ДонНТУ   Портал магистров

Кутепов Денис Владимирович

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра автоматики и телекоммуникации

Специальность: Системы управления и автоматизации

Тема магистерской работы: Спроектировать систему автоматического управления колонной синтеза аммиака в условиях ПАО Концерн Стирол

Научный руководитель: доцент, кандидат технических наук Суков Сергей Феликсович

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы и постановка задач
• 2. Разработка математической модели и моделирование системы управления
• 3. Техническая реализация системы управления
• Выводы
• Список источников

Введение

Современные химико-технологические процессы отличаются сложностью и большой скоростью протекания, а также чувствительностью к отклонению режимных параметров от нормальных. Отклонение параметров процесса от жестко заданных норм может привести не только к потере качества готовой продукции, порче сырья, вспомогательных веществ (например, катализаторов), но и к аварийной ситуации, включая пожары, взрывы, выбросы большого количества вредных веществ в окружающую среду. Одним из заданий, которые стоят перед каждым производством, является неуклонное повышение качества продукции, совершенствования технологии производства, а также повышения надежности и безопасности оборудования и средств управления.[1,3]

1. Актуальность темы и постановка задач

Аммиак относится к числу важных продуктов химической промышленности, ежегодное его мировое производство достигает 150 млн. тонн. В основном аммиак используется для производства азотных удобрений (нитрат и сульфат аммония), взрывчатых веществ и полимеров, азотной кислоты, соды и других продуктов химической промышленности.

Современный процесс получения аммиака основан на его синтезе из азота и водорода при температурах 380–450 ℃ и давлении 320 атм, с использованием железного катализатора. Он представляет собой сложное производство в рамках нескольких блоков, поэтому в данной работе будет рассматриваться только лишь одна из его важных частей – получение аммиака в реакторе (колоне синтеза).

Технологическая схема синтеза аммиака представлена на рис 1.1.

На рис. 1.1 введены следующие обозначения:

1. Колонна синтеза аммиака;
2. Водяной холодильник;
3. Теплообменник;
4. Воздушный холодильник;
5. Сепаратор;
6. Сборник холодильник;
7. Циркуляционный компрессор;
8. Конденсационная колонна;
9. Испаритель.

Колонны синтеза аммиака являются основными и наиболее сложными аппаратами установок синтеза. От правильного выбора конструкции, определения размеров и выбора режима эксплуатации колонны зависит ее производительность, стабильность работы и длительность эксплуатации.[5]

На рис. 1.2 введены следующие обозначения: 1 – люк для выгрузки катализатора; 2 – центральная труба; 3 – корпус катализаторной коробки; 4 – термопарный чехол; 5 – загрузочный люк; 6 – теплообменник; 7, 9, 11, 13 – ввод байпасного газа; 8, 10, 12, 14 – катализаторные слои; 15 – корпус колонны; РК1,…, РК4 – регулирующие клапаны; ВК – впускной клапан.

В катализаторной зоне азотоводородная смесь последовательно проходит четыре слоя катализатора, на которых происходит образование аммиака. Реакция синтеза аммиака сопровождается уменьшением объему газовой смеси и протекает с выделением большого количества теплоты, максимально допустимая температура по слоям катализатора должны быть в пределах 390–525 ℃. После четвертого слоя катализатора газовая смесь при температуре 500-515℃ поднимается по центральной трубе 2, проходит по трубкам теплообменника 6, охлаждаясь при этом до 325–335 ℃, и выходит из колонны. Температура после четвертого слоя катализатора не должна превышать 535 ℃.

Процесс синтеза аммиака представляет собой многосвязный объект управления при наличии возмущений.[4]

На рис. 1.3 приняты следующие обозначения: F_ABC, Q_вх, T_вх – расход, концентрация аммиака и температура входной азотоводородной смеси соответственно; F_u1 – F_u4 – расход холодного байпасного газа; T_y1 – T_y4 – температура в слоях катализатора.

Поскольку химические реакции в слоях катализатора протекают длительное время, то объект управления можно отнести к классу объектов с транспортным запаздыванием. Следовательно, при проектировании системы управления необходимо учитывать эту особенность и применить соответствующие методики синтеза регуляторов.

Существующие системы управления обладают неудовлетворительным качеством регулирования температуры в слоях катализатора, которое снижает производительность колонны синтеза аммиака из-за отсутствия компенсации внешнего возмущения по концентрации аммиака.

Таким образом сформулируем цель работы – увеличение выхода целевого продукта за счет модернизации системы автоматического управления колонной синтеза аммиака, которая позволит стабилизировать температуру в каждом слое катализатора четырехполочного реактора при неравномерной нагрузке.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать особенности технологического процесса синтеза аммиака в колоннах.
2. Разработать функциональную системы автоматического управления процессом синтеза аммиака в колонне. Произвести выбор технических средств.
3. Получить математическую модель основных элементов системы автоматического управления синтеза аммиака. Рассчитать параметры регулирующих устройств и провести имитационное моделирование.

2. Разработка математической модели и моделирование системы управления

Поскольку процесс синтеза NH₃, как и большинство процессов химического производства, является процессом, который протекает длительное время и характеризуется плавно нарастающей кривой разгона с насыщением, то можно описать его в виде системы апериодических звеньев первого порядка с опозданием.

Передаточная функция по каналу управления имеет вид:[6,7]

Передаточная функция по каналу возмущения может быть представлена следующим образом:

где i = 1..4 – номер слоя катализатора на котором измеряется температура на выходе.

Разрабатываемая система управления колонной синтеза аммиака представляет собой совокупность независимых контуров управления для каждого слоя катализатора.

На основе анализа кривой разгона системы, можно сделать вывод о том, что разрабатываемая система относится к классу систем с транспортным запаздыванием. Известно, что для таких систем хороших показателей по управлению удается достичь при использовании специальных структур ПИД-регуляторов, содержащих так называемые блоки предсказания, которые еще называют предикторами Смита. Таким образом, принято решение использовать модификацию ППИ-регулятора (предиктивного ПИ-регулятора), включающую в себя И-регулятор и предиктор Смита (рис. 2.2).

На основе структурной схемы и выражений (2.1-2.2) разработанная схема моделирования (рис.2.3).

При моделировании принято, что входным (задающим) воздействием является температура, которую необходимо поддерживать для протекания реакции и которая является оптимальной для максимального выхода аммиака, −430 ℃. Результаты моделирования приведены на рис. 2.4.

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод о том, что регулятор позволяет компенсировать возмущение и при этом показатели качества переходного процесса не выходят за допустимые пределы.

3. Техническая реализация системы управления

Технические средства САУ колонной синтеза аммиака должны располагаются в помещении операторной и эксплуатируются в следующих условиях:

• минимальная температура окружающего воздуха – плюс 5 ℃;

• максимальная температура окружающего воздуха – плюс 40 ℃;

• относительная влажность от 40 до 80 %;

• атмосферное давление 32 кПа.

Допустимая температура по слоям катализатора:

• температура на первом слое катализатора – 420–430 ℃;

• температура на втором слое катализатора – 460–465 ℃;

• температура на третьем слое катализатора – 480–490 ℃;

• температура на четвертом слое катализатора – 500–530 ℃;

Концентрация аммиака во входной АВС – не меньше 3 % (об.) (это заданный неуправляемый параметр, который можно считать постоянным и неизменным во времени). Концентрация аммиака на выходе из колонны должна быть не менее 12 %.

Для реализации управляющего устройства целесообразно использовать промышленные контроллеры. Функции, которые должны выполняться контролером и средствами автоматического управления процессом производства аммиака:

1. Сбор и первичная обработка информации.
2. Регулирование температуры в слоях катализатора;
3. Сигнализация состояния параметров.
4. Выполнение процедур автоматического обмена информацией между средствами автоматизации.

На основании перечисленных требований к составу системы автоматизации колонной синтеза аммиака составлена функциональная схема, состава комплекса технических средств, приведенная на рис. 3.1.

На рис. 3.1 принятые обозначения: ДТ1,…, ДТ5 – датчики температуры; ДР1,…,ДР4 - датчики расхода газовой смеси; ДК1, ДК2 – датчики концентрации аммиака; ИМ1,…, ИМ4 – исполнительные механизмы; АРМ – автоматизированное рабочее место.

На основании ГОСТ 21.404-85 составлена функциональная схема системы автоматического управления колонной синтеза аммиака рис. 3.2.

В колонне синтеза на каждой полке катализатора расположенные датчики температуры (1-1, 2-1, 3-1, 4-1). На каждом трубопроводе, подающем холодный байпасный газ в колонну синтеза, расположен датчик расходасмеси (1-3, 2-3, 3-3, 4-3). На трубопроводе, подающем свежую азотоводородную смесь (АВС), расположен датчик концентрации аммиака (5). На трубопроводе газа, выходящего из колонны синтеза, расположены датчик температуры выходящей из колонны смеси (6) и датчик концентрации аммиака (7). Сигналы с датчиков температуры, расхода смеси и датчиков концентрации поступают на аналоговые входы программируемого логического контролера (ПЛК). Отклонение параметров от нормы сигнализируется на экране компьютера оператора КИПиА.

С цифровых выходов ПЛК подаются сигналы на электромеханические преобразователи (1-2, 2-2, 3-2, 4-2), которые расположены на каждом исполнительном механизме (заслонке) трубопровода подачи холодного байпасного газа.

Произведем выбор комплекса технических средств:

1. Датчики температуры.

   В качестве датчиков температуры массовых потоков в колонне применим датчик компании ОВЕН ДТПL015-0110.250 – термопара хромель-копель, материал защитной арматуры – сталь 12Х18Н10Т с диапазоном измерения температуры от -200 до +600 ℃, с изолированным рабочим спаем, диаметром термоэлектрода 0,7 мм, с металлической коммутационной головкой, длиной монтажной части 250 мм, в корпусе 015.

   

   Рисунок 3.3 – Конструктивное исполнение термопары 015.

   Поскольку нужно обеспечить выходной сигнал от датчиков температуры в унифицированной форме (сигнала постоянного тока 4…20 мА) применим преобразователь ОВЕН НПТ-2.14.1.2 с диапазоном преобразования 0…+600 ℃ и типом номинальной статической характеристики ТПL(ХK) хромель-капель.

2. Датчики расхода.

   В качестве датчиков расхода массовых расходов в колонне применим расходомер Метран-150RFA (метод измерения расхода – перепад давления с использованием осредняющей напорной трубки Annubar 485). Выходной сигнал 4-20 мА соответствует текущему значению перепада давления или значению пропорциональному расходу (корень квадратный из перепада давления).

   

   Рисунок 3.4 – Схема внешних электрических соединений и габаритные размеры расходомера Метран-150RFA.

3. Датчики концентрации.

   Выберем стационарный газоаналитический датчик OLCT 100 XP HT – высокотемпературное устройство во взрывозащищённом исполнении, предназначенное для контроля взрывоопасных газов (в том числе аммиака) температурой не более 300 ℃.

   

   Рисунок 3.5 – Внешний вид датчика OLCT 100 XP HT.

4. Исполнительные механизмы.

   В качестве исполнительных механизмов, управляющих расходом газа в полки катализатора применим однооборотные электрические фланцевые (МЭОФ) исполнительные механизмы, обеспечивающие передачу крутящего момента на рабочий орган арматуры неполноповоротного принципа действия.

   При этом изготовлению и поставке подлежит МЭОФ-100/10-0,25У-Б – механизм электроисполнительный однооборотный фланцевый с номинальным значением момента на выходном валу 100 Нм, с номинальным значением времени полного хода 10 с, номинальным значением полного хода 0,25 об., с токовым блоком сигнализации положения выходного органа, с токовым датчиком и встроенным блоком питания.

   

   Рисунок 3.6 – Внешний вид МЭОФ.

5. Промышленный контроллер.

   Применим промышленный контроллер ОВЕН ПЛК110-220.30.Р-М.

   

   Рисунок 3.7 – Внешний вид контроллера ОВЕН ПЛК110-220.30.Р-М.

   Контроллер ПЛК110 предназначен для создания систем автоматизированного управления технологическими процессами в различных областях промышленности.

   Возможный вариант структуры соединений контроллера при его работе в автоматической системе управления технологическими процессами показан на рисунке 3.8.

   

   Рисунок 3.8 – Пример структуры соединений при использования ПЛК в системе управления.

   Поскольку необходимо подключение к контроллеру 11-ти аналоговых датчиков необходимо выбрать аналоговый модуль ввода. В качестве такового применим 2 модуля скоростного ввода (8-ми канальный) аналоговых сигналов ОВЕН МВ110-220.8АС, с напряжением питания 220 В переменного тока частотой от 47 до 63 Гц.

6. Человеко-машинный интерфейс.

   Для организации человеко-машинного интерфейса применим панель оператора с сенсорным экраном ОВЕН СП107. Она позволяет отображать на экране ход выполнения технологического процесса и редактировать значения параметров, отвечающих за функционирование системы. Обладает развитыми интерфейсами связи.

   

   Рисунок 3.9 – Внешний вид и схема внешних электрических соединений панели ОВЕН СП107.

   Выводы

   Технологический процесс производства аммиака в колоннах проанализирован с точки зрения объекта управления, выявлены входные, выходные и возмущающие параметры.

   На основе анализа существующих структур систем управления и контроля родственными объектами, выбрана многоуровневая децентрализованная структура построения системы управления колонной синтеза аммиака, позволяющая обеспечить эффективность работы, снизить относительную стоимость системы управления, повысить ее надежность и ремонтопригодность.

   Разработанная модель системы управления процессом синтеза аммиака на примере первой полки катализатора четырехполочной колонны синтеза аммиака. Полученные в результате моделирования переходные процессы подтверждают соответствие расчетных и экспериментальных данных и, следовательно, адекватность модели.

   Произведен выбор технических средств САУ колонной синтеза аммиака обусловлен перспективой развития выбранных технических средств, возможностью связи с существующей вычислительной техникой, обеспечением необходимых метрологических требований.

   Список источников

   1. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы. Под ред. Б. Д. Кошарского. – Л.: Машинобудування, 1976 – 488 С.
   2. Бесекерский В. А. Теория систем автоматического регулирования / В. А. Бесекерский, Е. П. Попов – К.: Наука, 1975. – 766 С.
   3. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления: Пер. с англ. Б. И. Копылова. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2004. – 832 С.
   4. Клюев А. С. Проектирование систем автоматизации технологических процессов / А. С. Клюев, Б. В. Глазов, А. Х. Дубровский. – М.: Энергия, 1980. – 345 С.
   5. Сердюк Ю. А. Сетевые технологии как составная часть интегрированных систем управления промышленных предприятий / Ю. А. Сердюк, А. В. Ловейкин // Промышленные измерения, контроль, автоматизация, диагностика. – 2003. – №3-4. – С. 10–13.
   6. Теоретические основы и технология синтеза аммиака. – под редакцией А. М. Николаева – Киев: Вища школа, 1969 – 256 С.
   7. Филлипс Ч. Системы управления с обратной связью / Ч. Филлипс, Р. Харбор. – М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. – 616 С.
   8. Штейнберг Ш. Е. Адаптация стандартных регуляторов к условиям эксплуатации в промышленных системах регулирования / Ш. Е. Штейнберг, И. Е. Залуцкий // Промышленные АСУ и контроллеры. – 2003. – №4. – С. 11–14.