В этом случае качество дистиллята ухудшается и, кроме того, обогащение паров низкокипящим компонентом не достигает максимума, особенно на нижних тарелках в концентрационной части колонны. В противоположном случае (при избытке исходной смеси) плохо используются верхние тарелки исчерпывающей части колонны, а содержание низкокипящего компонента в дистилляте увеличивается и возрастает количество его в продукте, выходящем из низа колонны. В обоих случаях давление и температура изменяются. Следовательно, чтобы колонна работала наиболее экономично и выдавала чистые продукты, нужно регулировать постоянство количества исходной смеси.
Температура исходной смеси
Исходная смесь перед поступлением в ректификационную колонну нагревается обычно в трубчатой печи.
Возмущающими факторами в процессе регулирования температуры являются изменения количества и температуры начальной смеси на входе в печь и колебания расхода топлива.
Количество исходной смеси, подаваемой в ректификационную колонну, должно поддерживаться постоянным при помощи регулятора расхода. При правильной его настройке колебания количества жидкости, подаваемой впечь, незначительны и не представляют затруднений для регулятора температуры исходной смеси. Если изменения температуры жидкости на входе в печь небольшие и медленные, то они также не усложняют регулирование температуры исходной смеси.
Основным важным параметром, подлежащим регулированию, является температура сырья на выходе из печи. Процесс регулирования протекает так – когда при уменьшении подачи нефти в змеевик печи температура нефти на выходе повысится относительно заданного значения, то регулирующий прибор выдаст команду на прикрытие клапана, подача газа в печь уменьшится и через некоторое время температура нефти понизится до заданного значения. Если от увеличения подачи нефти в змеевик печи ее температура на выходе понизится, то регулятор выдаст команду на открытие клапана, подача газа увеличится, и температура нефти снова повысится.
Скорость паров в ректификационной колонне
Работа ректификационной колонны протекает наиболее экономично и интенсивно при определенной скорости паров. В тарельчатых колоннах пары проходят в отверстия ситчатой тарелки или прорези колпачков в виде мелких струек и барботируют через слой жидкости. На некотором расстоянии от дна тарелки образуется слой пены и брызг, внутри которого происходят в основном массообмен и теплообмен в жидкости, находящейся на тарелке. Разделение компонентов улучшается с увеличением скорости паров. Предельно допустимая скорость паров в колонне должна быть несколько меньше скорости, соответствующей явлению «захлёбывания» колонны, при котором восходящий поток паров начинает препятствовать стеканию жидкости по тарелкам. Со снижением скорости паров уменьшаются производительность колонны и к.п.д. тарелок. Особенно сказывается снижение скорости паров на работе колонны с ситчатыми тарелками, так как в этом случае жидкость может протекать через отверстия тарелок и соприкосновение ее с пузырьками пара нарушается, что сильно понижает к.п.д. колонны. Наилучший контакт фаз достигается в момент начала «захлебывания» колонны.
Регулирование постоянной скорости паров в колонне целесообразно только при условии постоянства или небольших изменений состава исходной смеси.
Давление в колонне
Давление в колонне состоит из постоянного статического давления столба жидкости на тарелках и переменного сопротивления потоку паров, проходящих через колонну.
При полной конденсации паров низкокипящего компонента, выходящего из верхней части колонны, давление в ней регулируется подачей хладагента в конденсатор. Если в парах, выходящих из верхней части колонны, содержатся неконденсирующиеся в дефлегматоре составляющие, применяют схему регулирования давления сбросом этих компонентов из сепаратора. Роль сепаратора может играть и флегмовая емкость. Если конденсация паров в дефлегматоре осуществляется за счет испарения хладоагентов (аммиака, фреона и т. п.), то улучшение свойства регулирования давления может быть достигнуто изменением расхода отводимых из дефлегматора паров хладоагента. Это приводит к быстрому изменению давления и температуры кипения хладоагента и, как следует, интенсивности испарения.
Необходимость стабилизации давления паров в кубе отпадает, потому что ректификационная колонна владеет качеством самовыравнивания по этому параметру. Регулирование давления в укрепляющей части колонны приведет к тому, что давление в кубе через пару минут примет определенное значение (несколько большее, чем вверху колонны).
Возмущающими факторами в процессе регулирования давления в колонне являются колебания расхода хладагента, подаваемого в конденсатор, изменение скорости паров и количества флегмы в колонне, а также количества и температура исходной смеси.
Изменение скорости паров и количества флегмы в колонне могут привести к значительным изменениям сопротивления ее и дефлегматора, что затруднит работу регулятора давления. Это следует учитывать при выборе схемы регулирования давления.
ЧСС
Повысить качество управления ХТС и эффективность работы технологической схемы удается с помощью математического моделирования.
И проектирование, и управление невозможны без математических моделей процессов. Моделирование – необходимый этап. Чтобы понять разницу между моделями для проектирования и моделями для управления рассмотрим ЧСС – количество параметров, которые мы задаем сами в процессе проектирования или управления.
Одна из центральных проблем проектирования технологических схем стационарных процессов - поиск количества переменных, которые необходимы, чтобы полностью определить/описать процесс. Это количество называется ЧСС проектирования. Они рассчитываются вроде бы простым вычитанием числа уравнений из числа переменных. Однако даже относительно небольшие схемы описываются сотнями уравнений и тысячами переменных, и далеко не тривиальная задача их правильно рассчитать. Кроме того, этот способ требует построения строгой математической модели, что в ряде случаев просто невозможно. ЧСС проектирования очень важно не только для просто проектирования.
Если из ЧССп вычесть переменные «выходы продуктов», переменные, описывающие качество продуктов, переменные, описывающие ограничения, связанные с безопасностью производства и экологическими требованиями – мы получим те параметры, которые можно менять для достижения оптимальных показателей – оптимизационные переменные при проетировании.
Как только технологическая схема разработана, необходимо разработать схему автоматического регулирования – и, следовательно, определить ЧСС управления. Это необходимо - знать, какие переменные мы можем использовать для управления процессом.
Как правило, в качестве ЧССп и ЧССу выбираются разные наборы переменных.
На стадии проектирования мы можем задавать конструктивные размеры оборудования (объем реактора, количество тарелок и т.п.), устанавливать расходы и составы потоков, их давления и температуры.
Управляя действующим производством мы можем менять только расходы потоков, т.е открыл вентиль – закрыл вентиль.
Для управления производством мы должны из ЧССу вычесть параметры, определяющие выход и качество продуктов, ограничения по безопасности и экологии. Кроме того, должны контролироваться все уровни жидких сред во всех аппаратах ТС и давления газа.
То, что останется после вычитания этих параметров из ЧССу – оптимизационные переменные управления.
Их можно использовать для достижения оптимального управления – минимального энергопотребления, максимальных выходов, улучшенного динамического поведения системы и т.п.
Рассчитать ЧССу - несложная задача, даже для больших производств – оно равно числу манипулируемых параметров – иногда - числу вентилей.
Вопрос сколько и какие вентили необходимы для управления - вопрос расчета ЧССу.
Пример расчета ЧСС
Рассмотрим простой пример расчета ЧСС для маленькой схемы: реактор – отгонная колонна. В реакторе протекает реакция А В, А не полностью превращается в реакторе, поскольку его Ткип. ниже, чем у В, непрореагировавшая часть А отгоняется в колонне и в паровой фазе рециклом возвращается в реактор.
Расчет ЧССп
Предположим, что состав сырья z0 нам дан, ЧССп приведены в таблице.
| Тип | переменные | ||
| Описание | обозначение | количество | |
| Объем реактора | z | ||
| Составы потоков | Жидкость на тарелке | xn | NS |
| Пар на тарелке | yn | NS | |
| кубоваяжидкость | xB | ||
| Пар из кипятильника | yB | ||
| Расходы потоков | Свежее сырье | F0 | |
| Продукты реакции | F | ||
| Поток пара из кипятильника | V | ||
| Кубовая жидкость | B | ||
| Объем жидкости в реакторе | VR | ||
| Число тарелок | NS | ||
| Общее число переменных | 2 NS +9 | ||
| Тип | Уравнения | ||
| Покомпонентный баланс | реактор | ||
| тарелки | NS | ||
| кипятильник | |||
| Общий баланс | реактор | ||
| кипятильник | |||
| Парожидкостное равновесие | тарелки | NS | |
| кипятильник | |||
| Общее число уравнений | 2 NS +5 | ||
| ЧССп=4 |
В принципе мы сами можем задать любые 4 переменные, хоть состав на какой-нибудь тарелке, но обычно задают (специфицируют) следующие переменные:
1. Расход питания F0
2. Чистота продукта xB
3. Объем реакционной зоны VR
4. Число тарелок NS
Расчет ЧССу
Количество ЧССу можно определить, просто посчитав вентили – их тоже 4.
Давайте поставим конденсатор и флегмовую емкость и будем подавать рецикл в реактор в жидкой фазе. При этом появятся 2 новые переменные – расход и состав конденсата, но появятся и 2 новых уравнения – материальный баланс и уравнение паро-жидкостного равновесия для конденсатора, т.о. ЧССп останется неизменным.
Нам придется добавить вентиль на линии подачи жидкого рецикла в реактор, чтобы контролировать уровень во флегмовой емкости, но это не добавит новую степень свободы к ЧССу, т.к. уровень в реакторе и флегмовой емкости связаны между собой.
Таким образом, ЧСС необходимы, чтобы определить границы наших возможностей в проектировании и управлении.
