Программно-логическое управление ректификационными колоннами

Известно, что большинство продуктовых ректификационных колонн являются завершающими в технологическом процессе, поэтому на их долю выпадают возмущения от предыдущих стадий, как по расходу, так и по составу питания.

Системы оптимального управления ректификационными установками требуют наличие непрерывных анализаторов состава в контуре управления процесса и использование автономных систем регулирования составов верхнего и нижнего продуктов. Отсутствие непрерывных анализаторов состава и сложность настройки автономной системы регулирования для промышленных объектов приводит к тому, что решение такой задачи практически невозможно.

Данная статья посвящена построению алгоритма программно-логического управления колоннами при изменении параметров питания установки в широком диапазоне.

Анализ различных систем управления ректификационными установками показал, что они решают три основные задачи [1]:

• 1) Стабилизация состава дистиллята (Табл. 1);
• 2) Стабилизация производительности по дистилляту;
• 3) Стабилизация тепловой нагрузки на кипятильник (Табл. 2).

Ниже приводятся результаты моделирования указанных режимов для смеси «метанол-вода» в пределах ± 10% от проектных значений расхода питания и концентрации легколетучего компонента (Табл. 1, 2).

Таблица 1. Параметры ректификационной колонны при постоянном составе дистиллята и возмущениях по питанию.

ректификационная колонна алгоритм программный В первой задаче (Табл.1), при возмущениях по расходу (Ff) производительность по дистилляту (Fд), расход кубовой жидкости (Fк) и тепловая нагрузка кипятильника (Q) изменяются пропорционально изменению расхода питания, а флегмовое число (Rфл) остаётся постоянным. При колебаниях состава питания в пределах 10% от номинального, тепловая нагрузка на кипятильник изменяется в пределах 1%, а расход флегмы — 3%. Следовательно, в этом случае, в систему автоматизации можно включить автоматическую стабилизацию этих потоков.

Во второй и третьей задачах необходимо программное управление процессами, так как при стабилизации производительности по дистилляту состав дистиллята за счёт изменения состава питания на ± 10% изменяется в пределах 9% от проектного, что противоречит требованиям к системе управления и является недопустимым, а в случае стабилизации тепловой нагрузки кипятильника и состава дистиллята, колебания расхода и состава питания вызывают значительные изменения всех режимных параметров системы, за исключением расхода флегмы (Табл. 2).

Таблица 2. Параметры работы ректификационной колонны при постоянной тепловой нагрузке, составе дистиллята и различных возмущениях по питанию.

При отсутствии возмущений по питанию, регулирование соотношения между расходом греющего пара и расходом питания обеспечивает минимизацию энергозатрат на разделение смеси в статическом режиме. В динамическом режиме подобная коррекция должна учитывать запаздывание в ректификационной колонне путём введения соответствующего динамического компенсатора.

Анализ условий работы промышленных колонн на примере этан-этиленовой колонны показал, что в реальных условиях колонна работает с переменной нагрузкой по расходу и составу питания в пределах 8−20% от проектного режима (Рис. 1, 2).

«Рис. 1. Изменение расхода питания смеси „этан-этилен“ в течение суток».

«Рис. 2. Изменение концентрации этилена в течение суток».

Для построения алгоритма программно-логического управления в работе рассмотрена задача стабилизации состава дистиллята в этан-этиленовой колонне при четырёх вариантах возмущений по питанию:

1) Изменение расхода питания (д) в переделах ± 20% от проектного значения;

• 2) Изменение концентрации легколетучего в питании (д) в пределах ± 20% от проектного значения;
• 3) Одновременное увеличение (или уменьшение) расхода и концентрации легколетучего в питании (sign д= sign д);
• 4) Разнознаковое изменение расхода и состава питания (sign д= - sign д) (Табл.3);

Таблица 3. Разнознаковое изменение расхода и концентрации легколетучего в питании в пределах ± 20% (Вариант 4).

На основе анализа полученных результатов моделирования сделаны выводы о предпочтительной структуре системы управления для каждого из случаев:

• 1) При реализации варианта работы ректификационной колонны № 1, поддержание концентрации дистиллята возможно только использованием системы стабилизации флегмового числа, при этом расходы флегмы, дистиллята и кубовой жидкости, а также тепловая нагрузка кипятильника должны изменяться пропорционально возмущению. В этом случае, поддержание материального баланса остаётся за локальными схемами регулирования: в верхней части колонны — стабилизацией давления, в нижней — стабилизацией уровня;
• 2) При условии выполнения вариантов № 2-№ 4, стабилизация тепловой нагрузки на конденсатор и стабилизация расхода флегмы в колонну хотя и возможны, но неизбежно приведут к потере качества состава дистиллята, поэтому в этих случаях требуется программно-логическое управление.

Из сравнения рассмотренных вариантов сделан вывод, что наиболее универсальной оказывается система регулирования, включающая регуляторы соотношений расходов флегмы и питания и соотношения расходов греющего пара и питания. При этом коэффициенты соотношения и должны корректироваться по определённой программе в зависимости от возмущения в колонне по составу питания или составу на контрольной тарелке (Табл. 4). Косвенным показателем состава является температура смеси на контрольной тарелке и тенденция её изменения [2].

Таблица 4. Коэффициенты соотношения расходов и.

Сравнение энергозатрат на разделение при постоянстве состава дистиллята показало неэффективность стабилизации тепловой нагрузки кипятильника на проектном значении: разность между максимумом и минимумом потребления энергонагрузки при ± 20% возмущения составляет 40% от расчётного, а при ± 10% интервале — 20%.

Рассмотрим систему автоматического регулирования с программно-логическим управлением, где регулирование основных технологических потоков осуществляется в соответствии с программным управлением, путём корректировки заданий регуляторам. Для реализации программного управления необходимо контролировать расход питания и определять изменение температуры на контрольной тарелке [3].

Логика работы корректирующего устройства иллюстрируется схемой, представленной на рисунке 3.

Рис. 3. Схема логического анализа возмущений и выбора вариантов управления

Условные обозначения: — температура на контрольной тарелке; - расход питания; - состав питания; ^ - увеличение величины; v — уменьшение величины; const — величина не изменяется.

Таким образом, универсальной системы управления, основанной на стабилизации режимных параметров, для реализации требуемого качества дистиллята при всех различных вариантах работы колонн нет и, соответственно требуется инвариантная система c программно-логическим управлением.

Рис. 4. Инвариантная система управления ректификационной колонной

Условные обозначения: FT — расходомер; FC — регулятор расхода; FY -программный модуль вычисления запаздывания регулирования; TT — датчик температуры; TY — программный модуль вычисления изменения температуры; PC — регулятор давления; LC — регулятор уровня.

Пример такой системы управления представлен на рисунке 4. Она включает:

• — стабилизацию давления в колонне отводом дистиллята;
• — регулирование уровня в кубе отводом кубовой жидкости;
• — регулирование расхода греющего пара с коррекцией по расходу питания и температуре на нижней контрольной тарелке;
• — регулирование соотношения расхода флегмы с коррекцией по расходу питания и температуре на верхней контрольной тарелке.

Таким образом, использование инвариантной системы автоматического регулирования ректификационных установок позволяет на основе анализа состояния процесса провести коррекцию параметров настройки регуляторов, соответствующих минимальным энергозатратам [4].

• 1. Эрриот П. Регулирование производственных процессов. Пер. с англ., М., «Энергия», 1967. 480 с.
• 2. Софиева Ю. Н., Абрамов К. В. Применение пакета моделирующих программ ChemCAD в учебнотренировочных комплексах для изучения систем автоматизации ректификационных установок // Инженерный Вестник Дона (электронный журнал) № 1, 2012.
• 3. Roat S.D., Moore C.F., and Downs J.J., A Steady State Distillation Column Control System Sensitivity Analysis Technique, Proceedings IEEE Southeast Con, 1988, pages 296−300.
• 4. Luyben W.L., Steady-State Energy Conservation Aspects of Distillation Column Control System Design, Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals 14(4), 1975, pages 321−325.