1.3 Технологиясық басқару объектісінің басқару жүйелерінің жазбасы
Висбкрекинг объектілерінің қауіпсіздігі жоғары дәрежелі болып табылады, себебі берілген басқару объектісінде жоғары қысымды және температураның жоғарылауы (27 атм – ге және 1950С) нәтижесінде қолданылады, өйткені бұл типтегі қондырғылардың негізгі шикізатпен және дайын өнімдер жоғарытоксинді және жарылысқа қауіпті заттар [6] олар түрлі мұнай өнімдері, құрамында суы бар газ және тұрақты гидрогенизат, жоғарыда келтірілген факторларды ескере отырып берілген қондырғыда 200 сериялы «Старт» және басқа пневматикалық құралдар және басқару жүйесі жүзеге асырылған.
Қондырғылардағы температураларды көбінесе термопарамен бірақ кей жерлерде кедергі термометрлерімен өлшейді. Шығынды өлшеу кезінде стандарты жүйедегі ДКН типті диафрагмадан және 13.ДД типтегі дифманометр (пневматикалық шығыс сигналы бар) қолданылады [4].
Деңгейді өлшеу үшін «уравномер буйковый» қолданылады УБ – ПГ пневматикалық шығыс сигналымен. Барлық реттеу контурындағы реттегіш ретінде «Сатрт» типті реттеу жүйесі ПР3.35 және ПР3.3 қолданылады. Реттеу органы ретінде түрлі типтегі клапандар (қоршаған орта мен қолданылу мақсатына байланысты) пневматикалық өткізгіштер болып табылады. Тағы басқа жерлерде (кейбір реттеу контурларында) өртке қауіпсіз мақсатта электрлік приборлар қолданылған, олар электропневмопреобразователь (ЭПП – 8П типті), нормалаушы түрлендіргіштер (ИЛ – ТЛ – 1и), қашықтықтан басқару панелі (ПДУ – А), электрлік реттегіштер (РП и Б), қол есептегіші (3р – 1) және жағдайды көрсететін аралық панелі (ДУП типті).
Берілген жүйедегі басқару және бақылау процесі қазіргі кезде моральдық және физикалық жағынан ескірген, олар қазіргі заманғы жүйелердің басқару және бақылау талаптарына сай келмейді. Бұдан басқа берілген жүйе шығарылатын өнімнің қазіргі заманғы стандарт сапасын камтамассыз етпейді.
Керекті деңгейге жету үшін қазіргі заманғы жаңа құралдарды қолдану керек, реттеуді жылдамдататын және бүкіл процестің өтуін анық көруге болатын.
Жүйеде микропроцессорлық және интеллектуадық датчиктерді қолдану арқылы бір өнімге кететін шығынды және осының салдарынан оның өзіндік бағасы да азаяды. Берілген жүйені қолдансақ шығарылатын өнімнің сапасы да көтеріледі және көп еңбек сіңіруді қажет етпейді. Қызмет ететін қызметкерлердің саны көп болса, өндіріс қауіпсіздігі жоғарылайды және қоршаған ортаға шығарылатын улы заттар азаяды.
2 Басқару жүйесінің жүйе-техникалық синтезі
Жаңа автоматтандырылған жүйені жасау мақсаты бір дайын өнімге кететін энергетикалық шығындарды мен өзіндік құнды, технолог – операторларды және қондырғылардың қызмет ететін қызметкерлердің еңбек сіңіруін азайту, реттеу сапасын жоғарылату, дайын өнімнің өзіндік құнын, бүкіл процестің бейнесін көру, нәтижесінде оптималды реттеуге жақындау және қоршаған ортаға улы заттарды шығаруды азайту болып табылады.
2.1 Тпа жүйесін құру мақсаты, басқару критериялары мен оған қойылатын талаптар
Химиялық технологияда заттарды ажырату үшін жылуалмасу процестерін кеңінен қолданады: абсорбция, адсорбция, экстракция, ректификация және кептіру. Бұл процестердің әртүрлігіне және олардың аппараттарының құрастырылу әдістеріне қарамастан процестердің барлығы біріңғай заңдылықтарға бағынады және автоматтандыру объектілері ретінде ортақ ерекшеліктерге ие [5].
Ректификациялық қондырғы сұйық біртекті қоспаларды құрама компоненттерге бөлуге арналған. Құрама заттарға бөліну, бу және сұйық қоспасының буымен сұйық бір-біріне қарсы әсерлесудің нәтижесінде жүргізіледі. Өнімділік колонналары үшін оларда бір өнімді шығаруға, яғни өндіруге белгіленген.
Ректификацияға кеткен шығындар өнімнің өзіндік құнының ең құрамдас бөлігі болғандықтан, қондырғыны автоматтандыру мәселесі оптималды басқару мәселесіне жақындайды, оларға жеке технологиялық параметрлерді автоматты реттеу мәселесі бағынады. Ректификациялық қолонналардың тағайындалуына қарай түрлі оптималды критерийлерді пайдаланады.
Дайын өнімді алу үшін колоннаға келесі тапсырмалар қойылады:
Дайын өнімді алуда энергия шығынын минималдау;
Дайын өнім бойынша өнімділігін максималдау.
Басқару тапсырмасын шешудің этаптары (2.1.сур.) көрсетілген.
Термиялық крекинг процесінің қысқартылған түрін қарастыру үшін бүкіл процесті 4 блокқа бөлуге болады:
Сурет 2.1 - БО декомпозициясының құрылымдық схемасы
1-фракциялау блогі, 2-газ тазалау блогі, 3-тұрақтандыру блогі, 4-ерітінді турбулизаторды жасау [7].
Сурет 2.2 - ТПАБЖ тапсырмасын шешу
2.2 ТПА жүйесінің басқарушы функцияларын таңдауды негіздеу
2.1.1 Ректификациялық К-1 колоннаны реттеу
Фракциялау процесінің сапасына әсер ететін факторларды анықтау үшін,қондырғының материалдық және жылу баланстарын жазайық.
Ағындар бойынша ажыратылатын қоспалар мен өнімдер үшін материалдық баланс:
Gn=Gg+Gk (2.1)
Тез ұшатын компонентер бойынша материалдық баланс теңдеуі:
GnCn=GgCg+GkCk (2.2)
Қайнатқыш үшін жылулық баланс теңдеуі:
GpCгр=VRk+q1 (2.3)
Мұнда: V-колоннаның төменгі бөлігіндегі бу ағыны
Rk-кубтық сұйықтың булануының меншікті жылуы
Колоннаның кубы үшін материалдық баланс теңдеуі:
Sk(dLk/dt)=Gгk-(V+Gk)=0 (2.4)
Мұнда: Gгk-колоннаның төменгі бөлігіндегі сұйық ағыны
Sk-колоннаның кубының горизонталь қима ауданы
Газды фаза бойынша колоннаның жоғарғы бөлігінің материалдық балансы:
dPk/dt=f(V1-Gu-Gg-Gфл)=0 (2.5)
Ректификациялық колоннаны схемалық түрде 2.3 суретте көрсетуге болады. Ректификациялық колоннаға қоспа алдыңғы аппараттан келетін шығын, қоректендіру көзінің құрамы және температурасы процестің негізгі өзгермелілері болады. Атап айтылған өзгермелілерден әдетте тек қана қоректендіру температурасын Өn ғана тұрақтандырады, Gn шығынын бақылап отырады.
(2.1-2.5) математикалық модельдерден көрініп тұрғандай ректификациялық колонна бір-біріне әсер ететін координаталар саны бар күрделі объект [14].
Сурет 2.3 - К-1 қондырғының принципиалды схемасы: 1-ректификациялық колонна, 2-Пеш поз. 1/1, 3-Пеш поз.1/2, 4-К-2 колонна, 5-флегмалы ыдыс
Алты бірконтурлы АРЖ бар ректификациялық колоннаның қарапайым автоматтандыру жүйесін қарастырайық (2.4 сурет).
Бұл жүйе қондырғыдағы дистиллят құрамының тұрақтылығын және материалдық балансты ұстап тұруды қамтамасыз етеді. Егер реттеу тапсырмасы кубтық өнімнің құрамын реттеу болса, онда ысыту бу шығынын колоннаның төменгі бөлігінің температура 6а-реттегішімен анықталады да, ал дистиллят шығыны 1а-реттегішімен тұрақтандырылады.
1-колоннаның жоғарғы бөлігінің температура реттегіші, 2-қоректендіру көзінің температура реттегіші, 3-колоннаның кубындағы деңгей реттегіші, 4-флегмалы ыдыстағы деңгей реттегіші, 5-колоннадағы қысым реттегіші, 6-ысыту буының шығын реттегіші, 1а-дистилляттың шығын реттегіші, 6а-колоннаның төменгі бөлігінің температура реттегіші
Сурет 2.4 - Ректификациялық колоннаны автоматтандыру жүйесінің мысалы
2.1.2 Негізгі технологиялық параметрлерді реттеу
Негізгі технологиялық параметрлерге: шығын, деңгей, температура, қысым т.б. жатады.
2.2.2.1 Шығынды реттеу
Барлық үздіксіз процестерді автоматтандыруда шығынды реттеу қажеттілігі барлық жағдайда кездеседі. Шығынды АРЖ материалдық ағындар бойынша пайда болған қоздырушы әсерлерді тұрақтандыру үшін қолданылады және сондай-ақ технологиялық процестердің тұйық жүйесінің бір бөлігі болып табылады. Шығынды АРЖ сонымен қатар басқа басқа параметрлерді каскадты реттеу жүйесінде ішкі контур ретінде көп жағдайларда қолданылады [3].
Статикалық қателіксіз шығынды реттеу бірконтурлы АРЖ пропорционалды интегралды (ПИ) реттегіштерін қолданады. Егер шығынның АРЖ каскадты реттеу жүйесінің ішкі контуры болса шығын реттегіші пропорционалды (П) реттеу заңын қолданатын болар еді. Шығын сигналының жоғары жиілікте кедергі болған жағдайда ПИД реттеу заңын орындайтын реттегіштерін қолдану реттеу жүйесінің тұрақты жұмыс істеуіне қарсы әсер етеді. Сол себептен өндірісте реттеу жүйесінің пропорционалды дифференциалды (ПД) және ПИД реттеу заңын орындайтын реттегіштерді қолдану ұсынылмайды.
Екі заттың шығындыр қатынасымен реттеу келесі схемалардың бірін қолдану арқылы жүзеге асырылады:
Сурет 2.5 - Шығындар қатынастарын реттеу схемалары: а,б-жалпы жүктеме берілмеген жағдайы; в-жалпы жүктеме берген жағдайы; 1,2-шығын өлшегіштер, 3-қатынас реттегіші; 4,7-реттеу клапандары, 5-шығын реттегіші, 6-қатынас релесі
2.2.2.2 Деңгейді реттеу
Деңгей аппараттардағы гидродинамикалық теңдіктің жанама көрсеткіші болып табылады. Деңгейдің тұрақтылығы материалдық баланстың дұрыстығы туралы көрсеткіші бола алады, егер ағып келген сұйықпен ағып шыққан сұйық тең болғанда деңгей өзгерісінің жылдамдығы 0-ге тең болғанда. Күрделі технологиялық процестерде яғни заттардың фазалық жағдайының өзгерісімен сипатталатын жағдайда деңгей гидродинамикалық процесті сипаттап қоймай жылулық және массаалмасу процестерінің сипатын беруге мүмкіндік береді. Мұндай процесте ректификациялық қондырғыларда, буландырғышта, конденсаторда, булау қондырғыларында және т.б. деңгейдің өзгерісін мынандай келесі келесі теңдеумен сипаттауға болады:
S(dl/dt)=Gкір-Gшығ+-Gоб
Мұнда: S-апараттың көлденең қимасының ауданы
Gоб-аппаратта уақыт бірлігінде пайда болған сұйықтың саны
Деңгейдің тұрақты мәнді ұстап тұрудың дәлдігіне байланысты оны реттеудің
2 тәсілінің бірін қолданады:
1)Позициялық реттеу-мұнда аппараттағы деңгей тапсырылған шегіне қарай реттеледі. Мұндай реттеу жүйелерін сұйық жинағыштарда немесе ыдыстарда орнатады.
2)Үздіксіз реттеу-деңгейді берілген мәнінде тұрақтандыруды қамтамасыз ету.
Әсіресе жылуалмастырғыш аппараттарына деңгейді жоғары дәлдікпен ретеу талабы қойылады. Себебі сұйық деңгейі жылуалмасу процесіне едәуір әсерін тигізеді. Ал фазалық өзгерістер болмайтын аппартаттарда мынандай 3 әдісі қолданылады:
Сурет 3.6 - Деңгейді үздіксіз реттеу схемалары
а-келіп түскен ағымға реттеу;
б-ағып шыққан ағымға ретеу;
в-каскадты АРЖ.
1-деңгей реттегіші, 2-реттеуіш клапандар, 3,4-деңгей өлшегіш ретінде қолданылатын шығын өлшегіштері, 5-шығын қатынастары реттегіштері.
3.2.2.3 Қысымды реттеу
Қысым аппараттың кірісіндегі және оның шығысындағы газдық фазаның шығысындағы қатынасының көрсеткіші болып табылады. Қысымның тұрақтылығы газдық фазаның материалдық балансының орындалуына септігін тигізеді. Көбінесе технологиялық қондырғыларда қысымды, аппартардың бірінде стабилизациялайды (тұрақтандырады) ал жүйенің қалған бөліктерінде байланыс сызығының гидравликалық кедергілеріне сәйкес тұрақтандырылады [34].
Процестің жүруіне едәуір ықпал тигізетін және гидравликалық режимді сипаттайтын реттеу жүйесі. Мысал ретінде насадкалы колонналар мен қайнау беті бар аппараттар.
Қасымды АРЖ аппараттарда құлама қысымды реттеу жүйесі ерекше орын алады.
Сурет 2.7 - Құлама қысымды реттеу схемалары: 1-аппарат, 2-құлама қысымды реттегіш, 3-реттеуіш клапан
2.2.2.4 Температураны реттеу
Температура жүйенің термодинамикалық жағдайының көрсеткіші бола отырып және жылулық процестердің шығыс коодинаталарын (параметрлерін) реттеуде қолднылады. Температураны реттеу жүйелерінде объектілердің динамикалық сипаттамасы, процестің физикалық химиялық параметрлері мен аппараттың конструкцияларына да байланысты. Температураны АРЖ жалпы ерекшеліктеріне жылулық жылулық процестермен температураның өндірістік датчиктердің инерттілігін жатқызуға болады. Сондықтан температураны АРЖ жобалауда негізгі тапсырмалардың бірі болып датчиктердің инерттіліген төмендету жатады. Сондықтан да инерттілігі төмен автоматтандыру құралдарын яғни термоэлектрлік түрлендіргіштерді қолдану ұсынылады. Инерттілігі жоғары параметрлерге ПИ және ПИД реттеу заңдарын қолданатын реттегіштерді пайдаланады [34].
Сурет 2.8 - Аппарттың шығысындағы температураны ретеу схемасы: 1-аппарат, 2-температураны реттегіш, 3-реттеуіш орган