ДонНТУ   Портал магістрів

Маслєннікова Світлана Василівна

Факультет комп'ютерних інформаційних технологій та автоматики

Кафедра автоматики і телекомунікацій

Спеціальність Комп'ютеризовані системи управління і автоматика

Дослідження та розробка САУ температури трубчастої печі
типу ПТБ -10Е в умовах Лисичанського НПЗ

Науковий керівник к. т. н., доц. Жукова Наталія Вікторівна

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і завдання дослідження, плановані результати
• 3. Огляд досліджень і розробок
• 4. Методика рішення задачі і поточні результати
• 5. Розробка програмного забезпечення САУ
• Висновки
• Список джерел

Введення

Теплові процеси відіграють значну роль в хімічній технології. Хімічні реакції речовин, а також їх фізичні перетворення, як правило, супроводжуються тепловими явищами. Теплові ефекти часто складають основу технологічних процесів. У зв'язку з цим, питання автоматизації теплообмінників, трубчастих печей, випарних апаратів та інших об'єктів хімічної технології, пов'язаних з передачею тепла, відіграють істотну роль.

Основними апаратами вогневого дії НПЗ на установці ЕЛОУ - АВТ є трубчасті печі різних типів і конструкції. Найбільш поширені блокові печі, печі подвійні шатрового типу, печі з випромінюючими стінками і вертикально - факельного типу.

1. Актуальність теми

Для отримання товарної нафти необхідно здійснити стабілізацію нафти, тобто провести заходи щодо зниження здатності нафти до випаровування. Основним процесом стабілізації є зневоднення та знесолення. Основна маса солей видаляється разом з водою в процесі зневоднення, однак для запобігання корозії обладнання, освіти сольових відкладень та інших порушень в процесах переробки нафти необхідно її глибоке знесолення в нафта подається присна вода, в результаті чого утворюється нафтова емульсія, яка потім піддається руйнуванню. Процес руйнування нафтової емульсії найбільш ефективний у термохімічної зневодненні та знесолення, яке засноване на нагріванні емульсії і хімічному впливі на неї деемульгатора. При підвищенні температури оброблюваних емульсій знижується в'язкість рідин, складових емульсію і зменшується поверхневий натяг на межі розділу фаз, полегшує відділення води. Нагрівання нафтової емульсії часто здійснюється в трубчастої печі управління якої є актуальним завданням.

Трубчата піч є складним багатовимірним і многосвязной об'єктом автоматизації. Метою регулювання трубчастої печі є підтримання температури продукту на виході при наявності великої кількості збурюючих впливів, багато з яких не контрольовані. Крім того трубчаста піч є інерційним об'єктом з запізненням по основних каналах регулювання . Тому завдання вибору інформаційного параметра з управління, швидко реагує на зміну режиму роботи печі, і розробка системи автоматичного регулювання, яка б компенсувала основні обурення, є актуальною. Дослідження способів побудови САУ температурою на виході трубчастої печі проводиться на прикладі нагріву нафтової емульсії, яка протікає по змійовику трубчастої печі і нагрівається за рахунок тепла, що утворюється при спалюванні паливного газу і повітря. З великої кількості факторів, що впливають на температуру виходу нафтової емульсії можна виділити подачу паливного газу і нафтової емульсії. Подача нафтової емульсії, а так само її температура є основними джерелами збурень, а подача паливного газу та повітря - керуючими впливами. Температуру повітря і паливного газу можна вважати постійними.

Завдання управління включають в себе: стабілізацію подачі сировини F_мат з впливом, на привід живильного насоса; стабілізацію температури сировини на виході з температурного режиму в печі на перевалі T_вих шляхом зміни подачі палива F_г; регулювання процесу горіння з метою максимального виділення тепла шляхом регулювання подачі повітря F_в. Враховуючи велику інерціальність об'єкта управління доцільно  ввести попереджувальні параметр управління - температуру димових газів на вході T_вх.

На рис.1 представлена схема аналізу процесу нагріву в трубчастої печі як об'єкта управління, де  F_мат - матеріалу, F_г - витрата газу, F_в - витрата повітря, T_вих - температура на виході трубчастої печі, T_вх - температура на вході трубчастої печі.

2. Мета і завдання дослідження, плановані результати

Мета розробки - стабілізація температури шляхом підтримання температури 70 °С, зниження витрат паливного газу при експлуатації трубчастої печі для зменшення собівартості системи

Призначення розробки - основними функцій, виконуваних САУ, повинні бути функції:

1. Автоматичне регулювання температури нафтової емульсії і температури газу над перевальне стінкою;
2. Автоматичне регулювання витрат газу, повітря і нафтової емульсії;
3. Автоматичне регулювання співвідношення газу і повітря;
4. Забезпечення взаємодії з оперативним і обслуговуючим персоналом.

об'єкт дослідження : блочна трубчаста піч типу ПТБ-10Е.

3. Огляд досліджень і розробок

Продукт, що подається через змійовик трубчастої печі, нагрівається за рахунок тепла, що утворюється при спалюванні паливного газу. Збуреннями об'єкта є:

1. Витрата і температура вихідного продукту.
2. Теплотворна здатність палива.
3. Кількість і температура повітря, що подається для спалювання палива.
4. Втрати тепла в навколишнє середовище.

Ці обурення можна компенсувати за допомогою АСР температури продукту на виході з печі, керуючої подачею палива в піч. Однак трубчасті печі володіють  запізненням по передачі тепла від димових газів через стінку змійовика до проходить  по змійовику продукту. Крім того, перехідний процес по каналу витрата палива  - Температура продукту на виході продовжується кілька годин. Тому при  використанні одноконтурной АСР динамічна помилка і час регулювання досягає великих значень.

Разом з тим температура газів над перевальних стінкою досить швидко  реагує на зміну режиму роботи печі, обумовлене зміною кількості  паливного газу, що подається на спалювання.

Тому істотне поліпшення якості регулювання температури продукту  на виході з печі може бути досягнуто застосуванням каскадної схеми регулювання (Рис. 2), що складається з регулятора температури продукту на виході з печі (коригувальний регулятор),  що впливає на завдання регулятора температури газів над перевальних стінкою (стабілізуючий регулятор),  який управляє подачею палива в піч. Стабілізуючий регулятор починає компенсувати  виникають обурення, що впливають на процес згоряння палива перш, ніж вони призведуть до зміни температури продукту.

При різкій зміні перевантаження печі по витраті нагрівається продукту і при  наявності обурення по витраті палива використовують також вище описану схему  каскадного регулювання, стабілізуючий регулятор якої впливає на регулятор  співвідношення витрат продукту і палива. У цьому випадку регулятор співвідношення  управляє подачею палива в піч (Рис. 3).

При примусової подачі первинного повітря оптимальну його витрата, при якої температура в топці приймає максимальне значення, підтримують з допомогою регулятора співвідношення паливний газ - повітря, забезпечує заданий значення коефіцієнта надлишку повітря, визначає інтенсивність процесу згоряння.

Якщо при цьому теплотворна здатність палива істотно змінюється, то на регулятор співвідношення направляють коригувальний сигнал від регулятора стабілізації вмісту кисню в топкових газах. Це забезпечує повне згоряння палива і високу якість регулювання. Сильним обуренням режиму роботи трубчастих печей з боку паливного газу є зміна його тиску. Ця зміна компенсується введенням в АСР температури продукту на виході з печі додаткового регулятора тиску (Рис. 4), завдання на який подають від регулятора температури в топочном просторі.

Такі системи забезпечують якісне регулювання витрати паливного газу, оскільки витрата газу в більшій мірі залежить від його тиску.

При регулюванні співвідношення паливний газ - повітря необхідно забезпечити заходи безпеки, оскільки при нестачі повітря в топці може  утворитися вибухонебезпечна суміш. У зв'язку з цим слід передбачити обмеження  витрати палива так, щоб цей витрата ніколи не перевищував максимально допустимого значення,  відповідного поточного значення витрати повітря. При зменшенні витрати повітря відносно  певного значення потрібно обов'язково автоматично зменшувати подачу палива в топку.  Рішення даної задачі може бути знайдено із залежності температури в топці від співвідношення  паливний газ - повітря, яке носить екстремальний характер.  На рис. 5 екстремальний регулятор відшукує максимальні значення температури  димових газів над перевальних стінкою, впливаючи на регулятор  співвідношення паливний газ - повітря, керуючої подачею первинного повітря.

4. Методика рішення задачі і поточні результати

Виконавши аналіз особливостей каскадних схем регулювання (Рис.2-5), автором запропонована триконтурна каскадна схема автоматичного регулювання. Схема даної системи представлена у вигляді схеми моделювання (рис. 6).  Комбінована САУ температури нафтової емульсії складається з трьох контурів.  Перший внутрішній контур - це контур стабілізації співвідношення витрат  паливний газ - повітря. Він регулює витрата паливного газу F_tg  в певному співвідношенні з витратою повітря F_ipov  (Так званий регулятор співвідношення потоків), так що обмеження на  витрата паливного газу визначає температура над перевальних стінкою T₁:  F_tg=γ(T₁)· F_ipov  . Другий внутрішній контур стабілізує температуру над перевальних стінкою T₁  шляхом зміни витрати паливного газу F_tg і змінює завдання  регулятору співвідношення в залежності від температури над перевальних стінкою T₁.  Зовнішній контур - це контур стабілізації температури на виході трубчастої печі T  шляхом зміни температури над перевальних стінкою T₁.

Як правило, передавальні функції по каналу витрата паливного газу - температура над перевальних стінкою, а також по каналу температура над перевальних стінкою - температура на виході печі є однотипними і можуть бути описані інерційними динамічними ланками першого порядку з запізненням:

За технологією вимоги до показників САР температури на виході печі наступні:

1. апериодический характер перехідного процесу з допустимим перерегулюванням 0..15%;
2. час встановлення (регулювання) не більше 3e4 c;
3. температура повинна бути в діапазоні від 5 °С до 90 °С.

Зміст блоку Subsystem of control F_pp, що виконує функції регулятора співвідношення представлено (рис. 7).

В якості методу налаштування параметрів регуляторів вибрано метод автоматичної настройки  блоку PID - control пакету моделювання Matlab. Результати автоматичної настройки  забезпечили задані вимоги якості перехідного процесу температури нафтової емульсії  (Рис. 8): апериодический характер перехідного процесу з перерегулюванням 7%;  час регулювання t_p = 2.5е4 с; діапазон зміни температури задовольняє  технологічній карті процесу нагрівання нафтової емульсії: від 5 °C і не більше 90 °С.

5. Розробка програмного забезпечення САУ

Розробка програмного забезпечення управління трубчастої печі досить складне завдання, тому обмежимося реалізацією алгоритму головної програми управління трубчастої печі.

При запуску САУ необхідно провести початкову ініціалізацію: запустити програму управління  на ПК оператора, обнулити всі змінні програми, перевірити працездатність всіх датчиків системи,  самої системи в цілому. Зв'язок комп'ютера з контролером забезпечується протоколом Profibus.  З його допомогою можна буде здійснювати контроль і управління процесом. Далі здійснюється  запуск програми на комп'ютері і введення уставок визначень температури і витрати для початку  роботи системи. Подальша робота програми здійснюється циклічно. Проводиться опитування всіх датчиків,  обробка отриманих значень від них, виведення інформації на монітор.

Далі програма буде порівнювати дані отримані від датчиків з вставками, які були введені раніше,  і якщо якийсь параметр вийшов за межі допустимого діапазону, то контролер подає керуючий вплив  на відповідний виконавчий механізм.

Після відпрацювання керуючого впливу через деякий період часу, необхідний для відпрацювання,  перевіряється його ефективність - досягли параметри заданих значень. Якщо параметри досягли необхідних значень,  програма повертається в початок циклу.

Все вищевикладене можна представити у вигляді блок-схеми:

Висновки

1. Проведено аналіз існуючих каскадних схем автоматичного регулювання температури нафтової емульсії на виході трубчастої печі.
2. Запропоновано триконтурна система автоматичного регулювання температури нафтової емульсії. Внутрішній контур  - Контур витрати паливного газу F_tg. Обмеження на витрату паливного газу визначає регулятор температури  над перевальних стінкою T₁: Зовнішній контур - це контур стабілізації температури  на виході трубчастої печі T.
3. Доведено працездатність розробленої САУ трубчастої печі методами математичного  моделювання в середовищі Matlab - Simulink. Аналіз динаміки САУ трубчастої печі показав,  що система відповідає висунутим до неї вимогам і покращує якість регулювання  з урахуванням обмежень на продуктивність печі.
4. Наведено напрацювання програмного забезпечення САУ і блок - схема алгоритму головної програми.
5. Надалі планується перевірка схеми на предмет врахування можливих аварійних ситуацій по утворенню вибухонебезпечних сумішей через нестачу повітря в топці, буде проведено розрахунок економічної можливості введення даної системи в експлуатацію та розроблено програмне забезпечення САУ.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2015 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Список джерел

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.