Модуль 3 – измерительные преобразователи температуры, давления, уровня и расхода. Лекция №9 измерительные преобразователи пневматические. Измерительные преобразователи электрические.

Измерительные преобразователи пневматические ГСП пред­назначены для непрерывного преобразования давления, разре­жения, перепада давления, расхода, уровня, плотности или тем­пературы в унифицированный пневматический выходной сигнал. Преобразователи состоят из чувствительного элемента, силово­го узла и усилителя. Принцип действия приборов основан на пневматической силовой компенсации.

В преобразователях с пневмосиловой компенсацией измеряе­мая величина воздействует на чувствительный элемент и преоб­разуется в силу, которая автоматически уравновешивается уси­лием, развиваемым давлением воздуха в сильфоне обратной связи. Это давление и является выходным сигналом.

Все преобразователи конструктивно выполнены одинаково и отличаются один от другого только типом чувствительного эле­мента (сильфон, одновитковая трубчатая пружина, мембрана и т. д.). В промышленности используются пневматические пре­образователи ГСП на различные пределы измерения типов: МП-П; ТС-П; МС-П; ДС-П и др.

Манометр сильфонный МС-П1 предназначен для непрерыв­ного преобразования величины измеряемого избыточного давле­ния газов или жидкостей в пропорциональный пневматический сигнал давлением от 0,02 до 0,1 МПа.

Рисунок 20 – Манометр сильфонный МС-П1

Манометр (рисунок 20) состоит из измерительного блока и уни­фицированного пневмосилового узла. Чувствительным элемен­том измерительного блока этого прибора является сильфон. Унифицированный преобразователь, построенный на принципе пневматической силовой компенсации, включает в себя управ­ляющее устройство «сопло - заслонка» с системой рычагов, уси­литель и сильфон обратной связи. Измеряемое давление Р_изм подводится к сильфону 1 измери­тельного блока. При изменении измеряемого давления несколь­ко перемещаются рычаги 3 и заслонка 6 относительно сопла 5. Система сопло - заслонка преобразует это перемещение в сиг­нал давления сжатого воздуха, поступающий на усилитель 7. Выходной сигнал Р_вых с усилителя направляется в пневматиче­скую линию ко вторичному прибору и в сильфон обратной свя­зи 8, уравновешивающий при помощи системы рычагов измеряе­мое давление Р_изм. Диапазон измерений прибора может регу­лироваться изменением в пределах 1:10 его передаточного от­ношения перемещением опоры 2 вдоль рычагов 3. Начальное значение выходного сигнала 0,02 МПа устанавливается пружи­ной - корректором нуля 4.

В случае уменьшения измеряемого давления Р_изм заслонка 12 отходит от сопла 3, силы на мембранах действуют в обратном направлении, и Р_вых уменьшается. Пределы измерения манометра сильфонного МС-П 1 от 0 - 0,04 до 0 - 0,4 МПа; классы точности 0,6; 1,0 и 1,5.

Комплекс пневматических измерительных преобразователей содержит преобразователи для измерения абсолютного давления газа - 13ДА, избыточного давления газа - 13ДИ, избыточного давления и разрежения жидкости и газа - 13ДИВ, перепада давления жидкости или газа и уровня жидкости - 13ДД, гидростатического давления - 13ДГ, температуры газа, пара или жидкости - 13ТД.

Принцип действия этих из­мерительных преобразователей также основан на пневматической силовой компенсации. Приборы состоят из измерительного элемента, однорычажного пневмосилового блока и усилителя. В ка­честве чувствительных элемен­тов используют мембраны из коррозионностойких материа­лов. Базовой моделью комп­лекса служит измеритель­ный преобразователь перепада давления 13ДД (рисунок 21).

Рисунок 21 – Измерительный преобразователь перепада давления 13ДД

В плюсовую 2 и минусовую 6 полости преобразователя подводится давление. Изме­ряемый перепад давления и воздействует на мембраны. Внутренняя полость между мембранами заполнена кремнийорганической жидкостью. Под воздействием давления мембраны поворачивают рычаг 8 на небольшой угол относительно опоры - упругой мембраны вывода 9. Заслон­ка 11 перемещается относительно сопла 12, питаемого сжатым воздухом. При этом сигнал в линии сопла управляет давлением в усилителе 13 и в сильфоне отрицательной обратной связи 14. Сигнал, поступающий в сильфон 14, пропорциональный измеряемому перепаду давле­ния, одновременно направляется в выходную линию преобразо­вателя.

Для питания приборов комплекса используется сжатый воз­дух давлением 0,14 МПа. Выходной сигнал 0,02 - 0,1 МПа. Рас­ход воздуха питания 3 л/мин. Преобразователи обеспечивают передачу выходного сигнала по пневмолинии внутренним диа­метром 6 мм на расстояние до 300 м. Основная погрешность приборов ± 0,6; ± 1,0 и ± 1,5%. Верхние пределы измерений преобразователей: 13ДА - (2,5 - 2500) кПа; 13ДИ - (0,4 кПа - 100 МПа); 13ДИВ - от (- 0,2 ... + 0,2) кПа до (- 0,1... + 2,4) МПа; 13ДД - (10-160) МПа; 13ДГ - (6,3-160) кПа; 13ТД - от - 200 до 600⁰С.

Измерительные преобразователи электрические.

Измерительные преобразователи электрические ГСП предназна­чены для непрерывного преобразования расхода, давления, уровня и других технологических величин в унифицированные электрические сигналы.

Преобразователи с электросиловой компенсацией состоят из чувствительного элемента, электронного усилителя и унифициро­ванного электросилового узла. В преобразователях использует­ся принцип электрической силовой компенсации.

Манометр пружинный с элек­тросиловой компенсацией МП-Э.

Измеряемое давление, воздей­ствуя на чувствительный элемент - одновитковую трубчатую пружину 1, через рычаги передаточного механизма 2, приводит к незначительному перемещению управляющего флажка инди­катора 5 рассогласования дифференциально-трансформаторно­го типа. Последний преобразует это перемещение в управляю­щий сигнал постоянного тока электронного усилителя 6. Перемещая подвижную опору 4 и, таким образом, изменяя передаточное отношение рычагов, можно менять диапозон измерений прибора.

В промышленности используются измерительные преобразо­ватели ГСП с электросиловой компенсацией: МС-Э, МП-Э, ТС-Э, ДС-Э и др. Выходные сигналы преобразователей 0 - 5, 0 - 20 мА. Пределы измерения от 0 - 0,04 до 0 - 1000 МПа. Классы точности от 0,6 до 1,5 (рисунок 22).

_{Рисунок 22 – Манометр пружинный МП-Э}

Комплекс малогабаритных измерительных преобразователей с компенсацией магнитных потоков включает следующие датчи­ки: манометр пружинный избыточного давления МПЭ-МИ; дифманометр - сильфонный ДСЭ-МИ; дифманометр - расходомер сильфонный ДСЭР-М; дифманометр - напоромер сильфонный ДСЭН-МИ; дифманометр - тягомер сильфонный ДСЭТ-МИ; дифманометр - перепадомер мембранный ДМЭ-МИ; дифманометр – расходомер мембранный ДМЭР-М; дифмано­метр - уровнемер мембранный ДМЭУ-МИ.

Преобразователи построены по блочному принципу. Каж­дый из них состоит из малогабаритного магнитомодуляционного преобразователя, усили­тельного устройства с линейной или корнеизвлекающей (для дифманометров - расходомеров) характери­стиками и соответствующего измерительного блока.

Принцип действия при­боров состоит в том, что из­меряемый параметр преоб­разуется чувствительным элементом в пропорцио­нальное перемещение постоянного магнита, который создает управляющее воздействие, в виде магнитного потока и вызывает изменение намагниченности сердечников. При этом возникает сигнал рассогласования, который управляет вы­ходным сигналом усилителя. Усиленный сигнал поступает в ли­нию дистанционной передачи и одновременно в обмотку обрат­ной, связи, которая создает магнитный поток, компенсирующий воздействие управляющего магнитного потока.

Для питания приборов комплекса используется переменный ток напряжением 220 В. Выходной сигнал преобразователей 0 - 5; 0 – 20 и 4 - 20 мА. Основная погрешность прибора ±0,6;±1,0 и ±1,5%.

Электронные преобразователи «Сапфир-22». Комплекс тензорезисторных датчиков Сапфир-22 включает преобразователи: абсолютного давления Сапфир-22ДА; избыточного давления Сапфир-22ДИ; давления - разрежения Сапфир-22ДИВ; разно­сти давлений Сапфир-22ДД и гидростатического давления (уровня) Сапфир-22ДГ.

Преобразователи позволяют осуществлять непрерывное пре­образование указанных величин в унифицированный выходной сигнал постоянного тока.

Преобразователи Сапфир-22ДГ и Сапфир-22ДД могут ис­пользоваться для получения информации о плотности или уров­не жидкостей, находящихся в открытых или закрытых (под давлением) резервуарах. Преобразователь Сапфир-22ДД может применяться для измерения расхода жидких и газообраз­ных сред.

Принцип действия приборов основан на использовании тен-зорезисторного эффекта в пленке кремния, нанесенной на по­верхность монокристаллической пластинки из сапфира. Пластинка, в свою очередь, плот­но связана с металлической мембраной, на которую воздейству­ет измеряемое давление. Деформация чувствительного элемен­та, пропорциональная величине измеряемого параметра, вызы­вает изменение сопротивлений кремниевых тензорезисторов, которое в электронном устройстве преобразуется в унифициро­ванный выходной сигнал постоянного тока.

Достоинства преобразователей Сапфир-22:

1) Высокая точность;

2) Стабильность работы;

3) Малоинерционность.

4) Возможность регули­ровки диапазона измерения датчиков;

5) Приборы выпускаются с линейнo возрастающей и линейно убывающей характеристиками вы­ходного сигнала.

Питание преобразователей обеспечивается от внешнего источника -блока питания 22БП-36 - постоянным током напряжением 36 В. Выходной сигнал преобразователей 0 - 5; 0 - 20 и 4 - 20 мА. Основная погрешность ±0,1; ±0,25; ±0,5%. Преоб­разователи изготавливаются в обыкновенном (Сапфир-22), искробезопасном (Сапфир-22-Ех) и взрывозащищенном (Сапфир-22-Вн) исполнениях. Верхние пределы измерений преобразователя: Сапфир-22-Вн 0,4 - 2,5 МПа; 2,5 - 16 МПа и 16 – 100 МПа, преобразователя Сапфир – 22 ДД: 0,25 – 1,6 кПа; 1,6 -10 кПа; 6,3 – 40 кПа; 40 – 250 кПа; 0,4 – 2,5 МПа; 2,5 -16 МПа. Габаритные размеры 205 х 212 х 180 мм. Верхние пределы измерений преобразователя Сапфир – 22 ДГ: 2,5 – 10 кПа; 6 -40 кПа и 40 – 250 кПа.

Рисунок 23 – Схемы преоб­разователей Сапфир - 22:

а - избыточного давления Саифир-22ДИ; б - разности давлений Сапфир - 22ДД; в - гидростатического давления (уровня) Сапфир – 22 ДГ

ЛЕКЦИЯ №10

КОНТРОЛЬ СОСТАВА И ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ

МЕТОДЫ АНАЛИЗА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ. КЛАССИФИКАЦИЯ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ: ТЕРМОКОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЕ, МАГНИТНЫЕ, ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЕ. АНАЛИЗ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ. ХРОМАТОГРАФЫ.

Методы анализа для определения состава и физико-химических свойств веществ.

Анализируемые вещества обычно представляют собой смеси, состоящие из нескольких компонентов. Для определения соста­ва вещества и концентрации отдельных его компонентов при­меняют анализаторы, построенные, как правило, на косвенных методах анализа. Эти методы анализа основаны на использовании из­вестных взаимосвязей между искомыми параметрами и каким-либо физическим или физико-химическим свойством вещества при условии, что это свойство может быть измерено, а компо­нент, концентрация которого измеряется, отличается от остальных компонентов смеси хотя бы по одному физико-химическому свойству.

При автоматическом контроле физико-химических парамет­ров веществ получили распространение следующие методы ана­лиза:

химические, основанные на свойствах веществ, проявляемых ими в химических реакциях;

тепловые, основанные на изменении свойств газовых смесей в температурных полях в зависимости от их состава;

магнитные, использующие парамагнитные свойства ряда газов;

кондуктометрический, основанный на измерении концентра­ции растворов электролитов по их удельной электропровод­ности;

потенциометрический, предназначенный для растворов элек­тролитов и основанный на измерении электродных потенциа­лов - разности потенциалов, возникающей на границе раство­ра и электрода, погруженного в этот раствор;

оптические, в которых используются поглощение, преломле­ние или отражение электромагнитных волн различных областей спектра отдельными компонентами сложного вещества (спект­ральный, инфракрасный, микроволновый и колориметрический анализы);

электрохимический, который основан на различных электро­химических свойствах отдельных компонентов сложной смеси (электрометрический и полярографический анализы).

Классификация газоанализаторов

Химические газоанализаторы предназначены для определения объемного состава газовой смеси. Например, переносной химический газоанализатор ГПХ-3 предназначен для раздельного объемного определения содержа­ния в смеси диоксида углерода, кислорода и оксида углерода или непредельных углеводородов.

Данные газоанализаторы основаны на избиратель­ном поглощении компонентов смеси химическими реактивами либо на принципе сжигания горючих компонентов этой смеси.

Химические газоанализаторы применяют в лабораторной практике, а также при контрольных измерениях и поверке авто­матических газоанализаторов. Погрешность химических газо­анализаторов 0,1%.

В физических газоанализаторах для анализа газовой смеси ис­пользуют какое-либо физическое свойство смеси, изменяющееся в зависимости от содержания определенного компонента, например, теплопроводность, поглотительную способность газов, их магнитную проницаемость и. т. д.

Основные типы газоанализаторов

Термокондуктометрические газоанализаторы основаны на за­висимости теплопроводности анализируемой газовой смеси от концентрации определяемого компонента. Например, термокондуктометрический газоанализатор ТП-5501 пред­назначен для определения объемного содержания водорода, ди­оксида углерода или метана во взрывобезопасных бинарных смесях, а также для выдачи стандартных аналоговых электри­ческих сигналов. Газоанализатор является автоматическим при­бором непрерывного действия и состоит из датчика, через который продувается анализируемая газовая смесь, и вторичного прибора.

Теплопроводность газовой смеси сравнивают с теплопровод­ностью воздуха или другого газа и выражают в абсолютных или относительных единицах. Теплопроводность большинства газо­вых смесей λ_см с достаточной для практических целей точ­ностью можно рассчитать по уравнению:

(8)

где P₁, P₂, P₃.....P_n - содержание компонентов теплопровод­ностью λ₁, λ₂, λ ₃, ..., λ _n при условии, что Р₁ + Р₂ + Р₃ + . . . +P_n = 100%.

Для определения теплопроводности газовой смеси в камеру, через которую при постоянном расходе продувается эта смесь, помещают металлическую нить с большим температурным ко­эффициентом сопротивления и пропускают через нее электриче­ский ток. Температура и, следовательно, электрическое сопро­тивление нагреваемой током нити зависят от теплопроводности среды, окружающей нагретый проводник, от которой, в свою очередь, зависит теплоотдача в окружающую газовую среду. Таким образом, по изменению электрического сопротивления нити можно судить о концентрации анализируемого компо­нента.

Магнитные газоанализаторы применяют для определения со­держания кислорода в анализируемой газовой смеси.

Магнитные свойства газов (слабомагнитных веществ) ха­рактеризуются интенсивностью намагничивания I (в А/м), от­несенной к напряженности магнитного поля H (в А/м). Это отношение называют объемной магнитной восприимчивостью К_м= I/H.

Величина К_м для кислорода в десятки и сотни раз выше, чем для азота, водорода, диоксида углерода и др. Следовательно, если имеется газовая смесь, состоящая из кислорода и диамаг­нитных газов, то величина магнитной восприимчивости этой сме­си однозначно определяется содержанием в ней кислорода.

Большинство магнитных газоанализаторов основано на прин­ципе термомагнитной конвекции. Если в проточную камеру с неоднородным маг­нитным полем, где находится парамагнитный газ, поместить на­гретое тело, то при нагревании магнитная восприимчивость газа будет уменьшаться. Тогда более холодный газ, обладающий большей магнитной восприимчивостью, будет перемещаться в более сильное магнитное поле, вытесняя из него нагретый газ, т. е. появится термомагнитный конвективный поток. Интенсив­ность этого потока однозначно определяется магнитной воспри­имчивостью газа, значение которой в свою очередь зависит от содержания кислорода в анализируемой газовой смеси.

Например, термомагнитный газоанализатор МН5130-1 предназначен для непрерывного измерения концентрации (объемной доли) кислорода в двух- и трехкомпонентных газовых смесях и выда­чи стандартных электрических сигналов. Снабжен устройством сигнализации.

Оптико-акустические газоанализаторы основаны на свойстве газов и паров избирательно поглощать инфракрасное излучение определенной длины волны (от 0,76 до 750 мкм). В оптико-аку­стических газоанализаторах обычно используются лишь лучи с волнами длиной 2,5 - 25 мкм, излучаемые молекулами вслед­ствие их колебательного движения.

Явление избирательного поглощения описывается законом Ламберта - Бера, который для монохроматического излучения с длиной волны λ имеет вид:

С = (1/К_λl) Ig (I₀/I), (9)

где С - концентрация поглощающего вещества в пробе иссле­дуемого газа;

К_λ - коэффициент поглощения вещества при дли­не волны λ;

l - толщина слоя пробы (длина кюветы);

I_о, I - интенсивности излучения до пробы и после пробы.

В промышленных оптико-акустических газоанализаторах ин­фракрасного поглощения пробой исследуемого газа служит сложная газовая смесь, направляемая по кювете, через которую периодически пропускают поток инфракрасных лучей. При этом часть лучей поглощается, а часть поступает в чувствительный элемент, который связан с вторичным прибором. Например, оптико-акустический газоанализатор ОА-2209 предназначен для определения содержания в газовых смесях диоксида угле­рода. Он является автоматическим прибором непрерывного дей­ствия и состоит из блока приемника и вторичного прибора КСУ 2.

Анализы многокомпонентных смесей. Хроматографы.

Хроматографами называются приборы, предназначенные для анализа жидких многокомпонентных и газовых смесей методом хроматографического разделения. Метод состоит в том, что анализируемая смесь разделяется на составляющие компонен­ты при ее принудительном продвижении через слой неподвиж­ной фазы. Метод циклический, обладает высокой разделитель­ной способностью и позволяет производить качественный и коли­чественный анализы исследуемой смеси.

Для анализа газов используют способы газоадсорбционной и газораспределительной хроматографии. В первом из них подвижной фазой является газ, а не­подвижной - твердое измельченное вещество; во втором по­движной фазой служит газ, неподвижной - жидкость, нанесен­ная на пористую основу. В газоадсорбционной хроматографии разделение компонентов обусловлено их различной способ­ностью адсорбироваться на поверхности неподвижной твердой фазы, а в газораспределительной -неодинаковой их раствори­мостью в жидкой неподвижной фазе.

На рисунке 24 показана схема газоадсорбционного хроматографического разделения смеси газов на компоненты. Проба ана­лизируемой газовой смеси, состоящей из трех компонентов А, Б и В (рисунке 24 а), проталкивается каким-либо инертным газом, называемым газом-носителем, через длинную тонкую трубку - разделительную колонку, согнутую по спирали и заполненную измельченным адсорбентом.

Вследствие различной адсорбируемости компонентов смеси движение их в колонке замедляется по-разному. Чем больше сорбируемость молекул данного компонента, тем больше их торможение, и наоборот. Поэтому отдельные компоненты смеси продвигаются по колонке с разной скоростью. Через некоторое время (рисунке 24 б) вперед уйдет компонент В как менее сорбируемый, за ним компо­нент Б и, наконец, ком­понент А как более сор­бируемый и поэтому дви­жущийся медленнее остальных.

Рисунок 24 – Схема газоадсорбционного хроматографического разделения га­зовой смеси на компоненты

В следующий промежуток времени, вследствие разных ско­ростей движения, ком­поненты полностью раз­деляются (рисунок 24 в) и из хроматографической колонки по­следовательно выходят или газ-носитель, или бинарная смесь газ-носитель - компонент.

При анализе многокомпонентной газовой смеси из колонки выносятся компоненты в порядке возрастания их молекулярных масс. При определенных постоянных условиях разделения (тем­пература, расход газа-носителя, свойства адсорбента и т. д.) время прохождения каждого компонента через данную хроматографическую колонку и, следовательно, время его выхода посто­янно. Поэтому время выхода каждого компонента является ка­чественным показателем хроматографического анализа.

В качестве газа-носителя в газоадсорбционной хроматогра­фии применяют азот, гелий, воздух и другие газы; в качестве адсорбента (неподвижной фазы) используют активный уголь, силикагель, алюмогель, оксид магния и т. п.

Результаты анализа фиксируются вторичным регистрирую­щим прибором. Хроматограмма анализируемой смеси представ­ляет собой кривую с рядом пиков.

МОДУЛЬ 4 – КОНТРОЛЬ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ЛЕКЦИЯ № 11

ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТЕЙ. ПЛОТНОМЕРЫ. ИЗМЕРЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТЕЙ. ВИСКОЗИМЕТРЫ. ИЗМЕРЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ. ПСИХРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД. МЕТОД «ТОЧКИ РОСЫ».

Измерение плотности жидкостей. Плотномеры.

Плотность вещества является одним из основных параметров, характеризующих свойства, а в ряде случаев и состав техноло­гической продукции. Плотностью называется масса вещества, заключенная в единице объема ρ кг/м³:

ρ = m/V, (10)

где m - масса вещества, кг;

V - объем вещества, м³.

По принципу действия плотномеры делятся на весовые, по­плавковые, гидростатические и радиоизотопные.

Весовые плотномеры основаны на прямом методе измерения плотности, т. е. на взвешивании постоянного объема жидкости или газа. Их выполняют в виде чувствительного элемента - горизонтальной U - образной трубки, к которой через гибкие ру­кава (резиновые трубки, сильфоны и др.) подводится контроли­руемая жидкость. В случае измене­ния плотности жидкости изменяется масса чувствительного эле­мента, трубка отклоняется, при этом ее перемещение через пневматический или электрический силовой преобразователь передается на вторичный прибор.

В поплавковых плотномерах используется зависимость вы­талкивающей архимедовой силы, действующей на поплавок, от плотности жидкости или газа. Поплавковые плотномеры могут быть с плавающим и с полностью погруженным поплавком. В первых, называемых ареометрами постоянной массы, мерой измеряемой плотности жидкости служит глубина погружения поплавка определенных формы и массы. Во вторых, ареомет­рах постоянного объема, глубина погружения поплавка остает­ся постоянной, а изменяется выталкивающая сила, действующая на поплавок и пропорциональная измеряемой плотности.

Гидростатические плотномеры основаны на измерении дав­ления столба жидкости постоянной высоты:

, (11)

Если Н = const и g известно, то давление зависит только от плотности жидкости.

В гидростатических пьезометрических плотномерах через жидкость непрерывно продувается инертный газ (воздух), дав­ление которого пропорционально давлению столба жидкости.

Пьезометрический плотномер ПМ включает датчик погру­женного или проточного типов, мембранный дифманометр с пневматической передачей и вторичный прибор ПВ4.2Э.

Радиоизотопные плотномеры основаны на принципе ослаб­ления интенсивности гамма-излучения в зависимости от плотно­сти контролируемой среды, которую оно пересекает. Радиоизо­топные плотномеры позволяют непрерывно измерять плотность агрессивных жидкостей, суспензий, пульп бесконтактным мето­дом, однако они требуют индивидуальной градуировки и повер­ки по месту установки.

Измерение вязкости жидкостей. Вискозиметры.

Вязкостью называется свойство жидкости и газов, характеризующее их сопротивляемость деформации сдвига. Для жидкостей характерна динамическая вязкость - величина, равная отношению силы внутреннего трения, действующей на поверхно­сти слоя жидкости при градиенте скорости, равном единице, к площади этого слоя. По уравнению Ньютона динамическая вязкость определяется соотношением

, (12)

где μ - динамическая вязкость или просто вязкость, Па·с;

F - сила сдвига, H;

S - площадь поверхности слоя, м²;

dv/dn - градиент скорости движения по толщине слоя или скорость сдвига, с^-1;

v - скорость течения одного слоя относительно другого, м/с;

п - расстояние между слоями жидкости, м.

Кинематическая вязкость - это отношение динамической вязкости к плотности жидкости:

v = μ/ρ, (13)

где v - кинематическая вязкость, м²/с;

ρ - плотность, кг/м³

Для измерения вязкости применяют следующие методы: ис­течения, падающего тела, крутящего момента, вибрационный, ультразвуковой.

Измерение вязкости по методу истечения состоит в том, что измеряют время, за которое жидкость определенного объема вытечет из емкости через калиброванное отверстие, или изме­ряют перепад давлений на входе и выходе из капиллярной трубки, через которую протекает контролируемая среда.

По методу падающего тела (обычно металлического шари­ка) отсчитывают время, в течение которого шарик, опущенный в контролируемую среду, пройдет определенный участок пути в этой среде.

Метод крутящего момента используют в ротационных виско­зиметрах, в которых измеряется крутящий момент или момент сопротивления, передаваемый анализируемой жидкостью чув­ствительному элементу прибора и являющийся функцией вязкости жидкости. Наибольшее распространение получили рота­ционные вискозиметры с коаксиальными цилиндрами, вращаю­щимися телами и вращающимися параллельными дисками, по­груженными в анализируемую жидкость.

Момент M, с которым жидкость действует на внешний цилиндр, определяется равенством:

(14)

где ω - угловая скорость, с^-1;

R и r - радиусы цилиндров, м.

При вибрационном методе вязкость оценивают по измене­нию амплитуды вынужденных колебаний тела, погруженного в контролируемую среду, в зависимости от вязкости этой среды.

Ультразвуковой метод измерения вязкости основан на том, что в вязкой среде амплитуда свободных колебаний тела постоянно уменьшается, и тем быстрее, чем больше внутреннее сопротивление среды. Измеряя степень затухания колебаний, можно судить о вязкости жидкости.

Измерение влажности газов. Психометрический метод. Метод «точки росы».

Содержание влаги в газе характеризуется абсолютной или от­носительной влажностью. Под абсолютной влажностью газа γ_п подразумевают массу водяного пара, содержащуюся в 1 м³ га­зовой смеси.

Единицами абсолютной влажности являются кг/м³ или г/м³.

Относительной влажностью газа или степенью его на­сыщения называют отношение массы водяного пара, содержа­щегося в 1 м³ газовой смеси γ_п, к максимально возможной мас­се водяного пара в 1 м³ той же газовой смеси при тех же усло­виях (температуре и давлении). Максимально возможным со­держанием пара в 1 м³ газовой смеси является масса 1 м³ на­сыщенного пара γ_н, при данной температуре и соответствующем давлении.

Следовательно, относительная влажность (в %)

(15)

Для определения влажности газов используются следующие методы: 1) психрометрический, 2) метод точки росы и 3) электрический.

Психрометрический метод основан на зависимо­сти скорости испарения влаги в окружающую среду от влаж­ности этой среды. Интенсивность (скорость) испарения тем больше, чем суше газ, и наоборот.

Методом точки росы опреде­ляют температуру, до которой необходимо охладить (при по­стоянном давлении) ненасыщенный газ, чтобы довести его до состояния насыщения. Зная температуру точки росы, по таб­лицам насыщенного водяного пара определяют влажность газа.

Электрический метод основан на зависимости электрических параметров гигроскопических материалов от влажности газа.

Автоматические психрометры работают на основе наиболее распространенного психрометрического метода.

Например, влагомер психрометрический автоматический АПВ-201 пред­назначен для непрерывного контроля относительной влажности парогазовой смеси в технологических объектах. Принцип действия влагомера основан на психометрическом методе измерения относительной влажности.

ЛЕКЦИЯ №12.

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ. ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ. ЗАМКНУТЫЕ И РАЗОМКНУТЫЕ САУ. КОМБИНИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПО ОТКЛОНЕНИЮ И ПО ВОЗМУЩЕНИЮ. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ЗАМКНУТОЙ САР.

Система автоматического управления

Под управлением технологическим процессом понимается совокупность операций, необходимых для осуществления таких це­лей, как пуск и остановка технологического процесса, поддержание какого-либо параметра процесса на заданном уровне, изменение па­раметра по заданной программе и т. п.

Установку, машину, агрегат, в котором протекает исследуемый технологический процесс, называют объектом управления. Управление может быть ручным или автоматическим. В первом случае операции управления осуществляет человек, а во вто­ром — управляющее устройство. Сочетание объекта управления и управляющего устройства образует систему автоматического управления (САУ).

Рисунок 25 – К понятию системы ав­томатического управления

На работу системы автоматического управления влияют различ­ные воздействия. Будем называть их входными воздействия­ми, входными величинами или просто входами (х_вх) (рисунок 25).

Параметры процесса, которые в той или иной степени характери­зуют его качество и изменяются под действием входных величин, будем называть выходными величинами или просто выхо­дами (х_вых). Входные воздействия, которые нарушают заданный закон изменения выходных величин, будем называть возмущаю­щими воздействиями или просто возмущениями. Возму­щения можно подразделить на два вида: нагрузку (Н) и помехи (П). Изменение нагрузки обычно обусловлено технологическим про­цессом, а помехи вызываются изменениями внешних условий (на­пример, температуры окружающей среды) или свойств отдельных элементов системы.

Воздействие управляющего устройства на объект управления на­зывается управляющим воздействием (У). Оно также от­носится к входным воздействиям.

Система управления технологическим объектом — это совокупность оперативного технологического персонала и комплекса технических средств автоматизации управления, связанных общей задачей управления.

Оперативный технический персонал (начальник установки, старший оператор, оператор, аппаратчик) с помощью комплекса автоматических устройств, в том числе и средств вычисли­тельной техники, получает информацию о состоянии ТОУ (вход­ах и выходных потоках, режимных параметрах, различного рода возмущениях) и воздействует на них таким образом, чтобы достигалась цель функционирования ТОУ (рисунок 26).

Сначала при управлении технологическими объектами персо­нал использовал только органы чувств. Операция контроля за технологическим режимом, обработка полученной информации и выработка управляющих воздействий на ТОУ основывались исключительно на правильности восприятия, интуиции и опыте человека. Естественно, что при этом человек делал многочислен­ные ошибки. Поэтому первой автоматизированной функцией уп­равления был контроль (рисунок 27).

Рисунок 26 – Схема управления технологическим объектом

Автоматические устройства контроля (контрольно-измери­тельные приборы) обеспечивают быстрые и точные измерения технологических параметров: температуры, давления, расхода, уровня и, что очень важно, параметров качества продукции. В состав устройств контроля может быть включен регистрирующий прибор, записывающий динамику изменения технологи­ческих параметров. Диаграмма регистрирующего прибора слу­жит документом, позволяющим в дальнейшем восстановить ход событий.

При автоматизированном контроле функции человека сво­дятся к определению отклонения параметра от заданного зна­чения, выработке решения по изменению технологического ре­жима и реализации этого решения на ТОУ изменением положе­ния регулирующих органов на технологических магистралях.

Следующим этапом при автоматизации управления было использование сумматора, позволяющего рассчитывать откло­нение параметра от заданного значения. Результат расчета ре­ализовался в устройствах сигнализации, регулирования и за­щиты.

Устройства сигнализации предназначены для автоматичес­кого оповещения персонала об отклонении параметров за допу­стимые пределы путем подачи световых или звуковых сигналов. Для световой сигнализации используют электрические лампы, для звуковой — звонки, сирены, гудки. Как правило, звуковой сигнал служит лишь для оповещения оператора о факте появ­ления события, а световой точно указывает на его место и ха­рактер.

Рисунок 27 – Автоматические устройст­ва контроля (а), сигнализации (б), регулирования (в):

1 — датчик: 2 — регистрирующий при­бор; 3 — показывающий прибор;

4 — оператор; 5 — регулирующий орган: 6 — сигнализатор; 7 —сумматор;

8 — задатчик; 9 — блок определения регу­лирующего воздействия;

10 — регуля­тор; сплошные линии — автоматические воздействия;

штрихпунктирные линии — воздействие осуществляется вручную

Различают следующие виды сигнализации: предупредитель­ную, аварийную и сигнализацию положения.

Предупредительная сигнализация предназначена для опове­щения персонала об отклонениях параметров за пределы, опре­деляемые нормальным технологическим режимом; аварийная предназначена для оповещения персонала о недопустимых значениях параметров или об аварийном отключении одного из аппаратов технологической схемы; сигнализация положения объ­екта управления предназначена для оповещения персонала о состоянии механизмов и машин (включены или выключены), а также положении запорных органов (открыты или закрыты) в данный момент времени.

Устройства регулирования (регуляторы) предназначены для поддержания текущего значения параметра равным заданному. Текущее значение регуляторы получают от устройств контро­ля, а заданное — от оперативного технологического персонала с помощью задатчиков или других автоматических устройств.

В зависимости от того, как формируется заданное значение, различают следующие типы регуляторов: стабилизирующие (за­данное значение постоянно во времени); программные (задан­ное значение изменяется во времени по заранее заданной зависимости); следящие (заданное значение соответствует текущему значению какого-либо другого параметра, т. е. произвольно из­меняется во времени); экстремальные (заданное значение соот­ветствует экстремальному значению параметра для данных производственных условий).

Регуляторы поддерживают параметры на значениях, соот­ветствующих нормальному технологическому режиму. Оператор корректирует их работу путем изменения задания или коэффи­циентов настройки только в случае невыполнения цели функци­онирования ТОУ, возникновения критических ситуаций или пе­рехода на другой вид продукции (т. е. изменения технологиче­ского режима).

Устройства защиты предназначены для предотвращения ава­рий, пожаров, взрывов, выхода из строя оборудования. При срабатывании аварийной сигнализации они воздействуют на процесс (открывая и закрывая технологические магистрали, включая и отключая электродвигатели механизмов и машин) таким образом, чтобы ликвидировать критическое состояние объекта управления с наименьшими потерями (например, при появлении вибрации ротора центрифуги вследствие нарушения равномерности осадка устройство защиты осуществляет оста­новку).

Устройства программно-логического управления. Операции пуска, останова, перевода установки периодического действия с одной рабочей операции на другую в современных установках возлагаются на автоматические устройства программно-логичес­кого управления, которые по заранее заданной временной программе включают и выключают различные механизмы, машины и аппараты.

Сигналом к включению такого устройства может служить наступление того или иного события в ТОУ: окончание какой-либо рабочей операции, «выбег» параметра за допустимый диа­пазон и т. п. Так, по срабатыванию датчика загрузки центрифу­ги периодического действия устройство программно-логического управления отключает входную магистраль и по жесткой вре­менной программе начинает операции подсушки и промывки суспензии.

Для управления технологическим объектом необходим комплекс технических средств, позволяющий автоматизировать функции контроля, сигнализации, регулирования, защиты и программно-логического управления. Он может быть представ­лен совокупностью приборов, регуляторов, сигнализаторов, раз­личных блоков и т. д. Такое — аппаратурное — решение задачи заложено в ныне действующих системах управления. Намного более эффективна программная реализация всех перечисленных выше функций на ЭВМ, т. е. внедрение АСУ технологическими процессами. Программная реализация обеспечивает гибкость системы, глубину автоматизации функции, возмож­ность легкой перенастройки отдельных блоков.

Обратные связи

При построении системы автоматического управления широко применяют обратные связи. Такие связи можно обнаружить везде, где проявляется свойство «саморегулирования» в природе. Без обратной связи само существование живых организмов было бы невозможным.

В технических системах автоматического управле­ния обратная связь осуществляется путем подачи выходной величи­ны на вход, что позволяет при изменениях выгодной величины вно­сить необходимые коррективы на входе.

Обратную связь называют внешней, если она соединяет выход системы с ее входом, и внутренней или местной, если она соединяет выход одного или группы элементов системы с их вхо­дом.

Если подача выходной величины элемента системы на его вход усиливает действие входной величины на выходную, то такая обрат­ная связь называется положительной.

Обратная связь называется отрицательной, если подача вы­ходной величины элемента системы на его вход ослабляет действие входной величины на выходную.

По характеру передачи воздействий обратные связи делятся на жесткие и гибкие. Жесткая связь действует как в установившем­ся, так и в переходном режиме, гибкая действует только в пере­ходном режиме, а в установившемся режиме ее действие прекраща­ется.

Разомкнутые и замкнутые САУ

Системы автоматического управления делятся на разомкнутые и замкнутые.

Разомкнутыми называются такие системы автоматического управления, в которых отсутствует внешняя обратная связь и, сле­довательно, отсутствует контроль результата управления. Их можно подразделить на системы с жесткой программой и системы управ­ления по возмущению.

В разомкнутой САУ с жесткой программой (рисунок 28 а) на управляющее устройство подается жесткое задание З. Управляющее устройство оказывает воздействие У на объект управления в соот­ветствии с этим заданием. Под действием некоторого возмущения х_вх (например, изменение нагрузки) могут возникнуть отклонения выходной величины х_вых объекта от задания. Однако эти отклоне­ния в разомкнутой САУ с жесткой программой не контролируются и не влияют на работу управляющего устройства.

К таким системам относятся, например, системы автоматического пуска и остановки насосов, вентиляторов, компрессоров и т. п.

Рисунок 28 – Разомкнутые системы автоматического управления (САУ)

В разомкнутой САУ по возмущению (рисунок 28 б) управляющее воздействие У формируется в зависимости от величины возмущаю­щего воздействия х_вх. Такую систему можно использовать только в том случае, когда известны и контролируются все возмущающие воз­действия, а также известны свойства объекта управления. При на­личии неконтролируемых возмущений (помех) САУ по возмущению оказывается не в состоянии исправить возникающие при этом ошиб­ки управления, так как она не контролирует изменение выходной величины х_вых.

Замкнутыми называют системы автоматического управления, в которых имеется обратная связь, обеспечивающая контроль вы­ходной величины (рисунок 29 а).

Рисунок 29 – Замкнутая по отклонению (а) и комбинированная (б)

При этом управляющее устройство формирует управляющее воз­действие У в зависимости от отклонения выходной величины х_вых от задания 3. Такие системы называются замкнутыми САУ по откло­нению или системами автоматического регулирования.

Способ управления характеризует алгоритмы формирования управляющих воздей­ствий по достижению цели управления. По этому признаку си­стемы делятся на замкнутые, разомкнутые и комбинированные.

В замкнутых системах управления воздействия формируются в зависимости от отклонения текущего значения КУ от задан­ного. Одним управляющим воздействием компенсируются все возмущения. Однако замкнутые системы не препятствуют про­никновению в ТОУ возмущающих воздействий, а только реагируют на их последствия — изменения КУ. В связи с этим в случае сложных ТОУ, подверженных многочисленным возмущениям, замкнутые СУ не могут обеспечить высокого качества управления.

Разомкнутые СУ формируют управляющие воздействия в за­висимости от возмущений. Устанавливаются, например, регуляторы, стабилизирующие входные параметры процесса, тем самым ликвидируются возмущения по этим каналам. При этом, несмотря на то, что СУ содержит замкнутые контуры регулиро­вания, она остается разомкнутой, так как значения КУ не используются для формирования управляющих воздействий.

Достоинства разомкнутых систем в том, что возмущающие воздействия ликвидируются до поступления в ТОУ. В результате КУ равен заданному значению. Однако ликвидировать все возмущения, как правило, практически невозможно, поэтому использование таких систем чаще всего не дает большого эф­фекта.

Комбинированные системы

Иногда для повышения точности систем автоматического управ­ления применяют комбинированные системы, сочетающие принципы управления по отклонению и по возмущению (рисунок 29 б).

При этом управляющее устройство формирует управляющее воз­действие У в зависимости от нагрузки х_вх (Н) и корректирует его при отклонении выходной величины х_вых под действием неконтроли­руемых возмущений.

В комбинированных системах используют принцип формирования управляющих воздействий и разомкнутых, и замкнутых систем. В основу комбинированной системы положена замкну­тая система, а для улучшения качества управления часть воз­мущений ликвидируется дополнительными регуляторами. Част­ным случаем таких систем являются многоконтурные САР, в которых формирование управляющих воздействий осуществля­ется от нескольких параметров: главной регулируемой величи­ны (КУ) и одной или нескольких вспомогательных, характери­зующих возмущения.

Комбинированные системы наиболее распространены в хи­мической промышленности; их используют для управления хи­мическими, массообменными и теплообменными процессами.

Принцип действия системы автоматического регулирования

Рассмотрим принцип действия системы автома­тического регулирования на примере системы поддержания постоян­ного давления в сепараторе (рисунок 30). На вход сепаратора посту­пает газожидкостная смесь в количестве Q_см, которая разделяется на жидкую часть, отбираемую снизу в количестве Q_ж, и газовую, ухо­дящую сверху сепаратора в количестве Q_г. В состоянии равновесия при определенном давлении р в сепараторе расходы уравновешены, т. е. Q_см = Q_г + Q_ж. Основным параметром, определяющим характер технологического процесса в сепараторе, является давление р. При изменении расходов потоков на входе или выходе сепаратора дав­ление в нем будет изменяться.

Рисунок 30 – К принципу действия системы автоматического регулирования. Регулирование: а — ручное; б — автоматическое

Пусть задача заключается в том, чтобы поддерживать давление в сепараторе на определенном значении. Установим на сепараторе измерительный прибор 1 (манометр) с целью контроля давления и орган управления 2 расходом (задвижку) на газовой линии (рисунок 30, а). Тогда, в случае уменьшения или увеличения давления, можно, наблюдая за показаниями манометра и изменяя проходное сечение органа управления, восстанавливать желаемое значение дав­ления в сепараторе. Получим систему регулирования давления. Однако, так как наблюдение за давлением и изменение проходного сечения органа управления проводится человеком, такое регулирова­ние называется ручным.

Для получения системы автоматического регулирования функции человека должны быть переданы автоматическому устройст­ву, называемому в этом случае автоматическим регулятором или про­сто регулятором.

Приведем основные понятия и определения, используемые при изучении систем регулирования.

Параметр, который необходимо регулировать в ходе технологи­ческого процесса, называется регулируемым. Значение регули­руемого параметра в любой момент времени называется текущим, а то его значение, которое не­обходимо поддерживать в про­цессе, — заданным. Раз­ность между текущим и задан­ным значением регулируемого параметра называется рассогласованием или откло­нением.

Основные элементы регуля­тора — чувствительный элемент, который реагирует на изменение регулируемого параметра, элемент срав­нения, который сравнивает текущее значение регулируемого пара­метра с заданным, устанавливаемым с помощью специального устрой­ства, и регулирующий орган, который оказывает непосред­ственное воздействие на процесс.

В нашем примере система автоматического регулирования будет действовать следующим образом. В случае появления возмущающего воздействия, например при увеличении расхода потока смеси на входе (Q_cm), давление в сепараторе (регулируемый параметр) по­высится. Автоматический регулятор, сравнивая воздействия на мем­брану 1 (элемент сравнения) со стороны давления газа (текущее значение) и со стороны пружины 2 (заданное значение), будет осу­ществлять регулирующее воздействие, увеличивая проходное сечение регулирующего органа 3 и тем самым, уменьшая рассогласование. В этой системе мембрана 1 выполняет также функцию чувствитель­ного элемента.

Рисунок 31 – Функциональная схема системы регулирования давления

При изучении системы автоматического регулирования принято представлять реально существующие системы в виде так называе­мых функциональных схем.

Функциональной схемой САР называется такая, в ко­торой каждому функциональному элементу реальной системы соот­ветствует определенное изображение.

Функциональная схема САР давления в сепараторе показана на рисунке 31. Выходной величиной системы (х_вых) является основной регулируемый параметр — давление в сепараторе. Параметры, которые могут вызвать отклонение регулируемого параметра от заданного значения, показаны как входные.

Основные элементы системы - объект регулирования ОР, чувствительный элемент ЧЭ, измеряющий текущее значение регулируемого параметра, элемент сравнения ЭС, сравнивающий текущее значение регулируемого параметра с его заданным значением З, и регулирующий орган РО, осуществляющий регулирующее воздействие.

Регулирование по отклонению и по возмущению

Задача по поддержанию регулирующего органа на заданном значении может быть решена по-разному, в зависимости от принципа построения САР. Их два: регулирование по отклонению и регулирование по возмущению; рассмотрим эти виды на примере регулирования теплообменного аппарата, из которого нагретый продукт должен выходить с заданной температурой.

При регулировании по отклонению регулятор поддерживает темпера­туру, изменяя расход теплоносителя, например, водяного пара. Изменения температуры продукта на выходе могут быть вызваны разными причинами: непостоянством его температуры на входе в теплообменник и расхода, колебаниями температуры и давления греющего пара в под­водящей магистрали. Действие этих и других возможных возмущений можно скомпенсировать одним регулирующим воздействием, в данном случае изменением подачи пара. В этом проявляется основное достоинство регулирования по отклонению. Недостатком этого принципа является невозможность предупредить отклонение регулирующего органа, так как

Рисунок 32 – Регулирование по возмущению

Рисунок 33 – Каскадно-связанное регулирование:

1 — регулятор температуры; 2 — регулятор давления

только при его появлении регулятор вступает в работу. Если учесть, что при наличии запаздывания регулятор получит сигнал об отклонении параметра не сразу, а после регулирующего воздействия пройдет еще такое же время, пока регулятор воспримет его результат, то это отклонение может ока­заться недопустимо большим.

Регулирование по возмущению строится на подавлении возмущений до их проникновения в САР — в этом основное достоинство принципа. При его использовании предварительно изучают влияние различных фак­торов на регулирующий орган. Например, для рассматриваемого теплообменника сильным возмущением являются колебания давления греющего пара, поэтому его целесообразно стабилизировать (рисунок 32). Быстродействие контура регу­лирования давления позволит устранить это возмущение сразу же при его появлении. Однако в этом случае температура нагретого продукта может отклониться от заданной под влиянием других возмущений, напри­мер при изменении его температуры на входе. Попытка устранить действие всех возмущений привела бы к необходимости создания нескольких САР на одном объекте регулирования. К тому же не на все возмущения можно воздействовать. Например, в данном случае нельзя стабилизировать рас­ход продукта, так как он полностью определяется режимом работы по­следующих аппаратов, в которые данный продукт поступает.

Достоинства обоих принципов хорошо сочетаются при их объединении. Регулирование в этом случае называется каскадно-связанным, а САР — многоконтурной. На примере того же теплообменника рассмотрим работу двухконтурной САР (рисунок 33). Регулятор температуры 1 называется главным (или корректирующим). При отклонении температуры от задан­ного значения он выработает регулирующее воздействие, которое поступит в качестве сигнала задания регулятору давления 2 (он называется вспо­могательным или стабилизирующим). Таким образом, в данной САР фактически осуществляется регулирование давления греющего пара с кор­рекцией по температуре продукта на выходе теплообменника. Контур регулирования давления является быстродействующим по сравнению с контуром регулирования температуры. Быстрая реакция регулятора давления в сочетании с корректирующим воздействием регулятора темпе­ратуры обеспечивает хорошее качество регулирования.

ЛЕКЦИЯ №13.

АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ (АСР). АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ АСР И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

Общие сведения

Автоматические системы регулирования (АСР) предназначены для автоматического поддержания постоянной или для измене­ния по требуемому закону технологической величины объекта, характеризующей протекающий в нем процесс. Это достигается формированием автоматическим устройством (регулятором) ре­гулирующих воздействий и введением их в технологический объ­ект. АСР могут осуществлять регулирование по отклонению и по возмущению.

Классификация автоматических систем регулирования (АСР)

АСР по отклонению. В АСР по отклонению (рисунок 34) выход­ная величина у объекта регулирования ОР воспринимается из­мерительным преобразователем ИП и подается на автоматиче­ский регулятор АР. В АР величина у сравнивается с заданным значением и и определяется рассогласование между ними ε = у - и, т. е. ошибка регулирования. В зависимости от знака и величины этой ошибки АР вырабатывает регулирующее воздей­ствие х и подает его через исполнительное устройство ИУ на вход ОР для уменьшения или полной ликвидации ошибки ре­гулирования. АСР по отклонению стремятся уменьшить ошиб­ку регулирования технологической величины независимо от то­го, какими возмущениями она вызвана.

Рисунок 34 – Функциональная схема одноконтурной АСР

Рисунок 35 – Функциональная схема каскадной АСР:

ОР — объект регулирования; АР и АР₁ — корректирующий и стабилизирующий регуля­торы; ИП и ИП₁ — измерительные преобразователи; ИУ — исполнительное устройство

АСР по отклонению являются замкнутыми системами. Сигнал в них проходит по замкнутому контуру. АР с ИП и ИУ образуют в АСР обратную связь, которая для устойчивости АСР обязательно должна быть отрицательной. Это означает, что ес­ли под воздействием возмущений технологическая величина OР отклонилась от заданного значения, то АСР должна выработан, регулирующее воздействие, которое со временем приведет к уменьшению этого отклонения. АСР называются одноконтурными, если они имеют один контур регулирования. Схема одноконтурной АСР показана на рисунке 34.

АСР, предназначенные для поддержания регулируемой величины на постоянном заданном значении, называют стабилизирующими. Заданное значение в них устанавливается оператором. АСР, в которых регулируемая величина должна изменяться по заранее известной зависимости, называют программными. Заданное значение в них переменно во времени и устанавливается программным задатчиком.

Каскадные АСР. Для повышения качества регулирования ОР, обладающих существенным запаздыванием и характеризу­ющихся значительными возмущениями, используют каскадные АСР (рисунок 35). В каскадных АСР по сравнению с одноконтурными дополнительно стабилизируют вспомогательную регулируемую величину у₁, реагирующую на основное возмущение объекта z₁ и на регулирующее воздействие х с меньшим запаздыванием по сравнению с запаздыванием основной регулируемой величины. Каскадная АСР имеет стабилизирующий контур с регулятором АР₁, предназначенный для регулирования вспомогательной величины у₁ и корректирующий контур с регулятором АР, обеспечивающий регулирование основной величины у. Выходная величина корректирующего регулятора АР направляется в качестве задания на стабилизирующий регулятор АР₁, выходная величина которого представляет собой регулирующее воздействие.

При наличии регулирующего х или возмущающего z₁ воздействий стабилизирующий контур быстрее, чем корректирующий, вступает в работу и изменяет регулирующее воздействие, что частично скомпенсирует отклонение величины у от заданного значения и. Некомпенсированное отклонение величины у приведет в действие корректирующий контур регулирования, который постепенно ликвидирует это отклонение. Применение каскадных АСР особенно эффективно в том случае, если наиболее сильные возмущения z₁ воздействуют в основном на вспомогательную у₁, а не на основную регулируемую величину у. Каскадные АСР составляют из регуляторов типов П-ПИ, ПИ-ПИ, ПИ-ПИД, где первым указан стабилизирующий, а вторым — корректирующий регулятор.

Комбинированные АСР. АСР, использующие прин­цип регулирования по возмущению, формируют ре­гулирующее воздействие в зависимости от величины самого сильного, но до­ступного для измерения возмущения объекта с целью его компенсации. Изменение такого возмущения, вызывающее откло­нение регулируемой величины от заданного значения, после измерения поступает на компенсирующее устройство КУ, которое вырабатывает регулирующее воздействие, направляемое в ОР и

Рисунок 36 – Функциональная схема комбинированной АСР

компенсирующее влияние возмущения на регулируемую величину. Но АСР по возмущению не могут учесть влияния других возмущений на отклонение регулируемой величины и поэтому на практике в чистом виде не применяются. Обычно применяются комбинированные АСР, реализующие одновремен­но принципы регулирования по отклонению и по возмущению. В комбинированных АСР выход КУ можно подавать на сумми­рование с входным или выходным сигналом АР.

Структурная схема комбинированной АСР, в которой выход КУ алгебраически суммируется с входным сигналом АР, при­ведена на рисунке 3. В такой АСР изменение возмущения z₁ бы­стро, проходит через КУ, АР, ИУ и вызывает регулирующее воздействие, поступающее на ОР и компенсирующее влияние возмущения еще до появления отклонения регулируемой вели­чины от заданного значения. Если это рассогласование все же появится, то вступит в действие АР по отклонению и ликвиди­рует его.

АСР соотношения. При автоматизации химико-технологиче­ских процессов часто приходится поддерживать постоянным со­отношение между двумя технологическими величинами, обычно расходами. Один из этих расходов является ведущим, а вто­рой — ведомым. Изменение ведущего расхода приводит к изме­нению заданного значения ведомого расхода, а следовательно, и к изменению его текущего значения. Такие АСР относятся к следящим системам, заданное значение регулируемой величи­ны (ведомого расхода) которых изменяется во времени в зави­симости от изменения другой технологической величины (веду­щего расхода). Соотношение между расходами может поддер­живаться постоянным, а может изменяться в зависимости от изменения третьей технологической величины. АСР соотношения широко применяют для регулирования химических реакторов, массообменных аппаратов.

Пневматические системы. Пневматические системы широко применяют в химической про­мышленности для контроля технологических процессов и управ­ления ими. Объекты в этом случае оснащают пневматическими измерительными преобразователями и исполнительными уст­ройствами, которые соединяют с регуляторами и другими тех­ническими средствами пневматическими трубками. Применение пневматических систем объясняется их взрыво- и пожаробезопасностью, высокой надежностью, простотой обслуживания, сравнительно небольшой стоимостью. Однако они имеют огра­ниченное быстродействие, что обусловлено конечной скоростью распространения сигналов в пневмолиниях, а это отрицательно сказывается на качестве управления.

Пневмосистемы комплектуются из устройств, входящих в со­став комплексов «Старт», «Центр», «Режим» и др. Они исполь­зуются в качестве локальных систем регулирования и систем нижнего уровня иерархии АСУ ТП.

Системы из устройств комплекса «Старт». Эти АСР форми­руют сигналы регулирующего воздействия и дистанционного управления с использованием работающих в комплекте автома­тического регулятора АР и вторичного прибора ВП со встроен­ной в него станцией управления СтУ.

Схемы одноконтурных АСР приведены на рисунке 37. После измерительного преобразователя ИП пневматический сигнал Р_у, пропорциональный текущему значению регулируемой величины у, поступает на АР и одновременно на ВП с СтУ. АР форми­рует регулирующее воздействие х в виде пневматического сиг­нала Р_х, который направляется на пневматическое исполнитель­ное устройство ИУ. В АСР стабилизации (рисунок 37 а) постоянный сигнал задания Р_и устанавливается задатчиком СтУ, а в программных АСР (рисунок 37 б) переменный во времени сигнал задания P_u=f(t) вырабатывается внешним программным за­датчиком ПЗ. В качестве АР применяют регулирующие устрой­ства ПР1.5, ПР2.8, ПР3.31 и др., а в качестве ВП — пневматические приборы ПВ3.2, ПВ 10.1.

Рисунок 37 – Схемы одноконтурных АСР стабилизации технологической величи­ны (а) и программной АСР (б) из устройств комплекса «Старт»

Автоматические регуляторы. Математическое описание АСР и их элементов. Характеристики линейных элементов

Автоматический регулятор — это совокупность технических средств, обеспечивающих поддержание какого-либо параметра технологического процесса на заданном значении. Регуляторы классифицируются по ряду признаков.

Работа регуляторов связана с затратами различных видов энергии. К регуляторам прямого действия не требуется специально подводить энергию — они получают ее непосредственно от объекта регулирования. Регуляторы просты по устройству, конструктивно представляют собой единое целое, надежны, могут работать в тяжелых условиях. Однако их возможности ограничены, они не обладают универсальностью — каж­дый регулятор имеет только одно конкретное назначение (регуляторы давления, расхода и т. д.). Кроме того, их работой нельзя управлять на расстоянии. Поэтому применение регуляторов прямого действия огра­ничено.

Наибольшее распространение получили регуляторы непрямого дейст­вия, потребляющие в процессе работы энергию, подводимую извне. В за­висимости от ее вида регуляторы могут быть электрическими, пневма­тическими, гидравлическими. В условиях НПЗ применяют, главным обра­зом, пневматические регуляторы, так как они взрыво- и пожаробезопасны.

По конструктивному оформлению различают регуляторы приборного и блочного типов. В первом случае регулирующее устройство встроено в корпус прибора и соединено с его измерительной частью по довольно сложной кинематической схеме (регулирующие потенциометры, мосты и т. д.). Регуляторы приборного типа занимают много места на щите управления, их применяют при относительно небольшом числе регули­руемых параметров. Технологические установки НПЗ оснащены пневмати­ческими регуляторами блочного типа. Они работают в комплекте с мало­габаритными вторичными приборами, установленными на щите опера­тора.

Любой регулятор работает в соответствии с установленным для него законом регулирования — уравнением, согласно которому изменяется выходной сигнал регулятора при отклонении регулируемого параметра от заданного значения. Закон регулирования наглядно отображается временной характеристикой регулятора; последний по динамическим свойствам аналогично объекту регулирования можно отнести к одному из типовых звеньев или их совокупности. Название регулятору часто дают по типу закона регулирования, который он, как принято говорить, отраба­тывает. Рассмотрим основные законы регулирования на примере простейших регуляторов, обозначив регулируемый параметр (входной сигнал регулятора) через φ, а перемещение регулирующего органа (выходной сигнал) — через μ.

Позиционный (релейный) регулятор. Он называется так потому, что его выходной сигнал может иметь только два значения — минимальное и максимальное (условно «0» и «1»), независимо от величины отклонения РП от заданного значения, а регулирующий орган (РО) при этом может занимать только два крайних положения — «открыто» и «закрыто» (быть в двух позициях).

На рисунке 38 а показана упрощенная схема регулятора уровня жид­кости. Поплавок 1 через рычаг 2 связан с заслонкой 3. Сжатый воздух к соплу 4 и в мембранную коробку 6 поступает через дроссель 5. Ранее уже говорилось, что рабочий ход заслонки очень мал, поэтому небольшого поворота рычага достаточно для перемещения ее на величину этого хода. С увеличением уровня от заданного значения сопло полностью откры­вается, а с уменьшением — закрывается. Давление воздуха в коробке рав­но соответственно или 0, или Р_пит.

При нулевом давлении на мембране затвор 7 РО под действием усилия пружины 8 находится в верхнем положении и перекрывает приток жид­кости в сосуд, а под действием давления воздуха мембрана прогибается, и затвор перемещается вниз, полностью открывая проходное сечение РО. Резкие изменения притока жидкости от нуля до максимального значения приводят к непрерывным колебаниям уровня в сосуде относительно задан­ного значения, которое устанавливается изменением высоты подвеса поплавка. В общем случае работу позиционного регулятора аналитически можно представить так:

μ = 0 при φ > φ₃; (16)

μ=1 при φ<φ₃, (17)

где φ и φ₃ — текущее и заданное значения РП; φ— регулирующее воздействие.

Рисунок 38 – Позиционный регулятор:

а — схема; б — график работы; 1 — поплавок; 2 — рычаг; 3 — заслонка;

4 — сопло; 5 — дроссель; 6 — мембрана; 7 — затвор; 8 — пружина

На рисунке 38 б показан график работы регулятора. Выделенная на нем зона нечувствительности, в пределах которой регулятор не реагирует на изменение уровня, является характерной для позиционных регулято­ров. Она возникает, например, при воздушных зазорах или значительном трении в узлах механизма регулятора. Позиционные регуляторы исполь­зуют тогда, когда к качеству регулирования не предъявляют высоких требований, и колебания РП не приводят к нежелательным последствиям. При этом, чем больше емкость объекта, тем плавнее будет регулирование. Кроме того, подбирают необходимую чувствительность регулятора. Иногда с целью сглаживания кривой процесса регулирования применяют регу­ляторы с настраиваемой зоной нечувствительности.

Рисунок 39 – Пропорциональный регулятор

Пропорциональный регулятор (П-регулятор). Работает согласно уравнению:

μ= К_р φ, (18)

где К_р — коэффициент усиления регулятора, его настроечный параметр.

Задачей регулятора (рисунок 39) является стабилизация давления газа в сборнике изменением притока его Q_n при изменяющейся нагрузке, т. е. изменяющемся расходе газа. Пусть давление равно заданному Р_з при номинальной (расчетной) нагрузке Q_{p. ном}, а САР находится в равновесии, т. е. Р = Р₃ при Q_п = Q_{p. ном}. Усилие, создаваемое давлением газа на мем­брану регулятора, уравновешено усилием деформации пружины; затвор РО находится в среднем положении.

Статическая характеристика П-регулятора согласно его уравнению есть прямая линия, т. е. каждому значению регулируемого параметра соответствует только одно определенное положение затвора регулирую­щего органа. Коэффициент усиления К_р характеризует чувствительность регулятора. Его можно изменять (настраивать) с учетом свойств объекта регулирования. В конструкции регулятора имеются специальные органы настройки. В ряде регуляторов настраивают не коэффициент усиления, а обратную ему величину, выраженную в процентах. Она называется зоной регулирования, %:

ЗР = 1/К_р ∙ 100 (19)

На рисунке 40 приведены статические характеристики регулятора, полу­ченные при различных значениях К_р. Из них видно, что чем больше К_р, тем на большую часть своего рабочего хода переместится затвор РО при одинаковом изменении РП и наоборот. Чрезмерным увеличением чувстви­тельности П-регулятор можно приблизить к позиционному, что отразится на качестве регулирования. Оптимальное значение К_р находят в каждом конкретном случае. В рассматриваемом регуляторе давления его чувстви­тельность зависит от жесткости пружины — чем она меньше, тем чувстви­тельнее регулятор.

Рисунок 40 – Статические характеристики П-регулятора

Рисунок 41 – Временная характеристика П-регулятора

Динамические свойства П-регулятора видны из его временной харак­теристики (рисунок 40): если ступенчатое изменение μ принять за 1, то изме­нение μ будет численно равно К_р. П-регулятор обладает свойствами уси­лительного типового звена — его выходной сигнал изменяется одновремен­но с входным и аналогично ему, отличаясь от него в К_р раз. Хорошие динамические свойства, т. е. способность быстро восстанавливать равно­весие в САР обеспечили П-регулятору широкое применение, например, в объектах без самовыравнивания.

Интегральный регулятор (И-регулятор). По динамическим свойствам аналогичен интегрирующему типовому звену и работает в соответствии с уравнением:

μ = 1/Т_и ∫ φdt (20)

После дифференцирования обеих частей уравнение преобразуется в сле­дующее:

Т_и dμ/dt = φ (21)

где Т_и — время интегрирования, настроечный параметр И-регулятора.

Из уравнения И-регулятора следует, что выходным сигналом его является не величина перемещения затвора РО, а скорость перемещения. Заменив в рассмотренном выше П-регуляторе пружину грузом, получим И-регулятор прямого действия (рисунок 43 а). Усилие, создаваемое грузом для уравновешивания мембраны снизу, будет постоянным по величине независимо от положения затвора, поэтому ее равновесие может быть достигнуто только при заданном давлении газа.

Задание регулятору устанавливается перемещением груза вдоль рыча­га. Отсюда следует, что для И-регулятора характерно отсутствие откло­нения РП от задания в состоянии равновесия САР, т. е. он имеет лучшие статические свойства, чем П-регулятор. Однако по динамическим свойст­вам он уступает ему: чем больше отклонение РП, тем с большей скоростью движется затвор РО. Это приводит к перерегулированию, т. е. к прохожде­нию затвором точки равновесия, в результате чего время регулирования может быть большим. Поскольку в состоянии равновесия затвор может оказаться в любом положении (в зависимости от нагрузки объекта), И-регулятор не имеет статической характеристики. По этой причине его называют также астатическим.

Временная характеристика И-регулятора — прямая, угол наклона которой к оси времени пропорционален скорости перемещения затвора РО (рисунок 43 б). Динамические свойства регулятора характеризуются временем интегрирования Т_и — условной величиной, численно равной вре­мени перемещения затвора РО из одного крайнего положения в другое при изменении РП на определенную величину. Значение Т_и устанавливают при помощи специального настроечного узла регулятора, шкала которого проградуирована в единицах времени. В рассмотренном примере время Т_и зависит от степени открытия дросселя перед мембранной коробкой.

Плохие динамические свойства И-регулятора обусловливают его при­менение только в объектах с самовыравниванием.

Рисунок 43 – Интегральный регулятор:

а — схема; б — временная характеристика

Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор). Он объе­диняет в себе П- и И-регулятор, т. е. работает согласно уравнению:

μ = К_р φ + 1/Т_и ∫ φdt (22)

ПИ-регулятор имеет два настроечных параметра — К_р и Т_и. В нем соче­таются положительные качества составляющих его регуляторов и соответ­ственно устранены их недостатки.

Принцип работы ПИ-регулятора можно проиллюстрировать, условно объединив два рассмотренных выше регулятора (рисунок 44 а): при падении давления газа в сборнике точка А П-узла регулятора быстро смещается вверх пропорционально отклонению давления, поворачивая рычаг АВ относительно точки В. Точка О и затвор соответственно перемещаются вверх, увеличивая приток газа в сборник. В тот же момент точка В И-узла начинает перемещаться вверх со скоростью, пропорциональной уменьшению давления, дополнительно увеличивая приток.

Рисунок 44 – ПИ-регулятор: а — схема; б — временная характеристика

Таким образом, сначала П-узел выполнит главную задачу — восста­новит равновесие между притоком и расходом газа, затем И-узел пол­ностью ликвидирует отклонение давления от заданного значения. Работа ПИ-регулятора понятна и из его временной характеристики (рисунок 44 б). Этот регулятор является универсальным, т. е. используя его, можно реали­зовать каждый из рассмотренных выше законов регулирования.

Рисунок 45 – ПД-регулятор: а - схема; б - временная характеристика

Пропорционально-дифференциальный регулятор (ПД-регулятор). Он осуществляет регулирование не только по величине отклонения РП, но и по его скорости. Такое регулирование применяют в тех случаях, когда в САР имеются большие запаздывания, отрицательно влияющие на ка­чество регулирования. Уменьшить это влияние можно, если оказать на объект опережающее (предварительное) регулирующее воздействие с уче­том скорости изменения РП.

Устройства, позволяющие выработать это воздействие, называются дифференцирующими или устройствами предварения. По динамическим свойствам эти устройства аналогичны дифференцирующему типовому звену. Как правило, ими дополняют П- и ПИ-регуляторы, поэтому их также называют приставками. ПД-регулятор образован П-регулятором и Д-приставкой. Он работает согласно уравнению:

μ = К_рφ + Т_д dφ/dt, (23)

где Т_д — время дифференцирования (предварения) — настроечный параметр Д-приставки.

Схематично регулятор изображен на рисунке 45 а применительно к регу­лированию давления газа. С объектом связаны верхняя и нижняя полости мембранной коробки Д-приставки, причем на входе в нижнюю установлен регулируемый дроссель. Шток выводится через уплотнительный сильфон. Когда давление газа постоянно, а дроссель несколько приоткрыт, это давление устанавливается в обеих полостях коробки, и мембрана уравно­вешивается сверху и снизу.

Если же давление в объекте, т. е. и в верхней полости, резко сни­жается, то в первый момент времени мембрана окажется неуравновешен­ной — дроссель не позволит быстрому снижению давления снизу ее. Под действием возникшего перепада давлений мембрана так же резко прогнет­ся вверх и через шток переместит затвор РО в крайнее верхнее положение. В этот же момент начнется медленный переток газа из нижней полости через дроссель, и давление в ней постепенно снизится до величины сверху мембраны, которая вновь уравновесится и вернется в исходное состояние. Затвор, двигаясь обратно вниз, займет положение, в которое его уста­новит П-узел регулятора. Временная характеристика ПД-регулятора пока­зана на рисунке 45 б. Из нее видно, что Д-приставка реагирует только на скорость изменения РП, временно увеличивая чувствительность П-регулятора. Поэтому проходное сечение РО в момент отклонения РП дополни­тельно изменяется, что обеспечивает компенсацию запаздывания. В рассмотренном примере время Т_д устанавливается дросселем. Чем меньше он открыт, тем больше будет эффект предварения П-регулятор настраи­вается известным образом. Д-приставку можно подключать и к ПИ-регулятору, тогда получится еще более сложный ПИД-регулятор с тремя настроечными параметрами.

МОДУЛЬ 5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ.

АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ

ЛЕКЦИЯ №14

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ (ТОУ). КЛАССИФИКАЦИЯ ТОУ, ИХ ОСОБЕННОСТИ. АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ. ЗАКОН РЕГУЛИРОВАНИЯ. КАЧЕСТВО ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ.

Технологические объекты управления (ТОУ)

Технологический объект управления (ТОУ) — это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по со­ответствующим регламентам (режимам) технологического про­цесса. К ТОУ относятся как отдельные технологические агрега­ты и установки, реализующие локальный технологический про­цесс (например, полимеризационная батарея в производстве СК, реактор пиролиза в производстве ацетилена, трубчатые печи на нефтехимических заводах и резиносмесители — на шинных), так и целые производства (цехи, участки) промышленно­го предприятия (если управление производством носит техноло­гический характер, т.е. заключается в поиске и реализации ра­циональных технологических режимов взаимосвязанных устано­вок; к таким ТОУ можно отнести, в частности, производства этилена, серной кислоты, технического углерода). Существуют и супер-ТОУ, например установки ЛК-6У на нефтеперерабатывающих заводах, включающие сотни технологических аппара­тов.

Основными направлениями развития современной химичес­кой технологии являются существенное увеличение единичной мощности технологических установок с комбинированием и сов­мещением нескольких процессов в одном технологическом бло­ке и проведение процессов в режимах, близких к критиче­ским.

Многие современные установки в производстве серной кис­лоты, аммофоса, полимеров, синтетических волокон, аммиака, этилена, большая часть установок первичной и вторичной пере­гонки нефти по мощности соответствуют целому заводу 1960 — 70 гг. Выход из строя такой установки даже на короткий пе­риод при нарушении в ней технологического режима приводит к огромным экономическим потерям.

Отметим, что требования к жесткому соблюдению техноло­гического режима объясняются не только масштабностью и сложностью установок, но и необходимостью получения высоко­качественной продукции.

Таким образом, в современных установках, с одной стороны, должен строго выдерживаться технологический режим; с дру­гой стороны, чем крупнее и сложнее установки, тем сильнее они подвержены различного рода возмущениям, приводящим к нарушению режима. Следует отметить и сложности, возникаю­щие при пуске и останове установки, при переводе ее в другие режимы — как запланированном (при переходе на выпуск дру­гой целевой продукции), так и связанном с возникновением критических и аварийных ситуаций.

Под управлением будем понимать совокупность действий, выбранных на основании определенной информации и направ­ленных на поддержание или улучшение функционирования объекта в соответствии с имеющейся программой или целью управления.

ТОУ (будь то локальная технологическая установка или це­лый производственный комплекс) должен удовлетворять следу­ющим требованиям.

Оборудование ТОУ должно быть полностью механизировано и безотказно работать в установленный межремонтный период. Очень важно, чтобы оно было по возможности непрерывнодействующим.

Технологическая схема ТОУ должна быть составлена таким образом, чтобы он был управляем, т. е. разбит на определен­ные зоны с возможностью воздействия на технологический ре­жим в каждой из них изменением материальных и энергетиче­ских потоков; чтобы была возможность воздействия на харак­теристики оборудования; чтобы был обеспечен доступ человека к местам установки датчиков, запорных и регулирующих орга­нов; чтобы число возмущающих воздействий, поступающих в основные аппараты схемы, технологический режим в которых обусловливает количество и качество выпускаемых целевых продуктов, было сведено к минимуму. Последнее обеспечива­ется установкой между основными аппаратами дополнитель­ных — ресиверов, емкостей с мешалками, теплообменников, — уменьшающих амплитуду и частоту изменения таких парамет­ров, как давление, состав, температура.

Только при выполнении этих условий системы управления могут повысить эффективность ТОУ: увеличить его производи­тельность, улучшить качественные показатели целевой продук­ции или уменьшить ее себестоимость за счет сокращения рас­хода сырья и энергии на единицу продукции.

Технологические процессы химической технологии характе­ризуются большим числом разнообразных параметров. Часть из них — входные параметры — дают представление о материаль­ных и энергетических потоках на входе в технологический ап­парат (расход сырья, давление греющего пара и т. д.). Их из­менения приводят к изменениям режимных параметров, харак­теризующих условия протекания процесса внутри аппарата (температура, уровень жидкости, составы продуктов).

Значения режимных параметров непосредственно влияют на выходные параметры, характеризующие выходные потоки. К выходным параметрам можно отнести и сводные экономиче­ские показатели процесса, например себестоимость или затраты на производство конечной продукции. Естественно, что требова­ние к поддержанию режимных и особенно выходных парамет­ров в заданном диапазоне является обязательным условием проведения технологического процесса.

Единовременную совокупность значений всех параметров называют технологическим режимом, а совокупность значений параметров, обеспечивающую решение задачи, поставленной при управлении процессом, — нормальным технологическим ре­жимом. Нормальный технологический режим задают и оформ­ляют в виде технологической карты. В ней приводят перечень параметров, значения которых необходимо поддерживать на определенном уровне, а также указывают допустимые диапазоны их изменения.

Сложность управления современными ТОУ заключается в том, что они постоянно подвергаются возмущающим воздейст­виям (возмущениям), нарушающим технологический режим. Возмущения условно можно разбить на два вида.

Внешние возмущения проникают в ТОУ извне при измене­нии всех входных и некоторых выходных параметров, а также параметров окружающей среды. Так, изменение давления гре­ющего пара существенно нарушит теплообмен в нагревателе, а значит и температуру продукта на его выходе; изменение рас­хода кубового остатка повлияет на уровень в ректификацион­ной колонне и т. д.

Внутренние возмущения возникают в самом объекте управ­ления при изменении характеристик технологического оборудо­вания. К ним можно отнести, например, изменение активности катализатора, отключения отдельных аппаратов, загрязнение и коррозию внутренних поверхностей аппаратов, перераспределе­ние насадки в колоннах насадочного типа и т. д.

Управление технологическим объектом заключается во вне­сении таких управляющих воздействий, которые компенсируют возмущения и тем самым обеспечивают достижение цели функ­ционирования ТОУ в сложных производственных условиях.

Классификация ТОУ, их особенности

Предприятия химической технологии включают множество разнообразных аппаратов, установок, участков, цехов и произ­водств. С точки зрения автоматизации и управления важно разделить их по типу и характеру технологического процесса, проводимого в аппаратах, по сложности ТОУ, а также по ха­рактеру параметров, участвующих в управлении.

Классификация по типу технологического процесса. В ТОУ химической промышленности протекают различного рода про­цессы, которые классифицируют следующим образом:

Класс процесса	Тип процесса
Гидромеханичес-кие	Перемещение жидкостей и газов, разделение неоднородных систем, перемешивание, очистка га­зов
Тепловые	Нагревание, охлаждение, выпаривание, кристал­лизация
Массообменные	Ректификация, абсорбция, адсорбция, сушка, экстракция
Механические	Измельчение, дозирование, классификация, пере­мещение твердых материалов
Химические	Окисление, восстановление, синтез, разложение солей, образование гидрооксидов, нейтрализация, дегидратация, электролиз, нитрование, сульфиро­вание, щелочное плавление, алкилирование, поли­меризация, омыление, гидрогенизация, переэтерификация, ароматизация, изомеризация, крекинг и др.

Технологические процессы одного типа могут отличаться аппаратурным оформлением и свойствами перерабатываемых веществ, однако все они протекают по одним и тем же законам и характеризуются аналогичными зависимостями между пара­метрами. Это дает возможность разработать типовое решение по их автоматизации, которое с незначительными изменениями, вызванными особенностями ТОУ, может быть применено для всех процессов данного типа.

Во многих ТОУ проводятся процессы, подчиняющиеся не­скольким законам. Например, технологический процесс в рек­тификационной колонне подчиняется законам гидродинамики (так как происходит перемещение потоков), тепло- и массопередачи (между потоками жидкости и пара постоянно осуществ­ляется тепло- и массообмен). Естественно, что управлять таким процессом значительно сложнее.

Классификация по характеру технологического процесса. Характер технологического процесса определяется по времен­ным режимам работы технологического оборудования. Большая часть объектов управления химической технологии (нефтепере­рабатывающие установки, производства синтетического каучука и кислот и многие другие) относится к ТОУ с непрерывным ха­рактером производства. Сырье и реагенты в такие ТОУ поступают практически безостановочно, а технологический режим после пуска ТОУ устанавливается неизменным на длитель­ные сроки (неделя, месяц, квартал, год).

В ТОУ с периодическим (дискретным) характером произ­водства, которые преобладают на шинных, резино- и асбестотехнических заводах, длительность технологических операций незначительна (минуты, часы); в одном и том же аппарате часто проводят разные технологические процессы с изменением во времени заданных значений параметров. Автоматизация пе­риодических процессов существенно осложнена необходимостью перестройки работы аппаратов, заключающейся в изменении технологических режимов, а также маршрутов материальных и энергетических потоков.

Часть производств, например некоторые производства синте­тических волокон, удобрений, включают как непрерывные, так и дискретные технологические процессы.

Классификация по информационной емкости. Степень слож­ности ТОУ характеризуется информационной емкостью объек­та, т. е. числом технологических параметров, участвующих в управлении. Ниже приведена классификация по этому призна­ку:

Информационная емкость объекта	Число технологических параметров, участвующих в управлении	Пример ТОУ
Минимальная	10—40	Насосная, резиносмеситель
Малая	41-160	Массообменная колонна
Средняя	161-650	Установка первичной переработки нефти
Повышенная	651-2500	Производство этилена
Высокая	2500 и выше	Установки ЛК-6У, КТ-1, производство технического углерода

Большая часть ТОУ химической технологии относится к объектам с числом параметров до 1000.

Классификация по характеру параметров управления. По этому признаку ТОУ делятся на объекты с сосредоточенными и распределенными параметрами. К первым относятся ТОУ, регулируемые параметры которых (уровень жидкости, давле­ние, температура) имеют одно числовое значение в разных точках в данный момент времени. Это простейшие объекты — ем­кость, испаритель, насос, компрессор.

Большая часть объектов химической технологии относится к объектам с распределенными параметрами, значения которых неодинаковы в различных точках объекта в данный момент времени. Так, в ректификационной колонне температура раз­лична по высоте колонны; в реакторе состав веществ неодина­ков по объему.

Автоматические регуляторы. Закон регулирования

Качественной оценкой работы САУ является показатель эффектив­ности (ПЭ), например, соответствие физико-химических свойств конечного продукта технологического процесса заданным. Поддержание требуемого значения ПЭ является целью управления.

Рисунок 46 – Структурная схема САР:

ОР — объект регулирования; РУ — регулирующее устройство;

Д — датчик; ИУ — исполнительное устройство

Частный случай САУ — система автоматического регулирования (САР), где управление объектом осуществляется автоматическим регу­лятором. Если автоматическое управление на высоком уровне предпола­гает наличие сложных взаимосвязей между объектом управления (напри­мер, крупным технологическим комплексом) и управляющей системой, то перед САР ставятся более узкие задачи, простейшей из которых являет­ся стабилизация параметров технологического процесса. Эти параметры называются регулируемыми (РП). Структурная схема такой САР приведена на рисунке 46 Она состоит из объекта регулирования и автоматического регулятора. Типичным приме­ром объекта является технологический аппарат, трубопровод и т. д., а РП — температура, давление, уровень, состав и другие. Остальные звенья САР: датчик Д, регулирующее РУ и исполнительное ИУ устройства конструктивно могут быть объединены или находиться на значительном расстоянии одно от другого и соединяться линиями связи. Однако функцио­нально они связаны общей задачей управления объектом, что дает право считать их звеньями автоматического регулятора.

Основной задачей регулятора является поддержание РП на заданном значении (стабилизация) или изменение его по определенному закону. Через датчик сигналы о текущем значении РП поступают на РУ и срав­ниваются в нем с заданным значением, которое устанавливается задатчиком. В стабилизирующих САР при нормальном ходе процесса текущее значение РП равно заданному. Такое состояние САР называется равно­весным. Оно может быть нарушено в результате проникновения в систему возмущающих воздействий, вследствие чего текущее значение РП откло­нится от заданного. РУ отреагирует на это и с учетом знака, значения (а в некоторых случаях и скорости) отклонения РП выработает командный сигнал, который через ИУ окажет на объект регулирующее воз­действие. Как правило, оно наносится изменением притока (или расхода) вещества или энергии на входе в объект или на выходе из него. Регулятор будет воздействовать на объект, пока в САР не восстановится равновесие.

Рисунок 47 – Графики переходных процессов в САР:

Рисунок 48 – Незатухающий (автоколебательный) процесс

1 - апериодический; 2 - колебательный

Процесс регулирования (переходный процесс) может протекать во времени по-разному. Для его оценки принят ряд показателей качества. Основными из них являются величина наибольшего отклонения РП (динамическая ошибка) и время регулирования. В апериодическом (т.е. неколебательном) процессе (кривая 1 на рисунке 47) РП отклоняется от заданного значения один раз на величину ∆J 1 max и возвращается к нему через время регулирования t_п1. В колебательном (кривая 2) РП, вернув­шись к заданному значению, отклоняется от него с противоположным знаком (явление перерегулирования). Этот процесс может повториться несколько раз, после чего в САР восстановится равновесие.

Из сравнения этих кривых видно, что в апериодическом процессе наибольшее отклонение РП больше, чем в колебательном, а время регули­рования — меньше. Очевидно, регулирование тем качественнее, чем мень­ше обе эти величины. Получить тот или другой процесс регулирования можно соответствующей настройкой регулятора, исходя из требований технологического процесса: если, например, большие отклонения РП недопустимы, принимают колебательный процесс. Процессы, подобные рассмотренным, называются затухающими и сходящимися, так как после их окончания в САР восстанавливается равновесие.

Рисунок 49 Расходящиеся переходные процессы: 1 — колебательный; 2 — монотонный

Свойство САР самостоятельно возвращаться в состояние равновесия, из которого она была выведена возмущающим воздействием, называется устойчивостью. Устойчивость — основное требование, предъявляемое к САР. Поведение ее в переходном процессе обусловлено различными факторами: например, регулирующее воздействие, оказанное с опозда­нием, не только не будет стабилизирующим, но, напротив, может стать причиной еще большего отклонения РП. САР, в которой установились незатухающие колебания с постоянной амплитудой (рисунок 48) считается находящейся на границе устойчивости (нейтральная САР). Система теряет устойчивость, если регули­рующее воздействие совпадает по фазе (или по знаку) с возмущающим и амплитуда колебаний РП постоянно увеличивается (кривая 1 на рисунке 48).

Такой переходный процесс называется расходящимся, его развитие может привести к возникновению аварийной ситуации. В этом случае регулятор необходимо отключить от объекта и стабилизировать процесс вручную. Неустойчивой является САР и с монотонно расходящимся про­цессом (кривая 2). Современные методы исследования (в частности, моделирование) позволяют определить характер переходных процессов в САР еще на стадии разработки, в том числе получить ответ на вопрос об их устойчивости, используя для этого так называемые критерии устойчивости, изучаемые в теории автоматического регулирования.

Качество переходных процессов

Если текущее значение регулируемого параметра равно заданно­му, то считается, что система находится в состоянии равнове­сия.

Если под действием какого-либо возмущения в системе возникло отклонение регулируемого параметра, то ей необходимо некоторое время, чтобы снова прийти в состояние равновесия. Считается, что в течение этого времени система находится в переходном режиме.

Поведение системы в переходном режиме принято изображать в виде графика переходного процесса — зависимости изме­нения во времени выходной величины (регулируемого параметра) системы (рисунок 50 а). Текущее значение регулируемого параметра на графике обозначено через х_вых, и его изменение показано сплошной линией. Так как мы рассматриваем систему стабилизации, то заданное значение х_выхо остается постоянным, чему соответствует пунк­тирная линия, параллельная оси времени. Совпадение кривых теку­щего и заданного значений на отрезке времени 0—t₁ свидетельствует о том, что в этот период система находится в состоянии равновесия. В момент времени t₁ под действием возмущения система отклоняется от состояния равновесия и вновь к нему возвращается под дейст­вием регулятора к моменту времени t₂.

В период времени t₁ - t₂ система находится в переходном режи­ме, а после t₂ - снова в состоянии равновесия.

При исследовании систем принято их рассматривать, начиная от момента появления отклонения регулируемого параметра. В этом случае начало координат соответствует заданному значению регули­руемого параметра (рисунок 50 б).

Однако переходный процесс может иметь другой характер (рисунок 50 в). Сравнивая два графика переходного процесса (рисунок 50 б, в), можно увидеть, что в одном случае система возвра­щается к состоянию равновесия, а в другом этого не происходит. Считают, что в первом случае система устойчива, а во втором — неустойчива. Так как назначением CAP является поддержание регулируемого параметра на заданном значении, то естественно по­требовать, чтобы она обеспечивала переходный процесс в соответст­вии с графиком, приведенным на рисунке 50 б, т. е. была бы устойчи­вой.

Рисунок 50 – Графики переходных процессов в САР

Вместе с тем и в устойчивых САР переходный процесс может протекать различно (рисунок 50 г). При этом вводится понятие каче­ства переходного процесса, которое характеризуется рядом пока­зателей. Одним из них является, например, время переходного про­цесса t_р. Естественно, чем меньше это время, тем выше качество САР. Численное значение показателя качества, которое должна обес­печить САР, выбирается исходя из технологических соображений. Таким образом, к системе автоматического регулирования предъяв­ляются два требования: система обязательно должна быть устой­чивой и обладать определенными заданным качеством.

МОДУЛЬ 6 – УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВАМИ НЕФТЕПРОДУКТОВ

ЛЕКЦИЯ № 15

ПРОЦЕСС ПЕРВИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ. ЦЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ. СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ. ПРОЦЕСС КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА. ЦЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ. СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ. ПРОЦЕСС ГИДРООЧИСТКИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА. ЦЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ. СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ. ПРОЦЕСС ЗАМЕДЛЕННОГО КОКСОВАНИЯ. ЦЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ. СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ. ПРОЦЕСС АЛКИЛИРОВАНИЯ БЕНЗОЛА. ЦЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ. СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ.

Процесс первичной переработки нефти.

Цель управления. Схема автоматизации

Технологическая схема первичной переработки нефти. Обезвоженная и обес­соленная нефть (после блока ЭЛОУ) поступает в колонну отбензинивания 1 (рисунок 51, 52), где происходит испарение легкокипящих фракций (бензина, воды), которые уходят из верхней части колонны, проходят воздушный 2 и водяной 3 конденсаторы-холодильники и поступают в емкость 4. Из нее газ поступает к фракционному абсорберу; отстоявшаяся вода отводится в канализацию; часть бензина подается насосом 5 на орошение колонны 1, а остальной бензин поступает в емкость 19 и далее в стабилизационную колонну 32.

Часть отбензиненной нефти с низа колонны забирается насосом 8 и направ­ляется в трубчатую печь 7, откуда возвращается в колонну 1, Остальная нефть насосом 6 через печь 9 подается в колонну 14. Из верхней части колонны 14 пары бензина и воды поступают сначала в воздушный конденсатор 15, а за­тем - в водяной 16. Конденсат собирается в емкости 10, откуда насосом 11 частично подается в колонну 14 в качестве острого орошения. Остальной кон­денсат поступает в емкость 19. Отстоявшаяся в емкости 10 вода отводится в канализацию, а газ сбрасывается на факел.

Для наиболее полного извлечения светлых нефтепродуктов из мазута в нижнюю часть колонны 14 подается водяной пар. Для съема тепла в колонне применяют два циркуляционных орошения — верхнее (ВЦО) и нижнее (НЦО). Для этого жидкость из колонны забирается насосами 13 и 17, проходит через теплообменники 12 и 18 и возвращается в колонну. В теплообменниках 12 и 18 осуществляется подогрев сырой нефти перед поступлением ее в колонну 1. Мазут из нижней части колонны 14 забирается насосом 21, прокачивается че­рез печь 9 и поступает на вакуумную колонну 38. Из колонны 14 отбираются три боковых погона, которые подаются в отпарную колонну, состоящую из трех самостоятельных секций — 22-24.

В каждую секцию подается водяной пар, способствующий извлечению лег­ких фракций. Эти фракции возвращаются в колонну 14, а освобожденные от них целевые продукты насосами 25—27 через воздушные холодильники 28—30 подаются в парк. Продукт из секции 23 используют для подогрева бензина перед поступлением его в стабилизационную колонну 32 (см. теплообменник 31), а продукт из секции 22 частично идет в качестве абсорбента во фракциони­рующий абсорбер.

Пары из верхней части стабилизационной колонны 32 проходя через воздушный конденсатор-холодильник 33. Конденсат сливается в емкость 34, откуда насосом 35 частично поступает в колонну 32 в качестве орошения; другая его часть (головка стабилизации) выводится в установки. Сухой газ из емкости 34 отводится в топливную сеть. Нижний продукт колонны стабильная бензиновая фракция — поступает через печь 38 на установку вторичной перегонки бензина, где разделяется на узкие фракции. Для поддержания теплового режима в колонне 32 часть бензиновой фракции насосом 37 прокачивается через печь 36, где испаряется и в виде паров возвращается в колонну.

Из верхней части вакуумной колонны 38 водяные пары, газы разложения, небольшое количество дизельной фракции поступают в конденсатор 47. Кон­денсат направляется на прием сырьевых насосов, а несконденсировавшиеся газы отсасываются эжектором (на рисунке не показан), обеспечивающим разре­жение в колонне.

Для снижения температуры нижней части колонны 35 и облегчения испа­рения легких компонентов в колонну вводится перегретый водяной пар.

Для съема тепла в колонне 38 предусматриваются три циркуляционных орошения — верхнее (ВЦО), среднее (СЦО) и нижнее (НЦО). Для этого с определенных тарелок колонны насосами 40, 42 и 44 забирается жидкость (фракции), которая проходит через теплообменники 39, 41 и 43 и частично возвращается в колонну. Другая часть жидкости, прошедшей теплообменники, возвращается на колонну 32.

Остаток вакуумной перегонки - гудрон — через теплообменник 46 выво­дится из установки. В теплообменнике 39 происходит подогрев химически очи­щенной воды. В теплообменниках 47, 48 и 49 осуществляется подогрев сырой нефти перед поступлением ее в колонну 1.

Автоматическое регулирование процесса первичной перера­ботки нефти. Поддерживаются постоянные температуры в верх­ней и нижней частях колонны 1, для чего используют схемы связанного регулирования. Стабилизации подлежат давление в верхней части колонны 1; температура конденсата после водя­ного конденсатора 3 (связанное регулирование); расходы жид­кости, поступающей в печь 7.

Регулируют расходы водяного пара, поступающего в колонну 14 и секции отпарной колонны. Уровни в секциях регулируют изменением расходов целевых продуктов (фрак­ций), уходящих из секций.

Температура в верхней части колонны стабилизации 32 ре­гулируется изменением расхода головки стабилизации, посту­пающей от насоса 35 в эту колонну (связанное регулирование). Давление в верхней части колонны 32 регулируется изменением расхода сухого газа. Температура в нижней части этой колон­ны регулируется изменением расхода топлива, поступающего в печь 36 (связанное регулирование). Аналогично регулируется и температура бензина, уходящего из печи 36 на установку вторичной перегонки. Уровень в емкости 34 регулируется измене­нием расхода головки стабилизации, уходящей с установки. Температура в зонах циркуляционных орошений вакуум­ной колонны 38 регулируется изменением расхода фракций, уходящих из колонны, что приводит к изменению расхода орошений, возвращаемых в колонну (связанное регулирование).

Уровень в нижней части колонны 38 и расход водяного па­ра, подаваемого в нее, стабилизируют. Требуемое остаточное давление в колонне обеспечивается воздействием на работу эжектора.

Процесс каталитического крекинга.

Цель управления. Схема автоматизации

Каталитический крекинг различных видов дистиллятного и ос­таточного сырья предназначен для получения компонентов высокооктановых бензинов и газа с высокой концентрацией пропан-пропиленовой и бутан-бутиленовой фракций. Процесс протекает при температуре 420—550°С и давлении 0,1—0,2 МПа в присутствии алюмосиликатных, цеолитсодержащих и других катализаторов. Основным узлом установки каталитического крекинга является реакторно-регенераторный блок. Функцио­нальная схема системы автоматического регулирования реактор­но-регенераторного блока установки каталитического крекинга изображена на рисунке 53. Система предусматривает автоматиче­скую стабилизацию переменных параметров, характеризующих работу трех самых важных агрегатов блока — нагревательной печи 1, реактора 2 и регенератора 3.

Система регулирования состоит из ряда взаимосвязанных контуров, обеспечивающих стабилизацию следующих перемен­ных процесса: температуры подогрева сырья в нагревательной печи, уровня кипящего слоя в реакторе, расхода закоксованного катализатора, выходящего из реактора, расхода регенерированного катализатора, выходящего из регенератора, температу­ры кипящего слоя в реакторе и в регенераторе, закоксованности катализатора, выходящего из регенератора. Реактор и регенера­тор, рассматриваемые с позиции автоматического регулирова­ния, представляют собой многосвязанный объект с положи­тельной обратной связью. Это вызвано тем, что увеличение со­держания кокса на катализаторе на выходе из реактора при избытке воздуха в регенераторе вызывает увеличение темпера­туры кипящего слоя регенератора и, следовательно, возраста­ние температуры кипящего слоя в реакторе. При этом увели­чивается глубина разложения сырья и происходит дальнейшее коксование катализатора. Таким образом, система реактор — регенератор имеет тенденцию к неустойчивости. Указанная осо­бенность объекта регулирования характерна не только для его теплового режима, но и для гидродинамического.

Рисунок 51 – Автоматическое регулирование процесса первичной переработки

1 - колонна отбензинивания; 2, 15, 28-30,33 - воздушные теплообменники; 3, 12, 16, 18, 31, 39, 41, 43, 46, 47 - трубчатые теплообменники; 4, 10, 19, 34 - емкости; 5, 6, 8, 11, 13, 17, 20, 21,

Ниже приведено описание систем автоматического регулиро­вания реакторно-регенераторного блока. Автоматическое регу­лирование температуры подогрева сырья осуществляется по каскадной схеме, причем промежуточной координатой служит температура перевальной зоны печи. В качестве управляющего воздействия используют расход топливного газа в печь. Этот контур регулирования реализован с помощью регулятора 6, воз­действующего на регулирующий клапан 13.

Температура подогрева сырья на выходе печи стабилизиру­ется регулятором 5, выходной сигнал которого формирует зада­ние регулятору 6. Применение для стабилизации температуры подогрева сырья каскадной САР целесообразно, поскольку ос­новные возмущения (например, изменение давления в линии топливного газа) воздействуют на систему со стороны регули­рующего органа. Другим обстоятельством служит то, что инер­ционность канала «расход топливного газа — температура пе­ревальной зоны печи» значительно меньше инерционности кана­ла «расход топливного газа — температура подогрева сырья».

Связанная система автоматического регулирования режима реактора предусматривает стабилизацию температуры и уров­ня кипящего слоя в реакторе, а также расхода катализатора из реактора в регенератор. Регулирование температуры в реак­торе 2 осуществляется регулятором 4, воздействующим на ре­гулирующий клапан 12, изменяющий расход холодного сырья через байпас помимо печи. Регулирование уровня осуществля­ется регулятором 10, изменяющим расход дымовых газов из регенератора 3 с помощью регулирующего клапана 16. Регули­рование расхода катализатора из реактора в регенератор осу­ществляется регулятором 8 изменением подачи транспортирую­щего агента в подъемный стояк реактора путем воздействия на регулирующий клапан 14.

Рисунок 52 – Окончание

25-27, 35, 37, 40, 42, 45 - центробежные насосы; 7, 9 ,36 - трубчатые печи; 14 - атмосферная колонна; 22-24 - секции отпарной колонны; 32 - колонна стабилизации; 38 - вакуумная колонна

В процессе регулирования температуры кипящего слоя из­меняется расход сырья через байпас и, следовательно, через печь. Поэтому в САР температуры сырья возникнут возмуще­ния. Для стабилизации температурного режима печи и улучше­ния показателей качества САР температуры подогрева сырья в системе предусмотрена коррекция задания для регулятора температуры 6 от регулятора температуры 4, изменяющего рас­ход топливного газа, поступающего в печь при изменении поло­жения регулирующего клапана на байпасе холодного сырья.

САР технологического режима регенератора обеспечивает: стабилизацию температуры в регенераторе с помощью регуля­тора температуры 7, воздействующего на регулирующий кла­пан 17 подачи конденсата в охлаждающие змеевики регенера­тора; стабилизацию закоксованности катализатора, выходяще­го из регенератора с помощью регулятора 11, воздействующего на регулирующий клапан 18 подачи воздуха в регенератор; ста­билизацию расхода катализатора из регенератора в реактор с помощью регулятора 9, воздействующего на регулирующий клапан 15 подачи транспортирующего агента.

Рисунок 53 – Схема автоматического регулирования реакторно-регенераторного блока установки каталитического крекинга:

1 - нагревательная печь; 2 - реактор; 3 - регенератор; 4-7 - регуляторы температур; 8, 9 - регуляторы расходов; 10 - регулятор уровня; 11 - регулятор закоксованности катализатора; 12-18 - регулирующие клапаны

Процесс гидроочистки дизельного топлива.

Цель управления. Схема автоматизации

Процесс гидроочистки дизельного топлива предназначен для удаления сернистых соединений из прямогонного дизельного топлива. Показателем эффективности процесса является состав очищенного топлива (гидрогенизата).

На рисунке 54 представлена функциональная схема автомати­зации реакторного блока установки гидроочистки дизельного топлива. Сырье (расход которого стабилизируется с помощью регулятора 1 и регулирующего клапана 2) смешивается с цир­куляционным водородсодержащим газом, расход которого конт­ролируется с помощью датчика 3. Газо-сырьевая смесь, пройдя предварительно теплообменник 4, нагревается в печи 5 до тем­пературы реакции. Температуру продукта на выходе печи ста­билизируют с помощью регулятора 6 воздействием на регули­рующий клапан 7 подачи топлива в печь.

После трубчатой печи нагретая смесь проходит последова­тельно реакторы 8 и 9. В реакторах содержащаяся в дизельном топливе сера соединяется с водородом циркуляционного газа. При работе реакторов особое внимание уделяют контролю теп­лового режима, для чего в них установлены многозонные тер­моэлектрические преобразователи, подключенные к многоточеч­ному автоматическому потенциометру 10 (поскольку автоматизация обоих реакторов аналогична, она показана на примере одного реактора). Кроме того, осуществляется контроль темпе­ратуры наружных стенок реакторов с помощью датчиков тем­пературы в различных точках и потенциометра 11.

Рисунок 54 – Схема автоматизации реакторного блока установки гидроочистки дизельного топлива:

1 - регулятор расхода; 2 - регулирующий клапан; 3 - датчик расхода; 4 - теплообменник; 5 - трубчатая печь; 6 - регулятор температуры; 7 - регулирующий клапан; 8-9 - реакторы; 10, 11 - многоточечный автоматический потенциометр; 12 - датчик перепада давлений; 13 - датчик температуры; 14, 15 - сепараторы; 16, 17 - холодильники; 18 - многоточечный автоматический потенциометр; 19, 20 - регуляторы уровня; 21, 23 - регулирующие клапаны; 24 - регулятор давления; 25 - датчик температуры

Состояние катализатора (степень его закоксованности) кос­венно оценивают по перепаду давлений на входе и выходе реак­торов, измеряемому датчиком 12. Температуру продуктов реак­ции на выходе реакторов контролируют датчиком 13.

Перед разделением продуктов реакции их тепло использу­ют для нагрева газо-сырьевой смеси в теплообменнике 4. Пе­ред разделением продуктов реакции в сепараторах 14 и 15 со­ответственно высокого и низкого давлений продукты реакции охлаждаются в воздушном и водяном холодильниках 16 и 17. Температуры продуктов реакции на входе и выходе теплообмен­ника 4, холодильников 16 и 17 контролируют с помощью много­точечного автоматического потенциометра 18. Из верхней части сепаратора 14 отводится насыщенный сероводородом циркуля­ционный газ, а снизу — гидрогенизат, который в сепараторе 15 частично освобождается от растворенного в нем так называе­мого жирного газа, содержащего ряд компонентов. Из сепарато­ра 15 гидроочищенное дизельное топливо направляется на ста­билизацию. Уровень в сепараторах регулируют с помощью ре­гуляторов 19 и 20 воздействием на регулирующие клапаны 21 и 22 отбора гидрогенизата. Давление в сепараторе 15 стабили­зируют с помощью регулятора 23 воздействием на регулирую­щий клапан 24 сброса газа.

Процесс замедленного коксования. Цель управления. Схема автоматизации

Коксование нефтяных остатков и высококипящих дистиллятов вторичного происхождения используют для получения мало­зольного электродного кокса, применяемого в алюминиевой про­мышленности. Одновременно получаемые коксовые дистилляты вовлекаются в дальнейшую переработку для получения свет­лых нефтепродуктов. Коксование ведут при давлении 0,1 — 0,3 МПа и температуре 480—540 °С.

Автоматическая система контроля и регулирования режима трубчатой печи установки замедленного коксования предна­значена для стабилизации основных параметров нагрева пер­вичного и вторичного сырья перед коксованием.

На установках замедленного коксования первичное сырье (смесь гудрона или крекинг-остатка) нагревается в конвекци­онных змеевиках трубчатой печи, после чего направляется в ректификационную колонну, где за счет контакта с нефтяными парами, поступающими из реакторов, обогащается рециркулирующими продуктами. В результате образуется вторичное сырье, которое насосами подается в реакционные змеевики пе­чи для скоростного высокотемпературного нагрева.

Для создания высоких скоростей и предотвращения коксоотложения в трубах печи в поток вторичного сырья при входе в печь подается турбулизатор (конденсат водяного пара). На­гретое в печи до 490—510°С вторичное сырье поступает в реак­тор, где завершается начавшийся в печи процесс частичного, испарения, деструктивного разложения сырья и замедленного коксования.

Ввиду высоких температур и вязкости нагреваемого сырья, склонности его к коксованию, наличия механических примесей, малых расходов турбулизатора и других факторов автоматиза­ция трубчатых печей затруднена.

Основным фактором, влияющим на производительность, и длительность межремонтного пробега, является скорость закоксовывания змеевика трубчатой печи, которая зависит в основ­ном от качества сырья и режима работы печи. Температурный режим печи необходимо вести так, чтобы в змеевике протекали преимущественно физические процессы нагревания и испарения, а процессы крекинга, конденсации и уплотнения, т.е. образова­ния кокса, происходили бы в реакторах.

Трубчатые печи установки замедленного коксования рабо­тают в жестких условиях, характеризующихся высокой темпера­турой нагрева сырья и малыми допустимыми отклонениями ее от заданного значения. Даже кратковременное отклонение тем­пературы от заданной приводит к закоксовыванию и прогару труб, нарушению технологического процесса установки и сокра­щению межремонтного пробега.

Учитывая важность достоверного контроля тепловой нагруз­ки печи по каждому (левому и правому) потоку сырья, при оценке состояния реакционной зоны змеевиков целесообразно. Наряду с измерением расходов сырья и общего расхода топлив­ного газа измерять расход газа в каждую камеру сгорания пе­чи. В качестве характеристики состояния змеевика печи (степе­ни ее закоксованности) можно использовать перепад темпера­тур на коксующемся участке.

Одним из важнейших параметров процесса замедленного коксования, определяющим условия работы печей, количество и качество продуктов фракционирования, является коэффициент рециркуляции сырья (К_Р):

К_р = F_вт.с ρ_вт.с/(F_пер.с ρ_пер.с), (24)

где F_вт.с F_пер.с — расходы соответственно вторичного и первич­ного сырья;— плотности соответственно вторичного и первичного сырья.

Функциональная схема системы автоматического контроля и регулирования технологических параметров трубчатой печи установки замедленного коксования приведена на рисунке 55, где показана одна печь. Фактически установка содержит две аналогичные по устройству и системам печи, работающие на па­раллельных потоках сырья. По схеме управления автоматиче­скому контролю подлежат следующие параметры: общий расход первичного сырья в печь (датчик 18); общий расход вторичного сырья в печь (датчик 17); расходы вторичного сырья в каждом потоке печи (датчики 15 и 16); коэффициент рециркуляции сырья (вычислительное устройст­во 26); температуры по длине каждого змеевика (датчики 5—7 и 8-12); перепад температур на коксующейся части каждого змеевика (датчики 6, 7 и 11, 12); расход газа в каждую камеру сгорания (датчики 13 и 14).

Автоматическому регулированию подлежат следующие пара­метры: давление топливного газа (регулятор 23 и клапан 27); температуры нагрева вторичного сырья в точке каждого змее­вика печи, предшествующей зоне активного коксообразования (изменение подачи топливного газа в камеру сгорания обеспечи­вается регуляторами температуры 19, 20 и клапанами 28,31); расход турбулизатора (пара), подаваемого во вторичное сырье (регулятор 22 и клапан 30).

Рисунок 55 – Схема системы автоматического контроля и регулирование технологических параметров трубчатой печи установки замедленного коксования:

1 - трубчатая печь; 2 - насос; 3-12 - датчики температур; 13-18 - датчики

расходов; 19, 20 - регуляторы температур; 21, 22 - регуляторы расходов; 23 - регулятор давления; 24, 25 - плотномеры; 26 - вычислительное устройство; 27-31 - регулирующие клапаны

Система автоматического контроля коэффициента рецирку­ляции сырья работает следующим образом. Сигналы с датчи­ков 17 и 18 расхода соответственно вторичного и первичного сырья и плотномеров 24 и 25 поступают в вычислительное уст­ройство 26; которое реализует приведенное выше уравнение для расчета Ср. По значению коэффициента рециркуляции опера­тор судит о работе печи и реактора. В зависимости от произ­водственной необходимости можно улучшить качество получае­мого кокса, увеличивая коэффициент рециркуляции, однако производительность установки при этом снижается.

Процесс алкилирования бензола.

Цель управления. Схема автоматизации

Алкилирование — процесс введения алкильных групп в молеку­лы органических и некоторых неорганических веществ. Про­цессы алкилирования являются промежуточными стадиями в производстве мономеров для синтетического каучука, моющих веществ и других продуктов.

Процесс алкилирования является каталитическим, катализа­тором служит фосфорная или серная кислота, хлорид алюминия и др. Наибольшее распространение получил процесс алкилиро­вания бензола пропиленом в присутствии хлорида алюминия, в результате чего получают изопропилбензол (кумол), который используют для производства фенола, ацетона, в качестве высо­кооктанового компонента авиационных топлив. Сырьем для производства изопропилбензола служат пропан-пропиленовая фракция, содержащая 40—80% пропилена, и бензол. Хлорид алюминия вводится в количестве 8—10% от алкилата. Процесс ведут при давлении 0,5—1 МПа и температуре 90—130 °С.

Автоматическая система регулирования процесса алкилиро­вания бензола предназначена для поддержания оптимального соотношения бензольных и алкильных групп. Объектом регули­рования является аппарат, предназначенный для проведения процесса алкилирования бензола пропиленом. В алкилатор по­даются осушенный бензол, свежий катализаторный комплекс (СКК), пропан-пропиленовая фракция (ППФ), полиалкилбензол (ПАБ) и возвратный катализаторный комплекс (ВКК). Из алкилатора выводится реакционная масса вместе с непрореагировавшими газами (абгазы). В отстойнике из реакционной массы отделяется увлеченный тяжелый катализаторный слой, который возвращается в алки­латор. В абгазах содержатся пары бензола, которые после улавливания возвращаются в процесс. В системе регулирова­ния, представленной на рисунке 56, в качестве основного незави­симого параметра принят расход бензола, определяющий производительность алкилатора по сырью и в конечном итоге — по целевому продукту. Расход пропилена F_ппф поддерживается в зависимости от расходов бензола (F_б), полиалкилбензола (F_паб) катализаторного комплекса (F_KK) и давления (Р) в алкилаторе.

На вычислительное устройство 14 подаются сигналы с датчиком 5, 4, 6 и 11, пропорциональные соответственно расходам бензола, ПАБ, СКК и давлению в алкилаторе. При увеличении расхода бензола и катализаторного комплекса и уменьшении расхода полиалкилбензола увеличивается расход ППФ. Кор­рекция расхода ППФ по давлению в алкилаторе введена с целью устранения неучтенных возмущающих воздействий, например активности каталитического комплекса, качества бензола и ППФ и других факторов. При увеличении или уменьшении давления в алкилаторе расход ППФ соответственно умень­шается или увеличивается. Кроме того, предусмотрено регули­рование подачи свежего катализаторного комплекса и вывода из системы ВКК в зависимости от его состава, который может быть определен с помощью датчика электропроводности. Для этого регулятор 13 состава ВКК воздействует на регулирующий клапан 19 вывода из системы ВКК и на регулятор 10 расхода СКК, изменяя тем самым их подачу в алкилатор. Например, если активность ВКК снижается, то увеличивается количество выводимого из системы ВКК и соответственно увеличивается подача СКК.

Рисунок 56 – Cхема автоматического регулирования процесса

алкилирования бензола:

1 - алкилатор; 2 - отстойник; 3 - насос; 4-6 - датчики расходов; 7-10 - регуляторы расходов; 11 - датчик давления; 12 - регулятор давления; 13 - регулятор состава катализаторного комплекса; 14 - вычислительное устройство; 15-20 - регулирующие клапаны