Федора Максимовича Черномурова отличали глубокая преданность науке, творческая энергия, завидная работоспособность. Он был крупным спе циалистом в области теплофизики и металлургической теплотехники. Особый вклад внес в решение
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
5.3 .3. Системы теплообменников В химико-технологическом процессе технологические и вспомогательные потоки многократно нагреваются и охлаждаются. Целесообразно тепло охла- ждаемых потоков передавать нагреваемым (в порядке регенерации тепла) и со- кращать потоки отдельных теплоносителей. При этом будет создана система теплообменников, затраты на которую минимальны. Существует большое число эвристических правил для выбора структуры системы теплообменников: 1) использовать для теплообмена горячий и холодный потоки с наиболее высокими температурами. 2) выбирать противоточные теплообменники как более эффективные; 3) проводить теплообмен до тех пор, пока разность температур не до- стигнет минимально допустимой; в противном случае резко возрастает размер теплообменника; 4) передавать максимально возможное количество тепла – оно определя- ется полным охлаждением (нагревом) одного из потоков. 76 6 . ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 6 .1. Эффективность химико-технологической системы Значение критерия эффективности ХТС зависит не только от структуры и параметров системы, но и от эксплуатационных свойств ХТС, к которым мож- но отнести чувствительность, управляемость, надежность и устойчивость. Чувствительность ХТС – свойство системы изменять характеристики ее функционирования при изменении условий и параметров технологического ре- жима элементов. В химических производствах изменение температуры, давле- ния, активности катализатора и других факторов существенно влияет на техно- логические параметры процессов, протекающих в элементах системы, наруша- ет нормальное функционирование и приводит к изменению показателей эффек- тивности. Рассмотрим взаимосвязь отклонений режима в адиабатическом реакторе дегидрирования этилбензола в стирол с режимом работы ХТС получения сти- рола. В данном процессе используется железо-оксидный катализатор, который со временем теряет свою активность. Понижение активности приводит к уменьшению выхода стирола и необходимости повышения температуры дегид- рирования. В этом случае требуется скорректировать режимы работы теплооб- менников, пароперегревательной печи и ректификационных колонн, поскольку снижение конверсии исходного этилбензола изменит состав реакционной мас- сы. Следствием падения активности катализатора будет сокращение выпуска стирола – товарного продукта данного производства. На технологические режимы элементов ХТС и показатели системы в це- лом могут оказывать влияние износ оборудования и такие внешние возмуще- ния, как температура оборотной воды, атмосферного воздуха и прочее. В лет- ний период, например, с повышением температуры воды после градирен ухуд- шаются условия теплообмена во всех холодильниках и конденсаторах ХТС. Поэтому часто приходится снижать нагрузки по сырью и производительность технологических агрегатов по целевому продукту. 77 Чувствительность ХТС характеризуют отношением изменения какого- либо показателя функционирования системы или ее элемента ΔY к изменению условий или параметра процесса ΔХ. Подобный показатель встречался при ис- следовании устойчивости процессов. Выбор показателя процесса Y и возму- щенного параметра X («канала возмущения») зависит от цели исследования или задачи анализа процесса. Чем меньше значение чувствительности, тем более стабильно будет протекать процесс. Создание ХТС с низкой чувствительностью к изменению внутренних па- раметров и внешних возмущающих воздействий очень важно для повышения качества функционирования химических производств. Эти задачи решаются на стадии разработки и проектирования ХТС. Управляемость ХТС – свойство системы достигать желаемой цели управ- ления (получить заданный состав продукта, производительность, качество то- варного продукта и т. д.) при ограниченных возможностях управления, кото- рыми располагает данная система в реальных условиях эксплуатации. Показа- тель управляемости можно характеризовать так. В реальных условиях имеют место изменения значений внутренних параметров процессов и внешних усло- вий эксплуатации. Эти изменения возможны в каких-то пределах. Система бу- дет управляема, если имеется возможность при допустимых изменениях усло- вий процесса сохранить его показатели в заданных пределах. Каждое проекти- руемое и создаваемое производство должно быть управляемым. В связи с этим объективно возникает задача совместного проектирования ХТС и соответству- ющей системы автоматического управления процессами в ней. Надежность ХТС – это свойство ХТС выполнять требуемые функции, сохраняя во времени и в заданных пределах значения установленных эксплуа- тационных показателей (производительности, качества продукции), расхода материальных и энергетических ресурсов, требований по безвредности обслу- живания и безопасности для окружающей среды и др. Прекращение выполне- ния требуемых функций связано с отказами (выходом из строя или существен- ным ухудшением функционирования) каких-то элементов ХТС. В соответствии 78 с общей теорией надежности технических систем отказ вероятен в любом эле- менте ХТС. Проявление надежности может быть различным для отдельного элемента и ХТС в целом. Выход из строя элемента приводит к прекращению выполнения им требуемых функций, но не обязательно – к таким же последствиям для ХТС. Возможно, что посредством определенного изменения условий и режима рабо- ты других элементов эксплуатационные показатели ХТС в целом будут сохра- нены в допустимых пределах. С другой стороны, отклонение от заданных пока- зателей работы какого-либо элемента ХТС без его выхода из строя может вы- звать существенные нарушения в работе других элементов и привести ХТС в неработоспособное состояние. Известны случаи, когда усовершенствования от- дельных элементов ХТС и их режимов работы приводили к нарушению хими- ко-технологического процесса в целом и выходу из строя ХТС, даже к крупным авариям. Показателями надежности являются среднее время функционирования ХТС между отказами его элементов или число таких отказов и общее время простоя за определенный период. Отказы ХТС и ее элементов могут возникать по различным причинам: − ошибки на стадиях разработки, проектирования, изготовления, строи- тельства, монтажа и наладки оборудования, связанные с недостатком или неполным использованием сведений и знаний о процессах, нарушением установленных правил и норм работы на этих этапах; − нарушения условий и режима эксплуатации из-за ошибок обслужива- ющего персонала или непредусмотренных и неконтролируемых внешних воздействий; − изменения состояния оборудования, обусловленные естественными причинами (износ, старение, повреждения). Отказы ХТС и ее элементов можно объединить в следующие группы. 1. Проектно-конструкторский отказ возникает вследствие несовершен- ства используемых методов разработки химико-технологических систем и кон- 79 струирования оборудования, нарушения установленных правил и норм проекти- рования технологических систем, оборудования и инженерно-транспортных коммуникаций, а также ошибок проектировщика или конструктора. 2. Производственно-изготовительный отказ возникает вследствие нарушения и несовершенства технологических процессов изготовления, сборки и ремонта оборудования, неудовлетворительного качества монтажа, профилак- тического обслуживания, подготовки к пуску аппаратов, машин и трубопрово- дов, а также в результате ошибок специалистов, которые участвуют в изготов- лении, монтаже и ремонте оборудования. 3. Эксплуатационно-технологический отказ возникает вследствие нарушения регламентированных значений параметров химико- технологического процесса, правил и условий эксплуатации оборудования и инженерно-транспортных коммуникаций, а также нарушений в системах водо-, тепло- и электроснабжения производства; в результате повреждений и есте- ственных процессов старения и износа оборудования и коммуникаций, влияния агрессивных перерабатываемых веществ и напряженных режимов (высокие температуры, давления) химико-технологического процесса; вследствие неис- правной работы систем контроля, сигнализации, управления и защиты; в ре- зультате непредусмотренных воздействий окружающей среды и ошибок об- служивающего персонала. Отметим, что «человеческий фактор» – квалификация специалистов, раз- рабатывающих, создающих и эксплуатирующих производство, – неизменно влияет на надежность ХТС, что заставляет предъявлять повышенные требова- ния к инженерам-технологам и конструкторам. Статистика по надежности различных производств дает такое распреде- ление отказов по вышеприведенным трем группам в их общем числе: 40–50 % – проектно-конструкторские, 30–40 % – производственно-изготовительные, 30–40 % – эксплуатационно-технологические. Неполадки, вызывающие простои производства из-за ограниченной надежности оборудования и ХТС, влекут за собой тяжелые экономические по- 80 следствия. Потери, связанные с производственными неполадками, складывают- ся из потерь прибыли (вследствие прекращения производства продукции) и не- производительных затрат на остановку агрегата, ликвидацию последствий остановки, неплановый ремонт оборудования и пуск агрегата после устранения неполадок. Как уже отмечалось, техноэкономические преимущества агрегатов большой мощности находятся в прямой зависимости от надежности оборудова- ния и эксплуатации. Надежность ХТС должна обеспечить безопасность работы оборудования и обслуживающего персонала; регламентированное время непрерывной работы между плановыми остановками на предупредительный ремонт и профилактику оборудования; соблюдение норм по защите окружающей среды. Устойчивость ХТС обусловлена наличием обратных связей в сложных химико-технологических системах. Некоторые примеры неустойчивых режи- мов (а к ним надо отнести и отсутствие стационарных режимов, возникновение колебательных режимов) были рассмотрены выше. Отметим также, что само- возгорание и взрыв есть результат самопроизвольного перехода процесса в дру- гой режим, несовместимый с установленным оборудованием и технологиче- ским процессом в нем, т. е. потеря устойчивости стационарного процесса. 6 .2. Управление химическим производством Современное химическое производство – сложный комплекс, состоящий из большого числа агрегатов, соединенных многочисленными связями, – слож- ная химико-технологическая система. Может показаться, что для достижения максимальной эффективности процесса достаточно заранее определить опти- мальный режим и строго придерживаться его. В реальных условиях всегда имеют место возмущения условий процесса и изменения его параметров. Система автоматического регулирования (САР) позволяет поддерживать заданный режим в элементах ХТС. Стабилизация режима и показателей от- дельного аппарата, единичного процесса является основной задачей САР. В са- мом общем случае САР включает в себя датчик Д, измеряющий значение ста- билизируемого параметра, устройство (прибор П), определяющее способ воз- 81 действия на регулирующий параметр, и регулятор с исполнительным механиз- мом Р, устанавливающий новое значение регулирующего параметра. В приве- денной схеме стабилизируется температура на выходе из элемента Э (аппарата) путем изменения расхода потока, поступающего в этот элемент. Построение САР, выбор ее элементов и их настройка – содержание специальной учебной дисциплины «Автоматизация химических производств». Эти процессы базиру- ются на теории управления. Хотя разработкой, созданием и эксплуатацией САР занимаются специалисты в области автоматизации производств, химик- технолог, владеющий процессами в химико-технологической системе, может квалифицированно определить, какие показатели надо стабилизировать, какие параметры надо измерять, при помощи каких – управлять процессом. Отметим некоторые особенности управления химико-технологическим процессом. Не все технологические показатели, которыми необходимо управ- лять, доступны для непосредственного и непрерывного измерения. Особенно трудно поддаются измерениям показатели состава и качества перерабатываемо- го сырья. Поэтому некоторые технологические показатели определяют по ре- зультатам измерений других, связанных с ними показателей (косвенные изме- рения) или организуют анализ периодически отбираемых проб продуктов (дис- кретные измерения). В этих случаях требуется специальная предварительная обработка результатов измерений для оценки по ним технологических показа- телей, которые не поддаются прямому измерению, Условия процесса изменяют (управляют ими), если возникли отклонения контролируемого показателя. Тут нужно учесть следующее. Во-первых, управ- ление будет эффективным, если контролируемый показатель чувствителен к условиям процесса. В этом случае уже малые отклонения значений показателя процесса вызовут реакцию системы регулирования на корректировку условий процесса. Во-вторых, при изменении условий процесса его показатели изменя- ются не мгновенно – практически всегда имеется некоторое запаздывание (тре- буется время на прохождение потока от места его возмущения до точки изме- рения, прогрев каких-то устройств между этими точками, заполнение объема 82 аппаратуры веществом потока). Чем меньше такое запаздывание, тем регулиро- вание будет эффективнее. Прямые измерения, быстрая и чувствительная реакция показателей про- цесса на возмущения, необходимые для эффективного управления, не всегда выполнимы, и приходится создавать более сложные системы автоматического регулирования. Покажем это на примере адиабатического процесса в слое ката- лизатора. Если реакция не завершается в слое, то температура на выходе из не- го весьма чувствительна к изменениям условий и параметров процесса (кон- центрации, нагрузки, активности катализатора), и ее необходимо стабилизиро- вать. Наиболее просто можно управлять процессом, меняя температуру на вхо- де в слой. Казалось бы, выходная температура Т К может служить исходным сигналом для соответствующего изменения входной температуры Т Н На рис. 9, а показаны профили температур при двух значениях Т Н и видно симбатное изменение Т Н и Т К . Но такой характер кривых имеет место только в стационарных состояниях. Характер изменения во времени температуры в слое другой, более сложный. Рис. 9. Стационарные профили температуры в слое катализатора при различных значе- ниях начальной температуры (а), перепада температур по глубине слоя (б) и схема стабилизации температуры (в) 83 Допустим, на вход стал поступать более горячий газ. На первых по ходу газа участках слоя увеличится скорость превращения. Дополнительная теплота и более горячего газа, и более интенсивной реакции начнет прогревать началь- ные участки слоя. Прогрев будет происходить сравнительно медленно – тепло- емкость слоя твердого катализатора в несколько сот раз больше, чем газа. В по- следние участки слоя будет поступать реакционная смесь с большей степенью превращения. Здесь скорости реакции и, соответственно, тепловыделения вна- чале станут меньше, и температура на выходе будет сначала понижаться. И только по мере прогрева слоя Т К станет возрастать, медленно приближаясь к более высокой, определенной стационарным состоянием. На рис. 9, б показана динамика изменения температуры на разной глубине слоя. Внутри слоя темпе- ратура более чувствительна к входной. Регулирующий сигнал (РС на рис. 9, в) поступает от датчика температуры Т У , установленного внутри слоя. Устройство управления У вырабатывает управляющий сигнал УС для привода задвижки. Корректировка настройки устройства управления У проводится по стационарному значению выходной температуры Т К (корректирующий сигнал КС на рисунке). Как видим, локаль- ные САР могут быть сложными по структуре. Стабилизация режимных показателей химического производства приве- дет к установке множества локальных САР, относящихся к элементарным про- цессам и не связанных между собой. Такое решение задачи автоматизации управления производством приемлемо только для несложных технологических процессов. Для современных химических предприятий со сложной структурой связей аппаратов такой подход не приводит к успеху. Проиллюстрируем это на примере управления производством обжигового газа. Его получают из колчедана в печах с кипящим слоем. Процесс ведут в двух параллельных агрегатах, работающих на общий коллектор. Параллельная работа двух агрегатов должна обеспечивать бесперебойную работу всей систе- мы при возможных нарушениях в одном из агрегатов. Основной задачей управ- ления этим производством является поддержание общей производительности 84 по обжиговому газу и концентрации в нем диоксида серы. Получаемое в каж- дом агрегате количество обжигового газа поддерживают расходом воздуха, а концентрацию – расходом колчедана. У каждого агрегата имеется по две ло- кальные САР (рис. 10). Но при работе может возникнуть ситуация, когда сократится подача кол- чедана в одном из агрегатов (например, в первом) из-за нарушения работы пи- тателя. При поддерживаемой нагрузке по обжиговому газу указанное наруше- ние приведет к уменьшению в нем концентрации SО 3 В таком случае необхо- дима корректировка в регуляторе расхода воздуха на изменение работы питате- ля колчедана. В принципе возможна установка САР с такой корректировкой (так называемые многосвязные САР). Но уменьшение нагрузки в первом агре- гате приведет к уменьшению общей нагрузки. Необходим переход на следую- щие управляющие воздействия – увеличить и расход воздуха колчедана в дру- гом агрегате. Если же изменения достаточно велики и не удается достигнуть Рис. 10. Функциональная схема АСУТП обжигового комплекса: 1 – бункеры серного колчедана; 2 – питатели; 3 – печи кипящего слоя; 4 – воздуходувки; 5 – циклоны; 6 – электрофильтры; 7 – вентилятор 85 необходимых показателей по расходу и концентрации, хотя элементы системы работоспособны, необходимо скорректировать работу последующих подси- стем, перерабатывающих обжиговый газ. САР, как она была определена выше, со всеми этими задачами уже не справится. Как видим, при управлении круп- ным технологическим комплексом возникают проблемы, которые принципи- ально не сводятся к стабилизации отдельных технологических параметров. Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) – специальная подсистема химического производства, управляющая всем производством со сложными взаимодействиями между его элементами. В приведенном примере она осуществляет все необходимые взаимодей- ствия между регулирующими параметрами и устройствами управления. Но за- дачей АСУТП является не только организация многосвязного управления. Функции, выполняемые АСУТП, можно разделить на несколько групп, пред- ставленных в системе соответствующими автономными подсистемами. 1. Управляющие функции АСУТП включают автоматическую стабилиза- цию режима, обеспечивающую регулирование основных технологических па- раметров процесса и своевременное снятие возмущений, возникающих в про- изводстве; дистанционное управление регулирующими и запорными органами; дистанционный пуск основных стадий производства и плановую его остановку. 2. Информационные функции АСУТП включают централизованный сбор информации о параметрах технологического процесса и состоянии оборудова- ния; подготовку и предоставление обработанной информации о технологиче- ском процессе и выдачу сигналов об отклонении параметров на мнемосхему, цифровую индикацию, шкальные приборы, цифробуквенную печать и другие устройства отображения информации и сигнализации. 3. Аварийная защита служит для предотвращения аварий, возможных в результате отказов аппаратуры, механизмов, машин или ошибочных действий операторов, а также для дистанционной аварийной остановки производства. В соответствии с описанными функциями АСУТП ее можно представить в виде структурной схемы, приведенной на рис. 11. 86 АСУТП – это комплекс технических средств, состоящий из управляюще- го вычислительного комплекса УВК, подсистем для выполнения указанных функций, устройств связи с персоналом (операторами) и с объектом, каналов передачи информации, преобразователей и устройств ввода информации. Функционально к комплексу технических средств АСУТП относятся также датчики сигналов физических величин, исполнительные механизмы, регулято- ры и другие устройства локальной автоматики. Хотя, казалось бы, АСУТП с управляющей вычислительной машиной может выполнить любые операции, участие человека – оператора химического производства достаточно активно. Подготовленная и обобщенная информация о процессе позволяет оператору принимать решения в условиях неопределен- ности и в сложных ситуациях, находить компромиссные выходы. |