Проектирование автоматической системы управления температурным режимом печи пиролиза П-101 установки получения технического водорода

• Введение
• 1. Описание технологического процесса и технологической схемы производства
• 1.1 Описание технологического процесса
• 1.2 Описание технологической схемы паро-углекислотного пиролиза углеводородного сырья
• 2. ТЭО объекта автоматизации
• 2.1 Производственные связи установки производства технического водорода
• 2.2 Технико-технологическая и экономическая характеристика производства
• 2.3 Обоснование концепции автоматизации
• 2.3.1 Характеристика уровня автоматизации производства технического водорода
• 2.4 Формулирование проблем
• 2.4.1 Повышения уровня пожаровзрывобезопасности
• 2.4.2 Улучшения экологических показателей производства
• 2.4.3 Улучшения условий труда
• 2.4.4 Повышение объема производства
• 2.4.5 Снижения себестоимости Синтез-Газа
• 2.4.6 Повышения качества Синтез-Газа
• 2.5 Формулирование целей
• 2.5.1 Формулирование целей по проблеме улучшения условий труда
• 2.5.2 Формулирование целей по проблеме повышения надежности получения продукции заданного качества
• 2.5.3 Формулирование целей по проблеме снижения себестоимости
• 2.6 Выбор дефектной стадии и цели автоматизации на уровне стадии
• 2.7 Обоснование критерия экономической целесообразности
• 2.8 Технологический анализ печи пиролиза П-101
• 2.9 Выбор и обоснование критерия оптимального управления технологической стадии
• 2.10 Выводы
• 3.Идентификация объекта управления
• 3.1 Постановка задачи
• 3.2 Математическое описание объекта управления
• 3.3.1 Эксперимент по определению динамических характеристик
• 3.3.2 Обработка результатов исследования объекта
• 4. Алгоритмизация, расчеты и моделирование АСР
• 4.1 Характеристика технологического объекта и оценка действующих возмущений
• 4.2 Сравнительный анализ и выбор АСР, для поддержания заданной температуры продукта на выходе печи
• 4.3 Расчет одноконтурных АСР
• 4.3.1 Расчет одноконтурной АСР температуры на выходе печи
• 4.3.2 Расчет одноконтурной АСР расхода топливного газа
• 4.4 Расчет каскадной АСР
• 4.5 Сравнение одноконтурных и каскадных АСР
• 4.6 Расчет и моделирование комбинированной системы
• 4.7 Расчет и моделирование системы с учетом нелинейностей
• 4.8 Реализация системы управления
• 4.9 Выводы
• 5. Выбор и анализ комплекса средств автоматизации
• 5.1 Характеристика используемых средств автоматизации
• 5.2 Метрологический расчет измерительного канала
• 5.3 Расчет надежности системы автоматического регулирования
• 5.4 Выводы
• 6. Проектирование системы автоматизации
• 6.1 Функциональная схема
• 6.2 Принципиальная схема питания
• 6.3 Принципиальная схема управления
• 6.4 Схема соединений и подключения внешних проводок
• 6.6 План расположения оборудования и проводок
• 6.7 Чертежи общих видов щитов и пультов
• 7. Безопасность жизнедеятельности
• 7.1 Общая характеристика производства
• 7.2 Анализ условий труда
• 7.3 Мероприятия по безопасному выполнению работ
• 7.3.1.1 Требования безопасности при пуске и остановке технологически систем и отдельных видов оборудования, выводе их в резерв, нахождении в резерве и при выводе из резерва в работу
• 7.3.1.2 Вывод оборудования в резерв
• 7.3.1.3 Правила обслуживания резервного оборудования
• 7.3.1.4 Вывод оборудования из резерва в работу
• 7.3.2 Средства индивидуальной защиты работающих
• 5.3.3 Меры безопасности при ведении технологического процесса
• 7.4 Обеспечение пожарной безопасности предприятия
• 7.4.1 Требования к обеспечению взрывобезопасности технологических процессов
• 7.4.1.1 Блок пиролиза
• 7.4.1.2 Блок поташной очистки, включая насосную (корп.332)
• 7.4.1.3 Блок мембранного разделения пирогаза
• 7.4.1.4 Блок компрессии
• Заключение
• Список литературы
• Приложения
• Введение
• В связи с развитием предприятий нефтегазоперерабатывающей и химической промышленности возникает необходимость в высоком уровне метрологического обеспечения производства. Объёмы производства химических предприятий измеряются сотнями тысяч тонн в год. Даже небольшие отклонения в измерении технико-экономических показателей производства могут принести предприятию ощутимые экономические убытки. Условия, в которых осуществляются технологические процессы, характеризуются высокими значениями параметров проведения процессов. Всё это приводит к тому, что химические предприятия представляют повышенную опасность для окружающей среды, масштабы последствий аварийных ситуаций могут быть очень значительными.
• Для того чтобы предотвратить появление подобных проблем, химические производства должны иметь совершенные системы управления, которые брали бы на себя большинство функций управления, технологическими процессами, а в нештатных ситуациях предотвращали аварийные ситуации. В результате возникают задачи точного измерения и контроля технологических параметров, поддержания средств КИП и, А в работоспособном состоянии и обеспечения их высокой надёжности.

АСУТП разрабатывается с целью:

· достижения максимальной производительности и качества продукции за счет оперативного управления тех. процессом и соблюдения требований регламента;

· получения достоверной оперативной информации с технологических объектов для решения задач рационального управления и согласования режимов работы в рамках производственной цепочки;

· увеличения межремонтного периода работы оборудования, сокращение простоев, увеличение коэффициентов полезного использования технологического оборудования и сооружений благодаря повышению оперативности и надёжности контроля и диагностики;

· снижения трудоёмкости управления технологическими процессами и эксплуатационных затрат;

· повышения безопасности производства, в т. ч. обеспечение безопасной и безаварийной эксплуатации технологических объектов, сооружений и оборудования.

Технический водородэто полуфабрикат и он будет использоваться:

1. В производстве бутиловых спиртов

2. В производстве 2-этилгексанола Так же тех. водород — частично товарный продукт, т.к. в дальнейшем он реализуется ОАО «Минеральные удобрения». Показатели качества получаемого технического водорода не всегда удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям ГОСТа.

В данном дипломном проекте будет решена задача разработки и проектирования АСУТП для управления температурным режимом печи пиролиза П-101 установки получения технического водорода, что позволит снизить получение технического водорода неудовлетворяющего требованиям ГОСТ.

1. Описание технологического процесса и технологической схемы производства

1.1 Описание технологического процесса

Основным процессом получения окиси углерода и технического водорода является каталитический пиролиз метана в присутствии водяного пара и углекислого газа, протекающий под давлением 12−17 кгс/см² в трубчатой печи, реакционные трубы которой заполнены никелевым катализатором К-87 (ГИАП-8, ГИАП-16, К-905), с подводом тепла через стенки реакционных труб.

Природный газ, поступающий в трубчатую печь, должен содержать не более 0,010 г/м³ соединений серы из-за опасности отравления никеля в катализаторе. Поэтому, при наличии большего количества серы, предусмотрена сероочистка исходного газа на катализаторе Д-49 по реакции:

ZnO + H₂S = ZnS + H₂O (1)

В основе катализатора сероочистки содержится окись цинка и окись меди. Процесс поглощения сернистых соединений осуществляется при температуре 300−360^оС, поэтому предварительно исходный газ проходит подогрев.

На стадии пиролиза сырья идут следующие основные реакции:

CH₄ + H₂O ——-> CO + 3 H₂ — 49 ккал/моль (2)

СH₄ + CO₂ ——-> 2CO + 2 H₂ — 59 ккал/моль (3)

CO + H₂O ——-> CO₂ + H₂ + 9,8 ккал/моль (4)

Необходимый для компенсации эндотермичности процесса подвод тепла осуществляется за счет сгорания топливного газа.

Очистка продуктов пиролиза (пирогаза) от двуокиси углерода раствором горячего поташа осуществляется в абсорбере (колонном аппарате) по реакции:

K₂CO₃ + CO₂ + H₂O ——-> 2 KHCO₃ (5)

Принятая двухступенчатая схема поташной очистки позволяет осуществить более полную очистку от двуокиси углерода, так как газ после предварительной грубой очистки в нижней части абсорбера проходит тонкую очистку в верхней части абсорбера, которая орошается раствором с более низкой температурой и большей степенью регенерации.

При регенерации поташного раствора путем снижения давления с 12 кгс/см² до атмосферного, реакция (5) протекает в обратном направлении.

Подвод тепла для регенерации производится за счет подачи пирогаза с температурой 180⁰С в трубное пространство Т-103 и подачи острого пара в куб регенератора.

Более полная глубина очистки газа от двуокиси углерода достигается за счет добавки к раствору поташа диэтаноламина.

Добавка пятиокиси ванадия к раствору поташа снижает коррозионную активность раствора.

В процессе эксплуатации поташной очистки следует опасаться снижения температуры раствора ниже 40^оС, что ведет к кристаллизации поташа и забивке аппаратуры и трубопроводов.

Для разделения пирогаза, прошедшего очистку от двуокиси углерода, на водород и смесь окиси углерода и водорода (синтез-газ) принят процесс мембранного разделения газов по технологии фирмы «Монсанто» .

В процессе разделения использовано явление селективной проницаемости газовой смеси через полимерные волокнистые перегородки — мембраны. Водород и влага легко проходят через стенки волокон мембран из полости высокого давления в полость низкого давления. Метан, окись углерода проходят через волокна мембран с гораздо меньшей скоростью.

Таким образом, в результате различной проницаемости компонентов газовой смеси при многоступенчатом прохождении через мембраны происходит изменение состава смеси:

— уменьшается доля легкопроникающих компонентов;

— смесь обогащается труднопроникающими компонентами.

В итоге происходит разделение газовой смеси на водород и смесь окиси углерода и водорода.

Так как за цель автоматизации была принята печь пиролиза, то дадим описание технологической схемы пароуглекислотного пиролиза углеводородного сырья.

1.2 Описание технологической схемы паро-углекислотного пиролиза углеводородного сырья

Исходный газ (природный газ) поступает на установку с АГРС-1 и направляется через клапан регулятора давления поз.1304, электрозадвижку поз.1604 и клапан регулятора расхода поз.1205 на предварительный подогрев в подогреватель Т-100, расположенный в конвекционной части печи П-101. Нижнее и верхнее значения давления исходного газа поз.1304 сигнализируются.

В подогревателе Т-100 газ подогревается за счет тепла дымовых газов, выходящих из печи П-101.

Давление исходного газа перед Т-100 регистрируется прибором поз.1312. Температура исходного газа после подогревателя Т-100 регистрируется прибором поз.1022.

После подогрева исходный газ очищается от сернистых соединений в реакторе Р-100 и смешивается в смесителе С-1 с углекислым газом, предварительно подогретым в подогревателе Т-101 и перегретым в Т-303/2 водяным паром в весовом соотношении 1:0,5−3,5:2,0−3,5.

Температура в слое катализатора в реакторе Р-100 регистрируется прибором поз.1023.

Предусмотрена подача исходного газа в смеситель С-1, минуя Р-100, если содержание сернистых соединений в исходном газе не превышает нормы и исходный газ не нуждается в дополнительной очистке.

Парогазовая смесь поступает в два распределительных коллектора и далее в реакционные трубы печи П-101,заполненные катализатором К-87 (ГИАП-8, ГИАП-16, К-905). В трубах печи П-101 на катализаторе осуществляется процесс пиролиза углеводородов за счет тепла сгорания топливного газа.

Температура стенок реакционных труб печи замеряется пирометром «Проминь» .

Для активизации катализатора предусмотрена возможность подачи в исходный газ 99% водорода от секции TV-3 компрессора В-102 (В-102р) через клапан регулятора давления поз.5445 и клапан регулятора расхода поз.1221.

Для предупреждения образования в факельной системе взрывоопасной смеси предусмотрена непрерывная подача продувочного (природного) газа. Природный газ через клапан регулятора давления поз.1305 и клапан регулятора расхода поз.1202 подается в трубопровод факела 0,5 кгс/см². В случае прекращения подачи природного газа срабатывает блокировка, открывается отсекающий клапан поз.1610 и обеспечивается подача азота.

Давление в трубопроводе факела 0,5 кгс/см² регистрируется прибором поз.1348. Давление в трубопроводе подпора факела 0,5 кгс/см² регистрируется прибором поз.1346.

Часть природного газа после клапана регулятора давления поз.1305 подается для подогрева в теплообменники Т-104/1,3 и далее через электрозадвижку поз.1609 поступает на горелки печи П-101. Расход топливного газа регистрируется прибором поз.1203.

Давление топливного газа на входе в печь П-101 поддерживается автоматически клапаном регулятора поз.1344, сигнализируется и блокируется по минимальному значению. Расход топливного газа на каждую сторону печи регистрируется приборами поз.1216−1219 и сигнализируется по минимальному значению.

Разрежение дымовых газов под сводом печи регистрируется приборами поз.1314,1315.

Дымовые газы из радиантной части печи поступают в конвекционную часть, со встроенными в нее змеевиками подогревателей, для подогрева газов, воды, получения и перегрева пара (Т-100, Т-101, Т-300, Т-301, Т-302 и Т-303/1,2), отсасываются дымососами В-104/1,2 и сбрасываются через дымовую трубу в атмосферу.

Температура дымовых газов перед дымососами В-104/1,2 регистрируется приборами поз.1090−1093. Разрежение дымовых газов перед дымососами регистрируется прибором поз.1341 с блокировкой и сигнализацией по минимальному значению. Содержание кислорода в дымовых газах на входе в конвекционную часть печи определяется автоматическим поточным анализатором поз.1500. Газ пиролиза из реакционных труб печи П-101 проходит охлаждающие коллекторы-холодильники Т-102a-f, где охлаждается котловой водой, поступающей из Е-300, и направляется в испаритель Е-100. Температура пирогаза после печи П-101 регистрируется приборами поз.1053−1064.Температура пирогаза на выходе из охлаждающих коллекторов Т-102a-f регистрируется приборами поз.1030−1035, давление — прибором поз.1352. Для снижения температуры пирогаза, поступающего в испаритель Е-100, предусмотрен впрыск питательной воды в трубопровод пирогаза после Т-102a-f.

2. ТЭО объекта автоматизации

2.1 Производственные связи установки производства технического водорода

Сырьем установки производства технического водорода является: природный газ (в дальнейшем исходный газ); паровой конденсат; СО₂ и азот. Природный газ, как видно из схемы, поступает с ГРС-1. Пришедший с цеха-40 паровой конденсат подвергается обработке (деаэрация и т. п.) затем в виде перегретого пара он поступает в печь пиролиза П-101. Углекислый газ и азот поступают с завода ОАО «Минеральные удобрения» .

Рис. 1 Производственные связи установки производства водорода.

Основным продуктом установки производства технического водорода является водород -99%, 98%.

Побочным продуктом производства технического водорода является углекислый газ.

Полученный технический водородэто полуфабрикат и он будет использоваться:

3. В производстве бутиловых спиртов

4. В производстве 2-этилгексанола

Так же тех. водород — частично товарный продукт, т.к. в дальнейшем он реализуется ОАО «Минеральные удобрения» .

2.2 Технико-технологическая и экономическая характеристика производства

В производстве технического водорода технологический процесснепрерывный и малостадийный.

Сырье и продукты реакции являются пожарои взрывоопасным т.к. в сырье входит природный газ, а в продукты водород-99. В следствие этого в производстве существует ПАЗ (система сигнализаций и блокировок).

Материальные потоки на всех этапах находятся в газообразном состоянии. Производство материалоемкое.

Технологический процесс достаточно современен.

Вывод: т.к. производство материалоемкое, то одним из приоритетных направлений улучшения экономических показателей можно назвать увеличение выхода водорода на загруженное сырье.

2.3 Обоснование концепции автоматизации

2.3.1 Характеристика уровня автоматизации производства технического водорода

Судить об уровне автоматизации сложно, т.к. единого показателя, по которому можно судить об уровне автоматизации в настоящее время не существует. Поэтому уровень автоматизации оценивается: по уровню автоматизации функций управления, сложности реализованных функций и техническому уровню средств автоматизации.

Установка производства водорода состоит из трех стадий:

1. Получение пирогаза в печи пиролиза П-101;

2. Очистка пирогаза от СО₂ в отделении поташной очистки;

3. Отделение мембранного разделения пирогаза (получение водорода).

Уровень автоматизации на этих стадиях различен. Дадим краткую характеристику автоматизации установки производства технического водорода, проанализировав все три стадии отдельно.

1. Уровень автоматизации печи пиролиза Таблица 1. перечень автоматизированных функций управления технологических параметров установки — печь пиролиза

Таблица 2. способы реализации автоматизированных функций управления

Все выше перечисленные автоматизированные функции, в том числе функции сигнализации, защиты и блокировки реализованы технически одинаково.

Измерение, контроль, регистрация технологических параметров осуществляется преимущественно контрольно-измерительными пневматическими приборами системы «Старт», которые были установлены 80х годах. Приборы данного типа физически изношены и морально устарели, нуждаются в большем объеме работ на их обслуживание, капитальный и текущий ремонт. Поэтому все последние годы увеличивалась трудоемкость работ и стоимость ремонта и обслуживания этих приборов.

Исходя, из выше изложенного считаем, что уровень автоматизации данного отделения не полностью соответствует современным требованиям. В частности требуют замены приборы системы «Старт», что и предполагается в выполнить в дипломном проекте. Функции контроля за состоянием процесса и регулирования параметров осуществляет технологический персонал. Комплекс технических средств не удовлетворяет современным требованиям.

Уровень автоматизации считаем низким, т.к. не все основные функции управления технологическими параметрами автоматизированы, используемый КТС морально устарел и требует скорейшей замены на современные ТСА.

2. Уровень автоматизации отделение поташной очистки Таблица 3. перечень автоматизированных функций управления технологических параметров отделения поташной очистки

Таблица 4 — Способы реализации автоматизированных функций

Из анализа данных таблицы 3 и таблицы 4 можно сделать выводы, что:

— все необходимые функции управления автоматизированы;

— практически все способы реализации функций управления соответствуют современным требованиям.

3. Уровень автоматизации отделения мембранного разделения пирогаза Таблица 5. перечень автоматизированных функций управления технологических параметров отделения мембранного разделения пирогаза

Таблица 6 — Способы реализации автоматизированных функций

Вывод по последним двум стадиям:

— все функции управления, необходимые для качественного ведения технологического процесса, автоматизированы;

— способы реализации этих функций соответствуют современным требованиям;

— комплекс технических средств соответствует современным требованиям и обеспечивает высокую точность поддержания технологических параметров и надежность функционирования;

— из выше сказанного следует, что уровень автоматизации на последних двух стадиях высокий.

2.4 Формулирование проблем

2.4.1 Повышения уровня пожаровзрывобезопасности

Установка пиролиза углеводородного сырья в производстве технического водорода является пожаровзрывоопасной. В качестве сырья для процесса горения используется природный газ, а продуктом реакции является водород.

Уровень пожаровзрывобезопасности поддерживается за счет: организационных, механических и автоматических мероприятий. К организационным мероприятиям относят правила и инструкции по охране труда и соблюдение техники безопасности. Пожаровзрывобезопасность конструкции оборудования относится к механическим мероприятиям.

Так как используются ТСА 80-х годов, то существует проблема повышения уровня пожаровзрывобезопасности, потому что они не соответствуют современным требованиям к показателям надежности и т. п.

2.4.2 Улучшения экологических показателей производства

Выбросы сырья или продукта реакции в промышленную зону отсутствуют. Выбросы, образующиеся при сжигании газа в промышленных печах (содержание СО, топлива), контролируются специальными приборами и не превышают ограничивающих норм. Следовательно, проблемы улучшения экологических показателей производства не существует.

2.4.3 Улучшения условий труда

Организация рабочего места оператора.

Рис. 2 План станции оператора.

1 операторский стенд

2 стол оператора (где расположены документация и персональный компьютер оператора)

3 Рабочее место оператора Рис. 3 План рабочего места Данное рабочее место предназначено для наблюдения за ходом технологического процесса.

1 — ПК

2 — Стол оператора

3 — рабочее кресло оператора

4 — сигнализаторы

5 Регулятор

6 Вторичные регистрирующие органы.

Как видно из рисунков 2 и 3, Операторная находится в отдельном помещении, оборудованном согласно физико-эргономическим требованиям. Шум и вибрация отсутствуют. Санитарно-гигиенические показатели в операторной соответствуют нормативным требованиям. Технологический персонал ведет контроль за параметрами, отражающими состояние технологического процесса выведенными на местный щит управления в операторном отделении, исходя, из изменения функции которых принимаются решения по управлению процессом. Доля умственного труда (доля затрат времени на выполнение функций управления) преимущественна.

В связи с частыми изменениями параметров процесса характерна высокая напряженность труда при ведении режима, поэтому в производстве существует проблема улучшения психофизиологических условий труда.

2.4.4 Повышение объема производства

Установка получения технического водорода является поставщиком сырья на другие установки. На этих установках требуется дополнительное количество продукции, поэтому существует проблема повышения объема выпускаемой продукции.

2.4.5 Снижения себестоимости Синтез-Газа

Проблема себестоимости существует всегда, есть она и на этой установке.

2.4.6 Повышения качества Синтез-Газа

Соответствие качественных показателей продуктов установки фактических нормативным показаны в таблице.

Таблица 7.

Как видно из таблицы в среднем нарушений по качеству водорода нет.

Однако, в ходе прохождения практики было установлено, что имеют место несоответствия показателей качества нормам ГОСТ. Существует проблема повышения надежности показателей качества технического водорода.

2.5 Формулирование целей

Таким образом, на установке получения технического водорода существуют следующие проблемы:

— улучшения психофизиологических условий труда оператора;

— увеличения объема производства водорода;

— повышения надежности получения водорода заданного качества;

— снижения себестоимости технического водорода.

2.5.1 Формулирование целей по проблеме улучшения условий труда Как уже отмечалось, в настоящее время, большинство функций управления осуществляются вручную. Поэтому труд технологического персонала достаточно напряженный, поэтому за цель автоматизации принимается улучшение психофизиологических условий труда за счет автоматизации функций управления осуществляемых вручную.

2.5.2 Формулирование целей по проблеме повышения надежности получения продукции заданного качества

Повысить надежность можно за счет повышения точности поддержания технологических параметров. Поэтому за цель автоматизации принимаем повышение точности поддержания технологических параметров.

2.5.3 Формулирование целей по проблеме снижения себестоимости

Себестоимость в химическом производстве зависит от точности поддержания технологических параметров, соответственно за цель автоматизации принимаем повышение точности поддержания технологических параметров.

2.6 Выбор дефектной стадии и цели автоматизации на уровне стадии

Дефектной называется стадия, результативные показатели которой сдерживают достижения целей, сформулированных для производства.

Рис. 4 Схема производства технического водорода.

При уменьшении процентного содержания водорода в готовом продукте то выпускается брак, а если выпускается брак, то уменьшается выпуск продукции. Качество продукта зависит от точности соблюдения технологического режима трех стадиях. Если выпускается продукция неудовлетворяющего ГОСТ качества, то какая-то стадия (или несколько) является дефектной. Технический водород не удовлетворяет требованиям ГОСТ, т.к. на отделение мембранного разделения поступает сырье неудовлетворяющее существующие нормы, следовательно, отделение мембранного разделения не дефектная стадия. Отделение поташной очистки так же не является дефектной, потому что пиролизный газ с печи пиролиза поступает на отделение низкого качества. Дефектной стадией является печь пиролиза П-101.

2.7 Обоснование критерия экономической целесообразности

В настоящее время показателем, с которым связаны экономические интересы предприятия, является прибыль (П). Тогда критерий экономической целесообразности автоматизации К_Р можно записать следующим образом:

К_Р > мах П (2.1)

Так как внедрение систем автоматизации требует капитальных затрат (К), то учет всех экономических последствий автоматизации на предприятии требует учета капитальных затрат (К_ДОП), необходимых для увеличения прибыли. Тогда К_Р > мах (П — ЕК_ДОП), (2.2)

где Е — нормативный коэффициент сравнительной экономической эффективности, устанавливается предприятием, внедряющим СА и АСУТП, в зависимости от стоящим перед ним задач и состояния его финансов.

Однако, чтобы cвязать через такой критерий интересы предприятия и общества, необходимо установить социально правовые ограничения, например выполнять трудовое законодательство, законы об охране окружающей среды и социальной защите трудящихся и т. п.

Тогда К_Р > мах (П — ЕК_ДОП); (2.3)

при условии, что установленные государством социально правовые ограничения выполняются.

Экономический эффект будет определяться выражением:

Э = (П_П — П_Д) — ЕК_АВ (2.4)

где П_П, П_Д — прибыль после и до автоматизации;

К_АВ — капитальные вложения в автоматизацию, руб.

(в общем случае это дополнительные капитальные вложения).

Для обеспечения наглядности и повышения технико-экономической содержательности критерия выполним ряд преобразований формулы для расчета экономического эффекта:

Э = [ П_Д (В_П — В_Д) + В_П (С_Д — С_П) + ?Ц В_П ] - Е К_АВ (2.5)

где В_П, В_Д — объем реализации продукции до и после автоматизации;

С_Д, С_П — себестоимость единицы продукции до и после автоматизации;

П_Д — прибыль от реализации единицы продукции до автоматизации;

?Ц — повышение цены, если в результате автоматизации повышается качество продукта и это учитывается в цене.

Для обоснования экономического эффекта результатов предложений по автоматизации, выполненных в дипломном проекте, формулу (2.5) целесообразно преобразовать таким образом, чтобы она учитывала ТЭП, в результате улучшения которого достигается экономический эффект и такое улучшение принято ранее за цель автоматизации.

Предполагаемые экономические последствия автоматизации: увеличится процентное содержание водорода в пирогазе, в результате этого повысится: надежность получения водорода заданного качества; уменьшается наработка брака, который частично возвращался в рецикл; увеличился объем производства.

Экономический эффект в этом случае следует определять по формуле:

ЭЭ= Пд (Вп — Вд)+Вп Ц_п (РН_д^п-РН_п^п)] + Н_дDВDЗ_авт — ЕК_доп;

где:

Пд — прибыль от реализации единицы тех. водорода до автоматизации;

Вд, Вп — объем реализации тех. водорода до и после автоматизации;

РН_д^п, РН_п^п — расходные нормы топливного газа до и после автоматизации Ц_п — цена продукта установки;

Н_д — постоянные расходы в себестоимости еденици продукции до автоматизации;

DЗ_авт — затраты на эксплуатацию средств автоматизации.

2.8 Технологический анализ печи пиролиза П-101

Ведущими называются параметры, незначительное изменение которых приводит к существенному изменению результативного показателя. С целью уменьшения затрат на автоматизацию из технологических параметров в качестве объектов автоматизации выбираются ведущие параметры.

На рисунке изображена блок — схема печи П-101.

Рис. 5 блок — схема печи П-101.

Цель — увеличение процентного содержания водорода.

В процессе выбора ведущих параметров были проанализированы данные регламента. Было установлено, что процентное содержание водорода в большей степени зависит от температуры в печи, следовательно, ведущим параметром является температура в печи. Но так как температуру в печи не измеряем, а процесс непрерывный, интенсивный, поэтому о температуре в печи судим по температуре на выходе с печи.

Зависимость процентного содержания водорода в пирогазе от температуры на выходе из печи показана на рисунке 6.

Рис. 6 Зависимость процентного содержания водорода в зависимости от температуры пирогаза на выходе из печи.

Проанализировав рисунок 6, видим, что максимальный выход водорода происходит при температуре 850 ^ОС. В соответствии с рисунком, температура пирогаза на выходе с печи должна поддерживаться с точностью ±5 ^ОС, т. е 845±5 ^ОС.

В настоящее время на производстве в печи пиролиза по регламенту поддерживается температура 800±50 ^ОС. Существующий уровень автоматизации объекта не обеспечивает необходимый уровень точности поддержания температуры. Поэтому не выполняется задача управления печью.

В настоящее время температура печи регулируется расходом топливного газа, с помощью одноконтурной САР. Этого недостаточно для решения поставленной задачи управления, т.к. на температуру в печи влияет и нагрузка по сырью.

В дипломном проекте предлагается повысить точность поддержания температуры путем введения каскадного регулирования с компенсацией возмущений по расходу топливного газа и нагрузке в печи.

К_у>Т_{пирогаза} = 845±5 ^ОС.

Т_{пирогаза} — температура пирогаза на выходе из печи.

2.9 Выбор и обоснование критерия оптимального управления технологической стадии

После установления экономической целесообразности внедрения системы автоматизации необходимо обеспечить оптимальное функционирование автоматизированного технологического процесса. Для этого должно быть реализовано оптимальное управление им, что в свою очередь требует выбора соответствующего критерия.

За цель автоматизации печи приняли повышение процентного содержания водорода в пирогазе.

Критерий оптимального управления — это показатель, который включается в систему автоматизированного управления технологическим процессом и по отклонению, которого от оптимального уровня осуществляется управление процессом.

К_у>%содержание Н₂ в пирогазе По данному критерию управлять процессом возможно, однако это требует усложнения существующего уровня автоматизации за счёт введения дополнительных приборов учёта и контроля, что требует больших капитальных затрат.

Так как по данному критерию управлять процессом нецелесообразно, то управлять процессом будем по косвенным параметрам. Следовательно, за критерий управления принимается ведущий параметр:

К_у>Т_{пирогаза} = 845±5 ^ОС.

Основу критерия оптимального управления технологическим процессом получения технического водорода принимается поддержание температуры на выходе с печи, что приведет к увеличению полноты реакции и, следовательно, процентного содержания водорода в пирогазе.

2.10 Выводы

Таблица 8.

В результате выполнения технико-экономического анализа установлено:

На установке получения технического водорода существуют следующие проблемы:

— улучшения психофизиологических условий труда оператора;

— увеличения объема производства водорода;

— повышения надежности получения водорода заданного качества;

— снижения себестоимости технического водорода.

Из анализа работы установки выяснилось что:

— на установке имелись случаи производства брака, технический водород не полностью удовлетворяет требованиям нормативной документации;

— частично брак подаётся на повторную переработку, в результате чего увеличивается себестоимость продукта;

— получение брака связано с неточным поддержанием технологических параметров.

Для решения существующих проблем сформулированы следующие цели автоматизации на уровне производства:

— ликвидация наработки брака за счёт повышения точности поддержания технологических параметров.

Уровень автоматизации установки достаточно высокий, однако, из-за того, что управление осуществляется одноконтурными САР, не полностью учитываются все возмущающие воздействия.

В дипломном проекте предлагается повысить точность поддержания температуры путем введения каскадного регулирования с компенсацией возмущений по расходу топливного газа и нагрузке в печи.

Дефектной стадией в производстве является печь пиролиза. Эта стадия принята за объект автоматизации.

Обоснован и сформулирован критерий экономической целесообразности. Экономический эффект предложенного варианта автоматизации достигается за счет точности поддержания технологических параметров, при этом повысится: надежность получения водорода заданного качества, увеличился объем производства. А так же уменьшится наработка брака, который частично возвращался в рецикл, что приведет к уменьшению расходных норм.

Для определения ведущего параметра проанализированы зависимости ТЭП процесса от его технологических параметров. На основании результатов анализа было установлено, что процентное содержание тех. водорода зависит от точности поддержания температуры печи пиролиза. На основании полученной зависимости был определён оптимальное значение ведущего параметра и его допустимая дисперсия:

К_у>Т_{пирогаза} = 845±5 ^ОС.

Возможность поддержания температуры в данном диапазоне будет определена после автоматизации.

3. Идентификация объекта управления

3.1 Постановка задачи

В качестве технологического объекта управления в дипломном проекте рассматривается печь пиролиза.

В результате технико-экономического обоснования объекта автоматизации было установлено, что на установке получения технического водорода существуют следующие проблемы:

— улучшения психофизиологических условий труда оператора;

— увеличения объема производства водорода;

— повышения надежности получения водорода заданного качества;

— снижения себестоимости технического водорода.

Для решения существующей проблемы были сформулированы соответствующие цели автоматизации (см. раздел 2).

На сегодняшний день уровень автоматизации печи П-101 достаточно низок для выполнения поставленной задачи (используются ТСА 80х годов). Поэтому, предлагается усовершенствовать существующую систему управления путем внедрения каскадной схемы автоматического регулирования, и замены технологических средств автоматизации.

3.2 Математическое описание объекта управления

Для расчета САР необходимо знать математическую модель объекта управления, т. е. уравнения, которые описывают процессы, происходящие в системе.

Аналитический вывод таких уравнений для промышленных объектов довольно сложен, поэтому модель динамики объекта получена методом активного эксперимента, который заключается в снятии переходных характеристик и определении по ним видов и коэффициентов передаточной функции. Переходная характеристика представляет собой решение дифференциального уравнения системы при ступенчатом входном воздействии и нулевых начальных условиях. Она, как дифференциальное уравнение, характеризует динамические свойства линейной системы:

— стационарность свойств объекта;

— линейность объекта регулирования;

— сосредоточенность параметров объекта.

3.3.1 Эксперимент по определению динамических характеристик

Математическая модель объекта управления была получена методом активного эксперимента. Метод заключается в снятии переходных характеристик и определения по ним коэффициентов передаточной функции.

По выбранному контуру в процессе прохождения производственной практики был проведен активный эксперимент, следующим образом.

На вход системы с отключенным регулятором подали ступенчатое воздействие в виде 5% открытия клапана. Затем снимаем переходную характеристику.

Рис. 3.1. Ступенчатое воздействие на объект В результате ступенчатого воздействия на объект были получены кривые разгона, представленные на рисунках 3.1−3.5.

Рис. 3.2. Кривая разгона по каналу степень открытия топливного клапана — расход метана (экспериментальные данные) Рис. 3.3. Кривая разгона по каналу степень открытия топливного клапана — температура продукта на выходе печи (экспериментальные данные).

Рис. 3.4. Ступенчатое воздействие. Изменение расхода сырья в печь Рис. 3.5. Кривая разгона по каналу расход сырья — температура продукта на выходе (экспериментальные данные)

3.3.2 Обработка результатов исследования объекта

Экспериментальные данные, представленные в п. 3.3.1, были рассмотрены в качестве кривых разгона объекта с целью получения передаточных функций по каналам и соответствующих настроек регуляторов. Для определения коэффициентов передаточных функций объекта регулирования используем прикладную программу LinRegTV.

Рис. 3.6. Кривые разгона по каналу степень открытия топливного клапана — расход метана

Рис. 3.7. Кривые разгона по каналу степень открытия топливного клапана — температура продукта на выходе

Рис. 3.8. Кривые разгона по каналу расход сырья — температура продукта на выходе

Из рисунков 3.6 — 3.8 можно отметить, что расчетные и экспериментальные временные характеристики имеют отличие:

· относительная погрешность по каналу расхода метана — 0,003;

· относительная погрешность по каналу % открытия топливного клапана, температура на выходе печи — 0,001;

· относительная погрешность по каналу расход сырья, температура на выходе печи- 0,0004;

Данная разница связана с методом расчета передаточных функций объекта.

Методом Симою в прикладной программе «LinregTV» были получены следующие передаточные функции объекта:

1) Передаточная функция объекта по каналу % открытия топливного клапанарасход природного газа имеет вид:

(3.1)

· СКО=0,006;

· Диапазон частот: щ_рек=[0; 1,3] (сек^-1).

КЧХ объекта представлена ниже (см. также Приложение А):

Рис. 3.9. КЧХ объекта по каналу % открытия топливного клапана — расход метана.

2) Передаточная функция объекта по каналу % открытия топливного клапана — температура продукта на выходе печи:

(3.2)

· СКО=0,012;

· Диапазон частот: щ_рек=[0; 0,0019] (сек^-1).

КЧХ объекта представлена ниже (см. также Приложение Б):

Рис. 3.10. КЧХ объекта по каналу % открытия топливного клапана — температура продукта на выходе печи.

3) Передаточная функция объекта по каналу расход сырья — температура на выходе печи:

(3.3)

· СКО=0,01;

· Диапазон частот: щ_рек=[0; 0,0017] (сек^-1).

КЧХ объекта представлена ниже (см. также Приложение В):

Рис. 3.11. КЧХ объекта по каналу расход сырья — температура на выходе печи.

4. Алгоритмизация, расчеты и моделирование АСР

4.1 Характеристика технологического объекта и оценка действующих возмущений

В качестве технологического объекта управления в дипломном проекте рассматривается печь паро-углекислого пиролиза природного газа установки получения водорода на ЗАО «Сибур-Химпром» (см. раздел «Краткое описание технологического процесса и характеристика технологического объекта управления»).

По способу передачи тепла выбранный объект относится радиантно — конвекционной печи.

Причиной появления несовершенства в процессе регулирования являются возмущения, действующие на объект. Для оценки таких возмущений и установления их связи с обозначенными проблемами, воспользуемся рисунком 4.1.

Рис. 4.1. Блок-схема П-101 для оценки возмущений.

Задачей регулирования является поддержание заданного значения выходной температуры потока:

(4.1)

Регулирующим воздействием на объект является расход топливного газа.

В анализируемом проекте указанные выше параметры регулируются одноконтурными АСР.

Большую часть возмущений, действующих на объект, создают колебания давления в системе подачи топливного газа и компрессор на линии подачи сырья (возмущения по нагрузке).

Таким образом, ликвидация возмущающих воздействий, действующих на объект, будет полностью определяться качеством регулирования в печи. Улучшение качества регулирования в свою очередь окажет положительное влияние на тепловую работу печи. Тепловая работа П-101 в наибольшей мере характеризуется и определяется ее температурным и тепловым режимами.

Температурный режим характеризуется выходной температурой сырья, величиной, которая для перерабатываемого сырья определяется на основании технологического регламента установки, а для объекта — нормами технологического режима. Поддержание температурного режима согласно норме позволит получать продукт на выходе печи необходимого качества для дальнейшей переработки в последующих блоках с целью получения конечного продукта. Отметим, что вопросы, связанные с влиянием температурного режима печи на процентное содержание водорода в пирогазе, были освещены и исследованы в п. 2.6−2.9. раздела «Технико-экономическое обоснование автоматизации объекта». На основании выполненных анализов и исследований, по данному вопросу, принимаем:

· при управлении температурным режимом трубчатой печи в качестве критерия будем принимать выходную температуру сырья.

· в качестве управляющих воздействий — изменение расхода топливного газа при подаче в печь П-101.

4.2 Сравнительный анализ и выбор АСР, для поддержания заданной температуры продукта на выходе печи

Возможными вариантами регулирования температуры на выходе печи являются: непосредственное регулирование по выходу и с применением коррекции по нагрузке. Поскольку запаздывание в АСР является одним из факторов, ухудшающих качество процесса управления, и при регулировании учитывающем нагрузку на печь время запаздывания уменьшается по сравнению с регулированием по выходу, то разрабатываемая в дипломном проекте АСР для поддержания заданной температуры продукта на выходе из печи П-101, будет осуществлять регулирование по выходу с коррекцией по нагрузке, исходя из большей информативности, качества и минимизации запаздывания. Системы, поддерживающие требуемую температуру продукта на выходе из трубчатой печи, могут быть синтезированы в классе 1 контурных, 2- и 3 контурных каскадных АСР. Каскадные системы являются одним из наиболее распространенных классов многосвязных АСР. Необходимость их применения обусловлена тем, что промышленный объект (печь П-101) характеризуются большим запаздыванием и значительными. Вследствие ограниченных величин коэффициентов передачи регуляторов и невысокого быстродействия системы, применение одноконтурных АСР для управления такими объектами не всегда обеспечивает требуемое качество управления.