Презентация7 - Регулирование о. Регулирование основных технологических параметров

• Название: Регулирование основных технологических параметров
• Дата: 14.04.2023
• Размер: 2.4 Mb.
• Имя файла: Презентация7 - Регулирование о.ppt
• Тип: Решение; #1061561

Регулирование основных технологических параметров

Локальные системы управления


Общая задача управления технологическим процессом формулируется как задача максимизации (минимизации) некоторого критерия (себестоимости, энергозатрат, прибыли) при выполнении ограничений на технологические параметры, накладываемых регламентом.
Решение такой задачи для всего процесса в целом трудоемко, или практически невозможно ввиду большого числа факторов, влияющих на ход процесса.
Поэтому весь процесс разбивают на отдельные участки, которые характеризуются сравнительно небольшим числом переменных.
Обычно эти участки совпадают с законченными технологическими стадиями, для которых могут быть сформулированы свои подзадачи управления, подчиненные общей задаче управления процессом в целом.


Задачи управления отдельными стадиями направлены на оптимизацию (в частном случае, стабилизацию) технологического параметра или критерия, легко вычисляемого по измеренным режимным параметрам (производительность, концентрация продукта, степень превращения, расход энергии).
Оптимизацию критерия проводят в рамках ограничений, задаваемых технологическим регламентом.
На основании задачи оптимального управления отдельными стадиями процесса формулируют задачи автоматического регулирования технологических параметров для отдельных аппаратов.


Важным этапом в разработке системы автоматизации является анализ основных аппаратов как объектов регулирования, т. е. выявление всех существенных входных и выходных переменных и анализ статических и динамических характеристик каналов возмущения и регулирования.
Исходными данными при этом служат математическая модель процесса и (как первое приближение) статическая модель в виде уравнений материального и теплового балансов.
На основе этих уравнений с учетом реальных условий работы аппарата все существенные факторы, влияющие на процесс, разбиваются на следующие группы:


Возмущения, допускающие стабилизацию - это независимые технологические параметры, которые могут испытывать существенные колебания, однако по условиям работы могут быть стабилизированы с помощью автоматической системы регулирования.
К таким параметрам обычно относятся некоторые показатели входных потоков.
Например, расход питания можно стабилизировать, если перед аппаратом имеется буферная емкость, сглаживающая колебания расхода на выходе из предыдущего аппарата; стабилизация температуры питания возможна, если перед аппаратом установлен теплообменник, и т. п.
При проектировании системы управления целесообразно предусмотреть автоматическую стабилизацию таких возмущений.
Это позволит повысить качество управления процессом в целом.
В простейших случаях на основе таких систем автоматической стабилизации возмущений строят разомкнутую (относительно основного показателя процесса) систему автоматизации, обеспечивающую устойчивое ведение процесса в рамках технологического регламента.


Контролируемые возмущения - это те возмущения, которые можно измерить, но невозможно или недопустимо стабилизировать (расход питания, подаваемого непосредственно из предыдущего аппарата; температура окружающей среды и т п.).
Наличие существенных нестабилизируемых возмущений требует применения либо замкнутых по основному показателю процесса систем регулирования, либо комбинированных САР, в которых качество регулирования повышается введением динамической компенсации возмущения.


Неконтролируемые возмущения - возмущения, которые невозможно или нецелесообразно измерять непосредственно.
Первые - это падение активности катализатора изменение коэффициентов тепло- и массопередачи и т. п.
Примером тому может служить давление греющего пара в заводской сети, которое колеблется случайным образом и является источником возмущения в тепловых процессах.
Выявление возможных неконтролируемых возмущений -важный этап в исследовании процесса и разработке системы управления.
Наличие таких возмущений требует, как и в предыдущем случае, обязательного применения замкнутых по основному показателю процесса систем автоматизации.

Возможные регулирующие воздействия

Возможные регулирующие воздействия – это материальные или тепловые потоки, которые можно изменять автоматически для поддержания регулируемых параметров.

Выходные переменные

Выходные переменные. Из их числа выбирают регулируемые координаты.
При построении замкнутых систем регулирования в качестве регулируемых координат выбирают технологические параметры, изменение которых свидетельствует о нарушении материального или теплового баланса в аппарате.
К ним относятся: уровень жидкости - показатель баланса по жидкой фазе; давление - показатель баланса по газовой фазе; температура - показатель теплового баланса в аппарате; концентрация - показатель материального баланса по компоненту.


Анализ возможных регулирующих воздействий и выходных координат объекта позволяет выбрать каналы регулирования для проектируемых систем.
При этом в одних случаях решение определяется однозначно, а в других имеется возможность выбора, как регулируемой координаты, так и регулирующего воздействия для заданного выхода.
Окончательный выбор каналов регулирования проводят на основе сравнительного анализа статических и динамических характеристик различных каналов.
При этом учитывают такие показатели, как коэффициент усиления, время чистого запаздывания, его отношение к наибольшей постоянной времени канала τ/Т.


На основе анализа технологического процесса как объекта регулирования проектируют систему автоматизации, обеспечивающую решение поставленной задачи регулирования.
Начинают с проектирования одноконтурных САР отдельных параметров: они наиболее просты в наладке и надежны в работе, поэтому широко используются при автоматизации технологических объектов.
Однако при неблагоприятных динамических характеристиках каналов регулирования (большом чистом запаздывании, большом отношении τ/Т) даже в случае оптимальных настроек регуляторов качество переходных процессов в одноконтурных САР может оказаться неудовлетворительным.
Для таких объектов анализируют возможность построения многоконтурных САР, в которых качество регулирования можно повысить, усложняя схемы автоматизации, т. е. применяя каскадные, комбинированные, взаимосвязанные САР.


Окончательное решение о применении той или иной схемы автоматизации принимают после моделирования различных САР и сравнения качества получаемых процессов регулирования.

Регулирование расхода

Объект управления: участок трубопровода


1 – измеритель расхода;
2 – регулирующий клапан;
l определяется правилами установки сужающих устройств и обычно составляет несколько метров.


Система регулирования расхода характеризуется двумя особенности:
малая инерционность объекта регулирования;
существование высокочастотных составляющих в сигнале изменения расхода, связанных с пульсацией давления в трубопроводе.
Объектом управления является участок трубопровода между точкой измерения расхода и регулирующим органом.


Структурная схема САР расхода

Способы регулирования расхода

В системах регулирования расхода применяют один из трех способов регулирования расхода:
дросселирование вещества через регулирующий орган, устанавливаемый на трубопроводе (клапан, шибер, заслонка);
изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника энергии (например, изменением числа оборотов двигателя насоса или угла поворота лопастей вентилятора);
байпасирование, т.е. переброс избытка вещества в обводную линию.


Регулирование расхода с помощью дросселирования вещества


1 – измеритель расхода
2 – регулирующий клапан
3 – регулятор
4 – насос

Ограничения применения САР с помощью дросселирования вещества

При использовании, например, поршневого насоса, применение САР расхода с помощью дросселирования вещества может привести к случаю полного закрытия клапана, что приведет к разрыву трубопровода или выходу из строя насоса.
В этом случае используется метод регулирования расхода с помощью байпасирования.


Регулирование расхода с помощью байпасирования


1 – измеритель расхода
2 – регулирующий клапан
3 – регулятор
4 – насос


Регулирование расхода сыпучих веществ


1 – бункер
2 – транспортер
3 – регулятор
4 – регулирующая заслонка
5 – электродвигатель


Регулирование расхода сыпучих веществ осуществляется изменением степени открытия регулирующей заслонки на выходе из бункера (а), либо изменением скорости движения ленты транспортера.


Локальные системы управления

Типы САР соотношения расходов

Регулирование соотношения расходов двух веществ можно осуществлять тремя способами:


Регулирование соотношения расходов


1, 2 – измерители расходов
3 – регулятор соотношения
4 – регулирующий клапан
5 – регулятор расхода
6 – реле соотношения


При незаданной общей производительности расход одного вещества G1, называемый «ведущим», может меняться произвольно; второе вещество подастся при постоянном соотношении у с первым, так что «ведомый» расход равен y*G1.
Иногда вместо регулятора соотношения используют реле соотношения и обычный регулятор для одной переменной.
Выходной сигнал реле 6, устанавливающего заданный коэффициент соотношения у, подастся в виде задания регулятору 5, обеспечивающему поддержание «ведомого» расхода.


Регулирование соотношения расходов


1, 2 – измерители расходов
3 – регулятор соотношения
4, 7 – регулирующие клапаны
5 – регулятор расхода


При заданном «ведущем» расходе кроме САР соотношения применяют и САР «ведущего» расхода.
При такой схеме в случае изменения задания по расходу G1 автоматически изменится и расход G2 (в заданном соотношении с G1).


Регулирование соотношения расходов


1, 2 – измерители расходов
3 – регулятор соотношения
4, 7 – регулирующие клапаны
5 – регулятор расхода
8 – регулятор температуры
9 – устройство ограничения


При заданной общей нагрузке и коррекции коэффициента по третьему параметру САР соотношения расходов является внутренним контуром в каскадной системе регулирования третьего технологического параметра у (например, температуры в аппарате).
При этом заданный коэффициент соотношения устанавливается внешним регулятором в зависимости от этого параметра, так что G2=F(y)G1.
Особенность настройки каскадных САР состоит в том, что на задание внутреннему регулятору устанавливают ограничение хрн ≤ хр ≤ хрв. Для АСР соотношения расходов это соответствует ограничению Fн ≤ F ≤ Fв. Если выходной сигнал внешнего регулятора выходит за пределы [Хрн, Хрв], то задание регулятору соотношения остается на предельно допустимом значении F (т. е. Fн или Fв).

Регулирование уровня

Локальные системы управления

Регулирование уровня

Уровень является косвенным показателем гидродинамического равновесия в аппарате. Постоянство уровня свидетельствует о соблюдении материального баланса, когда приток жидкости равен стоку и скорость изменения уровня равна нулю.
В общем случае изменение уровня описывается уравнением вида , где S - площадь горизонтального (свобод-ного) сечения аппарата; Gвx, Gвых - расходы жидкости на входе в аппарат и выходе из него; Gоб - количество жидкости, образующейся (или расходуемой) в аппарате в единицу времени.
В зависимости от требуемой точности поддержания уровня применяют один из следующих двух способов регулирования:


Позиционное регулирование уровня


1 – насос
2 – емкость
3 – сигнализатор уровня
4 – регулятор уровня
5, 6 – регулирующие клапаны


Позиционное регулирование, при котором уровень в аппарате поддерживается в заданных, достаточно широких пределах: Le ≤ L ≤ Lн.
Такие системы регулирования устанавливают на сборниках жидкости или промежуточных емкостях.
При достижении предельного значения уровня происходит автоматическое переключение потока на запасную емкость.


Особенно высокие требования предъявляются к точности регулирования уровня в теплообменных аппаратах, в которых уровень жидкости существенно влияет на тепловые процессы.
Например, в паровых теплообменниках уровень конденсата определяет фактическую поверхность теплообмена.
В таких САР для регулирования уровня без статической погрешности применяют ПИ-регуляторы. П-регуляторы используют лишь в тех случаях, когда не требуется высокое качество регулирования и возмущения в системе не имеют постоянной составляющей, которая может привести к накоплению статической погрешности.
При отсутствии фазовых превращений в аппарате уровень в нем регулируют одним из трех способов:


Непрерывное регулирование уровня


1 – регулятор уровня,
2 – регулирующий клапан


Непрерывное регулирование уровня жидкости изменением расхода жидкости на входе в аппарат (регулирование «на притоке»)


Непрерывное регулирование уровня


1 – регулятор уровня,
2 – регулирующий клапан


Непрерывное регулирование уровня жидкости изменением расхода жидкости на выходе из аппарата (регулирование «на стоке»)


Непрерывное регулирование уровня


1 – регулятор уровня,
2 – регулирующий клапан
3, 4 – измерители расхода
5 – регулятор соотношения


Непрерывное регулирование уровня жидкости изменением расхода жидкости на входе в аппарат и выходе из него с коррекцией по уровню (каскадная АСР); отключение корректирующего контура может привести к накоплению ошибки при регулировании уровня, так как вследствие неизбежных погрешностей в настройке регулятора соотношения расходы жидкости на входе и выходе аппарата не будут точно равны друг другу, и вследствие интегрирующих свойств объекта, уровень в аппарате будет непрерывно нарастать (или убывать).


Регулирование уровня в испарителе


1 – испаритель
2 – регулятор уровня
3 – регулирующий клапан


В случае, когда гидродинамические процессы в аппарате сопровождаются фазовыми превращениями, можно регулировать уровень изменением подачи теплоносителя (или хладагента).
В таких аппаратах уровень взаимосвязан с другими параметрами (например, давлением), поэтому выбор способа регулирования уровня в каждом конкретном случае должен выполняться с учетом остальных контуров регулирования.

САР с кипящим слоем

Особое место в системах регулирования уровня занимают САР уровня в аппаратах с кипящим (псевдосжиженным) слоем зернистого материала.
Устойчивое поддержание уровня кипящего слоя возможно в достаточно узких пределах соотношения расхода газа и массы слоя.
При значительных колебаниях расхода газа (или расхода зернистого материала) наступает режим уноса слоя или его оседания.
Поэтому к точности регулирования уровня кипящего слоя предъявляют особо высокие требования.
В качестве регулирующих воздействий используют расход зернистого материала на входе или выходе аппарата (рис. а) или расход газа на ожижение слоя (рис. б).


Регулирование уровня кипящего слоя


а) отводом зернистого материала, б) изменением расхода газа
1 – аппарат с кипящим слоем
2 – регулятор уровня
3 – регулирующий орган

Регулирование давления

Локальные системы управления

Регулирование давления

Давление является показателем соотношения расходов газовой фазы на входе в аппарат и выходе из него.
Постоянство давления свидетельствует о соблюдении материального баланса по газовой фазе.
Обычно давление (или разрежение) в технологической установке стабилизируют в каком-либо одном аппарате, а по всей системе оно устанавливается в соответствии с гидравлическим сопротивлением линии и аппаратов.


Регулирование разрежения в многоконтурной выпарной установке


1, 2 – выпарные аппараты
3 – барометрический конденсатор
4 – регулятор разрежения
5 – регулирующий клапан


В многокорпусной выпарной установке стабилизируют разрежение в последнем выпарном аппарате.
В остальных аппаратах при отсутствии возмущений устанавливается разрежение, которое определяется из условий материального и теплового балансов с учетом гидравлического сопротивления технологической линии.


САР давления в ректификационной колонне


1 – колонна
2 – дефлегматор
3 – флегмовая емкость
4 – регулятор давления
5 – регулирующий клапан


В тех случаях, когда давление существенно влияет на динамику процесса (например, в процессе ректификации), предусматривается система стабилизации давления в отдельных аппаратах.


Кроме того, при регулировании процесса бинарной ректификации часто в качестве косвенного показателя состава смеси используют се температуру кипения, которая однозначно связана с составом лишь при постоянном давлении.
Поэтому в продуктовых ректификационных колоннах обычно предусматривают специальные системы стабилизации давления.


Регулирование перепада давления


а) в колонном аппарате с насадкой, б) в аппарате с кипящем слоем
1 – аппарат
2 – регулятор перепада давления
3 – регулирующий клапан


В таких аппаратах регулируется перепад давления, характеризующий гидродинами-ческий режим, который влияет на протекание процесса

Регулирование температуры

Локальные системы управления


Регулирование теплообменников


Тепловые процессы играют значительную роль в химической технологии.
Химические реакции веществ с также их физические превращения сопровождаются, как правило, тепловыми эффектами.
Тепловые явления часто составляют основу технологических процессов.
Передачу тепла от горячих теплоносителей к более холодным осуществляют в теплообменниках.
Различают теплообменники:
1. непосредственного смешения теплоносителей;
2. поверхностные теплообменники, в которых тепло передается через глухую раздели тельную стенку:
a. теплопередача может протекать без изменения агрегатного состояния теплоносителей (нагреватели, холодильники);
b. с изменением агрегатного состояния (испарители, конденсаторы).
Нагревание продуктов проводят также в трубчатых печах топочными газами.


Регулирование теплообменников смешения


Регулирование теплообменников смешения заключается в поддержании постоянства температуры Тсм суммарного потока на выходе.
Для создания необходимого температурного режима в химических аппаратах используют передачу энергии в результате смешения двух и более веществ с разными теплосодержаниями.
Gx, Fx – расход;
Θx, Tx – температура;
cx – удельная теплоемкость.


Структурная схема регулирования теплообменника смешения


Принципиальная схема регулирования теплообменника смешения


Регулирование теплообменников смешения


Во многих задачах регулирования состава или температуры в резервуаре с мешалкой при определении передаточных функций принимают перемешивание идеальным.
Тогда объект описывается дифференциальным уравнением первого порядка с постоянной времени, равной времени пребывания в резервуаре.
Однако на практике отмечается запаздывание, по истечении которого изменение концентрации или температуры питания происходит на выходе из резервуара.
Это запаздывание (запаздывание смешения) зависит от размеров резервуара, вязкости жидкости, конструкции и скорости вращения мешалки, определяющих интенсивность перемешивания.
Рассмотрим насколько вариантов систем автоматизации теплообменников смешения и проведем их сравнительный анализ по качеству процессов регулирования.


Регулирование теплообменников смешения 1


Задача стабилизации выходной температуры смеси решается применением одноконтурной замкнутой системы регулирования, в котором регулирующим воздействием является расход G1.
Использование регулятора с интегральной составляющей и законе регулирования (ПИ- или ПИД-регулятор) гарантирует поддержание заданного значения в установившемся режиме, однако качество переходного процесса может оказаться неудовлетворительным при большой инерционности канала регулирования и сильных возмущениях.


Функциональная (а) и структурная (б) схемы замкнутой одноконтурной САР температуры в теплообменнике смешения


Регулирование теплообменников смешения 2


Включает систему регулирования соотношения расходов G1 и G2.
Это разомкнутая система регулирования, способность обеспечить инвариантность регулируемой температуры смеси Θ к возмущениям по расходу G2, однако при наличии любого другого возмущения Θ не будет равна заданной.


Функциональная (а) и структурная (б) схемы разомкнутой одноконтурной САР температуры в теплообменнике смешения


Регулирование теплообменников смешения 3


Отличается компенсатором возмущения по Θ2.
Таким образом, данная система регулирования может обеспечить независимость выходной температуры от двух основных возмущений G2 и Θ2.
Однако при наличии других возмущений (например, изменение теплопотерь в окружающую среду) температура будет отклоняться от заданной.


Функциональная (а) и структурная (б) схемы разомкнутой САР температуры в теплообменнике смешения с компенсацией двух возмущений:
1 - регулятор соотношения; 2 - компенсатор.


Регулирование теплообменников смешения 4


Система регулирования соотношения расходов G1 и G2 с коррекцией коэффициента по выходной температуре смеси Θ, т. е. двухкаскадная САР.
Основным (внешним) регулятором является регулятор температуры 7, а вспомогательным (внутренним) – регулятор соотношения 2, осуществляющий компенсацию возмущения по расходу G2.


Функциональная (а) и структурная (б) схемы каскадной САР температуры в теплообменнике смешения:
1 - регулятор температуры; 2 - регулятор соотношения расходов.


Регулирование теплообменников смешения 5


Система регулирования температуры смеси с коррекцией по двум возмущениям G2 и Θ2, т. е. комбинированная САР.
Динамический компенсатор 2 в данном случае должен содержать вычислительное устройство для расчёта корректирующей поправки на задание по выходной температуре регулятору 1 в зависимости от температуры и расхода второго потока.


Функциональная (а) и структурная (б) схемы комбинированной АСР температуры в теплообменнике смешения:
1 - регулятор температуры; 2 - компенсатор.


Регулирование теплообменников смешения


Из рассмотренных примеров систем автоматизации наилучшее качество регулирования обеспечат два последних варианта.
При этом в случае приборной реализации систем предпочтительнее четвертый вариант, который легко выполняется на серийных промышленных регуляторах.
При использовании ЦВМ или микропроцессорной техники реализация любой из этих систем не представляет затруднений.


Регулирование поверхностных теплообменников


Регулирование поверхностных теплообменников заключается в поддержании постоянства температуры одного из теплоносителей на выходе из теплообменника, например, Tx2.
Температура Tx2 зависит от скорости передачи тепла или теплового потока q через стенку; в свою очередь эта температура определяется движущей силой процесса или средним температурным напором ΔТср.
Величина ΔТср зависит от значений температур теплоносителей на входе и выходе теплообменника и, в частности, от температуры Tx2.
С возрастанием Tx2 движущая сила процесса уменьшается и наоборот. Это свидетельствует о том, что поверхностные теплообменники обладают свойством самовыравнивания.


Схемы поверхностного противотокового теплообменника


Регулирование поверхностных теплообменников


Если по условиям технологии не допускается изменение потоков теплоносителей, то температуру продукта на выходе из теплообменника регулируют путём байпасирования части продукта и изменения его расхода.
При этом регулирующий клапан устанавливают на байпасной линии. Такие схемы применяют, например, при использовании тепла горячих промежуточных или конечных продуктов для нагрева исходного сырья.
Отметим, что байпасирование одного из теплоносителей требует некоторого увеличения поверхности теплообменника и большего расхода греющего агента (для переохлаждения или перегрева продукта) чем при дросселировании.
Однако при этом улучшаются динамические характеристики системы регулирования вследствие исключения теплообменника из контура регулирования и уменьшения времени запаздывания объекта.
При изменении агрегатного состояния теплоносителей их температура в теплообменнике практически не изменяется.


Регулирование поверхностных теплообменников


Схема регулирования поверхностного теплообменника байпасированием холодного теплоносителя (продукта)


Регулирование поверхностных теплообменников


Схема регулирования поверхностного теплообменника воздействием на расход горячего теплоносителя


В трубчатых печах прокачиваемый через змеевик трубчатой печи продукт нагревается за счет тепла образующегося при сжигании топливного газа.
Целью регулирования трубчатых печей является подержание постоянства температуры продукта на выходе из печи.


Структурная схема регулирования трубчатых печей


Возмущениями объекта являются:
расход и температура исходного продукта;
теплотворная способность топлива;
количество и температура воздуха, подаваемого для сжигания топлива;
потери тепла в окружающую среду.
Эти возмущения можно скомпенсировать с помощью САР температуры продукта на выходе из печи, управляющей подачей топлива в печь.
Однако трубчатые печи обладают запаздыванием по передаче тепла от дымовых газов через стенку змеевика к проходящему по змеевику продукту.
Кроме того, переходный процесс по каналу "расход топлива - температура продукта на выходе" продолжается несколько часов.
Поэтому при использовании одноконтурной САР динамическая ошибка и время регулирования достигает больших значений.


Вместе с тем температура газов над перевальной стенкой достаточно быстро реагирует на изменение режима работы печи, обусловленное изменением количества топливного газа, подаваемого на сжигание.
Поэтому существенное улучшение качества регулирования температуры продукта на выходе из печи может быть достигнуто применением каскадной схемы регулирования, состоящей из регулятора температуры продукта на выходе из печи (корректирующий регулятор), воздействующего на задание регулятора температуры газов над перевальной стенкой (стабилизирующий регулятор), который управляет подачей топлива в печь.
Стабилизирующий регулятор начинает компенсировать возникающие возмущения, влияющие на процесс сгорания топлива прежде, чем они приведут к изменению температуры продукта.


Схема связанного регулирования процесса в трубчатой печи


При резком изменении перегрузки печи по расходу нагреваемого продукта и при наличии возмущения по расходу топлива используют также выше описанную схему каскадного регулирования, стабилизирующий регулятор которой воздействует на регулятор соотношения расходов продукта и топлива.
В этом случае регулятор соотношения управляет подачей топлива в печь.


Схема связанного регулирования процесса в трубчатой печи


При принудительной подаче первичного воздуха оптимальный его расход, при котором температура в топке принимает максимальное значение поддерживают посредством регулятора соотношения «топливный газ – воздух», обеспечивающего заданное значение коэффициента избытка воздуха, определяющего интенсивность процесса сгорания.
Если при этом теплотворная способность топлива существенно изменяется, то на регулятор соотношения направляют корректирующий сигнал от регулятора стабилизации содержания кислорода в топочных газах. Это обеспечивает полное сгорание топлива и высокое качество регулирования.
Сильным возмущением режима работы трубчатых печей со стороны топливного газа является изменение его давления. Это изменение компенсируют введением в АСР температуры продукта на выходе из печи дополнительного регулятора давления, задание на который подают от регулятора температуры в топочном пространстве.
Так как зависимость температуры в топке от соотношения «топливо – воздух» имеет экстремальный характер, при автоматизации трубчатых печей применяют системы экстремального регулирования.


Каскадная схема регулирования температуры продукта на выходе с регулятором соотношения «топливный газ – воздух»
и коррекцией по содержанию кислорода в топочных газах