Программно-логическое управление ректификационными колоннами

Аннотация

К.В. Абрамов, В.Н. Смирнов, Ю.Н. Софиева

Продуктовые ректификационные колонны характеризуются колебаниями параметров питания установки в широком диапазоне и высокими требованиями к качеству получаемого продукта. Отсутствие непрерывных анализаторов состава в контуре управления процессом, делает практически невозможным реализацию автономной системы регулирования состава верхнего продукта. Данная статья посвящена алгоритму программно-логического управления продуктовыми  ректификационными колоннами.
Ключевые слова: ChemCAD, ректификация, автоматизация, управление, автоматическая система управления.

Ключевые слова:

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)

Известно, что большинство продуктовых ректификационных колонн являются завершающими в технологическом процессе, поэтому на их долю выпадают возмущения от предыдущих стадий, как по расходу, так и по составу питания.
Системы оптимального управления ректификационными установками требуют наличие непрерывных анализаторов состава в контуре управления процесса и использование автономных систем регулирования составов верхнего и нижнего продуктов. Отсутствие непрерывных анализаторов состава и сложность настройки автономной системы регулирования для промышленных объектов приводит к тому, что решение такой задачи практически невозможно.
Данная статья посвящена построению алгоритма программно-логического управления колоннами при изменении параметров питания установки в широком диапазоне.
Анализ различных систем управления ректификационными установками показал, что они решают три основные задачи [1]:

1. Стабилизация состава дистиллята (Табл. 1);
2. Стабилизация производительности по дистилляту;
3. Стабилизация  тепловой нагрузки на кипятильник (Табл. 2).

Ниже приводятся результаты моделирования указанных режимов для смеси «метанол-вода» в пределах ± 10 % от проектных значений расхода питания и концентрации легколетучего компонента (Табл. 1, 2).

Таблица 1. Параметры ректификационной колонны при постоянном составе дистиллята и возмущениях по питанию

В первой задаче (Табл.1), при возмущениях по расходу (Ff) производительность по дистилляту (Fд), расход кубовой жидкости (Fк) и тепловая нагрузка кипятильника (Q) изменяются пропорционально изменению расхода питания, а флегмовое число (Rфл) остаётся постоянным. При колебаниях состава питания  в пределах 10 % от номинального, тепловая нагрузка на кипятильник изменяется в пределах 1 %, а расход флегмы –  3 %. Следовательно, в этом случае, в систему автоматизации можно включить автоматическую стабилизацию этих потоков.  
Во второй и третьей задачах необходимо программное управление процессами, так как при стабилизации производительности по дистилляту состав дистиллята за счёт изменения состава питания на ± 10 % изменяется в пределах 9 % от проектного, что противоречит требованиям к системе управления и является недопустимым, а в случае стабилизации тепловой нагрузки кипятильника и состава дистиллята, колебания расхода и состава питания вызывают значительные изменения всех режимных параметров системы, за исключением расхода флегмы (Табл. 2).

Таблица 2. Параметры работы ректификационной колонны при постоянной тепловой нагрузке, составе дистиллята и различных возмущениях по питанию

При отсутствии возмущений по питанию, регулирование соотношения между расходом греющего пара и расходом питания обеспечивает минимизацию энергозатрат на разделение смеси в статическом режиме. В динамическом режиме подобная коррекция должна учитывать запаздывание в ректификационной колонне путём введения соответствующего динамического компенсатора.
Анализ условий работы промышленных колонн на примере этан-этиленовой колонны показал, что в  реальных условиях колонна работает с переменной нагрузкой по расходу и составу питания в пределах 8-20 % от проектного режима (Рис. 1, 2).

«Рис. 1. Изменение расхода питания смеси «этан-этилен» в течение суток»

«Рис. 2. Изменение концентрации этилена в течение суток»
Для построения алгоритма программно-логического управления в работе рассмотрена задача стабилизации состава дистиллята в этан-этиленовой колонне при четырёх вариантах возмущений по питанию:
1) Изменение расхода питания (δ) в переделах ± 20 % от проектного значения;
2)  Изменение концентрации легколетучего в питании (δ) в пределах ± 20 % от проектного значения;
3) Одновременное увеличение (или уменьшение) расхода и концентрации легколетучего в питании (sign δ= sign δ);
4)  Разнознаковое изменение расхода и состава питания (sign δ= - sign δ) (Табл.3);

Таблица 3. Разнознаковое изменение расхода и концентрации легколетучего в питании в пределах ± 20 % (Вариант 4)

На основе анализа полученных результатов моделирования  сделаны выводы о предпочтительной структуре системы управления для каждого из случаев:

1. При реализации варианта работы ректификационной колонны №1, поддержание концентрации дистиллята возможно только использованием системы стабилизации флегмового числа, при этом расходы флегмы, дистиллята и кубовой жидкости, а также тепловая нагрузка кипятильника должны изменяться пропорционально возмущению. В этом случае, поддержание материального баланса остаётся за локальными схемами регулирования: в верхней части колонны – стабилизацией давления, в нижней – стабилизацией уровня;
2. При условии выполнения вариантов №2-№4, стабилизация тепловой нагрузки на конденсатор и стабилизация расхода флегмы в колонну хотя и возможны, но неизбежно приведут к потере качества состава дистиллята, поэтому в этих случаях требуется программно-логическое управление.

Из сравнения рассмотренных вариантов сделан вывод, что наиболее универсальной оказывается система регулирования, включающая регуляторы соотношений расходов флегмы и питания и соотношения расходов греющего пара и питания. При этом коэффициенты соотношения  и  должны корректироваться по определённой программе в зависимости от возмущения в колонне по составу питания или составу на контрольной тарелке (Табл. 4). Косвенным показателем состава является температура смеси на контрольной тарелке и тенденция её изменения [2].

Таблица 4. Коэффициенты соотношения расходов  и

Сравнение энергозатрат на разделение при постоянстве состава дистиллята показало неэффективность стабилизации тепловой нагрузки кипятильника на проектном значении: разность между максимумом и минимумом потребления энергонагрузки при ± 20 % возмущения составляет 40 % от расчётного, а при ± 10 % интервале – 20 %.
Рассмотрим систему автоматического регулирования с программно-логическим управлением, где регулирование основных технологических потоков осуществляется в соответствии с программным управлением, путём корректировки заданий регуляторам. Для реализации программного управления необходимо контролировать расход питания  и определять изменение температуры на контрольной тарелке [3].
Логика работы корректирующего устройства иллюстрируется схемой, представленной на рисунке 3.

Рис. 3. Схема логического анализа возмущений и выбора вариантов управления

Условные обозначения:  - температура на контрольной тарелке;  - расход питания;  - состав питания; ↑ - увеличение величины; ↓ - уменьшение величины; const – величина не изменяется.
Таким образом, универсальной системы управления, основанной на стабилизации режимных параметров, для реализации требуемого качества дистиллята при всех различных вариантах работы колонн нет и, соответственно требуется инвариантная система c программно-логическим управлением.

  

Рис. 4. Инвариантная система управления ректификационной колонной

Условные обозначения: FT – расходомер; FC – регулятор расхода; FY –программный модуль вычисления запаздывания регулирования; TT – датчик температуры; TY – программный модуль вычисления изменения температуры; PC – регулятор давления; LC – регулятор уровня.
Пример такой системы управления представлен на рисунке 4. Она включает:
- стабилизацию давления в колонне отводом дистиллята;
- регулирование уровня в кубе отводом кубовой жидкости;
- регулирование расхода греющего пара с коррекцией по расходу питания и температуре на нижней контрольной тарелке;
- регулирование соотношения расхода флегмы с коррекцией по расходу питания и температуре на верхней контрольной тарелке.
Таким образом, использование инвариантной системы автоматического регулирования ректификационных установок позволяет на основе анализа состояния процесса провести коррекцию параметров настройки регуляторов, соответствующих минимальным энергозатратам [4].

Литература

1. 1.Эрриот П. Регулирование производственных процессов. Пер. с англ., М., «Энергия», 1967. 480 с.
   2.Софиева Ю.Н., Абрамов К.В. Применение пакета моделирующих программ ChemCAD в учебно- тренировочных комплексах для изучения систем автоматизации ректификационных установок // Инженерный Вестник Дона (электронный журнал) № 1, 2012.
   3.Roat S.D., Moore C.F., and Downs J.J., A Steady State Distillation Column Control System Sensitivity Analysis Technique, Proceedings IEEE Southeast Con, 1988, pages 296-300.
   4.Luyben  W.L., Steady-State Energy Conservation Aspects of Distillation Column Control System Design, Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals 14(4), 1975,  pages 321–325.