Проект автоматизации отделения ректификации установки производства стирола ц. 126/127

Проект автоматизации отделения ректификации установки производства стирола ц.126/127

контроллер оперативный программируемый стирол

В данном курсовом проекте рассматривается задача, связанная с автоматизацией процесса ректификации в колонне К-302, которая расположена в отделении производства стирола. Установка производства стирола входит в состав цеха 126/127 ОАО «Ангарский завод полимеров». Производительность установки 44 000 т в год стирола-ректификата.

В цех 126/127, объект 1476 поступает сырье (бензол и этилен) с ЭП-300. Из них производится этилбензол, который поступает в промежуточный парк (объект 1092) для приема, компаундирования и откачки этилбензола-ректификата из об.1476, этилбензола привозного из об.1080 и этилбензола возвратного из об.1477, углеводородного конденсата и продуктов освобождения системы об.1477 производства стирола.

Из объекта 1092 этилбензол (этилбензольная шихта (ЭБШ)) поступает в отделение дегидрирования в об.1477 в котором происходит процесс дегидрирования этилбензола с образованием стирола, этилбензола, толуола, бензола, которые образуют углеводородный конденсат (УВК). УВК через промежуточный парк об 1092 поступает в питание колонны К-302, где происходит процесс ректификации и выделение из УВК бензол толуоловой фракции (БТФ) через верх колонны и стирола с этилбензолом которые из куба К-302 поступают в питание К-312. В К-312 происходит выделение фракции этилбензола-возвратного через верх колонны и откуда он поступает в об 1092 на смешение с ЭБШ в повторную переработку. В кубе К-302 остается стирол с образовавшимися в процессе производства вредными примесями и смолами, который подается в питание К-322, где вверху колонны получается стирол-ректификат, поступающий или в парк готовой продукции (об.1080) и далее потребителям, или в промежуточный парк (об 1480) откуда поступает на производство полистиролов цеха 126/127.

Автоматизация колонны К-302 основана на локальных схемах регулирования, построенных на устаревших пневматических приборах и регуляторах, которые устарели как морально, так и физически и не обеспечивают требуемого современного уровня надежности и безопасности, а также оптимального процесса регулирования.

Цель проекта — автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП).

Задачи:

— Обоснование системы автоматизации;

— Выбрать технические средства;

— Обосновать структуру системы управления.

1. Описание технологии процесса и нормы технологического режима

1.1 Характеристика колонны К-312

Из парка об.1092 углеводородный конденсат (УВК) поступает по трубопроводу № 9564 Ду80 в межтрубное пространство теплообменника Т-230, где подогревается химзагрязненной водой, выходящей из аппарата Т-209, и направляется через фильтр Ф-330/1,2 (один рабочий, второй резервный) в качестве питания в ректификационную колонну К-302.

Резервная позиция фильтра включается в работу при увеличении перепада давления до и после фильтра выше 1 кгс/см² на работающем фильтре.

Существует схема подачи УВК в емкости Е-390/1,2; Е-396/1,2 для приготовления растворов ингибиторов, В целях предотвращения полимеризации в процессе ректификации насосами Н-341 через фильтр Ф-331/1,2 в куб колонны К-302 подается раствор ингибиторов. Фильтры Ф-331/1,2 — один рабочий, второй резервный. Резервная позиция фильтра включается в работу при увеличении перепада давления до и после фильтра выше 1 кгс/см² на работающем фильтре.

Колонна К-302 — вакуумная, насадочная. Насадка выполнена в виде пакетов, изготовленных из тонкого зигзагообразного перфорированного нержавеющего листа. Внутри колонны расположены, независимо друг от друга, 4 пакета насадки типа «Флексипак», нумерация которых начинается сверху колонны. Питание в колонну К-302 вводится на отм.20,375 м между третьим и четвертым пакетом насадки. Крепление насадки осуществляется следующим образом: на приварном опорном кольце монтируется опорная решетка, на которую укладываются блоки насадки.

Над верхней частью каждого пакета насадки располагается желобчатые распределители жидкости, которые предназначены для равномерного распределения жидкости по насадке. С помощью их распределяются равномерно потоки флегмы, питания и жидкости, стекающей с вышестоящего пакета насадки.

Под первым, вторым и третьим пакетом насадки расположены лопастные коллекторы, которые предназначены для улавливания жидкости с вышестоящих пакетов и для ее транспортировки по двум трубопроводам Ду110 на желобчатые распределители.

Для создания вакуума предназначены 2 пароэжекторные установки — Н-376/1,2. Возможно подключение пароэжекторных установок Н-378/1,2 и Н-379/1,2. На Н-376/1,2, Н-378/1,2, Н-379/1,2 используется пар давлением до 9 кгс/см², редуцированный из пара 20кгс/см².

Температура в кубе колонны К-302 поддерживается с помощью кипятильника Т-303, через который циркулирует кубовая жидкость колонны при помощи насосов Н-306/1,2.

Обогрев кипятильника Т-303 производится паром Р-1,5 кгс/см², редуцированным из пара Р-3,5 кгс/см². Проходя колонну, пары бензол-толуольной фракции (БТФ) с верха колонны поступают в конденсатор Т-304, охлаждаемый оборотной водой.

Несконденсированные пары БТФ поступают из конденсатора Т-304 в конденсаторы Т-305/1,2, где охлаждаются жидкостью низкозамерзающей (ЖНЗ).

Возможно замерзание БТФ в межтрубном пространстве конденсатора Т-305/1,2, во избежание чего предусматривается периодическое отключение их для оттаивания. Конденсат из конденсатора Т-305 стекает в трубопровод слива сборника — конденсатора Т-304, откуда насосом Н-307 подается непрерывно через агломерационный фильтр Ф-306а, частично — через фильтр Ф-330/3,4 (один рабочий, второй резервный) в колонну К-302 в виде флегмы, частично по трубопроводу № 7020 Ду50 — в цех 121/130. Нижний водный слой из фильтра Ф-306а периодически самотеком поступает в подземную емкость Е-301.

Из куба колонны К-302 кубовая жидкость с нагнетания кубовых насосов Н-306 подаётся на всас насосов Н-308 и далее на питание колонны поз. К-312.

1.2 Нормы технологического режима

Нормы технологического режима представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Нормы технологического режима

1.3 Контроль технологического процесса с помощью систем сигнализации и блокировок

Сигнализации и блокировки, с помощью которых контролируется процесс, представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 — Контроль технологического процесса с помощью систем сигнализации и блокировок

2.Обоснование схемы автоматизации

2.1 Анализ колонны К-302 как объекта управления

Рассматриваемый технологический процесс в колонне К-302 является непрерывным процессом ректификации. В колонне происходит разделение УВК на фракции низкокипящего компонента и высококипящего компонента. Каждая из фракций состоит из смеси различных компонентов. В низкокипящий компонент состоит из бензола, толуола и незначительного количества воды, высококипящий — из этилбензола, стирола и вредных примесей (смол, полимера и др.). Так как процесс непрерывный, то он протекает в стационарном установившемся режиме.

Для снижения температуры кипения компонентов, процесс происходит под вакуумом и имеет регламентированную величину остаточного давления: не более 130 мм.рт.ст. для верха колонны и не более 182 мм.рт.ст. для куба колонны. В колонне должно быть как можно меньшее давление для того что бы процесс проходил при меньших температурах, а следовательно и с наименьшей полимеризацией стирола. Задача автоматизации состоит в стабилизации давления путем уменьшении влияния возмущающих воздействий.

Давление в колонне зависит от многих факторов: температуры и количества охлаждающей воды поступающей на сборник-конденсатор Т-304; от температуры и количества ЖНЗ поступающей на конденсаторы Т-305/1,2;, от производительности пароэжекторных установок создающих вакуум; от наличия и количества воды в УВК; от температуры и количества питания подаваемого на колонну; от величины флегмы, от уровня БТФ в Т-304; от температуры окружающей среды и погодных условий. Многие из перечисленных возмущающих воздействий можно стабилизировать и сделать оптимальными.

Температуры верха, куба и в пакетах колонны К-302 зависят от состава смеси компонентов и от давления в точке замера. На состав смеси в этой точке влияют и фракционный состав УВК поступающий в питание колонны, и давление. Факторы, влияющие на давление, перечислены выше, следовательно, они же являются и возмущающими воздействиями и для температур по каждой из точек замера.

2.2 Задачи регулирования, сигнализации и блокировок

Для качественного регулирования процесса необходимо уменьшить влияние выше перечисленных возмущающих воздействий, для этого надо применить следующие схемы регулирования и стабилизации:

2.2.1 Регулирование

1)Расход питания К-302

2)Расход флегмы в К-302

3)Расход кубовой жидкости из К-302 в К-312 с коррекцией по уровню в колонне.

4)Расход БТФ в ц.121/130 с коррекцией по уровню в Т-304.

5)Расход греющего пара в Т-303 с коррекцией по разности между температурой верха колонны и температурой в средней части колонны (между 2 и 3 пакетами насадки) и с динамической компенсацией по температуре и расходу питания.

6)Расход оборотной воды в Т-304 с коррекцией по температуре оборотной воды из Т-304.

7)Уровень в Е-303 выводом конденсата.

8)Температуру ЖНЗ в об.1487/88 подачей ЖНЗ захоложенной в Т-305/1,2.

2.2.2 Сигнализация

1)Уровень в К-302, Т-304, Е-303.

2)Уровень в маслобаках Н-306/1,2; Н-308/1,2.

3)Давление верха и куба К-302.

4)Давление в маслобаках Н-306/1,2; Н-308/1,2.

5)Расход питания, флегмы, дистиллята в К-302.

6)Расход пара в Т-303.

7)Расход воды оборотной в Т-304.

8)Концентрация содержания взрывоопасных веществ в воздухе.

9)Температуры по питанию, флегме, дистилляту и по пакетам в К-302.

10) Температуры подшипников Н-306/1,2; Н-307/1,2; Н-308/1,2.

11) Температуры в маслобаках Н-306/1,2; Н-308/1,2.

12) Выключение Н-306/1,2; Н-307/1,2; Н-308/1,2.

2.2.3 Блокировка

1)Отключение электродвигателей Н-306/1,2; Н-307/1,2; Н-308/1,2 при превышении температуры подшипников.

2)Отключение электродвигателей Н-306/1,2; Н-308/1,2 при превышении температуры в маслобаке.

3)Отключение электродвигателей Н-306/1,2; Н-308/1,2 при понижении давления в маслобаке.

4)Перекрытие отсечного клапана на подаче пара в Т-303 при превышении давления верха и/или куба К-302.

3. Выбор микропроцессорной системы

3.1 Общие требования к микропроцессорной системе

В настоящее время существует большое множество различных контроллеров, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями.

Выбор контроллеров должен определяться следующими критериями:

— функциональные возможности контроллера должны полностью покрывать круг задач, решаемых при автоматизации данного технологического процесса;

— характеристики контроллера, определяющие его быстродействие должны удовлетворять потребностям автоматического управления;

— количественные характеристики контроллера, определяющие число и типы входов и выходов должны быть оптимально соотнесены с информационными характеристиками процесса;

— коммуникационные характеристики контроллеров, тип сети, используемые протоколы и возможность сопряжения с имеющимися и предполагаемыми;

— объем постоянной и оперативной памяти контроллера должен быть достаточным для размещения и оптимального функционирования прилагаемого программного обеспечения. При этом должны учитываться цены контроллеров и дополнительного оборудования.

3.2 Информационное обеспечение процесса

В таблицах 3.1 — 3.4 перечислены все аналоговые и дискретные входные и выходные сигналы с их характеристиками.

Таблица 3.1 — Перечень аналоговых входных сигналов

Таблица 3.2 — Перечень дискретных входных сигналов

Таблица 3.3 — Перечень аналоговых выходных сигналов

Таблица 3.4 — Перечень дискретных выходных сигналов

Далее в таблице 3.5 выведены сводные данные по сигналам, в соответствии с которыми уже подбираются модули ввода-вывода.

Таблица 3.5 — Сводная таблица сигналов

3.3 Выбор и описание контроллера

Из множества различных контроллеров выбран программируемый контроллер CENTUM 3000 фирмы Yokogawa (Япония). Контроллеры данной фирмы уже достаточно часто применяются в нашем регионе, а, следовательно, накоплен большой опыт в подключении и эксплуатации контроллера этой фирмы. Распределенная система управления CENTUM CS3000R3 открывает новую эру в классе распределенных систем управления крупнотоннажными производствами. CENTUM CS3000R3 продолжает линию распределенных систем управления CENTUM фирмы Yokogawa. Системы управления семейства CENTUM зарекомендовали себя как надежные, отказоустойчивые и удобные в эксплуатации и обслуживании системы. Основные задачи, решаемые системами управления CENTUM:

— безопасное ведение технологических процессов;

— реализация решений задач оптимального управления;

— обеспечение устойчивости процессов регулирования;

— управление периодическими процессами;

— взаимодействие с подсистемами верхнего и нижнего уровня;

— сбор и накопление данных.

Система Centum CS3000R3 разработана для управления относительно большими производствами. CS3000R3 отличается от других систем управления семейства Centum тем, что она гибко масштабируема и организована по доменному принципу.

Основные достоинства системы CENTUM CS3000R3:

— Гибкая система резервирования, позволяющая резервировать элементы процессора, системных интерфейсов, модулей ввода/вывода и др.;

— Гибкая конфигурация каждого рабочего места оператора с возможностью независимого накопления исторической информации;

— Доменный принцип организации позволяет организовать истинно распределенное управление;

— Высокая плотность модулей ввода/вывода (64-х канальные модули дискретных сигналов);

— Высокая скорость передачи данных по внутренней шине (шина ESB, скорость 128 Мбит/с);

— Большой объем оперативной памяти контроллеров (до 32 Мбайт);

— Возможно применение 2-х экранных консолей как с ЖК-дисплеями, так и с ЭЛТ-дисплеями;

— Рабочее место оператора комплектуется сенсорной клавиатурой, позволяющей осуществить прямой доступ к любому технологическому окну путем нажатия функциональной клавиши;

— Связь с подсистемами верхнего и нижнего уровней;

— Функция виртуального тестирования, позволяющая выполнять отладку прикладного программного обеспечения как без подключения контроллеров так и с подключением.

3.4 Структура АСУ ТП

В таблице 3.6 перечислены выбранные модули, их назначение, количество каналов и общее количество модулей.

Таблица 3.6 — Сводная таблица модулей ввода-вывода

Карта заказа на микропроцессорную систему приведена в Приложении А.

Рис.

На структурной схеме АСУ ТП обозначено:

HIS — станция оператора

ENG/HIS — инженерная станция

19''Rack — монтажная стойка

FCU — блок управления AFV10D

NU1, NU2 — Node Unit — стойки расширения ввода-вывода

PW482 — резервированный блок питания

CP401 — резервированный процессор

ES401 — резервированный модуль сети ESB для FCU

SB501 — резервированный модуль сети ESB для NU

ASI133 — модуль ввода аналогового сигнала 4−20мА, 8 каналов, со встроенным барьером искрозащиты

ASI533 — модуль вывода аналогового сигнала 4−20мА, 8 каналов, со встроенным барьером искрозащиты

ASD143 — модуль ввода дискретного сигнала NAMUR, 16 каналов, со встроенным барьером искрозащиты

ASD533 — модуль вывода дискретного сигнала 24 В, 8 каналов, со встроенным барьером искрозащиты

ADV151 — модуль ввода дискретного сигнала типа «сухой контакт», 32 каналов, без барьера искрозащиты

ADV551 — модуль вывода дискретного сигнала типа «сухой контакт», 32 каналов, без барьера искрозащиты

T9083NA — изоляционная перегородка

L2-switch — промышленный свитч

AEP7D — центральный модуль питания

3.5 Привязка информационных сигналов к клеммам модулей

Привязка информационных сигналов процесса к клеммникам устройств ввода-вывода отображена в таблице 3.7.

Таблица 3.7 — Привязка информационных сигналов к клеммам модулей Таблица Таблица Таблица Таблица Таблица

Заключение

В процессе проектирования разработана автоматизированная система управления технологическим процессом колонны К-302 установки «Стирола».

Проектирование микропроцессорной системы выполнено в соответствии с технологическим регламентом установки. Был проанализирован процесс происходящий в колонне и применены оптимальные схемы регулирования ключевых параметров для достижения стабильного качества продукции.

Для контроля и регулирования параметров процесса была выбрана, исходя из требуемых условий взрывобезопасности и климатического расположения объекта, микропроцессорная система.

После анализа процесса как объекта управления, был выбран контроллер, наиболее подходящий для выполнения данной задачи.

В качестве системы управления выбран контроллер с резервированной системой управления Centum 3000 производства фирмы Yokogawa.

Проанализировав входные и выходные сигналы объекта управления, были выбраны модули ввода-вывода, удовлетворяющие требованиям безопасности.

Подытожив выше сказанное, можно заключить, что в процессе выполнения проекта были решены следующие задачи:

— Обоснована система автоматизации;

— Выбраны технические средства и контроллер;

— Обоснована структура системы управления.

1.Технологический регламент установки «Стирола».

2.А. С. Клюев и другие. «Проектирование систем автоматизации технологических процессов».

3.А. С. Клюев и другие. «Наладка средств автоматизации и АСР». Справочное пособие.

4.П. В. Куропаткин. «Теория автоматического управления».

5.Бесекерский В. А. Теория систем автоматического управления: Учеб. для ВУЗов / В. А. Бесекерский, Е. П. Попов / СПб: — Изд-во «Профессия», 2003 — 747с

6.ГОСТ 2.105 — 95. Общие требования к текстовым документам.

7.ГОСТ 34.201 — 89. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Виды, комплексность и обозначения документов при создании автоматизированных систем. — Взамен ГОСТ 24.101−80; введ. 1990;01−01. — М.: Издательство стандартов, 1991. — 105−127 с.

8.ГОСТ 34.003 — 90. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения. — Взамен ГОСТ 24.003−84; введ. 1992;01−01. — М.: Издательство стандартов, 1991. — С.105 -127.

9.РД50 — 34.698−90 Методические указания/ Информационная технология. Ком-плекс стандартов на автоматизированные системы. Термины и определения. — М.: Издательство стандартов, 1991. — С.66 — 96.

10.ГОСТ 7.1−2003. Библиографическая запись. Библиографическое описание: Общие требования и правила составления [Текст]. — Взамен ГОСТ 7.1−84; введ. 2004;07−01. — М.: Изд-во стандартов, 2004. — 48 с.

11.ГОСТ 7.82−2001. Библиографическая запись. Библиографическое описание электронных ресурсов: Общие требования и правила составления [Текст]. — Введ. 2002;07−01. — М.: Изд-во стандартов, 2002. — 23 с.

12.ГОСТ 21.408 СПДС. Правила выполнения рабочей документации автоматиза-ции технологических процессов.

13.ГОСТ 21.101 — 93 СПДС. Основные требования к рабочей документации.

14.ГОСТ 21.101 — 95 СПДС. Правила выполнения спецификации оборудования, изделий и материалов.

15.ГОСТ 2.701 — 84. Схемы. Виды и типы. Общее требования к выполнению.

16.РМ 4−59−95. Системы автоматизации технологических процессов. Оформле-ние и комплектование проектов.

17.РМ 4−206−95. Спецификация оборудования, изделий и материалов. Указание по выполнению.

18.СНиП 1.02.01−85. Инструкция о составе, порядке разработки, согласования.

Приложение

Таблица. Карта заказа на микропроцессорную систему