В этой работе предлагается решать задачу автоматического управления в простой дистилляционной колонне, в которой происходит разделение бензино-толуоловой смеси на фракции.
Управление процессами в верхней и нижней части дистилляционной колонны является на протяжении многих лет объектом исследований. Однако внедрение системы регулирования не является легкой задачей из-за феномена взаимодействия или обратной связи, которые имеют место между различными контурами регулирования в дистилляционной колонне, поэтому актуальность автоматизации дистилляции является важной проблемой в современном мире, решение которой существенно упростит процесс исследования устойчивости системы.
Целью выпускной квалификационной работы является - разработать систему управления дистилляционной колонной, обеспечивающую заданное качество процесса дистилляции.
В первом разделе рассмотрен технологический процесс переработки нефти на ЭЛОУ - АВТ. Составлена упрощенная схема установки ЭЛОУ- АВТ. Разработана принципиальная схема комбинированной установки электрообессоливания и дистилляции нефти.
Во втором разделе разработано схематическое представление дистилляционной колонны - химического реактора, в котором происходит переработка нефти и выделение бензина из бензино-толуоловой смеси. Определена задача автоматизации технологического процесса и составлена исходная математическая модель дистилляции нефти.
В третьем разделе рассмотрен аналитический метод синтеза САУ, заключающийся в определении структуры и параметров устройства управления, которое предназначено для придания замкнутой системе устойчивости и требуемых показателей качества. А также изложен метод анализа робастной устойчивости динамических систем на основе критерия В.Л. Харитонова. Исходная математическая модель, составленная во втором разделе, редуцирована тремя методами: с помощью временной, балансной и модальной редукции. Проведен синтез четырех вариантов системы управления дистилляционной колонной. В результате получены три уравнения «вход-выход» редуцированных моделей.
В четвертом разделе проведено исследование робастной устойчивости нередуцированной и редуцированных систем управления. В результате чего установлено, что редукция систем управления повышает их робастную устойчивость, если исключаемые постоянные времени достаточно малы. Выявлена зависимость отклонений коэффициентов математических моделей технологического процесса дистилляции, критических по условию робастной устойчивости соответствующих систем автоматизации, от значений малой постоянной времени Т, неучтенной при их синтезе.
В пятом разделе проведен выбор технических средств для реализации закона управления. Были использованы промышленные датчики разности, давления и температуры, измерительный преобразователь и автономный цифровой индикатор Метран-620, в состав которого входит микроконтроллер.
В шестом и седьмом разделах разработано технико-экономическое обоснование и безопасность и экологичность проекта. Произведен расчет стоимости исследуемой разработки и расчет себестоимости производства разработанной системы управления. Проведен анализ труда по факторам опасности и вредности; анализ методов и средств по улучшению условий труда. Разработана пожарная безопасность в лаборатории и составлены меры защиты окружающей среды.
1. Обзор состояния управления химическим реактором
Дистилляция нефти (перегонка нефти) - разделение ее на отдельные фракции (дистилляты) с различными температурами кипения, путем испарения и дробной конденсацией образующихся паров. Дистилляция нефти - процесс, многоступенчатого испарения сырья с ректификацией полученной парожидкостной смеси на каждой ступени ректификационной колонне и отводом из нее теплоты, как при дистилляции любой жидкой смеси. Многоступенчатость процесса обусловлена сложным углеводородным составом нефти, которая выкипает на 80-90% по массе в интервале 30-550 °С.
Для выделения максимального количества дистиллятов без изменения их природного состава, т.е. без термической деструкции углеводородов и органических соединений, которые содержат гетероатомы, зачастую, применяют несколько ступеней, в которых процесс проходит при разных температурах и давлениях. Иногда для повышения степени разделения нефтяных фракций перегонку осуществляют, путем обогащения полученного дистиллята дополнительно с помощью дефлегмации, при которой его снова испаряется, частично конденсирует высококипящие компоненты, возвращая их в виде флегмы в кипящую нефть, и обогащая таким образом низкокипящими компонентами.
Дистилляции подвергают предварительно подготовленную нефть. На заводах, занимающихся переработкой нефти, отделяют нефтяные газы, механические примеси, воду (до остаточного содержания 0,5-1% по массе) и растворенные в ней минеральные соли (100-1800 мг/л), глубоко обезвоживают (не более 0,2%) и обессоливают (не более 3 мг/л), а легкое сырье одновременно стабилизируют - выделяют пропан-бутановую, а иногда и пентановую фракции углеводородов с целью снижения их потерь при перегонке нефти.
Различают три принципиальных типа установок: атмосферные трубчатые(АТ), в которых процесс проходит под давлением 150-400 кПа, отбирая только светлые дистилляты, которые закипают при 350°С; атмосферно- вакуумные трубчатые(АВТ), в которых процесс осуществляется сначала на ступени АТ, нагревая и при низком давлении 5-15 кПа, отбирая фракции с температурой кипения до 500-540°С; комбинированные, в которых блок АВТ совмещается с блоком электрообессоливания (ЭЛОУ) сырья и вторичной дистилляцией на более узкие фракции дистиллятов первичной перегонки.
Установка ЭЛОУ-АВТ является комбинированной установкой, сочетающей в себе 2 блока для первичной переработки нефти. Эта электрообессоливающая установка или электродедигратор и атмосферно-вакуумный блок.
Задачей ЭЛОУ-АВТ является отделение воды и солей от сырой нефти для дальнейшего ее разделения на фракции в атмосферно-вакуумном блоке АВТ, посредством ректификации в атмосферных и вакуумных колоннах.
В ректификационных колоннах обеспечивается четкость разделения целевых фракций нефти, определяющая комплекс их физико-химических свойств. Четкость разделения зависит в основном от двух факторов - числа тарелок, на которых пары контактируют с жидкостью, стекающей им навстречу, и кратностью орошения.
В колонках АВТ используют преимущественно клапанные и ситчатые с отбойными элементами тарелки. В вакуумных колоннах, где при остаточном давлении в верхней части 6-7 кПа перепад давлений на тарелках до места ввода сырья не должен превышать 5-6 кПа (для обеспечения макс, испарения нефти), вместо тарелок применяют регулярные насадки, обладающие малым гидравлическим сопротивлением (2-3 кПа) при высокой эффективности контакта.
Отличительная особенность вакуумных колонн - наличие в зоне ввода питания (мазута) мощных сепарирующих устройств, отделяющих паровую фазу от капель жидкости с целью предотвращения попадания смолисто-асфальтеновых веществ в дистилляты XIV и XV.
Трубчатые печи АВТ - крупные теплогенерирующие агрегаты мощностью 30-40 МВт. Нагреваемые в них среды движутся по трубчатому змеевику (диаметр труб 150-200 мм) в несколько потоков.
Теплообменные аппараты играют роль в дистилляции нефти, где образуется теплота горячих конечных продуктов, которая расходуется на нагрев необработанной нефти. Этот процесс обеспечивает снижение затрат топлива в печах. В современных установках АТ и АВТ расходуемое топливо колеблется от 15 до 25 тонн нефти в год.
Аналитический контроль работы дистилляционных установок включает стандартные методы определения типичных характеристик качества основных дистиллятов в лабораторных условиях, а также в производственных потоках для получения непрерывной информации в системах автоматического управления процессом.
Фракционный состав, устанавливающийся простой перегонкой и по которому делают выводы о четкости разделения смежных дистиллятов, является важным показателем продуктов.
Для того чтобы оценить детализированный состав нефти и ее дистиллятов используют фракционный состав по истинным температурам кипения (ИТК), который определяется путем ректификации.
На схеме 1.1: 1-6 - ректификационные колонны соответственно отбензинивающая, атмосферная, отпарные, вакуумная, стабилизационная и вторичной перегонки бензина; 7-8 - соответственно атмосферная и вакуумная трубчатые печи; 9 - электродедигратор; 10 - кипятильники; 11 -сепараторы; 12 - конденсаторы; 13 - холодильники; 14 - теплообменники; 15 - насосы; 16 - эжектор; АТ, АВТ - соответственно атмосферная и атмосферно-вакуумная трубчатые установки; ВтБ - блок вторичной перегонки бензина; ЭЛОУ - блок электрообессоливания; I, II-соответственно сырая и отбензиненная нефть; III - мазут; IV- гудрон; V-VШ - бензиновые фракции соответственно легкая (начало кипения 85 °С), головка (кипит при 85 °С), 60-150 °С и 85-150°С; IX - сжиженный газ (пропан-бутановая фракция, СЗ-С4); X-керосин (150-230°С); XI- зимнее дизельное топливо (180-320°С); XII- компонент летнего дизельного топлива (240-360°С); ХШ-ХV - соответственно легкий (270-360°С), средний (325-460°С) и тяжелый (380-510 °С) вакуумный газойли: XVI- компонент легкого газойля; XVII, XVIII - газ низкого (С1-С4) и высокого (С1-СЗ) давлений; XIX- деэмульсатор; XX - водяной пар; XXI - конденсат; XXII - вода и минеральные соли.
Рис.1.1 Принципиальная схема комбинированной установки электрообессоливания и дистилляции нефти
робастный управление химический реактор
Сырье поступает в насосную. Сырая нагретая нефть с смесью промывочной водой поступает в электродедигратор, где происходит ее обессоливание и обезвоживание под действием электрического тока. Обезвоженная и обессоленная нефть поступает в теплообменники, далее направляется в атмосферно-вакуумный блок для разделения на фракции посредством ректификации. Далее нефть поступает в отбензиневающую колонну. Сверху колонны отбирают смесь углеводородных газов и выделяют в сепараторе смесь гутанов, снизу колонну выделяют отбензиненную нефть. Эта нефть поступает в трубчатую печь для нагрева, затем в атмосферную колонну. Сверху колонну отбирают смесь бензина и углеводородных газов, далее разделяемую в сепараторе. Ниже отбирают керосиновую фракцию, затем дизельную фракцию и мазут. Мазут идет в печь для нагрева, затем в вакуумную колонну. Из колонны происходит отбор вакуумного газойля-гудрона. Остатком переработки является некондиционный нефтепродукт. Полученные продукты остывают в холодильниках.
Функциональная схема комбинированной установки электрообессоливания и дистилляции нефти приведена на рис.1.2
Рис.1.2 Функциональная схема комбинированной установки электрообессоливания и дистилляции нефти
Характерной особенностью для электродедигратора является пожароопасная авария. Это повышение давления в аппарате, вызывающие повреждение корпуса, выход наружу и воспламенение нефти, нагретой выше температуры вспышки.
Специфику пожарной опасности технологической среды на установке АВТ определяют: исходный нефтепродукт, нефть обессоленная и обезвоженная, а также продукты атмосферного и вакуумного блоков.
Специфику пожарной опасности установки определяются возможностью образования горючей среды, воспламенение или взрыва смеси паров нефтепродукта с воздухом аппарата и на производственной площадке.
Характерными пожароопасными ситуациями является: повышение внутреннего давления в аппаратных атмосферной части при поступлении в них обменённой нефти , в следствие неудовлетворительного обезвоживания нефти на ЭЛОУ, воспламенение трубчатой печи легких нефтепродуктов, нагретых ниже температуры самовоспламенения, образование взрывоопасных паро-воздушной смеси в вакуумной колонне, в следствие подсоса воздуха в колонну, выброс , растекание, самовоспламенение и горение на аппаратном дворе вакуумной части мазута, нагретого выше температуры самовоспламенения.
На установке предусмотрена защита ректификационных колонн на всю высоту и передвижной пожарной техникой. Исходя из условий орошения защищаемого оборудования одной компактной струей. Печи защищены установками подачи инертного газа в загрузочный бункер реактора и рабочую часть трубчатой печи соответственно: насосная, автоматическая установка пожаротушения и автоматическая пожарная сигнализация.
Мощность современных ЭЛОУ - АВТ, которые работают на основе представленной схеме, составляет 6-8 миллионов тонн перерабатываемого сырья в год.
Работа технологических установок в значительной степени автоматизирована. Например, автоматически регулируются температуры паров в верхней части колонн, горячих потоков на выходе из печей, расходы большинства промежуточных потоков и стабильность отбора конечных дистиллятов при заданных показателях их качества.
Для автоматического управления процессом дистилляции интенсивно внедряется вычислительная техника. Это позволяет проводить процесс на всех стадиях в оптимальном режиме, обеспечивающем максимально возможный выход дистиллятов при минимальных затратах энергии.
2. Разработка математической модели реактора
2.1 Вывод исходной математической модели
Схематическое представление дистилляционной колонны, исследуемой в этой работе, представлено на рис. 2.1. В колонне происходит выделение бензина из бензино-толуоловой смеси. Это осуществляется на семи тарелках с входным потоком F, поступающим на питающую тарелку f колонны (f=4).