Концепция построения САУ выпарным аппаратом с вынесенной греющей камерой

В. В. Цуканов, О. С. Волуева, Р. В. Федюн Концепция построения САУ выпарным аппаратом с вынесенной греющей камерой

Выпариванием называется процесс увеличения концентрации растворов нелетучих или слаболетучих веществ в жидких летучих растворителях за счет удаления паров растворителя в процессе кипения. Процесс выпаривания используются для увеличения концентрации растворов высококипящих веществ (растворы солей, щелочей, многоатомных спиртов, некоторых минеральных и органических кислот и т.п.). Например, при получении каустической соды, раствор NаОН упаривается для получения концентрации 50–60 %, а в сахарном производстве сахарный раствор – до 65%. Раствор, поступающий на выпаривание, называется исходным раствором, а удаляемый концентрированный раствор – упаренным (рис.1) [1,2].

1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – циркуляционная труба

В первоначальный момент выпарной аппарат заполнен холодным раствором (рис.1). Подача пара в греющую камеру 1 приводит к нагреванию раствора, находящегося в трубках. При увеличении температуры, плотность раствора уменьшается и возникает разность плотностей у раствора, находящегося в трубках греющей камеры и раствора, находящегося в циркуляционной трубе. Под действием этой разности плотностей раствор начинает двигаться по контуру: греющая камера 1> сепаратор 2> циркуляционная труба 3. При движении увеличивается коэффициент теплоотдачи со стороны раствора, соответственно, увеличивается его температура, что приводит к дальнейшему возрастанию скорости потока, и так до начала кипения раствора После вскипания раствора, скорость циркуляции существенно возрастает, так как в трубках греющей камеры образуется паро-растворная эмульсия, плотность которой значительно меньше плотности раствора Однако при увеличении скорости циркуляции возрастают гидравлические сопротивления, и в итоге при определенной скорости движения наступает динамическое равновесие и стабилизация скорости циркуляции. Отделение пара от брызг раствора происходит в сепараторе 2 выпарного аппарата. Очищенный вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора, а выпаренный раствор удаляется через штуцер в нижней части аппарата.

Выполненный анализ особенностей выпарного аппарата с вынесенной греющей камерой [1] позволил осуществить процесс его формализации, в результате которого получена схема материальных потоков (рис.2) и информационных переменных (рис.3) выпарного аппарата.

Основными управляемыми переменными выпарного аппарата с вынесенной греющей камерой, являются концентрация упаренного раствора на выходе выпарного аппарата Сур и уровень упаренного раствора в сепараторе hур (рис.3).

Необходимое изменение (поддержание) управляемых переменных выпарного аппарата осуществляется за счет использования управляющих воздействий: расхода греющего пара Gгп и расхода упаренного раствора Gур (рис.3).

На рассматриваемый объект управления – выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой оказывают влияние возмущающие воздействия: расход исходного раствора Gир, расход вторичного пара Gвп, концентрация исходного раствора на входе в выпарной аппарат.

Улучшить качество управления параметрами выпарного аппарата до требуемого уровня можно за счет применения многоконтурного управления концентрацией упаренного раствора (с использованием внутреннего контура управления расходом греющего пара), многоконтурного управления уровнем упаренного раствора (с использованием внутреннего контура управления расходом упаренного раствора).

В каскадных многоконтурных системах (рис.4) при управлении основной управляемой переменной в объекте с большой инерционностью (и наличием запаздывания) достаточно часто используются вспомогательные переменные, реакция которых на изменение основных возмущений объекта и управляющего воздействия имеет меньшую инерционность [3]. В таких случаях, стабилизация вспомогательных переменных позволяет получить более качественное управление основной управляемой переменной. Каскадная многоконтурная система состоит из нескольких контуров управления, каждый из которых управляет своей технологической переменной. Простейшим случаем каскадной многоконтурной системой автоматического управления является каскадная двухконтурная САУ (рис.4), котораясостоит из основного (главного, внешнего) контура управления и вспомогательного (внутреннего) контура управления, как бы вложенного в основной. При этом САУ содержит два регулятора – главный (внешний) регулятор Wr1(p), служащий для стабилизации основной технологической управляемой переменной объекта y(t), и вспомогательный (внутренний) регулятор Wr2(p), предназначенный для управления вспомогательной (дополнительной) технологической переменной y1(t). Поскольку выходное воздействие u1(t) внешнего регулятора Wr1(p) используется в качестве задания для внутреннего, то этот регулятор Wr1(p) еще называют корректирующим, а внутренний Wr2(p), выходной сигнал u2(t) которого, подают на исполнительное устройство – стабилизирующим (рис.4).

Таким образом, с учетом проведенного выше анализа, предложена схема концепции построения САУ выпарного аппарата с вынесенной греющей камерой, которая приведена на рисунке 5.

САУ концентрацией упаренного раствора реализуется по двухконтурной каскадной схеме: внутренний контур управления расходом греющего пара Gгп, внешний контур управления концентрацией упаренного раствора Сур (рис.5).

Датчик концентрации упаренного раствора на выходе выпарного аппарата Дк осуществляет непрерывный контроль концентрации упаренного раствора Сур и передает информацию о ней в регулятор концентрации Рк, который сравнивает ее с заданным значением концентрации упаренного раствора Сурз, рассчитывает и формирует управляющее воздействие, которое является задающим для внутреннего контура управления расходом греющего пара (рис.5). Внутренний контур управления расходом греющего пара Gгп состоит из датчика расхода греющего пара Др, регулятора расхода греющего пара РРГ и регулирующего органа с исполнительным механизмом – регулирующего клапана греющего пара РКГ с электроприводом. Как было указано выше, внутренний контур управления расходом греющего пара, реализуемый по принципу обратной связи, необходим для получения более качественного управления основной управляемой переменной –концентрацией упаренного раствора Общий алгоритм управления в САУ концентрацией упаренного раствора на выходе выпарного аппарата состоит из двух алгоритмов, которые реализуются внешним регулятором концентрации упаренного раствора Рк и внутренним регулятором расхода греющего пара Ррг (рис.5).

САУ уровнем упаренного раствора в сепараторе также реализуется по двухконтурной каскадной схеме: внутренний контур управления расходом упаренного раствора Gур, внешний контур управления уровнем упаренного раствора в сепараторе hур (рис.5).

Датчик уровня упаренного раствора в сепараторе ДУ осуществляет непрерывный контроль уровня упаренного раствора hур и передает информацию о нем в регулятор уровня РУ внешнего контура, который сравнивает ее с заданным значением уровня hурз, рассчитывает и формирует управляющее воздействие, которое является задающим для внутреннего контура управления расходом упаренного раствора Gур (рис.5). Внутренний контур управления расходом упаренного раствора GУР состоит из датчика расхода ДР, регулятора расхода РРУ и регулирующего органа с исполнительным механизмом –регулирующего клапана упаренного раствора РКУ с электроприводом. Как было указано выше, внутренний контур управления расходом упаренного раствора, реализуемый по принципу обратной связи, необходим для получения более качественного управления основной управляемой переменной – уровнем упаренного раствора в сепараторе. Общий алгоритм управления в САУ уровнем упаренного раствора в сепараторе состоит из двух алгоритмов, которые реализуются внешним регулятором уровня упаренного раствора РУ и внутренним регулятором расхода упаренного раствора РРУ (рис.5).

Таким образом, в данной работе предложена и обоснована концепция системы автоматического управления процессом выпаривания раствора кальциевой селитры в выпарном аппарате с вынесенной греющей камерой. На основании выполненного анализа существующих принципов построения систем автоматического управления и их особенностей, было принято решение об использовании многоконтурной каскадной структуры при реализации САУ концентрацией упаренного раствора и САУ уровнем упаренного раствора, как наиболее подходящей для решения поставленной задачи автоматизации данного объекта.

Список источников

1. Савчук К.В., Федюн Р.В. Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой как объект автоматизации. Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых: сборник научных трудов ХIХ международной научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 21-23 мая 2019 г. - Донецк : ДОННТУ, 2019. – С. 276-278.
2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии Учебник для вузов - 10-е изд., стереотипное, доработанное. – М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. – 753 с.
3. Лукас В. А. Теория управления техническими системами. Учебный курс для вузов – Третье издание, переработанное и дополненное – Екатеринбург, Изд-во УГГГА, 2002. –675 с.