Системный анализ и тренажер для управления ректификационными колоннами по критерию энергозатрат

УДК 66.65.001.56

Ю. Л. Павлов, Н. Н. Зиятдинов, И. И. Емельянов

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И ТРЕНАЖЕР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РЕКТИФИКАЦИОННЫМИ КОЛОННАМИ ПО КРИТЕРИЮ ЭНЕРГОЗАТРАТ

Ключевые слова: системный анализ, взрывоопасность, ректификационные колонны, тренажёры, обучение.

Проведен системный анализ ректификационной колонны как объекта управления. Разработан тренажёр, позволяющий ознакомиться с особенностями управления процессом ректификации в реальном масштабе времени с целью минимизации энергетических затрат при заданном качестве разделения. В тренажёре использована динамическая (в данном случае релаксационная) модель колонны для разделения бинарной смеси. Модель позволяет настраивать: инерционность колонны, количество тарелок в колонне, относительную летучесть разделяемых компонентов. Тренажёр может использоваться как при обучении будущих операторов технологических процессов, так и студентов соответствующих специальностей.

Keywords: system analysis, explosiveness, rectification columns, simulators, teaching.

In the present article the system analysis of a rectification column as a controlled object was realized. As a result, the computer simulator was developed. It serves for introducing staff or students to the features of rectification process controlling in a real time scale aimed to energy cost minimization. In this computer simulator a dynamic (in this case, relaxation) model of column for binary mixture fractionating (splitter) was used. The model is enable to set: column response rate, number of trays in column, relative volatility of the distributed components. The simulator is usable as for teaching the future process operators, as for teaching students of the relevant specialties.

Эффективность управления по критерию экономии энергии напрямую связано с качеством подготовки операторов-технологов технологических установок [1]. Отсюда следует актуальность обучения операторов-технологов с использованием тренажерных комплексов. Целью создания тренажёра является ознакомление с особенностями управления процессом ректификации. Это связано с тем, процессы ректификации являются наиболее энергоемкими и сложными в управлении. Далее рассмотрены трудности, возникающие при управлении этим процессом, и сформулирована задача управления им.

Ректификация - процесс, протекающий с большим расходом энергии. Энергия подводится в виде тепла, подаваемого в низ колонны и снимаемого сверху. Чем выше требуемая чистота получаемых продуктов, тем больше энергии тратится на их получение. Поэтому, для экономии затрачиваемой энергии, процесс необходимо проводить таким образом, чтобы качество получаемых продуктов не выходило за рамки технических требований.

Следует учитывать, что колонна, в которой осуществляется процесс разделения, как правило, работает в достаточно узком диапазоне циркулирующих в ней потоков. При имеющемся потоке жидкости, поток пара не должен быть слишком мал, чтобы избежать явления провала жидкости, и не должен быть слишком велик, чтобы избежать явления уноса жидкости с тарелок. С другой стороны, при имеющемся потоке пара, поток жидкости не должен быть слишком велик, чтобы избежать явления «захлёбывания» колонны, и не слишком мал, чтобы избежать явления, когда время контакта пара и жидкости слишком мало.

Задача управления процессом ректификации заключается в получении продуктов с качеством не ниже заданного и с минимальным расходом

энергии, при ограничениях на потоки внутри колонны (провал жидкости, унос жидкости, захлёбывание, слабое взаимодействие пара и жидкости), при наличии возмущений по параметрам питания: массовому расходу и составу.

Сложность задачи состоит, прежде всего, в том, что очень трудно осуществить точное непрерывное измерение состава продуктов при высокой степени разделения. На практике обычно ограничиваются стабилизацией температуры на некоторой промежуточной (контрольной) тарелке, на которой изменения температуры, вызванные возмущениями, достаточно велики и могут быть точно измерены.

Анализ динамики колонн показывает [2], что значительный объем жидкости на тарелках колонны, в кипятильнике, конденсаторе и во флегмовой ёмкости приводит к тому, что процессы регулирования в колонне оказываются продолжительными. Экспериментальное

исследование характеристик разомкнутой системы показывает, что наибольшая постоянная времени объекта по каналам «расход питания - состав продукта» и «состав питания - состав продукта», в зависимости от объема колонны и количества тарелок, может составлять от 1 до 3 ч. Так как объем жидкости в колонне распределён между многочисленными тарелками, то процесс характеризуется также чистым запаздыванием -временем, по истечении которого влияние изменения расхода питания или орошения может быть отмечено на промежуточных тарелках. Величина этого запаздывания достигает нескольких минут.

В данном тренажёре для имитации работы колонны используется релаксационная модель, которая составлена при следующих допущениях:

- в колонне происходит разделение бинарной смеси;

- питание колонны осуществляется при температуре начала кипения смеси;

- колонна снабжена полным конденсатором и сифонным выносным кипятильником;

- в колонне автоматически поддерживается постоянное давление;

- расход пара, покидающего тарелки колонны, пропорционален количеству тепла подведённого в кипятильник;

- расходы жидкости, стекающей с тарелок верхней (укрепляющей) секции колонны, равны количеству флегмы, подаваемой на орошение, а для нижней секции равны сумме расходов флегмы и потока питания;

- расходы жидкости, стекающей с тарелок нижней (отгонной) секции, включая тарелку питания, равны сумме потоков орошения и потока питания.

При описании модели используются следующие обозначения: ЫК - количество тарелок в колонне (N£+1 - конденсатор), КБ - номер тарелки питания, 1=0 - кипятильник; а - относительная летучесть

компонент; xi, yi - составы жидкости и паров, покидающих г-ую тарелку; Ld- поток флегмы из флегмовой ёмкости; V. - поток паров, поднимающихся с куба колонны; Е , ХЕ - поток и состав питания (жидкий); Т - температура на /-ой тарелке; ТЛ, Т. - температура кипения лёгкого и тяжёлого компонентов смеси при заданном давлении; уй , X. - составы дистиллята и кубового

продукта; qi - отношение потока пара,

покидающего /-ую тарелку, к сумме всех потоков,

поступающих на неё (доля отгона); - суммарный

состав жидкости и пара, поступающего на /-ую тарелку.

Динамика модели, прежде всего, определяется инерцией составов на тарелках колонны, в кипятильнике и во флегмовой ёмкости. Инерция этих элементов определяется через коэффициенты инерции, рассчитанные как жидкий объемный поток, через соответствующий элемент, делённый на объём жидкости находящийся внутри этого элемента.

Обозначим через к/, к., кЛ - коэффициенты,

определяющие инерцию изменения состава на тарелках колонны, в кипятильнике и во флегмовой ёмкости.

Для реализации динамической модели используются следующие зависимости (подробный вывод формул приведён в [3]): * с - Ь

X = •

2ё

где X - равновесная концентрация жидкости,

а = (1 - Чг)(а-1), Ь = [1 + чг (а-1) -гг (а-1)],

с =

при г > ЫЕ ;

ч, =

V.

КУг-1 + ^Хг +1 .

V.+Ld

V. + Ld

при г < ЫЕ ;

V

Чг =

КУг-1 + ^X +1 + .

V. + Ld + Е

V. + Ld + Е

У =

ах.

(1 + (а -1) хг.

Реализация динамической модели производится следующим образом. Последовательно и непрерывно ведётся расчет составов на тарелках сверху вниз и снизу вверх по следующим зависимостям:

- при расчёте снизу вверх для каждой тарелки

X

по

вычисляется равновесная концентрация формуле

- с учётом инерции состава жидкости на тарелках вычисляется её фактический состав по

X = X + к1

при 1 < г < ык.

После окончания расчёта вычисляется состав дистиллята с учётом инерции во флегмовой ёмкости

Уd = Уd + ка

при этом хык+1 = Уык+1 = Уd .

Аналогично при расчете сверху вниз по (1) и (2) вычисляются составы на тарелках. Состав кубового продукта с учётом инерции в кубе и кипятильнике

х. = х. + к. (х1 - х. ), (5) при этом Хо = Уо = х. .

В заключение рассчитываются температуры на тарелках колонны

Т = Т. -

для 1 < г < ык.

Таким образом, в разработанном тренажёре используется обычная процедура потарелочного расчёта при заданных составах на концах колонны. Расчёт ведётся от концов колонны к тарелке питания до совпадения составов при расчётах сверху и снизу с заданной точностью. Управляющими переменными, обеспечивающими качество продуктов разделения, при наличии возмущений по питанию, являются расходы флегмы и греющего пара с учётом принятых ранее допущений. В связи с отсутствием в реальных условиях информации о текущих составах продуктов разделения, на тренажере контроль качества осуществляется по значениям о температуре на контрольной тарелке. Отметим, что дальнейшим развитием системы управления реальной колонной является разработка алгоритма коррекции температуры на контрольной тарелке по фактическим составам продуктов. Это должно быть учтено в тренажере.

*

Тренажёр установки содержит стандартный набор панелей, которые могут быть вызваны на экран оператора-технолога и на экран настройщика системы управления.

Ректификационная установка для разделения бинарной смеси (Рис. 1) содержит:

- ректификационную колонну К-3;

- выносной кипятильник Т-1;

- конденсатор Т-2;

- сборник конденсата (дистиллята);

- холодильник Т-3;

- насосы Н-1 и Н-2 (один рабочий и один резервный).

Установка снабжена контролирующей и регулирующей аппаратурой.

Разработанный тренажёр позволяет изучить особенности управления процессом ректификации, обеспечивающие выпуск продуктов требуемого качества при минимальных энергозатратах на подогрев куба колонны. Тренажёр также предусматривает возможность настройки динамических свойств объекта, что позволяет подстраивать модель под свойства конкретной колонны. Более подробно с работой тренажера можно ознакомиться в учебном пособии [4].

Рис. 1 - Мнемосхема тренажера управления работой ректификационной колонны Литература

1. Чистякова, Т. Б. Программные комплексы для электронного обучения персонала и управления инновационными производствами / Чистякова, И. В. Новожилова // Сб. науч. тр. IX Междунар. науч.-практ. конф. ЛЭРЭП-9-15, 2015, С. 86-89.

2. П. Эрриот. Регулирование производственных процессов. Пер. с англ., М.: «Энергия», 1967.

3. С. А. Багатуров. Основы теории и расчета перегонки и ректификации. Изд. 3-е, перераб. М.: «Химия», 1974. 440с.

4. Ю.Л. Павлов, Н.Н. Зиятдинов, И.И. Емельянов. Системный анализ и особенности управления типовыми объектами химической технологии: учебное пособие /Казань: Изд-во КНИТУ, 2015. - 84 с.

© Ю. Л. Павлов - к.т.н., ведущий инженер каф. системотехники КНИТУ, jlpavloff@yandex.ru; Н. Н. Зиятдинов - д.т.н., проф., зав. каф. системотехники КНИТУ, nnziat@yandex.ru; И. И. Емельянов - ассистент каф. системотехники КНИТУ, ilyaemelyan@gmail.ru.

© Yu. L. Pavlov - PhD, Senior Engineer, Process System Engineering Department, KNRTU, jlpavloff@yandex.ru; N. N. Ziyatdinov - Full Professor, Doctor of Sciences in Engineering, Chair of Process System Engineering Department, KNRTU, nnziat@yandex.ru; I. I. Emelyanov -Senior Lecturer, Process System Engineering Department, KNRTU, ilyaemelyan@gmail.ru.