СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РЕКТИФИКАЦИИ ТРЕХКОЛОННОЙ БРАГОРЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2001 года по МПК B01D3/42 

Изобретение относится к управлению процессом ректификации спиртового производства или иных производств.

Известен способ автоматизации процесса ректификации по SU 518222 А, 25.06.1976, заключающийся в стабилизации отбора спирта из ректификационной колонны и регулирования расхода эпюрата в зависимости от параметра температуры, характеризующего концентрацию спирта в контрольной зоне колонны.

При таком регулировании возможно ухудшение качества отбираемого спирта при нарушениях режимов работы брагоректификационной установки (БРУ).

Улучшение качества отбираемого спирта возможно путем усложнения управления БРУ за счет учета при отборе четырех параметров: расчетного и текущего значений концентрации спирта в контрольной зоне, прогнозируемого и заданного значений концентраций в той же зоне. Так предлагается автоматизировать отбор спирта-ректификата из ректификационной колонны по SU 561567 А, 05.06.1977. Однако такое управление связано с необходимостью знания статической модели работы ректификационной колонны и всей БРУ для получения расчетного значения концентрации спирта и установки сложных и дорогостоящих приборов для получения прогнозируемого значения концентрации. Кроме того, из-за неточности построения модели и, соответственно, неточности получения расчетного значения концентрации, а также недостаточности собираемой информации (измеряется лишь расход и концентрация бражного дистиллята) для точного определения прогнозируемой концентрации качество отбираемого спирта-ректификата также будет определено приближенно и сравнимо с качеством при его определении косвенными методами, например, по температуре в контрольной зоне.

Наиболее близким по заявленному решению по технической сущности является способ автоматического управления трехколонной брагоректификационной установкой, в котором корректируют отбор спирта-ректификата в зависимости от отклонения температуры в контрольной зоне ректификационной колонны от заданного значения, а также отклонения уровня бражного дистиллята от его заданного значения в одноименной емкости. (SU 628939 А, 25.10.1978).

Недостатком такого способа является низкая чувствительность температуры в контрольной зоне к изменениям концентрации спирта на отборе, что приводит к незначительному улучшению качества отбираемого спирта.

Технический результат, достигаемый при реализации данного способа заключается в улучшении качества отбираемого спирта.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе автоматического управления процессом ректификации трехколонной брагоректификационной установки, заключающемся в стабилизации отбора спирта-ректификата из ректификационной колонны с его коррекцией в зависимости от изменения уровня бражного дистиллята и температуры в контрольной зоне колонны от заданных значений, причем, согласно изобретению, корректируют отбор спирта-ректификата в зависимости от суммы изменения температуры в контрольной зоне и изменения температуры в точке ниже контрольной зоны, взятого с упреждением на величину запаздывания между данной точкой и контрольной зоной, от их заданных значений, домноженной на коэффициент усиления, причем в качестве контрольной зоны берется питающая тарелка.

Отклонения тех же температур от их заданных значений используют для работы логического устройства по отсечке спирта-ректификата в случае его некачественного состава.

Для работы логического устройства по отсечке спирта-ректификата в случае его некачественного состава, используют сигнал выхода сумматора изменения вышеназванных температур от их заданных значений.

На фиг. 1 приведена функциональная схема системы управления процессом ректификации для реализации предложенного способа.

Система, обеспечивающая отбор качественного спирта-ректификата из ректификационной колонны 1 разгонки эпюрата, состоит из регулятора отбора спирта-ректификата 2, логического устройства 3, связанного с исполнительным устройством 4 через переключающее реле 5, при этом логическое устройство 3 подключено к датчику 6 уровня бражного дистиллята, датчику 8 температуры в контрольной зоне ректификационной колонны и блоку предварения 9, на вход которого подключен датчик 10 температуры точки ниже контрольной зоны. Кроме того датчик 8 и блок предварения 9 подключены к первому сумматору 7, к которому подключены и задатчики сигналов температур датчика 8 и блока предварения 9, соответственно 11 и 12. Выход первого сумматора 7 соединен через устройство 13 умножения на коэффициент со вторым сумматором 14, соединенного также с задатчиком 15 отбора спирта, а его выход с регулятором 2, соединенного, в свою очередь, также с датчиком 16 отбора спирта-ректификата.

Вместо соединения логического устройства 3 с датчиком 8 и блоком предварения 9 его можно соединить с сумматором 7, что показано на фиг. 1 пунктирной линией.

Блок-схема системы управления, представленная на фиг. 2, поясняет ее работу. Она представляет из себя одноконтурную автоматическую систему регулирования (АСР) отбора Q_c спирта-ректификата из колонны, определяемого задающим сигналом от задатчика отбора спирта 15 и сигналом коррекции от устройства 13 умножения на коэффициент, и систему отсечки спирта-ректификата в случаях его некачественного состава, с управляющим сигналом U₂ с логического устройства 3, подаваемого на переключающее реле 5 в контуре АСР. Переключение реле 5 осуществляется по сигналу команды U_к, подаваемой с логического устройства 3.

При этом АСР состоит из объекта регулирования 17 - участок трубопровода между исполнительным устройством 4, установленным на трубопроводе отбора спирта, и датчиком 16 отбора спирта, включенного в АСР звеном отрицательной обратной связи, и регулятора 2, отрабатывающего тот или иной закон регулирования (обычно ПИ- закон) и состоящего, в свою очередь, из элемента 2а сравнения сигнала пропорционального отбору Q_с, и сигнала задания и звена 26, формирующего закон регулирования.

Сигнал являющийся выходным сигналом второго сумматора 14, складывается из задающего сигнала и сигнала коррекции то есть
Кроме того АСР содержит перед исполнительным устройством 4 переключающее реле 5, выходной сигнал U которого на исполнительное устройство 4 равен или сигналу U₁ с регулятора 2 или U₂ с логического устройства 3 в зависимости от командного сигнала U_к с логического устройства 3, принимающего единичное или нулевое значение (блок-схема показана при единичном значении сигнала U_к, при его нулевом значении переключатель реле 5 показан пунктиром).

В системе АСР отбора спирта-ректификата сигнал коррекции формируется в виде:

где K - коэффициент пропорциональности устройства 13 умножения на коэффициент,

- выходной сигнал первого сумматора 7; X - сигнал датчика 8 температуры в контрольной зоне ректификационной колонны, а X_зд - сигнал задатчика 11 этой температуры; Y - сигнал датчика 10 температуры в точке ниже контрольной зоны; Y - сигнал скорости изменения сигнала Y, то есть Y' = dY/dt; K₁ - коэффициент пропорциональности блока предварения 9, а K₂ - его коэффициент пропорциональности, называемый временем предварения; Z - выходной сигнал блока предварения 9, причем
Z = К₁(Y+К₂Y') = K₁(Y+К₂dy/dt).

Наконец, Y_зд - сигнал задатчика 12.

Таким образом, заштрихованный сектор элемента сравнения 2a и сумматора 7 на фиг. 2 соответствует тому, что подаваемый на него сигнал берется с отрицательным знаком.

Все коэффициенты K, K₁ и K₂ являются настраиваемыми величинами.

На логическое устройство 3 подаются входные сигналы X, Z и h с датчика 6 уровня бражного дистиллята, а его выходной сигнал U₂ формируется в функции отклонений этих сигналов от заданных, то есть:
U₂ = f[(X_зд-X), (Y_зд-Z),(h_зд-h)],
где h_зд - сигнал задания уровня в емкости бражного дистиллята. Вместо сигналов X и Z на логическое устройство 3 можно подать сигнал (на фиг. 2 показан пунктиром). В этом случае отпадает необходимость иметь в устройстве 3 задатчики сигналов X_зд и Y_зд.

Способ автоматического управления процессом ректификации осуществляется следующим образом.

При нормальной работе БРУ выходной сигнал переключающего реле 5 U соответствует сигналу регулирующего воздействия U₁ регулятора 2, причем он определяется лишь сигналом задания задатчика отбора спирта 15, поскольку сигнал коррекции c блока 13 в этом случае равен нулю, так как X_зд-X = O₁Y'= 0 и Y_зд-Z = О (в частном случае, при K₁ = 1, Z = Y = Y_зд).

При отклонении сигнала Х датчика 8 температуры в контрольной зоне от заданного сигнала X_зд с некоторым запаздыванием происходит и отклонение сигнала у датчика 10 температуры в точке ниже контрольной зоны. Однако поскольку эпюра температур по высоте ректификационной колонны убывает от низа колонны к ее верху, то чем ниже точка дополнительного измерения температуры от контрольной зоны, тем больше отклонение температуры будет иметь место в этой точке, то есть чувствительность по температуре в такой точке выше, чем в контрольной зоне.

Именно этот факт и использован в предлагаемом способе для увеличения чувствительности корректирующего сигнала Q_с ² и, как следствие, улучшения качества отбираемого спирта-ректификата. Имеющее место запаздывание τ изменения сигнала Y по отношению к сигналу изменения Х компенсируется подключением сигнала Y к блоку предварения, настраиваемого так, чтобы сигнал Z упреждал сигнал У на время этого запаздывания τ (в частном случае, при K₁ = 1 этого достигают задав K₂, численно равным τ). Таким образом, если при существующем способе-прототипе АСР отбора спирта может не чувствовать корректирующий сигнал при малом отклонении X от X_зд, то при предлагаемом к нему будет сделана добавка в виде большего отклонения сигнала Z от Y_зд. Еще более заметнее сигнал коррекции скажется при больших скоростях изменения сигналов X и, соответственно, Y.

Таким образом, в целом повышена чувствительность сигнала .

Логическое устройство 3 играет ту же функциональную роль, что и в способе-прототипе, а именно, отсекает отбор спирта- ректификата при некачественном его составе, что имеет место при больших отклонениях температуры в контрольной зоне, а соответственно, и точке ниже контрольной зоны от заданных. Однако введение дополнительного сигнала Z в логическое устройство 3 (или сигнала взамен сигналов X и Z) также повышает чувствительность этого устройства, то есть отбор некачественного спирта можно прекратить раньше, чем в способе-прототипе. Устройство 3 прекращает отбор спирта и при сильном отклонении уровня бражного дистиллята от заданного, как и в системе по способу-прототипу.

Рассмотрим реализацию данного способа на примере автоматизации процесса ректификации БРУ ОАО "Ключанский спиртзавод".

Датчик 8 температуры в контрольной зоне установлен на питающей 16-й тарелке, куда подается эпюрат, а датчик 10 температуры устанавливается на 8- (считая снизу колонны) тарелке. При нормальной (регламентной) работе колонны температура в кубе колонны составляет порядка 110^oC, на 8-й тарелке она изменяется в пределах 95-100^oC (разброс 5^oС), на 16-й, соответственно, от 87 до 90^oC (разброс 3^oC), а вверху колонны она составляет порядка 78^oC. Таким образом, при нормальной работе колонны отклонение температуры, от заданной в контрольной зоне, может достигать ±1,5^oC, а на 8-й тарелке - ±2,5^oC, то есть чувствительность по температуре в этой точке выше, чем на 16-й тарелке.

Система настраивается таким образом, что при повышении температуры на 16-й тарелке, а соответственно, через время запаздывания τ и на 8-й, отбор спирта-ректификата уменьшается. При этом температура на 16-й, а соответственно, и на 8-тарелках восстанавливается, то есть приходит к заданному значению, что косвенно говорит и о нормализации состава (качества) отбираемого спирта. При уменьшении температуры корректирующий сигнал воздействует таким образом, чтобы отбор спирта возрос. При отклонениях температуры на 16-й или 8-й тарелках выше регламентных значений, а также при сильном отклонении уровня в емкости бражного дистиллята, логического устройства 3 формирует нулевой командный сигнал U_к, при котором происходит переключение переключателя реле 5 (см. его пунктирное положение на фиг. 2), и нулевое управляющее воздействие U₂, при котором исполнительное устройство 4 нормально-закрытого исполнения отсекает отбор спирта-ректификата, так как при U_к = O сигнал U равен сигналу U₂ = О.

В настоящее время на ОАО "Ключанский спиртзавод" ведутся работы по промышленным испытаниям данной системы управления процессом ректификации БРУ.

Система реализуется на пневматических устройствах системы "Старт" и датчиках ГСП. В качестве датчиков 8,10 температур используются датчики типа 13ДТ73 или дилатометрические датчики типа ДТ-ТП, а в качестве датчика уровня 6 - преобразователь давления с пневматическим выходом типа 13ДИ 10 (см. Промышленные приборы и средства автоматизации: Справочник /Под общ. ред. В. В. Черенкова. Л. : Машиностроение, 1987). В качестве блока предварения 9 используется блок ПФ 2.1, в качестве регулятора 2 - ПИ-регулятор ПР 3.31, навешанный на вторичный прибор ПВ 10.1П, работающий в режиме АП, а в качестве сумматоров 7, 14 - блоки ПФ 1.1. Устройство 13 умножения на коэффициент выполняется на базе дроссельного сумматора (делителя), в случае реализации коэффициента пропорциональности К, меньшего единицы, или на блоке умножения ПФ 1.18. В качестве переключающего реле 5 взято выключающее реле типа П-1108. Логическое устройство 3 реализуется на элементах УСЭППА.

Экономический эффект от внедрения системы управления процессом ректификации определяется прежде всего повышением качества отбираемого из колонны спирта-ректификата.

Способ относится к управлению процессом ректификации спиртового производства или иных производств. В данном способе о качестве спирта судят не только по отклонению температуры в контрольной зоне ректификационной колонны от заданного значения, но и по отклонению температуры в точке ниже контрольной зоны от ее заданного значения, которое более чувствительно к качеству спирта, чем отклонение в контрольной зоне. При этом имеющее место запаздывание между изменением температуры в точке ниже контрольной зоны и контрольной зоне компенсируют упреждением первого сигнала. Названные отклонения температур используются и для повышения чувствительности логического устройства, формирующего управляющее воздействие на исполнительное устройство на линии отбора спирта по его отсечке в случае некачественного состава последнего, имеющего место при отклонениях вышеназванных температур выше регламентых допусков. Способ позволяет улучшить качество отбираемого спирта. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ автоматического управления процессом ректификации трехколонной брагоректификационной установки, заключающийся в стабилизации отбора спирта-ректификата из ректификационной колонны с его коррекцией в зависимости от изменения уровня бражного дистиллята и температуры в контрольной зоне от заданных значений, отличающийся тем, что корректируют отбор спирта-ректификата в зависимости от суммы изменения температуры в контрольной зоне и изменения температуры в точке ниже контрольной зоны, взятого с упреждением на величину запаздывания между данной точкой и контрольной зоной от их заданных значений, домноженной на коэффициент усиления, причем в качестве контрольной зоны берется питающая тарелка. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отклонения тех же температур от их заданных значений используют для работы логического устройства по отсечке спирта-ректификата в случае его некачественного состава. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для работы логического устройства по отсечке спирта-ректификата в случае его некачественного состава используют сигнал выхода сумматора изменения вышеназванных температур от их заданных значений.