Системный анализ и тренажер для управления технологическими печами

ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ

УДК 66.65.001.56

Ю. Л. Павлов, Н. Н. Зиятдинов, Д. А. Рыжов, А. А. Караванов

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И ТРЕНАЖЕР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПЕЧАМИ

Ключевые слова: системный анализ, технологические печи, регулирование, управление, тренажёры, обучение.

Проведен системный анализ технологических печей для нагрева жидкостей как объектов управления. Выявлены особенности управления ими, которые учтены при построении тренажера, имитирующего работу печи и системы управления им в реальном масштабе времени. Тренажёр может использоваться как при обучении будущих операторов технологических процессов, так и студентов соответствующих направлений подготовки.

Keywords: system analysis, process furnaces, control, training simulators, training.

The paper is dedicated to the system analysis of such control objects as process furnaces designed for heating of liquids. The details of the control process have been revealed and the training simulator has been developed. It provides real-time simulation of a furnace operation and its control system. This simulator can be used both for training of future operators of technological processes and the students in the respective training areas. Keywords: system analysis, process furnaces, control, training simulators, training.

Высокий уровень техногенных аварий, происходящих по причине недостаточной квалификации операторов технологических установок, требует специального их обучения на компьютерных тренажерах [1]. Отсюда следует актуальность создания тренажёров для изучения особенностей управления технологическими печами для нагрева жидкостей - объектами I категории взрывоопасности.

В настоящей статье, в развитие работы [2], в результате проведенного системного анализа технологической печи выявлены особенности управления ими, предложена система управления рассматриваемым объектом и тренажер, имитирующий ее работу.

Нагрев жидких продуктов в печах, использующих энергию горения, является весьма распространённым процессом в

нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленностях, поскольку позволяет

осуществлять нагрев нефти и нефтепродуктов до температур, более высоких, чем те, которых можно достичь, например, с помощью нагрева водяным паром. Для такого нагрева используются промышленные трубчатые печи. Трудность управления трубчатыми печами технологических установок объясняется протеканием в них сложных термотехнологических, теплотехнических и гидродинамических процессов [3].

Особенности управления процессом нагрева изучались на примере трубчатой печи для нагрева мазута на Саратовском НПЗ. Печь имеет шесть змеевиков и отапливается двумя видами топлива: мазутом и газом, сбрасываемым с соседних производств. В результате проведенного системного анализа трубчатой печи как объекта управления были сформулированы задачи, требующие своего решения при разработке системы управления и соответствующего тренажера:

1. Поддерживать температуру на выходе из печи на заданном уровне.

2. Поддерживать уровень в колонне, из которой откачивается нагреваемый продукт, на заданной величине.

3. Устранить опасность прогорания стенок змеевиков, для чего необходимо так регулировать подачу продукта в каждый змеевик, чтобы температуры на выходе змеевиков были одинаковы (процедура «сведения» температур).

4. Удовлетворить требование экологов по полной утилизации сбрасываемых с соседних производств газов и регулирование вести мазутом при полностью открытой трубе на газе, но таким образом, чтобы на все горелки (и мазутные и газовые) подавалось топливо в количестве, достаточном для устойчивого горения.

Проведенные дальнейшие исследования с целью решения поставленных задач позволили аргументировано осуществить выбор и разработку следующих средств регулирования и управления:

• ПИД-регуляторы расходов продуктов в змеевики с корректировкой по уровню в колонне;

• ПИД-регуляторы расходов топливного газа и мазута с корректировкой по температуре на выходе из печи;

• процедуру распределения потоков топливного газа и мазута в печь;

• процедуру «сведения» температур на выходе из печи.

Также в процессе экспериментального обследования печи как объекта управления было установлено, что если в контуре регулирования температуры в качестве регулируемого параметра использовать измеренную температуру в коллекторе после смешения потоков со всех змеевиков, то в контуре появится чистое запаздывание, равное (при средней нагрузке) приблизительно трём минутам. Такая большая величина запаздывания весьма

отрицательно сказывается на качестве регулирования. Было показано, что величину запаздывания удаётся существенно уменьшить до нескольких секунд, если в качестве регулируемой величины использовать величину температуры, рассчитанную приближенно с достаточной точностью как средневзвешенную величину измерений температуры на концах змеевиков:

Т =•

ср

Е _1_

п

где ¥{ и Т - расход на входе и температура на

выходе из 1-го змеевика.

Эта величина была использована в реальном контуре регулирования температуры.

На рис. 1 представлена подробная структурная схема управления печью. Нагреваемый продукт поступает в печь по всем 1 -м змеевикам. Регулятор уровня в колонне К-1 вырабатывает сигнал Уъ

подаваемый параллельно на все задатчики регуляторов расхода продукта с некоторой добавкой

, обеспечивающей выравнивание температур на выходе из змеевиков:

мк+1=мк + к • т — тр).

Формула (2) фактически является И-регулятором, где к, к +1 — номера тактов регулирования, коэффициент К - принят одинаковым для всех змеевиков.

Если регуляторы уровня и расходов работают непрерывно на каждом такте работы системы, то процедура выравнивания (сведения) выполняется периодически с интервалом - Ж , достаточным для затухания переходных процессов, вызванных предыдущей процедурой выравнивания. Коэффициент - К и величина интервала - & (рис. 1) определяют скорость работы И-регулятора и,

следовательно, температур.

На рис. 2 регулирования Регулирование вычисленной

процедуры

выравнивания

Т

представлена структура контура температуры после печи. ведётся с использованием это делается для уменьшения

ср

времени чистого запаздывания. В качестве регулятора используется обычный ПИД-регулятор.

К-1

------------

1 = 1.... п

= дг, + к * т — т_)

тСр =Е рТ>1 Е Ъ 6_/_

Рис. 1 - Блок-схема системы управления работой печи

рр

Тр = Е р.т,1 Е р.

рр 7РР

Тт при 02 = 100% Тт = 100%

Рис. 2 - Схема системы подачи топлива в печь

т

Принято, что в качестве модели каждого змеевика печи, используется апериодическое звено первого порядка и звено чистого запаздывания.

Для подачи топлива в печь используется программа распределения видов топлива (мазут или газ), работа которой приведена на графиках (рис. 2). Она работает следующим образом: при выходном сигнале регулятора температуры близким к УТ = 0,

расход газа и давление мазута на форсунки печи минимальные, но обеспечивающие устойчивое горение топлива (при росте температуры на реальном объекте, может сработать система защиты - ПАЗ). По мере увеличения выходного сигнала регулятора температуры начинает открываться клапан подачи газа в печь до его полного открытия, после этого начинает открываться клапан подачи мазута. Такой порядок обеспечивает максимальное выполнение требований экологов о максимальной утилизации газовых выбросов с других производств.

Следует обратить внимание, что расход газа по отношению к выходному сигналу регулятора температуры зависит линейно, а по отношению к давлению мазута на форсунки нелинейно. Если принять, что на форсунках устанавливается перепад: давление после регулятора давления - атмосферное давление, то с некоторым приближением можно принять:

Рм = км^Р ,

где Рм - расход мазута (лианеризованная величина); км - масштабный коэффициент; Р -давление после регулятора расхода в соответствии с положением клапана на его выходе.

Разработанный в результате системного анализа технологической печи как объекта управления и на основе предлагаемой модели управления тренажёр

позволяет в режиме реального времени изучить особенности работы системы управления технологическими печами при наличии имитированных производственных шумов, ознакомиться с процедурой сведения температур при внесении возмущений в температурный режим змеевиков.

Более подробно ознакомиться с работой тренажера можно будет в учебном пособии «Системный анализ и особенности управления типовыми объектами химической технологии», которое будет опубликовано в конце года издательством КНИТУ. Освоение материала в пособии сопровождается выполнением упражнений на прилагаемом к пособию программном обеспечении компьютерного тренажера, разработанном в среде Windows. В тренажере используется операторский интерфейс, аналогичный РСУ Centum CS3000 (YOKOGAWA) [4].

Литература

1. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств ПБ 09-540-03. М., ПИО ОБТ, 2003.

2.Ю.Л. Павлов, Н.Н. Зиятдинов И.И.Емельянов. Вестник Казан. технол. ун-та. 2014. Т. 17. № 20. С. 316-318.

3. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: Справочник/Рабинович Г. Г. ,Рябых П. М., Хохряков П. А. и др.; Под ред. Е. Н. Судакова. -3-е изд. Перераб. и доп. - М.: Химия, 1979. 568с.

4.Centum 3000. Руководство пользователя. Справочное руководство (часть D). Функциональные блоки. Детали // Yokogawa Elektric Corporation. 8-е издание.

© Ю. Л. Павлов - к.т.н., ведущий инженер каф. системотехники КНИТУ, jlpavloff@yandex.ru; Н. Н. Зиятдинов - д.т.н., зав. каф. системотехники КНИТУ, nnziat@yandex.ru; Д. А. Рыжов - к,т.н., доцент каф. системтехники КНИТУ, ryzhov.denis@inbox.ru; А. А. Караванов - ст. преподаватель каф. системотехники КНИТУ k.ant@mail.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; D. A. Ryzhov - PhD, Associate Professor, Process System Engineering Department, KNRTU, ryzhov.denis@inbox.ru; A. A. Karavanov -Senior Lecturer, Process System Engineering Department, KNRTU, k.ant@mail.ru.