книги из ГПНТБ / Автоматизация переработки каменноугольной смолы

димого качества регулирования технологического про­ цесса обеспечивается соответствующим выбором свой­ ств регулятора или усложнением структурной схемы ав­ томатического регулирования.

Ниже показан выбор параметров и структурных схем автоматического регулирования для основных аппара­ тов производства высокотемпературного пека.

Сборники исходного и конечного сырья

К сборникам относятся пекоприемники, сборники пе­ ковой смолы и испаритель. Управляемым параметром для них является уровень продукта в каждой емкости. Как объекты автоматического регулирования сборники исходного и конечного сырья представляют собой ин­ тегрирующие звенья. Управляющим параметром для них служит подача исходного сырья в емкость, а возму­ щающим воздействием — изменение его расхода из сборника.

Для стабилизации уровня продукта в сборнике при­ менимы одноконтурные схемы автоматического регули­ рования. Устойчивое регулирование для этих объектов ' может быть обеспечено при использовании П- или ПИзакона регулирования. Выбор закона регулирования оп­ ределяется технологическими требованиями к точности поддержания уровня продукта в емкости. Если для сборника допустимы отклонения уровня в определенных пределах при изменениях нагрузки, то для регулирова­ ния достаточно применения П-регулятора.

Выбор настройки регулятора для схемы регулирова­ ния уровня можно определить упрощенным способом — методом минимального значения предела пропорцио­ нальности [20, 56]. По этому методу выводят систему в граничное положение, когда наступают незатухающие колебания, а затем вдвое увеличивают найденное для это­ го состояния системы значение пределов пропорциональ­ ности П-регулятора.

Трубчатая печь для нагрева пековой смолы

Трубчатая печь представляет собой сложный, много­ емкостный объект автоматизации сѳ значительным за­ паздыванием и инерционностью по основным каналам регулирования. Управляемым параметром для нее слу-

215

жнт температура пековой смолы на выходе из трубча­ той печи. При использовании трубчатой печи для двух­ ступенчатого нагрева к управляемым параметрам отно­ сятся температуры нагрева пековой смолы на выходе из каждой ступени. Управляющими воздействиями явля­ ются расходы пековой смолы и коксового газа. По кана­ лу регулирования температуры нагрева пековой смолы по ее расходу трубчатая печь обладает несколько луч­ шими динамическими свойствами, чем по каналу регули­ рования расходом коксового газа.

К возмущающим воздействиям, влияющим на про­ цесс нагрева пековой смолы, относятся давление и теп­ лота сгорания топлива.

Промежуточным параметром, косвенно определяю­ щим процесс нагрева пековой смолы, является темпера­ тура газов над перевальной стенкой. По этому парамет­ ру трубчатая печь имеет минимальные запаздывание и инерционность, что указывает на возможность использо­ вания его для улучшения качества процесса регулиро­ вания. При двухступенчатом нагреве более высокие тре­ бования предъявляют к качеству регулирования темпе­ ратуры пековой смолы, подаваемой в реактор (вторая ступень).

Нагрузка трубчатой печи по расходу пековой смолы зависит от подачи в реактор. При постоянной нагрузке регулирование температуры пековой смолы на выходе трубчатой печи подачей газа может осуществляться по двум схемам: по выходной температуре («по выходу») или косвенным путем через регулирование температуры топочных газов над перевальной стенкой («по перева­ лу») [57].

Вторая схема, как указывалось в главе III, относится к каскадной системе автоматического регулирования. Особенностью ее является то, что основной регулятор температуры пековой смолы воздействует не на регули­ рующий орган системы, а на задатчик вспомогательного регулятора, управляющего температурой газов на пере­ вале. Такая схема имеет более высокое качество регули­ рования, так к.ак предотвращает действие возмущений по каналу подачи топлива на выходную температуру пе­ ковой смолы. Например, при возмущениях по количест­ ву или теплоте сгорания топлива вспомогательный регу­ лятор обеспечивает быструю компенсацию этих возму­ щений, так как запаздывание и инерционность по

216

каналу температура на перевале — расход топлива значительно меньше, чем по температуре пековой смолы на выходе трубчатой печи.

На рис. 99 изображена структурная схема автома­ тического регулирования трубчатой печи при односту­ пенчатом нагреве пековой смолы. В ней для улучшения качества регулирования, кроме каскадной схемы, приме­ нена стабилизация давления коксового газа по одиокон-

Рис. 99. Структурная схема автоматического регулирования трубча­

турной схеме автоматического регулирования. Расход пековой смолы на трубчатую печь также регулируется по одноконтурной схеме.

Поскольку расход нагретой пековой смолы, подавае­ мой в реактор, должен быть постоянным, подача ее в печь регулируется по величине расхода пековой смолы после испарителя. Выход нагретой пековой смолы от исходной зависит от ее качества. Поэтому при колебани­ ях качества (для обеспечения постоянства расхода пе­ ковой смолы, направляемой в реактор) количество смо­ лы, подаваемое в трубчатую печь, должно изменяться обратно пропорционально качеству. Это обстоятельство ухудшает регулирование температуры нагрева пековой

217

смолы, так как вследствие изменении показателей каче­ ства расход ее будет не постоянным.

При нагреве такой пековой смолы можно использо­ вать схему автоматического регулирования, в которой температура газов на перевале корректируется по вели­ чине рассогласования между подачей исходной пековой смолы в трубчатую печь и выходом нагретой — после испарителя.

Рис. 100. Структурная схема автоматического регулирования трубча­ той печи при двухступенчатом нагреве пековой смолы:

/, 2 — датчики уровня; 5—5 — датчики температуры; б — датчик давления; 7 — трубчатая печь

Структурная схема автоматического регулирования по указанному принципу для трубчатой печи при двух­ ступенчатом нагреве пековой смолы изображена на рис. 100. Регулирование температуры нагрева пековой смолы на выходе каждой ступени осуществляется изме­ нением ее расхода. Согласование расходов пековой смо­ лы, подаваемой на первую и вторую ступень, с подачей ее в реактор осуществляется регулированием уровней в промежуточном сборнике С62 и испарителе И2 второй ступени.

При появлении рассогласования между подачей пе­ ковой смолы на вторую ступень и расходом ее в реактор начинает изменяться уровень в испарителе, который воз­

218

действует на задатчик регулятора температуры газов на перевале. Задание для контура регулирования темпера­ туры на первой ступени определяется нагрузкой ее по расходу пековой смолы. Это осуществляется коррекцией задания по отклонению уровня пековой смолы в проме­ жуточном сборнике С62, которое происходит при рассо­ гласовании между расходом пековой смолы на первую ступень с подачей на вторую.

Для уменьшения возмущений процесса по каналу по­ дачи топлива схема имеет контур стабилизации давле­ ния коксового газа. Схема обеспечивает хорошее качест­ во регулирования в случае, если динамические свойства трубчатой печи по каналу регулирования температуры на выходе расходом пековой смолы лучше, чем по кана­ лу регулирования ее расходом коксового газа.

При двухступенчатом нагреве пековой смолы в двух самостоятельных трубчатых печах (с учетом разных тех­ нологических требований к качеству регулирования тем­ пературы нагрева на каждой ступени) для первой ступени можно использовать схему «по выходу» (регулирова­ ние температуры на выходе расходом газа), а для труб­ чатой печи второй ступени — «по перевалу» (каскадная схема регулирования с использованием промежуточного параметра — температуры газов на перевале). Для рас­ чета каскадных схем автоматического регулирования температуры нагрева пековой смолы на выходе трубча­ той печи (при инерционности по вспомогательному па­ раметру значительно меньшей, чем по. основному пара­ метру) составляют эквивалентные одноконтурные схе­ мы [21]. Методика расчета параметров настройки регуляторов каскадной схемы приведена в главе III.

Технологическая цепь реакторов

Эта цепь является основным агрегатом, в котором осуществляется процесс производства высокотемпера­ турного пека. Управляемым параметром для нее служит качество производимого высокотемпературного пека.

При изучении статических характеристик реакторов установлено, что качество высокотемпературного пека за­ висит от многих факторов: расходов исходного сырья, его качества и температуры нагрева; температуры жидкой фазы в реакторах; расходов воздуха и его давления. Так как расход исходного сырья является нагрузкой от-

219

деления и зависит от потребности в высокотемператур­ ном пеке для загрузки пекококсовых печей, его нельзя использовать в качестве управляющего воздействия для регулирования качества высокотемпературного пека. Таким параметром служит расход воздуха, направляе­ мого в каждый реактор технологической цепи.

К возмущающим воздействиям, влияющим на про­ цесс производства высокотемпературного пека, кроме расходов исходного сырья, которые изменяются при изме­ нении нагрузки пекококсовых печей, относятся темпера­ тура нагрева и качество среднетемпературного пека, температура пековой смолы, давление технологического воздуха, изменение соотношения компонентов исходного сырья. К промежуточным параметрам, косвенно связан­ ным с протеканием процессов конденсации в реакторах, относятся температуры жидких фаз в них.

Технологическая цепь реакторов как объект автома­ тизации представляет собой последовательное соедине­ ние апериодических звеньев первого порядка и звеньев чистого запаздывания. По всем каналам регулирования реакторы имеют значительную инерционность и запазды­ вание. Однако по каналу регулирования температуры жидкой фазы динамические свойства реакторов несколь­ ко лучше, чем по каналу регулирования качества произ­ водимого пека. Поэтому использование этого параметра может способствовать улучшению качества регулирова­ ния процесса.

Рассмотрим структурную схему автоматического ре­ гулирования температуры жидкой фазы расходом возду­ ха (рис. 101) с использованием ПИ-регулятора. По ука­ занному каналу регулирования реактор можно предста­ вить как последовательное соединение звена чистого запаздывания и апериодического первого порядка.

На рис. 102 построены графики переходных процес­ сов в системе регулирования температуры жидкой фазы расходом воздуха. Переходные процессы построены для возмущений по расходу воздуха (управляющее воздей­ ствие) и по расходу пековой смолы (возмущающее воз­ действие) при оптимальной настройке регулятора.

Как видно из рис. 102, г, даже и по температуре жид­ кой фазы, являющейся менее инерционной, чем качество пека, при использовании для реактора одноконтурной схемы автоматического регулирования качество процес­ са регулирования является неудовлетворительным:

220

а) большая длительность, достигающая 185 мин по управ­ ляющему воздействию и 405 мин при возмущении расхо­ дом пековой смолы; б) значительные отклонения регу­ лируемого параметра в процессе регулирования.

Рис. 101. Структурная схема автоматического регулиро­ вания температуры жидкой фазы пека в реакторе рас­ ходом воздуха

Рис. 102. Построение графиков переходных процессов в системе регу­ лирования температуры жидкой фазы расходом воздуха с примене­ нием ПИ-регулятора:

о — частотные характеристики замкнутой системы по управляющему воздейст­ вию; б — то же, системы регулирования относительно возмущающего воздейст­ вия; в — амплитудно-фазовая характеристика замкнутой системы по управляю­ щему воздействию; г — график переходных процессов; / — ступенчатое управ­ ляющее воздействие; 2 — ступенчатое возмущающее воздействие

221

Рассмотренная структурная схема (рис. 101) основа­ на на принципе регулирования по отклонению управля­ емого параметра. В такой схеме регулятор вступает в работу только после появления рассогласования между действительным и заданным значением регулируемой величины. Поэтому нельзя полностью устранить откло­ нение регулируемого параметра, можно только стре­ миться к минимизации этого отклонения.

Как известно [21], ошибку регулирования можно уменьшить, увеличив коэффициент усиления регулятора, так как это позволяет произвести необходимое регули­ рующее воздействие при меньшей величине рассогласо­ вания. Однако увеличение коэффициента усиления в замкнутых системах (системах с воздействием по откло­ нению) неизбежно приводит к ухудшению и даже потере системой устойчивости вследствие того, что регулятор входит в замкнутый «на себя» контур передачи воздей­ ствия. В такой системе увеличение коэффициента пере­ дачи регулятора приводит к тому, что начинают генери­ роваться незатухающие колебания (автоколебания).

Необходимо также отметить, что в системах с воз­ действием по отклонению, имеющих запаздывание, да­ же при сколь угодно больших коэффициентах усиления регулятора нельзя устранить отклонение регулируемой величины. Действительно, при наличии в системе объек­ та, обладающего запаздыванием, воздействие регулятора на переходный процесс после внесения возмущения нач­ нет сказываться лишь после этого времени запаздыва­ ния. Для реакторов технологической цепи этот фактор имеет особо важное значение, так как в них запаздыва­ ние по основному управляемому параметру (качеству производимого пека) колеблется в широких пределах 30—90 мин.

Большой интерес для регулирования процесса в тех­ нологической цепи реактрров представляют системы с воздействием по возмущению. Такие системы являются разомкнутыми. В них отсутствует обратная связь, что позволяет выбирать параметры регулятора, не ограни­ чивая их условиями устойчивости так же, как в замкну­ тых системах. В такой системе передаточную функцию регулятора можно подобрать таким образом, что регу­ лируемая величина совершенно не будет реагировать на возмущение, т. е, будет инвариантна относительно этого возмущения,

222

Принцип инвариантности успешно применяют при разработке многих компенсаторов и стабилизаторов. Од­ нако его использование для реакторов технологической цепи встречает большие затруднения в основном по двум причинам.

1. Для обеспечения инвариантности системы необхо­ димо измерить абсолютно все возмущения, которые мо­ гут действовать иа регулируемый объект, что практиче­ ски невозможно для технологической цепи реакторов вследствие отсутствия соответствующих приборов и больших трудностей самих измерений.

2. Даже для небольшого числа возмущений, которые можно измерить, абсолютной инвариантности трудно достичь, так как, кроме величин возмущений, необходи­ мо измерить их производные. Поскольку все производ­ ные от возмущающих воздействий невозможно измерить, абсолютную инвариантность нельзя обеспечить.

Исходя из этих соображений, для регулирования ре­ акторов применяют^ комбинированную схему, сочетаю­ щую принцип компенсации для основных возмущений, которые можно измерить, с регулированием по отклоне­ нию управляемых параметров

Структурная схема автоматического регулирования технологической цепи, состоящей из трех реакторов, изображена на рис. 103. Как видно из рисунка, в отли­ чие от одноконтурной схемы (рис. 101), кроме основной регулируемой величины, на вход регулятора подаются соответствующим образом преобразованные воздействия по возмущению.

Управление процессом осуществляется регулирова­ нием температуры жидкой фазы в каждом реакторе рас­ ходом воздуха. В последнем реакторе технологической цепи система замкнута по качеству производимого высо­ котемпературного пека.

Компенсация осуществляется по следующим основ­ ным возмущениям: расходам среднетемпературного пе­ ка и пековой смолы, температуре нагрева и качеству по­ ступающего среднетемпературного пека. Хотя расходы исходного сырья и имеют отдельные контуры автомати-

223