ДонНТУ   Портал магистров

Масленникова Светлана Васильевна

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра автоматики и телекоммуникаций

Специальность «Компьютеризированные системы управления и автоматика»

Исследование и разработка САУ температуры трубчатой печи
типа ПТБ -10Э в условиях Лисичанского НПЗ

Научный руководитель к. т. н., доц. Жукова Наталья Викторовна

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Обзор исследований и разработок
• 4. Методика решения задачи и текущие результаты
• 5. Разработка программного обеспечения САУ
• Выводы
• Список источников

Введение

Тепловые процессы играют значительную роль в химической технологии. Химические реакции веществ, а также их физические преобразования, как правило, сопровождаются тепловыми явлениями. Тепловые эффекты часто составляют основу технологических процессов. В связи с этим, вопрос автоматизации теплообменников, трубчатых печей, выпарных аппаратов и других объектов химической технологии, связанных с передачей тепла, играют существенную роль.

Основными аппаратами огневого действия НПЗ на установке ЭЛОУ - АВТ является трубчатые печи различных типов и конструкции. Наиболее распространены блочные печи, печи двойные шатрового типа, печи с излучающими стенками и вертикально - факельного типа.

1. Актуальность темы

Для получения товарной нефти необходимо осуществить стабилизацию нефти, то есть провести мероприятия по снижению способности нефти к испарению. Основным процессом стабилизации является обезвоживание и обессоливания. Основная масса солей удаляется вместе с водой в процессе обезвоживания, однако для предотвращения коррозии оборудования, образования солевых отложений и других нарушений в процессах переработки нефти необходимо ее глубокое обессоливания в нефть подается пресная вода, в результате чего образуется нефтяная эмульсия, которая затем подвергается разрушению. Процесс разрушения нефтяной эмульсии наиболее эффективен в термохимической обезвоживании и обессоливания, которое основано на нагревании эмульсии и химическом воздействии на нее деэмульгатора. При повышении температуры обрабатываемых эмульсий снижается вязкость жидкостей, составляющих эмульсию и уменьшается поверхностное натяжение на границе раздела фаз, облегчает отделение воды. Нагрев нефтяной эмульсии часто осуществляется в трубчатой печи управления которой является актуальной задачей.

Трубчатая печь является сложным многомерным и многосвязным объектом автоматизации. Целью регулирования трубчатой печи является поддержание температуры продукта на выходе при наличии большого количества возмущающих воздействий, многие из которых не контролируемые. Кроме того трубчатая печь является инерционным объектом с запаздыванием по основным каналам регулирования . Поэтому задача выбора информационного параметра по управлению, быстро реагирующего на изменение режима работы печи, и разработка системы автоматического регулирования, которая бы компенсировала основные возмущения, является актуальной. Исследование способов построения САУ температурой на выходе трубчатой печи проводится на примере нагрева нефтяной эмульсии, которая протекает по змеевику трубчатой печи и нагревается за счет тепла, образующегося при сжигании топливного газа и воздуха. Из большого количества факторов влияющих на температуру выхода нефтяной эмульсии можно выделить подачу топливного газа и нефтяной эмульсии. Подача нефтяной эмульсии, а так же ее температура являются основными источниками возмущений, а подача топливного газа и воздуха – управляющими воздействиями. Температуру воздуха и топливного газа можно считать постоянными.

Задачи управления включают в себя: стабилизацию подачи сырья F_мат с влиянием, на привод питательного насоса; стабилизацию температуры сырья на выходе из температурного режима в печи на перевале T_вых путем изменения подачи топлива F_г; регулирования процесса горения с целью максимального выделения тепла путем регулирования подачи воздуха F_в. Учитывая большую инерциальнисть объекта управления целесообразно ввести предупредительные параметр управления - температуру дымовых газов на входе T_вх.

На рис. 1 представлена схема анализа процесса нагрева в трубчатой печи как объекта управления, где F_мат - материала, F_г - расход газа, F_в - расход воздуха, T_вых - температура на выходе трубчатой печи, T_вх - температура на входе трубчатой печи.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Цель разработки - стабилизация температуры путем поддержания температуры 70 °С, снижение затрат топливного газа при эксплуатации трубчатой печи для уменьшения себестоимости системы

Назначение разработки - основными функциям, выполняемым САУ, должны быть функции:

1. Автоматическое регулирование температуры нефтяной эмульсии и температуры газа над перевальное стенкой;
2. Автоматическое регулирование расхода газа, воздуха и нефтяной эмульсии;
3. Автоматическое регулирование соотношения газа и воздуха;
4. Обеспечение взаимодействия с оперативным и обслуживающим персоналом.

Объект исследования: блочная трубчатая печь типа ПТБ-10Э.

3. Обзор исследований и разработок

Продукт, подаваемым через змеевик трубчатой печи, нагревается за счет тепла, образующегося при сжигании топливного газа. Возмущениями объекта являются:

1. Расход и температура исходного продукта.
2. Теплотворная способность топлива.
3. Количество и температура воздуха, подаваемого для сжигания топлива.
4. Потери тепла в окружающую среду.

Эти возмущения можно компенсировать с помощью АСР температуры продукта на выходе из печи, управляющей подачей топлива в печь. Однако трубчатые печи обладают опозданием по передаче тепла от дымовых газов через стенку змеевика к проходящему по змеевику продукта. Кроме того, переходный процесс по каналу расход топлива  - температура продукта на выходе продолжается несколько часов. Поэтому при использовании одноконтурной АСР динамическая ошибка и время регулирования достигает больших значений.

Вместе с тем температура газов над перевальной стенкой достаточно быстро реагирует на изменение режима работы печи, обусловленное изменением количества топливного газа, подаваемого на сжигание.

Поэтому существенное улучшение качества регулирования температуры продукта на выходе из печи может быть достигнуто применением каскадной схемы регулирования (рис. 2), состоящий из регулятора температуры продукта на выходе из печи (корректирующий регулятор), что влияет на задание регулятора температуры газов над перевальной стенкой (стабилизирующий регулятор), который управляет подачей топлива в печь. Стабилизирующий регулятор начинает компенсировать возникающие возмущения, влияющие на процесс сгорания топлива прежде, чем они приведут к изменению температуры продукта.

При резком изменении перегрузки печи по расходу нагревается продукта и при наличии возмущения по расходу топлива используют также выше описанную схему каскадного регулирования, стабилизирующий регулятор которой влияет на регулятор соотношения расходов продукта и топлива. В этом случае регулятор соотношения управляет подачей топлива в печь (рис. 3).

При принудительной подачи первичного воздуха оптимальную его расход, при которой температура в топке принимает максимальное значение, поддерживают с помощью регулятора соотношения топливный газ - воздух, обеспечивает заданное значение коэффициента избытка воздуха, определяет интенсивность процесса сгорания.

Если при этом теплотворная способность топлива существенно меняется, то на регулятор соотношения направляют корректирующий сигнал от регулятора стабилизации содержания кислорода в топочных газах. Это обеспечивает полное сгорание топлива и высокое качество регулирования. Сильным возмущением режима работы трубчатых печей со стороны топливного газа является изменение его давления. Это изменение компенсируется введением в АСР температуры продукта на выходе из печи дополнительного регулятора давления (рис. 4), задание на который подают от регулятора температуры в топочном пространстве.

Такие системы обеспечивают качественное регулирование расхода топливного газа, поскольку расход газа в большей степени зависит от его давления.

При регулировании соотношения топливный газ - воздух необходимо обеспечить меры безопасности, так как при недостатке воздуха в топке может образоваться взрывоопасная смесь. В связи с этим следует предусмотреть ограничение расхода топлива так, чтобы этот расход никогда не превышал максимально допустимого значения, соответствующего текущему значению расхода воздуха. При уменьшении расхода воздуха относительно определенного значения нужно обязательно автоматически уменьшать подачу топлива в топку. Решение данной задачи может быть найдено из зависимости температуры в топке от соотношения топливный газ - воздух, которое носит экстремальный характер. На рис. 5 экстремальный регулятор отыскивает максимальные значения температуры дымовых газов над перевальной стенкой, воздействуя на регулятор соотношения топливный газ - воздух, управляющей подачей первичного воздуха.

4. Методика решения задачи и текущие результаты

Выполнив анализ особенностей каскадных схем регулирования (рис.2-5), автором предложена трехконтурная каскадная схема автоматического регулирования. Схема данной системы представлена в виде схемы моделирования (рис. 6). Комбинированная САУ температуры нефтяной эмульсии состоит из трех контуров. Первый внутренний контур - это контур стабилизации соотношения расходов топливный газ - воздух. Он регулирует расход топливного газа F_tg в определенном соотношении с расходом воздуха F_ipov (так называемый регулятор соотношения потоков), так что ограничение на расход топливного газа определяет температура над перевальной стенкой T₁ : F_tg=γ(T₁)· F_ipov . Второй внутренний контур стабилизирует температуру над перевальной стенкой T₁ путем изменения расхода топливного газа F_tg и меняет задание регулятору соотношения в зависимости от температуры над перевальной стенкой T₁. Внешний контур - это контур стабилизации температуры на выходе трубчатой печи T путем изменения температуры над перевальной стенкой T₁.

Как правило, передаточные функции по каналу расход топливного газа – температура над перевальной стенкой, а также по каналу температура над перевальной стенкой – температура на выходе печи являются однотипными и могут быть описаны инерционными динамическими звеньями первого порядка с запаздыванием:

По технологии требования к показателям САР температуры на выходе печи следующие:

1. апериодический характер переходного процесса с допустимым перерегулированием 0..15%;
2. время установления (регулирования) не более 3e4 c;
3. температура должна быть в диапазоне от 5 °С до 90 °С.

Содержание блока Subsystem of control F_pp, выполняющего функции регулятора соотношения представлено на рис.7.

В качестве метода настройки параметров регуляторов выбран метод автоматической настройки блока PID - control пакета моделирования Matlab. Результаты автоматической настройки обеспечили заданные требования качества переходного процесса температуры нефтяной эмульсии (рис.8): апериодический характер переходного процесса с перерегулированием 7%; время регулирования t_p = 2.5е4 с; диапазон изменения температуры удовлетворяет технологической карте процесса нагрева нефтяной эмульсии: от 5°C и не более 90 °С.

5. Разработка программного обеспечения САУ

Разработка программного обеспечения управления трубчатой печи довольно сложная задача, поэтому ограничимся реализацией алгоритма главной программы управления трубчатой печи.

При запуске САУ необходимо провести начальную инициализацию: запустить программу управления на ПК оператора, обнулить все переменные программы, проверить работоспособность всех датчиков системы, самой системы в целом. Связь компьютера с контроллером обеспечивается протоколом Profibus. С его помощью можно будет осуществлять контроль и управление процессом. Далее осуществляется запуск программы на компьютере и введение уставок определений температуры и расхода для начала работы системы. Дальнейшая работа программы осуществляется циклически. Проводится опрос всех датчиков, обработка полученных значений от них, вывод информации на монитор.

Далее программа будет сравнивать данные полученные от датчиков с вставками, которые были введены ранее, и если какой-то параметр вышел за пределы допустимого диапазона, то контроллер подает управляющее воздействие на соответствующий исполнительный механизм.

После отработки управляющего воздействия через некоторый период времени, необходимый для отработки, проверяется его эффективность - достигли параметры заданных значений. Если параметры достигли требуемых значений, программа возвращается в начало цикла.

Все вышеизложенное можно представить в виде блок-схемы:

Выводы

1. Проведен анализ существующих каскадных схем автоматического регулирования температуры нефтяной эмульсии на выходе трубчатой печи.
2. Предложена трехконтурная система автоматического регулирования температуры нефтяной эмульсии. Внутренний контур  - контур расхода топливного газа F_tg. Ограничение на расход топливного газа определяет регулятор температуры над перевальной стенкой T₁: . Внешний контур - это контур стабилизации температуры на выходе трубчатой печи T.
3. Доказана работоспособность разработанной САУ трубчатой печи методами математического моделирования в среде Matlab - Simulink. Анализ динамики САУ трубчатой печи показал, что система соответствует предъявляемым к ней требованиям и улучшает качество регулирования с учетом ограничений на производительность печи.
4. Приведены наработки программного обеспечения САУ и блок - схема алгоритма главной программы.
5. В дальнейшем планируется проверка схемы на предмет учета возможных аварийных ситуаций по образованию взрывоопасных смесей из-за недостатка воздуха в топке, будет проведен расчет экономической возможности введения данной системы в эксплуатацию и разработано программное обеспечение САУ.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2015 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Е. Г. Дудникова Автоматическое управление в химической промышленности: учебник для вузов. – М: Химия, 1987.
2. В. А. Голубятников, В. В. Шувалов Автоматизация технологических процессов в химической промышленности. – М: Химия, 1985.
3. Р. Я. Исакович, В. И. Логинов, В. Е Попадько Aвтоматизация производственных процессов нефтяной и газовой промышленности. – М: Недра, 1983.
4. Н. В. Жукова, Р. В. Федюн, Н.Н Чернышев Методические указания к выполнению бакалаврской работы (часть II) для студентов, обучающихся по непосредственной подготовкой 6.050201 Системная инженерия. – Донецк: ДонНТУ, 2013.
5. Н. В. Кузьменко Учебное пособие для студентов заочной формы обучения по дисциплине Автоматизация технологических процессов и производств. – Ангарск, АГТА, 2005.
6. А. А. Коршах, А. М. Шаммазов Основы нефтегазового дела. – Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2002.
7. В. Я. Чаронов Автоматизация работы основного оборудования и проблемы энергосбережения на объектах нефтегазодобычи. – Альтемьевск: Татнефть, 1998.
8. Н. В. Кузьменко Автоматизация технологических процессов и производств: Учеб. Пособие. – Ангарск 2005, АГТА. – 78 с.
9. Периодическое издание Нефть, газ и нефтехимия зав рубежом. – №3, 1987. – 103-104 с., №7, 1987. – 86-92 с.
10. Периодическое издание Нефть, газ и нефтехимия зав рубежом. – №2, 1986. – 114-116 с.
11. А. А. Кузнецов, С. М. Кагерманов, Е. Н. Судаков Расчеты процессов и аппаратов нефтеперебатывающих промышленности. – М: Химия, 1974.
12. Н. Р. Ентус Трубчатые печи. – М: Химия, 1977.
13. В. В. Солодовников, А. В. Плотников Основы теории и элементы САР. – М: Машиностроение, 1985.
14. А. С. Клюев Автоматическое регулирование. – М.: Энергия, 1973. – 392 с.
15. Ю. И. Топчеев Учебное пособие для вузов. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования. – М.: Машиностроение, 1989. – 752 с.
16. SIMATIC S7-300: Каталог оборудованний. – SIEMENS, 2010г. – 190 с.