Расчет каскадной АСР регулирования концентрации общей серы в стабильном гидрогенизате

Расчет каскадной АСР регулирования концентрации общей серы в стабильном гидрогенизате

Введение

гидроочистка гидрогенизат колонна

Установка гидроочистки У-1.732 предназначена для очистки фракции НК-350°С от сернистых соединений методом гидрирования в среде водородсодержащего газа (ВСГ) на алюмокобальтмолибденовом катализаторе при температуре до 395°С и давлении 34÷37 атм с получением:

·        стабильного гидрогенизата с содержанием серы 0,15%;

·        сероводорода;

·        углеводородного газа.

В состав установки входят объекты У -1.732 (ГО) и У -1.733 - промпарк установки гидроочистки (3 резервуара по 2 тыс. м³ каждый). Производительность - 2070 тыс. тн/год сырья (фракция НК-350ºС).

На установке гидроочистки дизельных топлив функционирует АСУ ТП «АСТРА-3.2». Данная система включает в себя подсистемы:

·        сбора и отображения информации;

·        автоматического регулирования;

·        дискретно-логического управления;

·        противоаварийных защит и блокировок.

В системе реализованы функции:

.        Информационные функции:

·        Измерение и контроль параметров;

·        Регистрация и сигнализация отклонений параметров от установленных границ;

·        Ручной ввод данных;

·        Формирование и выдача оперативных данных;

·        Архивирование данных;

·        Анализ срабатывания блокировок и защит.

.        Управляющие функции:

·        Реализация контроллером режима непосредственного цифрового регулирования аналоговыми регуляторами;

·        Выдача со станции машиниста сигналов задания регуляторам и сигналов управления аналоговыми ИМ на контроллер;

·        Выдача дискретных управляющих сигналов на контроллер.

.        Функции диагностики:

·        Контроль состояния связи с контроллерами;

·        Диагностика состояния узлов и плат ввода/вывода контроллеров;

·        Диагностика состояния уровней входных сигналов поступающих с первичных преобразователей;

·        Диагностика состояния связи с абонентами верхнего уровня управления;

·        Диагностика связи и состояние резервируемых серверов баз данных.

Целью данного курсового проекта является разработка и расчет каскадной АСР регулирования температуры куба стабилизационной колонны К-201установки гидроочистки с коррекцией по концентрации общей серы в стабильном гидрогенизате (конечный продукт установки гидроочистки).

Описание технологического объекта управления.

Стабилизацию гидроочищенной фракции НК-350⁰С проводится в стабилизационной колонне К-201 с целью отгона из нее легких продуктов крекинга и углеводородного газ, воды и сероводорода.

Снизу колонны отбирается стабильная гидроочищенная фракция НК-350⁰С, сверху уходят пары бензина, воды, углеводородный газ, сероводород.

Температурный режим стабилизационной колонны поддерживается с помощью "горячей струи" рециркулята.

Для устранения сероводородной коррозии в колонну К-201 подается ингибитор коррозии.

Описание технологического процесса

Нестабильный гидрогенизат из С-202 нагревается в Т-205 потоком парогазовой смеси, смешивается с нестабильным гидрогенизатом из С-201 и с температурой до 170⁰С и давлением 1,1 МПа направляется на 14 тарелку стабилизационной колонны К-201, где из него выделяются бензин, сероводород, вода, углеводородный газ. Уровень в колонне К-201 регулируется прибором LIC-94.

Снизу колонны насосом Н-221/1,2 забирается часть стабильного гидрогенизата и направляется через регулятор расхода FRC-518 в печь П-202, где нагревается до температуры 240⁰С и подается вниз колонны для поддержания нужного температурного режима.

Балансовое количество стабильного гидрогенизата отдает свое тепло в теплообменниках Т-202/1,2, воздушном холодильнике Х-204 и выводится с установки с температурой 50⁰С. Температура стабильного гидрогенизата на выходе с установки регулируется прибором TIC-86.

С верха К-201 уходят пары бензина, воды и углеводородный газ с сероводородом. После охлаждения в воздушном конденсаторе-холодильнике ХК-201 и в водяных холодильниках Х-209/1,2 до температуры 40⁰С, которая регулируется прибором TIC-85, смесь поступает в сепаратор С-205, где происходит отделение углеводородного газа от жидкой фазы. Уровень углеводородной жидкой фазы регулируется прибором LRC-96. Уровень воды регулируется прибором LdRC-97.

Углеводородная жидкая часть из сепаратора забирается насосом Н-203/1,2 и подается через регулятор расхода FRC-89 на орошение в К-201.

Балансовый избыток бензина через регулятор расхода FRC-91 c коррекцией по уровню в C-205 (прибор LRC -96) возвращается в колонну К-201, либо выводится в линию некондиции. Водяной конденсат из С-205 вместе с сероводородной водой с установки риформинга поступает в деаэратор Е-215 для отдува сероводорода водяным паром. Уровень в деаэраторе регулируется прибором LIC-162.

Отдуваемый сероводород сбрасывается в факельную емкость Е-214, а затем на сероводородный факел, а конденсат - в промканализацию, через холодильник Х- 213, с температурой 40⁰С.

Газ из сепаратора С-205 с газом установки каталитического риформинга поступает в нижнюю часть абсорбера К-203 на очистку от сероводорода 10%-ным раствором амина, который подается насосом Н-205/1,2 в верхнюю часть абсорбера через регулятор расхода FRC-148 с коррекцией по уровню в Е-201 прибора LRC- 121.

На выходе с установки прибором FQ-92 измеряется суммарный расход стабильного гидрогенизата, прибором AR-193 - температура вспышки, прибором AR-194 - концентрация общей серы, прибором AR-195 -плотность.

Обоснование выбора типа АСР.

Для регулирования концентрации общей серы в стабильном гидрогенизате была выбрана каскадная АСР, так как основной канал регулирования обладает значительной инерционностью, связанной, прежде всего с запаздыванием, вызванным анализом потока стабильного гидрогенизата на общую серу. При этом удалось выделить вспомогательный канал регулирования, по которому можно воздействовать на регулируемую величину с меньшей инерционностью, благодаря чему предполагается получить более качественной регулирование.

Анализ стабилизационной колонны К-201 как объекта управления.

1.      Регулирующие воздействия:

·        Расход топливного газа (печь П-202);

·        Расход орошения;

·        Расход отводимого стабильного гидрогенизата.

.        Регулируемые параметры:

·        Уровень в кубе колонны;

·        Температура в кубе колонны;

·        Температура верха колонны;

·        Концентрация общей серы в стабильном гидрогенизате.

.        Контролируемые возмущающие воздействия:

·        Расход нестабильного гидрогенизата ();

·        Температура нестабильного гидрогенизата ();

·        Температура орошения ().

4.      Неконтролируемые возмущающие воздействия:

·        Состав нестабильного гидрогенизата ();

·        Теплопотери в окружающую среду ().

Получение аппроксимирующих передаточных функций по основному и вспомогательному каналам регулирования.

.        Определение аппроксимирующей передаточной функции по вспомогательному каналу регулирования с помощью метода интегральных площадей (метод Симою).

Из эксперимента, при скачкообразном увеличении расхода топливного газа на 60,26 (), была получена кривая разгона по температуре в кубе К-201. Она была аппроксимированная передаточной ф-цией 3его порядка с запаздыванием методом интегральных площадей в программе TAU20.

В ходе расчетов была получена аппроксимирующая передаточная ф-ция вспомогательного канала:

2.      Определение аппроксимирующей передаточной функции по основному каналу регулирования с помощью метода интегральных площадей (метод Симою)

Из эксперимента, при скачкообразном увеличении расхода топливного газа на 60,26 (), была получена кривая разгона по конц. общ. серы в стабильном гидрогенизате. Она была аппроксимированная передаточной ф-цией 3его порядка с запаздыванием методом интегральных площадей в программе TAU20.

В ходе расчетов была получена аппроксимирующая передаточная ф-ция вспомогательного канала:

Построение частотных характеристик основного и вспомогательного каналов регулирования.

1.      Расчет частотных характеристик по вспомогательному каналу:

АЧХ

ФЧХ

АФХ

Расчет частотных характеристик по основному каналу:

АЧХ

ФЧХ

АФХ

Определение оптимальной структуры каскадной АСР и оптимальных настроечных параметров основного и вспомогательного регуляторов.

Общая структурная схема каскадной АСР.

В качестве возмущающего воздействия принимаем изменение расхода топливного газа на 10% от максимального значения, т.е. на 23 ().

Эквивалентный объект относительно основного регулятора.

Эквивалентный объект относительно вспомогательного регулятора.

1.         Расчет каскадной АСР с П-ПИ структурой (П-закон регулирования по вспомогательному каналу, ПИ-закон - по основному).

Структурная схема каскадной АСР П-ПИ структуры.

Определим оптимальные настройки регуляторов методом итераций.

1 шаг: сделаем допущение, что основной регулятор отключен, и рассмотрим одноконтурную АСР со вспомогательным регулятором. Рассчитаем оптимальную настройку вспомогательного П-регулятора метом Циглера-Никольса: методом подбора определяем критическую настройку П-регулятора :

.

шаг: определим настройки основного регулятора. В эквивалентный объект относительно основного регулятора подставляем ранее найденное оптимальное значение настройки для вспомогательного регулятора. Методом Циглера-Никольса определяем оптимальные настройки основного ПИ-регулятора: ;

;

;

.

шаг: определим настройки вспомогательного регулятора. В эквивалентный объект относительно вспомогательного регулятора подставляем, найденные на 2ом шаге оптимальные настройки основного регулятора. Методом Циглера-Никольса находим оптимальные настройки вспомогательного П-регулятора:

.

шаг: определяем настройки основного ПИ-регулятора. Повторяем действия, описанные на 2ом шаге. ;

;

;.

шаг: определим настройки вспомогательного П-регулятора. Повторяем действия, описанные на 3ем шаге.

.

шаг: определим настройки основного ПИ-регулятора.

;

;

;.

7 шаг: определим настройки вспомогательного П-регулятора.

.

Т.к. настройки регуляторов, найденные на смежных шагах не отличаются, более чем на 10%, то принимаем следующие настройки:

·        Для основного ПИ-регулятора:;.

·        Для вспомогательного П-регулятора: .

Т.к. переходной процесс получился неудовлетворительным по времени затухания, скорректируем настройки основного регулятора. Изменим настройку  так, чтобы интегральный критерий качества принимал минимальное значение. При  .

Оценим качество переходного процесса в основном канале регулирования по возмущению при найденных оптимальных настройках регуляторов и при заданной структуре каскадной АСР.

·        Интегральный критерий качества: .

·        Время переходного процесса:

·        Перерегулирование:

Оценим качество переходного процесса во вспомогательном канале регулирования по возмущению при найденных оптимальных настройках регуляторов и при заданной структуре каскадной АСР.

·        Интегральный критерий качества: .

·        Время переходного процесса:

·        Перерегулирование:

Структурная схема каскадной АСР ПИ-ПИ структуры.

Определим оптимальные настройки регуляторов методом итераций.

1 шаг: отключим основной ПИ-регулятор и рассмотрим одноконтурную АСР со вспомогательным ПИ-регулятором. Методом Циглера-Никольса определим настройки вспомогательного ПИ-регулятора. Незатухающие колебания в системе возникают при значении настроечного параметра вспомогательного ПИ-регулятора. Оптимальные настройки:

; ;

;.

шаг: определим настройки основного ПИ-регулятора. Ранее найденные настройки для вспомогательного ПИ-регулятора подставим в эквивалентный объект относительно основного ПИ-регулятора и определим настройки методом Циглера-Никольса.

;

;

;.

3шаг: определим настройки вспомогательного ПИ-регулятора. Найденные на 2ом шаге настройки основного ПИ-регулятора подставим в эквивалентный объект относительно вспомогательного регулятора. Методом Циглера-Никольса определим опт. настройки вспомогательного ПИ-регулятора. ; ;

;.

шаг: определим настройки основного ПИ-регулятора.;

;

;.

шаг: определим настройки вспомогательного ПИ-регулятора.

; ;

;.

6 шаг: определим настройки основного ПИ-регулятора.;

;

;.

Т.к. настройки регуляторов, найденные на смежных шагах не отличаются, более чем на 10%, то принимаем следующие настройки:

·        Для основного ПИ-регулятора:;.

·        Для вспомогательного ПИ-регулятора:

.

При корректировке настроек основного ПИ-регулятора, с целью уменьшения времени затухания переходного процесса, качество переходного процесса резко ухудшается - возрастает перерегулирование и интегральный критерий качества.

Оценим качество переходного процесса в основном канале регулирования по возмущению при найденных оптимальных настройках регуляторов и при заданной структуре каскадной АСР.

·        Интегральный критерий качества: .

·        Время переходного процесса:

·        Перерегулирование:

Оценим качество переходного процесса во вспомогательном канале регулирования по возмущению при найденных оптимальных настройках регуляторов и при заданной структуре каскадной АСР.

·        Интегральный критерий качества: .

·        Время переходного процесса:

·        Перерегулирование:

3.         Расчет каскадной АСР с П-ПИД структурой (П-закон регулирования по вспомогательному каналу, ПИД-закон - по основному).

Структурная схема каскадной АСР П-ПИД структуры.

Определим оптимальные настройки регуляторов методом итераций.

1шаг: сделаем допущение, что основной регулятор отключен, и рассмотрим одноконтурную АСР со вспомогательным регулятором. Рассчитаем оптимальную настройку вспомогательного П-регулятора метом Циглера-Никольса. .

2 шаг: определим настройки основного ПИД-регулятора.

; ;

;;;

.

шаг: определим настройки вспомогательного П-регулятора.

.

шаг: определим настройки основного ПИД-регулятора.;

;

;;;

.

шаг: определим настройки вспомогательного П-регулятора.

.

шаг: определим настройки основного ПИД-регулятора.;

;

;;;

.

шаг: определим настройки вспомогательного П-регулятора.

.

шаг: определим настройки основного ПИД-регулятора.;

;

;;;

.

шаг: определим настройки вспомогательного П-регулятора.

.

шаг: определим настройки основного ПИД-регулятора.;

;;;

.

шаг: определим настройки вспомогательного П-регулятора.

.

шаг: определим настройки основного ПИД-регулятора.;

;

;;;

.

Т.к. настройки регуляторов, найденные на смежных шагах не отличаются, более чем на 10%, то принимаем следующие настройки:

·          Для основного ПИД-регулятора:

;

·        Для вспомогательного П-регулятора: .

Скорректируем настройки основного регулятора , чтобы добиться минимального времени переходного процесса.

;

Оценим качество переходного процесса в основном канале регулирования по возмущению при найденных оптимальных настройках регуляторов и при заданной структуре каскадной АСР.

·        Интегральный критерий качества: .

·        Время переходного процесса:

·        Перерегулирование:

Оценим качество переходного процесса во вспомогательном канале регулирования по возмущению при найденных оптимальных настройках регуляторов и при заданной структуре каскадной АСР.

·        Интегральный критерий качества: .

·        Время переходного процесса:

·        Перерегулирование:

Выбор оптимальной структуры каскадной АСР.

Вывод: выбираем каскадную АСР со структурой П-ПИ, так как при удовлетворительных показателях качества регулирования, данная структура имеет преимущество перед структурой П-ПИД, так как она проще в настройке и дешевле.

Расчет одноконтурной АСР.

1.      Расчет одноконтурной АСР с ПИ-регулятором.

Структурная схема одноконтурной АСР с ПИ-регулятором структуры.

Рассчитаем настройки регулятора методом Циглера-Никольса.

Незатухающие колебание в системе возникают при значении настроечного параметра

;

;.

Оценим качество переходного процесса:

·        Интегральный критерий качества: .

·        Время переходного процесса:

2.      Расчет одноконтурной АСР с ПИД-регулятором.

Структурная схема одноконтурной АСР с ПИД-регулятором структуры.

Рассчитаем настройки регулятора методом Циглера-Никольса.

Незатухающие колебание в системе возникают при значении настроечного параметра

; ;

;;;

.

При данных значениях настроек процесс расходится. Скорректируем .

Оценим качество переходного процесса:

·        Интегральный критерий качества:

·        Время переходного процесса:

Вывод: лучшие показатели качества регулирования достигаются при использовании в одноконтурной АСР ПИД-регулятора.

Сравнение переходного процесса в одноконтурной АСР с ПИД-регулятором и переходного процесса в каскадной АСР со структурой П-ПИ.

Схема моделирования.

Заключение

В ходе выполнение курсового проекта был произведен расчет каскадной АСР регулирования концентрации общей серы в стабильном гидрогенизате.

В ходе расчета каскадной АСР было рассмотрено несколько возможных структур данной системы, в частности: П-ПИ, ПИ-ПИ, П-ПИД, где первый закон регулирования реализуется во вспомогательном контуре регулирования, второй - в основном.

После расчетов и исследования переходных процессов на качество регулирования, была выбрана структура каскадной АСР - П-ПИ, как наиболее дешевая, простая в настройки, и обеспечивающая удовлетворительное качество регулирования. Оптимальные настроечные параметры основного и вспомогательного регуляторов составили: для основного ПИ-регулятора: ;; для вспомогательного П-регулятора: .

Также был произведен расчет одноконтурной АСР с ПИ- и ПИД-регуляторами. При этом лучшее качество регулирования достигается при использовании ПИД-регулятора с настройками: ;;.

Сравнение переходных процессов в каскадной и одноконтурной АСР показало правильность выбора типа АСР, так как при использовании каскадной АСР значительно повышается качество регулирования по сравнению с одноконтурной АСР: время переходного процесса уменьшилось в 1,6 раз; интегральный показатель качества уменьшился в 6,6 раз.

Список литературы

1.  И.А. Елизаров, Ю.Ф. Мартемьянов, А.Г. Схиртладзе, С.В. Фролов. Технические средства автоматизации. Программно-технические комплексы и контроллеры: Учебное пособие. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2004г. 180с.

2.      Б.Н. Парсункин, Н.М. Баженов, В.М. Дубинин. Идентификация параметров объектов управления по экспериментальным динамическим характеристикам (Экстраполяция экспериментальной кривой разгона): Учебное пособие. Магнитогорск, МГМА.1998. 95с.

3.  Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. - М.: Машинострое-ние,1978.-736с.

4.      Постоянный технический регламент. Установка гидроочистки. Фракция НК-350ºС (книга 6, 24-Л-13360/6) от 13.01.1992г.

5.  Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Автоматизация технологических процессов и производств». -Астрахань.: АГТУ, 1997.- 25 с.

Приложение