Система автоматического регулирования давления в ректификационной колонне Советский патент 1985 года по МПК B01D3/42 

Изобретение относится к системам автоматического регулирования режимо работы ректификационных колонн с конденсатором (дефлегматоромJ воздушног охлаждения (КВО),представляющим груп пу парашпельно включенных аппаратов воздушного охлаждения (ЛВО), и концевым конденсатором с водяным охлажд кием, и может найти применение при автоматизации процессов ректификации в химической,нефтехимической и нефтеперерабатьшающей промышленности

Известна система автоматического регулирования давления в ректификационной колонне, содержащая датчики расходов флегмы и дистиллята, датчик уровня продукта во флегмовой емкости, связанные с вычислительным блоком, соединенным с датчиком давления в колонне и с клапаном подачи флегмы С11

Однако, известная система не учитьшает изменений характеристик аппартов в процессе эксплуатации

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является система автоматического регулирования давления в ректификационной колонне с конденстором 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 охлажда ющей воды, датчик температуры охлаждающего воздуха, блок дискретного управления, вход которого соединен с выходом датчика расхода, 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, динамический компенсатор, вход которого связан с выходом вычислительного блока, и сумматор,один вход которого соединен с выходом регулятора давления, другой - с выходом динамического компенсатора, а выход сумматора подключен к входу регулятора расхода охлаждающей вода 2.

Однако известная система не решает задачи измерения расхода

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 регулирования давления в ректификационной колонне что, в свою очередь, вызьшает ухудшние технико-экономических показателей процесса

Известная система н обеспечивае адаптации математической модели, используемой в вычислительном бло ке 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 предусмотрена возможность расчета и изменния числа одновременно подключаемых (отключаемых) вентиляторов КЮ в зависимости от величины расхода пара через КВО и температуры окружающего воздуха для обеспечения перестановки исполнительного механима 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 срабатьшания вентиляторов КВО и, следовательно, к ухудшению качества работы автоматической системы.

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

Указанная цель достигается тем, что в систему автоматического регулирования давления в ректификационой колонне с конденсатором воздушного охлаждения и концевым конденсатором с водяным охлаждением, содержавшую 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 вьсходами датчиков температуры охлаждающего воздуха и расхода охлаждающей воды, динамический компенсятор, 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, дополнительно введены датчики расходов флегмы и дистиллята, датчик уровня продукта во фпегмовой емкости, блок вычисления расхода пара через конденсатор 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 вычислительного блока, а другие входы связаны с вьосодами 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 вькод вычислительного блока соединен с дополнительным входом блока дискретно 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, предсталяющего собой группу- параллельно работающих АВО, концевого конденсатра 3 с водяным охлаждением и флегмо вой емкости 4, электродвигатели вен

ляторов 5 КВО 2, датчик и регулятор давления 6 в ректификационной колонне 1, датчик 7 расхода охлаждающей воды, регулятор расхода 8, исполнительный механизм 9, блок дискретного управления 10, вычислительный блок 11, динамический компенсатор 12 сумматор 13, датчик 14 температуры охлаждающего воздуха, датчики расход флегмы 15 и дистиллята 16, датчик 17 уровня продукта во флегмовой емкости 4, блок 18 вычисления расхода пара через КВО 2 и блок адаптации 19

Система автоматического регулирования давления работает следующим образом.

Для coxpaHeFiHH заданной величины давления Р в ректификационной колонне 1 необходимо обеспечить тепловой баланс установки, то есть равенство между количеством тепла, содержащимс в выходящих из колонны 1 парах продукта, и количеством тепла, снимаемым Б конденсаторах воздушного 2 и водяного 3 охлаждения. Последнее распределяется меяду аппаратами воздушного охлаждения КВО 2 и концевым конденсатором 3 и может изменяться в широких пределах ступенчато, путем включения и отключения вентиляторов 5 КВО 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 Л 1 при исчерпании регулирующих ресурсов концевого кон денсатора 3, то есть когда исполнительный механизм 9 на линии подачи охлаждающей воды достигает крайне го верхнего (нижнего) положения.

Сохранение заданной величины давлния Р в ректификационной колонне I при небольших колебаниях температуры окружающего воздуха и изменениях паровой нагрузки колонны обеспечивается датчиком и регулятором давления 6, оказьтающин воздействие на исполнительный механизм 9 через сумматор 3 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 также эффективно отрабатьшаются контуром регулирования по отклонению., поскольку узел конденсации обладает по отношению к изменениям парового потока в колонне большим самовыравниванием, чем узел конденсации, содержащий лишь конденсатор водяного охлаждения. При значительных изменениях температуры окружающего воздуха и паро вого потока в крлонне 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 зад ных верхнего или нижнего положений вырабатывает команду на вычислитель ный блок 11„ Последний производит расчет числа подключаемых ( отключае мых ) вентиляторов 5 КВО 2 и в свою очередь, воздействует на блок диск ретного управления 10, выдающий команду на срабатьюание вентиляторов Для обеспечения инвариантности давления по отношению к изменениям тепловой производительности КВО 2, возникающим в моменты подключения (отключения ) вентиляторов, вычислительный блок 11 осуществляет одновременное воздействие на исполнительный механизм 9 концевого конден тора 3 через динамический компенсатор 12, сумматор 13 и регулятор рас хода 8. Расчет зтик воздействий должен производиться на основе математических моделей конденсаторов воздушного 2 и водяного 3 охлаждения, представляющих собой статически зависимости ,,i. SK.. -приращение тепловой производительности КБО 2 при включении (отключении | j-ro ве тилятора ( ,2 | на i-M аппарате воздушн го охлаждения; -количество тепла, от димое в концевом кон денсаторе 3 с водяны охлаждением; 1 ®t, расход пара через КВО 2 и температура окружающего воздуха соответственно о Поскольку зависимости (1) и (2 ) носят монотонный, слабонелинейный характер, возможно использование линеаризованных моделей аппаратов («ГЧв.о) гдёЧ,е,&,, - текущие значения параметров;ио.Чо.Чб.в значения параметров, относительно которых производится линеаризация зависимостей (1) и (2). Учитьшая,что при включении (выключении } j-ro вентилятора на i-м аппарате воздушного охлаждения общее изменение тепловой, производительности КВО 2 ла воздействие dGoj на изменение расхода воды в концевой конденсатор необходимо производить из условия ййк, -Йкв получим на основании соотношений (31 и (4) следующую линейную модель, используемую в вычислительном блоке 11: Ч.(«п.),(а„,(й„-а„,). ) .1) здесь ,, Kg .;(р, а подстрочные индексы t и надстрочlaie j означают, что расчет управЛЯЮ1ЦИХ. воздействий производится для случая включения(отключенияj j-ro вентилятора на I-M аппарате воздушного охлаждения Информация о величине расхода ара GP через КВО 2 поступает в выислительный блок 11 от блока 18 ычисления расхода пара через КВО, вязанный с датчиками расходов флегы 15 и дистиллята 16, а также датиком 17 уровня продукта во флеговой емкости 4„ Алгоритм работы лока 18 базируется на использоваНИИ уравнения материальногобаланса флегмовой емкости 4; Г г г , , n-Gф- A -dГ где чф , GI - значения расходов флегмы и дистиллята, измеря мые датчиками 15 и 16; у - удельный вес продукта во флегмовой емкости 4; V - объем, занимаемый продуктом во флегмовой емкоети„ Значение правой части соотношения (б I вычисляется в блоке 18 вычисления расхода пара через КВО путем обработки сигнала датчика уро ня 17 по алгоритму, определяемому формой и геометрическими размерами флегмовой емкости 4 о При этом предполагается, что удельный вес продукта j- const. В модели (5 ), используемой в вычислительном блоке 11, коэффициен ты К Y,.и К У: изменяются с течением времени вследствие загрязнения теплопередающих поверхностей КВО 2 и концевого конденсатора 3,а также при значительных изменениях расхода lapa Gpчерез КВО 2 и температуры окру жающего воздуха Qg , Это определяет необходимость, адаптации коэффициентов модели К J и К . , что реализуется в предлагаемой системе блоком адаптации 19. Для адаптации коэффициентов математической модели (5) в блоке адаптации I9 используют оптимальный одношаговый алгоритм„ Принцип работы вычислительного блока 11 и блока адаптации 5 9 заключается в следующем Пусть t|(l 0,1,2,..„) - моменты включения (отключения) j-го вентилятора на i-M аппарате воздушного охлалсдения, имеющие место при достижении исполнительным механизмом 9 заданного верхнего (нижнего) положения, - время переходного процесса в системе регулирования давления после включения (отключения ) вентилятора АВО. Вычислительный блок 1I в моменты tj рассчитьшает по модели (5 и вырабатывает ступенчатое воздейст(t,)V вие лС на изменение расхода воды через концевой конденсатор 3 с целью компенсации возмущения, вызванного срабатыванеим вентилятора АВ Это воздействие подается на динамический компенсатор 12, который форми 4 рует закон перемещения исполнительного механизма 9 во времени, обес- . печивая инвариантность давления в колонне по отношению к рассматриваемому возмущению в переходном режиме. К моменту времени i + регулятор давления 6 оказьшающий дополнительное воздействие на исполнительный механизм 9 через сумматор 13 и регулятор .расхода 8, устанавливает такое приращение расхода воды ( которое обеспечивает выполнение условия Р const в статике, поскольку этот регулятор содержит в за- коне регулирования интегральную составляющую. Допустив, что за время Т имели место незначительные изменения расхода пара G и температуры окружающего воздуха SB можно найти ошибку предсказания по модели при срабатывании вентилятора на одном АВО, равную (:te)((i,): (П В случае, если ошибка превьшает допустимую, блок адаптации производит в момент -tp н-Т вычисление новых значений коэффициентов модели (5) и осуществляет воздействие на вычислительный блок 11 с целью корректировки их старых значенийо Алгоритм работы вычислительного блока 1 15 реализуя изложенный вьш1е принцип, предусматривает также возможность одновременного подключения вентиляторов на нескольких аппаратах АВО. Алгоритм имеет следующий вид. 1 о Расчет управляющего воздействия на изменение расхода воды в концевой конденсатор 3 для j-го вентилятора на -м аппарате воздушного охлаждения по рекуррентной формуле )-Ча((М) (г)-2п(Ч-.,|;(.,))(8) де L - число одновременно включенных в момент tf. вентиляторов АВО о 2„Нахождение суммарного изменения расхода воды в концевой конденсатор 3 при одновременном включении вентиляторов на несколько АВО: N где N О при первом обращении к пункту 2 (срабатьшает один вентилятор КВО 2), при втором обр нии (срабатьтают одновременно два вентилятора )и ТоД„ 3 оПроверка условия да; (M.uG где - минимальная величина воздействия, осуществляющего перестановку исполнительного механизма в положение, в котором обеспечивае ся его эффективная работа по стабилизации давления в ректификацион ной колонне 1. 4,В случае выполнения условия (10) - проверка условия . у J. АЛ ( AQllt, где М - заданная величина, определяющая максимально допусти мое изменение расхода охлаждающей воды; Окончание расчета и выдача команды на блок дискретного управления 10 о срабатьшании соответствующих вен ляторов КВО 2 с одновременным воздействием на исполнительный механизм 9 через динамический компенса тор 12, сумматор 13 и регулятор расхода 8 для изменения расхода охлаждающей воды через концевой конденсатор 3. При этом величина и нения расхода равна (.tj) при выполнении условия С1 t) и равна М в случае его невыполнения,, что обе печивает защиту системы от случайн сбоев в блоке адаптации 19с 5.В случае невыполнения условия 001 - повторение расчета по пункт ту 1 для следующего аппарата воздушного охлажденияр Блок адаптации 19 в моменты -tp работает в соответствии со следую щим алгоритмом: К Величина суммарной отаибки пре сказания ) « ;-t{)dCi,.ft.,.t где л G, е (ip) определяется по форму ле (9 ). 2„Проверка условия . - CIM . 3,В случае выполнеиия условия (13) - окончание расчета« 4.В случае невьшолнения услови (13) - вычисление новых значений коэффициентов моделей аппаратов по рекуррентным формулам: :1м.г l tlll l r -GnlJM -) Г MVl- C M Ji sM-Ssi eV r (.vi (,u) (.)KiS)-(SH) г n ( 1-ч ( f./)M( (e-/) где параметр алгоритма, величина которого определяется во время наладки системы на действующем ,.. объекте; Wi )( о ( j - ошибка предсказания для одного аппарата АВО, определяемая соотношением )/ где N - число одновременно подключенньпс в момент tj вентиляторов о 5 с Окончание расчета и вьщача 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 i за счет увеличения температуры 6g 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 , )2„ Пусть предществующее включение данного вентилятора произошло в момент времени t и вычислительный блок 11 одновременно вьщал тогда управляющее воздействие на изменение расхода воды в онцевой к онденсатор 3 на величину (to)| .Это воздействие, рассчитанное по формуле (8 I, вследствие неточности коэффициентов К 1Д и К 2 J модели аппаратов, могло не обеспечить инвариантности в статике давления Р в колонне по отношению к возмущению,вызваннЬ 1у 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 -to + окончания переходного процесса, . вызванного включением вентилятора, обеспечил изменение расхода охлаждающей воды 4Gjg(i:o+r) . Обычно время переходного процесса L в системе регулирования давления не превышает 10-15 миНоПрзтому можно допуститьу что в ректификационной установке большой единичной мощности за время IT не произойдет существенных изменений расхода пара G(, через КВО 2 и температуры б охлаждающего воздуха, то есть «niVl W) 9e(V)BWТаким образом, в яомент io+f бьша определена величина изменения расхода охлаждающей воды дЬд(д+г которая обеспечивает инвариантност в статике давления в колонне по отношению к возмущению, вызванному включением данного вентилятора, при значениях расхода пара G,, (-to + tr через КВО 2 и температуры в ( охлаждающего воздуха Определена также погрешность предсказания по модели {(ij,) , которая бьша вычисл блоком адаптации по формулам (12) и (16 ). Допустим, что овибка предск зания оказалась недопустимо большой, тогда блок адаптации 19 вычис лил по формулам (14 j и (15) новые значения коэффициентов модели и 42 осуществил воздействие на вычислительный блок 1 1 ,с целью корректировки их старых значений, обеспечив уменьшение ошибки предсказания при следующем включении данного вентилятора В момент времени t вычислительный блок 11 по формуле (8 1 , осуществляет расчет величины управляющего воздействия Л( (t,J2 , используя коэффициенты модели, найденные в В частности, если в момент момент t, величина расХода пара С-,„ ( J через КВО 2 и температуры 6g(-() охлаждающего воздуха равны их значениям в момент tjj, то величина управляющего воздействия принимается равной значению AG,j (i, f) обеспечивающему при тех же условиях инвариантность в статике при предыдущем включении данного вентилятора. I -- Таким образом, данная система автоматического регулирования давления 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 КВО 2 и концевого конденсатора. В данной системе автоматического регулирования давления . максимальное динамическое отклонение др равно 0,35 кгс/см, что составляет 3,2% от номинала, Тое. меньше допустимого значения, равного 5% Указанная величина отклонения давления практически не окажет влияния на качество получаемого продукта.

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.