Система автоматического регулирования давления в ректификационной колонне

,ЯО,; 1152 4(531 В 01 0 3 СРЫТИЙ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ТЕПЬСТ ОМУ СЕИД Н АВ о виде ВнГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И О(71) Казанский ордена ТрудовогоКрасного Знамени химико-технологический институт им.С.М,Кнр ва(54)(57) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГОРЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЕ с конденсаторомвоздушного охлаждения и концевымконденсатором 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 температурыохлаждающего воздуха, блок дискретного управления, вход которого соединен с выходом датчика расходаохлаждающей воды, а выходы - сэлектродвигателями вентиляторов коденсатора воздушного охлаждения,вычислительный блок, входы которогосвязаны с блоком дискретного управления и выходами датчиков температуры охлаждающего воздуха и расхода охлаждающей воды, динамический компенсатор, вход которого связанс выходом вычислительного блока,и сумматор, один вход которого соединен с выходом регулятора давления,другой вход - с выходом динамического компенсатора, а выход сумматораподключен 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 ибыстродействия системы, в нее допол-.нительно введены датчики расходовфлегмы и дистиллята, датчик уровняпродукта во флегмовой емкости, блоквычисления расхода пара через конч Ьденсатор воздушного охлаждения,входы которого подключены к датчикам расходов флегмы и дистиллята идатчику уровня продукта во флегмовой емкости, а выход - к первомудополнительному входу вычислительного блока, блок адаптации, одинвход которого соединен с первымЭвамдополнительным выходом вычислительного блока, а другие входы связаны свыходами сумматора, датчика темпера фтуры охлаждающего воздуха, датчикарасхода охлаждающей воды и блокавычисления расхода пара через кон- уфденсатор воздушного охлаждения, авыход блока адаптации подключен квторому дополнительному входу вычислительного блока, при этом второйдополнительный выход вычислительногоблока соединен с дополнительным входом блока дискретного управления.1 115Изобретение относится к системам автоматического регулирования режимов работы ректификационных колонн с конденсатором (дефлегматором ) воздушного охлаждения (КВО ),представляющим груп пу параллельно включенных аппаратов воздушного охлаждения (АБО 1, и концевым конденсатором с водяным охлажде нием, и может найти применение при автоматизации процессов ректифика 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 флегГ 1 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 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 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 50 которого соединен с выходом регулятора давления, другой - с выходом динамического компенсатора, а выход сумматора подключен к входу регулятора расхода охлаждающей во ды 21Однако известная система не решает задачи измерения расхода 2 б 04пара через КВО и коррекции по вели.чине этого расхода воздействий наизменение расхода охлаждающей водыв концевой конденсатор, осуществляемых системой регулирования приотключении (подключении ) вентиляторов КВО. Это приводит к ошибкамв определении тепловой производительности КВО и, следовательно, кснижению качества регулированиядавления в ректификационной колонне,что, в свою очередь, вызывает ухудшение технико-экономических показателей процесса,Известная система не обеспечиваетадаптации математической модели,используемой в вычислительном блоке для расчета управляющих воздействий, к изменяющимся в процессе эксплуатации характеристикам КВО иконцевого 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 1 вентиляторов КВОв зависимости от величины расходапара через КВО и температуры окружающего воздуха для обеспеченияперестановки исполнительного механизма концевого конденсатора из крайнего верхнего (нижнего )положенияв положение, обеспечивающее егоэффективную работу по стабилизациидавления в колонне. Это приводитпри определенных условиях,к увеличению частоты срабатывания вентиляторов КВО и, следовательно, к ухудшению качества работы автоматическойсистемы.Цель изобретения - повышение качества продукта путем увеличениядинамической 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 11526ханизму на трубопроводе охлаждающейводы, датчик температуры охлаждающего воздуха, блок дискретного управления, вход которого соединен свыходом датчика расхода охлаждающейводы, а выходы - с электродвигателями вентиляторов конденсатора воздушного охлаждения, вычислительныйблок, входы которого связаны с блоком дискретного управления и выхо- )Одами датчиков температуры охлаждающего воздуха и расхода охлаждающейводы, динамический компенсатор,вход которого связан с выходомвычислительного блока, и сумматор, )5один вход которого соединен свыходом регулятора давления, другой вход - с выходом динамическогокомпенсатора, а выход сумматора подключен к входу регулятора расхода 20охлаждающей воды, дополнительно введены датчики расходов флегмы и дистиллята, датчик уровня продукта вофлегмовой емкости, блок вычислениярасхода пара через конденсатор воздушного охлаждения, входы которогоподключены к датчикам расходов флегмы и дистиллята и датчику уровняпродукта во флегмовой емкости, авыход - к первому дополнительному З 0входу вычислительного блока, блокадаптации, один вход которого соединен с первым дополнительным выходомвычислительного блока, а другиевходы связаны с выходами сумматора,датчика температуры охлаждающеговоздуха, датчика расхода охлаждающей воды и блока вычисления расходапара через конденсатор воздушногоохлаждения, а выход блока адаптации 40подключен к второму дополнительномувходу вычислительного блока, приэтом второй дополнительный выходвычислительного блока соединен с дополнительным входом блока дискретного 45управления 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 АВО, концевого конденсатора 3 с водяным охлаждением и флегмо вой емкости 4, электродвигатели венти 04 4ляторов 5 КВО 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 11, динамический компенсатор 12, сумматор 13, датчик 14 температуры охлаждающего воздуха, датчики расхода флегмы 15 и дистиллята )6, датчик 17 уровня продукта во флегмовой емкости 4, блок 18 вычисления расхода пара через КВО 2 и блок адаптации 9,Система автоматического регулирования 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 колонныпарах продукта, и количеством тепла, снимаемым в конденсаторах воздушного 2 и водяного 3 охлаждения. Последнее распределяется между 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 1 О по команде вычислительного блока .11 при исчерпании регулирующих ресурсов концевого конденсатора 3, то есть когда исполнительный механизм 9 на линии подачи охлаждающей воды достигает крайнего верхнего (нижнего ) положения.Сохранение заданной величины давле. ния Р в ректификационной колонне 1 при небольших колебаниях температуры окружающего воздуха и изменениях паровой нагрузки колонны обеспечивается датчиком и регулятором давления 6, оказывающим воздействие на исполнительный механизм 9 черезсумматор 13 и регулятор расхода 8,При этом эффективность подавлениярегулятором 6 возмущений по температуре окружающего воздуха обусловлена низкочастотным характером последних по сравнению с собственнойчастотой контура регулирования давления. Возмущения по расходу пара-м аппарате воздушного охлаждения; Й - количество тепла, отво 55димое в концевом конденсаторе 3 с водянымо.лаждением; также эффективно отрабатываютсяконтуром регулирования по отклонению., поскольку узел конденсацииобладает по отношению к изменениямпарового потока в колонне большим 5самовыравниванием, чем узел конденсации, содержащий лишь конденсаторводяного охлаждения,При значительных изменениях температуры окружающего воздуха и паро 10вого потока в колонне 1 для поддержания заданной величины давлениянеобходимо изменение числа работающих вентиляторов 5 КВО 2. Это осуществляет блок дискретного управления 1 О, который в моменты достижения исполнительным механизмом 9 задан.ных верхнего или нижнего положенийвырабатывает команду на вычислительный блок 11, Последний производит 20расчет числа подключаемых ( отключаемых 1 вентиляторов 5 КВО 2 и,в своюочередь, воздействует на блок диск-.ретного управления 10, выдающий команду на срабатывание вентиляторовДля обеспечения инвариантности давления по отношению к изменениямтепловой производительности КВО 2,возникающим в моменты подключения(отключения ) вентиляторов, вычислительный блок 11 осуществляет одновременное воздействие на исполнительный механизм 9 концевого конденсатора 3 через динамический компенсатор 12, сумматор 13 и регулятор расхода 8. Расчет этих воздействийдолжен производиться на основе математических моделей конденсатороввоздушного 2 и водяного 3 охлаждения,-представляющих собой статические 10зависимости С, 0 Ь - расход пара через КВО 2и температура окружающего воздуха соответственно.Поскольку зависимости (1) и (2 ) носят монотонный, слабонелинейный характер, возможно использование линеариэованных моделей аппаратов в виде1( ов ов,о) 1(Ф) где Я О С - текущие значения парап 1 1 Ов метров; 6 0 С - значения параметров,ло Ьо оВ оотносительно которых производится линеаризация зависимостей (1) и (2).Учитывая,что при включении (выключении ) 1-го вентилятора на 1-м аппарате воздушного охлаждения общее изменение тепловой производительности КВО 2 дйво дадвИи что воздействие аидов на изменение расхода воды в концевой конденсатор необходимо производить из услои ЙЯ= - Й кво , получим на основании соотношений (3 ) и (.4) следующую линейную модель, используемую в вычислительном блоке 11;(1 О 1, 11 П 1Здесь К, = , )Р К 1= "т;) Р а подстрочные индексы 1 и надстрочные 1 означают, что расчет управляющих воздействий производится для случая включения(отключения1-го вентилятора на 1-м аппарате воздушного охлаждения.Информация о величине расхода пара бчерез 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 использова 1152 б 04нии уравнения материального баланса фпегмовой емкости 4:а.м)а-аф-= -) (ь)ф д)где 6 ф,6 д - значениЯ Расходов флегмы и дистиллята, измеряемые датчиками 15 и 16;у - удельный вес продуктаво флегмовой емкости 4;Ч - объем, занимаемый продуктом во флегмовойемкости.Значение правой части соотношения (6вычисляется 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= сопят,В модели (5 ), используемой в вычислительном блоке 11, коэффици,нты К ,.и К, изменяются с течением(времейи вследствие загрязнения теплопередающих поверхностей КВО 2 и концевого конденсатора З,а также при значительных изменениях расхода ара С через КВО 2 и температуры окруижающего воздуха 98 . Это определяет 30 необходимость, адаптации коэффициентов модели К и К 1 что реали 1зуется в предлагаемои системе блоком адаптации 19. Для адаптации коэффициентов математической модели (5 в блоке адаптации 19 используют оптимальный одношаговый алгоритмПринцип работы вычислительного блока 11 и блока адаптации 19 заключается в следующем 40Пусть й(1, = 0,1,2,) - моменты включения (отключения ) 1-го вентилятора на 1-и аппарате воздушного охлаждения, имеющие место при достижении исполнительным механизмом 9 45 заданного верхнего (нижнего) положения, С- время переходного процесса в системе регулирования давления после включения (отключения ) вентилятора АВО. Вычислительный блок 11 в 50 моменты 1 рассчитывает по модели (5) и вырабатывает ступенчатое воздействие ьС о (с)(,. на изменение расхода воды через концевой конденсатор 3 с целью компенсации возмущения, выз ванного срабатыванеим вентилятора АВО Это воздействие подается на динамический компенсатор 2, который формирует закон перемещения исполнительного механизма 9 во времени обесУпечивая инвариантность давления в колонне по отношению к рассматриваемому возмущению в переходном режиме.К моменту времени 1 +регулятор давления 6., оказывающий дополнительное воздействие на исполнительный механизм 9 через сумматор 3 и регулятор расхода 8, устанавливает такое приращение расхода воды я Ьщ (1 тб, которое обеспечивает выполнение условия Р = сопят в статике, поскольку этот регулятор содержит в за - коне регулирования интегральную составляющую. Допустив, что за время 7 имели место незначительные изменения расхода пара 6 и температуры окружающего воздуха Оп, можно найти ошибку предсказания по модели при срабатывании вентилятора на одном АВО, равную= ь(") "сьев 1В случае, если ошибка превышает допустимую, блок адаптации производит в момент 1 + вычисление новых значений коэффициентов модели (5 и осуществляет воздействие на вычислительный блок 11 с целью корректировки их старых значений.Алгоритм работы вычислительного блока 11, реализуя изложенный вьппе принцип, предусматривает также возможность одновременного подключения вентиляторов на нескольких аппаратах АВО, Алгоритм имеет следующий ВИД е1.Расчет управляющего воздействия на изменение расхода воды в концевой конденсатор 3 для 1-го вентилятора на 1-м аппарате воздушного охлаждения по рекуррентиой формулед (,":ьд (,;+к".г)юЯ ( ) ( ( + 1 г к ( ФГ)( )- Вв(Ее.+Ц (8 где- 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:йаь (,)=Х ао,),., ико