Система управления давлением в выпарном аппарате кальциевой селитры

В. В. Цуканов, Р. В. Федюн, О. С. Волуева Система управления давлением в выпарном аппарате кальциевой селитры

Современная химическая промышленность характеризуется весьма большим числом разнообразных производств, различающихся условиями протекания технологических процессов и многообразием физико-химических свойств выпускаемой продукции. К числу наиболее распространенных процессов относится выпаривание. Это объясняется тем, что достаточно большое количество веществ, например, едкий натр, едкий калий, аммиачная и кальциевая селитра в процессе их производства получают в виде разбавленных водных растворов, а дальнейшая их переработка осуществляется в концентрированном виде [1].

Выпаривание – это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ за счет частичного испарения растворителя при кипении жидкости. Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах [1].

Рассматриваемый в данной работе процесс выпаривания кальциевой селитры характеризуется невысоким коэффициентом полезного действия, достаточно высокими удельными затратами энергии и связностью основных параметров выпарного аппарата между собой. Решение задачи повышения эффективности процесса выпаривания кальциевой селитры невозможно без использования сложных многоуровневых систем автоматизации с применением современного комплекса технических средств.

На основании выполненного анализа объекта управления – выпарного аппарата кальциевой селитры и схемы предложенной концепции САУ [2,3]получена структурная схема САУ давлением в выпарном аппарате, которая представлена на рис.1.

Элементы структурной схемы (рис.1), которые изображены сплошными линиями, представляют собой исходную одноконтурную САУ по данной управляемой переменной –давлению в выпарном аппарате Рва (рис.1). В состав исходной одноконтурной САУ входят следующие элементы: регулятор давления в выпарном аппарате Wрд(s), исполнительный механизм Wим(s), регулирующий орган WРО(s), датчик давления Wдд(s) и выпарной аппарат по каналу управления давлением Wвад(s) (рис.1).

Пунктирными линиями изображены элементы, добавление которых в исходную схему, позволяет получить двухконтурную каскадную схему САУ или комбинированную САУ.

Двухконтурная каскадная САУ получается добавлением в исходную схему следующих элементов, образующих внутренний контур управления соответствующим расходом: регулятора расхода вторичного пара WРР(s) и датчика расхода вторичного пара WДР(s) (рис.1).

Комбинированная САУ получается добавлением в исходную схему следующих элементов, образующих компенсационный канал по соответствующему возмущению: компенсатора расхода исходного раствора Wк4(s) и датчика расхода исходного раствора Wдри(s) (рис.1).

В результате составлены структурные схемы моделирования системы автоматического управления давлением в выпарном аппарате в пакете Simulink (рис. 2, рис.3, рис.4).

На рисунке 5 приведена схема моделирования САУ концентрацией упаренного раствора кальциевой селитры в пакете simulink, позволяющая выполнять одновременное моделирование в исходной одноконтурной САУ и предлагаемых вариантах её улучшения –двухконтурной САУ и комбинированной САУ.

В качестве блока «Одноконтурная система управления» используется модель САУ, приведенная на рис.2. В качестве блока «Двухконтурная система управления» используется модель САУ, приведенная на рис.3. В качестве блока «Комбинированная система управления» используется модель САУ, приведенная на рис.4.

Выполнено исследование качества переходных процессов в системе управления давлением в выпарном аппарате при следующих условиях:

- заданное значение давления в выпарном аппарате – 380 кПа;

- расход вторичного пара – 7 кг/с;

- расход исходного раствора изменяется согласно рис.6

В результате получены графики, представленные на рис. 7.

Анализ графика переходного процесса (рис. 7) позволил определить показатели качества при использовании различных структур САУ:

- время переходного процесса при увеличении расхода исходного раствора на 12 кг/с составляет: 94 с – для одноконтурной САУ (кривая 1), 65 с – для двухконтурной САУ (кривая 2), 37 с – для комбинированной САУ (кривая 3);

- величина отклонения давления в выпарном аппарате от установившегося значения при увеличении расхода исходного раствора на 12 кг/с составляет: 172 кПа – для одноконтурной САУ (кривая 1), 163 кПа – для двухконтурной САУ (кривая 2), 74 кПа – для комбинированной САУ (кривая 3);

- величина статической ошибки равна нулю для всех структур САУ.

Как следует из анализа результатов моделирования, только лишь использование комбинированной структуры САУ (кривая 3 на рис.7) позволяет получить показатели качества переходного процесса, которые удовлетворяют требования технологического регламента для данной управляемой переменной – давлению в выпарном аппарате кальциевой селитры

1 – одноконтурная САУ; 2 – двухконтурная САУ; 3 – комбинированная САУ

В данной статье предложена структурная схема системы автоматического управления по одной из основных управляемых переменных процесса выпаривания – давлению в выпарном аппарате. Исходя из предложенных вариантов концепции построения САУ выпарным аппаратом, получены математические модели САУ выпарным аппаратом и структурные схемы их реализации в пакете simulink. Выполнена настройка типовых регуляторов внешнего и внутреннего контуров двухконтурной реализации САУ с использованием пакета simulink и предложенной методики расчета коэффициентов регуляторов, а также рассчитаны компенсаторы возмущений для комбинированной реализации САУ. Анализ результатов выполненного моделирования подтверждает соответствие нормам технологического регламента только реализации САУ на основе принципа комбинированного управления с компенсационным каналом по основномувозмущению – расходу исходного раствора, подаваемого в выпарной аппарат.

Список источников

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии Учебник для вузов - 10-е изд., стереотипное, доработанное. – М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. – 753 с.
2. Цуканов В.В., Волуева О.С., Федюн Р.В. Концепция построения САУ выпарным аппаратом с вынесенной греющей камерой // Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых : сборник научных трудов ХХI международной научнотехнической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 24-26 мая 2021 г. - Донецк : ДОННТУ, 2021. – с. 291 – 294.
3. Цуканов В.В., Волуева О.С., Федюн Р.В. Автоматическое управление выпарным аппаратом с вынесенной греющей камерой. // Сборник материалов научно-технической конференции «Донбасс будущего глазами молодых ученых», г. Донецк, 23 ноября 2021 г. –Донецк: ДОННТУ, 2021 – С.177 – с.183.