Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системный анализ и особенности управления типовыми объектами химической технологии. Учебное пособие
.pdf
11
Сообщение о текущем состоянии процесса выводится зелёным
цветом. Жёлтым цветом выводится сообщение о том, какую операцию
должен выполнить аппаратчик, если он пытается нарушить порядок их
выполнения.
Центральное место на панели занимает график, на который
выводятся основные переменные процесса. Слева от него приведён
список параметров, выведенных на график, а в окошках выводятся их
текущие величины. Информация о каждом параметре на графике,
списке и в окошках выводится своим цветом.
Панель содержит средства для управления процедурами
включения мешалки, загрузки стартового вещества, подачи окиси
пропилена (ОП), выгрузки реактора.
Справа на панели расположены органы управления программой
и регуляторами. Эта область имеет три панели: «ПРОГРАММНОЕ
УПРАВЛЕНИЕ», «РЕГУЛЯТОРЫ ТЕМПЕРАТУРЫ» и «ПОДАЧА
ОКИСИ ПРОПИЛЕНА».
Работа реактора протекает в несколько стадий. При получении
любой партии продукта все стадии полностью повторяются. Операции
каждой стадии автоматизированы и инициируются нажатием на
соответствующую кнопку на пульте оператора, окончание каждой
стадии сопровождается выдачей сообщения на монитор пульта.
На первой стадии реактор подготавливается к работе. В это
время система позволяет оператору выполнить в строго заданной
последовательности следующие операции.
– включить мешалку, для этого нажать на кнопку ВКЛ на пульте
«мешалка» (если мешалку включить во время, когда в нём
имеется продукт, то есть вероятность поломки мешалки);
– загрузить в реактор стартовое вещество (часть лапрола,
полученного в предыдущей партии). Для этого нажать на кнопку
ВКЛ на пульте «загр. cтарт. вещ.»;
– нагреть реактор до заданной температуры. Для этого нажать на
кнопку НАГРЕВ на панели «РЕГУЛЯТОРЫ ТЕМПЕРАТУРЫ».
При нагреве линия горячей воды открывается полностью,
отключение нагрева произойдёт автоматически после
достижения температурой заданного значения;
– отключить контур нагрева и подключить контур охлаждения.
Для этого нажать на кнопку ОХЛАЖД на панели
«РЕГУЛЯТОРЫ ТЕМПЕРАТУРЫ». (Отключение линии нагрева
12
и подключение реактора к линии охлаждения произойдёт
автоматически).
Перед выполнением второй стадии следует, при необходимости,
уточнить на панели «ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ» следующие
параметры:
– величину рабочей температуры (раб. температура) используемой
при синтезе лапрола данной марки;
– величину минимальной скорости подачи ОП в реактор (расх. ОП
мин);
– величину максимальной скорости подачи ОП в реактор (расх.
ОП мах).
Вторая стадия полностью автоматизирована и инициируется
нажатием кнопки ПРОГРАММА на панели «ПРОГРАММНОЕ
УПРАВЛЕНИЕ». На этой стадии система в автоматическом режиме
выполняет следующие операции:
– открывает линию подачи окиси пропилена (возможна смесь
окиси пропилена и окиси этилена) на заранее заданную
минимальную скорость подачи. Как правило, она составляет 15–
20% от максимальной, которая является рабочей. Следует
отметить, что ОП хранится в ёмкости и подаётся в реактор в
захоложенном виде при температуре ниже температуры
кипения. Если скорость подачи ОП будет равна максимальной,
то, в зависимости от начальной температуры в реакторе,
существует опасность либо остановки процесса, либо резкого
неуправляемого скачка температуры и полимеризации продукта.
В обоих случаях – это брак, при этом во втором случае требуется
чистка реактора от полимера.
– постепенно, с заданной скоростью, увеличивает подачу окиси
пропилена до максимально заданной, одновременно плавно
повышая температуру в реакторе до заданной величины, которая
достаточна для начала реакции;
– температура в реакторе повышается из-за интенсивного
выделения тепла в ходе реакции (особенно в начале процесса) и
поддерживается автоматически подачей холодной воды в
рубашку и мешалку аппарата;
– в начале процесса, когда продукта в реакторе ещё мало,
удержать температуру в заданных пределах очень сложно;
13
– если во время работы воды не хватает для полного съёма тепла
реакции, система начинает прикрывать линию подачи ОП в
реактор, не позволяя температуре выйти из нормы;
– после вывода реактора на рабочий режим, в реактор поступает
постоянный поток окиси пропилена, а охлаждающей воды
становится достаточно для поддержания заданной температуры;
– окончание работы реактора фиксируется по счётчику, который
измеряет количество поданной в реактор окиси пропилена;
– последним действием аппаратчика является выгрузка продукта
из реактора, после чего можно начинать новый цикл.
Работа автоматически блокируется, если оператор нарушает
заданную последовательность.
В системе управления реактором на второй стадии – стадии
охлаждения используется специальный регулятор температуры,
описание работы которого будет приведено отдельно.
Если в ходе процесса температура превысит заданный
аварийный порог (на графике рис. 4 это горизонтальная линия
фиолетового цвета), то линии подачи холодной и горячей воды будут
автоматически закрыты, а в рубашку реактора начнёт поступать
захоложенная вода для остановки процесса и предотвращения аварии,
которая характеризуется полимеризацией продукта. Очистка реактора
от полимера процедура длительная и значительно уменьшающая
производительность цеха.
Преимуществом использования данной системы управления
является, прежде всего, полное отсутствие брака (даже при работе
малоопытного персонала) и, как следствие, увеличение выпуска
продукции со стабильным качеством. Отметим, что при отсутствии
описанной системы управления реактором количество брака иногда
достигало 20–25%.
Указанные процедуры должны выполняться в строгом
соответствии с последовательностью, описание которой было
приведено.
Описание работы специального регулятора температуры.
Данный регулятор имеет логику, которая переключает режим
его работы в зависимости от ситуации, складывающийся на объекте.
На начальном этапе, после нажатия на кнопку ОХЛАЖДЕНИЕ в
работу включается стандартный ПИД-регулятор. Однако, в этот
14
момент задание (уставка) регулятора температуры устанавливается
равной текущей величине температуры, поэтому подачи охлаждающей
воды в рубашку и мешалку реактора не происходит.
После нажатия кнопки ПРОГРАММА в реактор с минимальной
скоростью начинает подаваться окись пропилена (ОП). Скорость
подачи увеличивается до максимальной (рабочей) величины.
С момента начала подачи ОП в реактор начинается рост
температуры за счет выделения тепла реакции.
Пока скорость роста температуры не достигла заранее заданной
величины, подачи охлаждающей воды не происходит, а уставка
регулятору температуры приравнивается величине, на 2 градуса
превышающей текущую величину температуры.
После того как скорость роста температуры в реакторе достигла
заданной величины, уставка регулятору температуры начинает расти с
заданным темпом до рабочего значения, при этом в работу включится
контур охлаждения.
Когда текущая температура в реакторе превысит заданную на
0,5°С, регулятор температуры переключится на ПД закон
регулирования со значительно большими коэффициентом усиления и
меньшим временем дифференцирования.
Если текущая температура в реакторе превысит заданную на
1°С, то регулятор подачи ОП отключается, а сигнал на клапан этого
регулятора начинает уменьшаться с заданным коэффициентом
усиления.
После прекращения бурного роста температуры в начальной
стадии процесса, активность реакции начинает снижаться, а
температура приходить в норму.
В начале в работу включится регулятор подачи ОП, причем
подъем величины уставки этого регулятора будет продолжаться с той
же скоростью и с той же точки, с которой она была в момент
отключения. В дальнейшем, когда разница между текущей и заданной
температурой станет меньше 0,5°С, в работу включится стандартный
ПИД-регулятор.
Тренажёр имеет панель параметров настройки регулятора
программы (рис. 5), вызываемую кнопкой «настройка»,
расположенной на панели (рис. 4).
15
Рис. 5. Настройка специального регулятора
Задание 1
Цель: Изучить особенности двустадийного управления
реактором периодического действия, освоив последовательность
выполнения ручных операций и автоматического регулирования.
1. Вызовите на выполнение программу «Трен_1». Программа
готова к работе.
2. Выполните все ручные операции в нужной последовательности.
3. После открытия линии охлаждения включите программу
управления. Эта программа выполняется в автоматическом
режиме. Наблюдайте за изменениями параметров процесса.
4. Объясните, почему температура в реакторе растёт наиболее
интенсивно на начальных стадиях?
5. Какие особенности имеет используемая система регулирования
температуры?
16
1.2. Реакторы непрерывного действия
Рассмотрим реактор, используемый в процессе получения
полиэтилена высокого давления [3]. Исходный сырьем является
этилен, катализатором процесса является кислород, концентрация
которого на входе в реактор регулируется. Процесс является
непрерывным, быстропротекающим, проходит с большим выделением
тепла и осуществляется в змеевиковом реакторе типа «труба в трубе»
(включающим в рассматриваемом примере 32 колена) с водяным
охлаждением. Длина реактора при проектировании определяется
исходя из необходимого времени пребывания, давления, температуры
и может достигать более 1000 м, диаметр трубок 40–80 мм. Давление в
реакторе создаётся компрессором, подающим в зону реакции смесь
этилена и кислорода в необходимой пропорции, и поддерживается на
уровне 150 МПа автоматически с помощью клапана, установленного
на выходе реактора. В начале и конце реактора, а также в нескольких
точках по длине реактора измеряется давление реакционной смеси.
Температура измеряется во многих точках реактора, а ближе к концу –
в каждом колене и в зоне наиболее интенсивного тепловыделения
поддерживается на уровне не более 280°C.
В процессе работы расплав полиэтилена оседает на стенках
трубчатого реактора и тем самым препятствует нормальному отводу
тепла из зоны реакции, что может привести к потере управляемости
процессом. Для предотвращения этого опасного явления производится
резкий сброс давления, в результате которого продукт «сдувается» со
стенок реактора и теплоотвод восстанавливается.
Процедура сброса является ключевой в процессе производства
полиэтилена Она позволяет удерживать температуру в реакторе на
уровне, обеспечивающим наибольшую производительность, и в то же
время позволяет обеспечить необходимую управляемость процесса, а
следовательно и его безопасность. Процедура сброса реализуется с
помощью главного регулятора, который выполняет следующие
функции:
– контролирует температурный режим реактора и выбирает точку
с максимальной температурой;
– поддерживает заданное давление в реакторе в периодах между
сбросами давления, при этом используется ПИД-закон
регулирования;
17
– обеспечивает сброс давления в реакторе на заданную величину
PP
факт
1В
(по истечении времени периодического сброса или при
повышении в нем температуры выше заданной или при нажатии
на кнопку СБРОС) с последующим восстановлением заданного
давления, при этом, в момент процедуры сброса регулятор
давления автоматически отключается;
– выполняет корректировку параметра, обеспечивающего сброс и
восстановление давления в реакторе.
Далее приняты следующие обозначения:
Р – давление в реакторе;
ΔР – величина сброса давления;
В1 и В2 – опережение начала и конца восстановления давления в
реакторе, учитывающее его инерционность;
У – положение клапана;
А1 и А2 – заданные величины положения клапана при сбросе и
восстановлении давления, соответственно.
На рис. 6 А – С представлены кривые, поясняющие алгоритм
работы главного регулятора при сбросе давления. Сам алгоритм
заключается в следующем:
– в точке 1 (рис. 6, А) по уже указанным причинам начинается
процедура сброса, а именно:
– отключается ПИД-регулятор (рис. 6, С),
– запоминается рабочее положение регулирующего клапана
(рис. 6, В),
– подаётся сигнал на клапан, равный А1, для его открытия и
сброса давления (рис. 6, В);
– в точке 2 (рис. 6, А) с опережением на величину В1
производится закрытие клапана до величины А2 (рис. 6, В), что
обеспечивает быстрое восстановление давления. Опережение
начала восстановления компенсирует динамическую
инерционность объекта (клапана и реактора) и позволяет
обеспечить необходимую величину сброса – ΔР;
– в точке 3 (рис. 6, А), где после преодоления инерции объекта
начинается рост давления, определяется фактическая величина
сброса и корректируется величина опережения В1 по формуле
;
18
А В С
Рис. 6. Кривые цикла работы главного регулятора
19
– в точке 4 (рис. 6, А), с опережением на величину В2,
1 i
n
R
t
1)(iR
t
iR
t )(
1)(iR
t
nR
t )(
1)(R
t
b
t
nb
t )(
1b)(i
t
i
t )(
b
2b
)(t1b)(t
,F
,B
эx
, ox
i
F
i
R
t
B
i
b
t
эo
xx ,
производится восстановление рабочего положения клапана,
которое было зафиксировано в точке 1 (рис. 6, В).
Параметры А1, А2 и В2 устанавливаются вручную при наладке
системы.
На рис. 7 представлена блок-схема модели реактора.
Рис. 7. Блок-схема модели реактора
На рисунке представлены n коленей реактора, где в трубе
перемещается поток реакционной массы, а навстречу ему в кожухе –
поток охлаждающей воды. Допустим, что в трубе и в кожухе потоки
идеально перемешаны.
На рисунке приняты следующие обозначения:
– номер колена реактора;
– поток этилена в реактор;
– температура реакционной массы в i-ом колене;
– поток охлаждающей воды;
– температура воды после i-ого колена;
– содержание кислорода (катализатора) и этилена на
входе.
Влияния температуры, давления и составов на скорость реакции
при расчёте содержания этилена в i-ом колене реализуется по
эмпирической формуле:
20
2
ээ
i-1
0,1
R
i
R
Ro
i
SS
t
P
x x K x
PT
. (6)
э
i
x
R
K
R
P
i
R
t
S
P
S
T
o
x
i
b
i
RB
i
R
i
RT
i
R
i
R
ttBKttFKtt
11
i
b
i
Rb
i
b
i
ttKtt
b
bBT
KK,K и
Где:
– содержание этилена в реакционной массе i-ого колена;
– масштабный коэффициент;
– давление в реакторе;
– температура в i-ом колене;
,
– величины шкал измерителей давления и температуры;
– содержание кислорода в реакционной массе, оно
неизменно, поскольку кислород является катализатором и не
расходуется.
Теперь, зная степень превращения этилена в i-ом колене, можно
определить количество тепла, выделенное в этом колене в результате
реакции и рассчитать температуры реакционной массы и воды:
Двигаясь от первого колена к последнему имеем:
. (7)
Двигаясь в обратном направлении:
Здесь:
– коэффициенты, учитывающие масштаб и
инерцию объекта.
Перед работой переменные модели требуют расчета первого
приближения. Затем в процессе работы переменные достаточно
быстро уточняются.
На рис. 8 представлена технологическая схема.
. (8)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]