Анализ завода по переработке газового конденсата и узла по электрообессоливанию и обезвоживанию углеводородов

Технический прогресс не возможен без создания новейших технологий, материалов, машин, средств автоматизации. Развитие автоматизации химической промышленности связано с возрастающей интенсификацией технологических процессов, использованием агрегатов большой мощности, усложнением технологических схем и предъявлением повышенных требований к получаемым продуктам.

Ключевым факторам ускорения темпов роста производительности и повышения качества продукции является комплексная автоматизация производства на основе высокоэффективной вычислительной техники, и высокоточным средствам автоматизации.

Решение проблемы автоматизации сопряжено с необходимостью повышения технического уровня и надежности автоматизированного оборудования, его точности, габаритам и необходимым для его создания комплектующих изделий и средств вычислительной техники.

Одним из основных направлений автоматизации являются интелектуальные средства автоматизации технологическими процессами (АТПП). АТПП обеспечивает наиболее благоприятное условие протекания процесса производства на всех его переходах и стадиях, что достигается точными показаниями изменения параметров процесса, поддержанием параметров процесса на заранее заданном уровне или рационального распределения и координации материально-вещественных и энергетических потоков между отдельными аппаратами, агрегатами, цехами производства.

Одна из основных тенденций развития современной химической промышленности состоит в существенном увеличении единичной мощности технологических агрегатов и линий. Создание крупнотоннажных агрегатов выдвигает значительно более жесткие требования к надежности функционирования технологических процессов. Наряду с требованиями высокой экономической эффективности повышенное внимание уделяется также качеству выпускаемой продукции, а, следовательно, и качеству ведения технологических процессов, которые невозможно осуществить без применения современных средств автоматизации. Для новых химико-технологических процессов характерен переход к более широкой номенклатуре продукции, к выпуску более чистых и качественных продуктов.

Перечисленные особенности развития объектов химической промышленности обуславливают новые требования к АТПП. Эффективное управление сверхмощными технологическими объектами возможно только с применением АТПП, использующих цифровые или аналоговые сигналы, обрабатываемые в РСУ за очень короткий промежуток времени. Необходимо подчеркнуть, что не только экономическая эффективность, но и сама возможность функционирования многих современных технологических объектов определяется наличием АТПП, замкнутой на процесс.

Важно отметить, что с каждым пятилетием технологическая мощность, существенно возрастает, следовательно, значительно повышается и требования к «управляющей мощности», функциональной полноте, точности и надежности АТПП.

Современные системы управления технологическим процессом осуществляет одновременный контроль, в ряде случаев, до несколько тысяч параметров и имеет до несколько сотен контуров управления. Все это сформулировало определенное требование к средствам автоматизации технологического производства, главными из которых стали:

полнота и точность показаний контрольных приборов, исполнительных органов и средств автоматизации ;

адекватность показаний, относительно протекающего процесса;

точность и полнота реакции на управляющие воздействия;

надежность работы системы в составе управляющего оборудования и процесса.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1 Описание технологического процесса

На установке по переработке газового конденсата применяются следующие технологические процессы:

· теплообменные — при нагреве газового конденсата в блоке нагрева сырья (газового конденсата), в печи при нагреве частично отбензиненного газового конденсата, в аппаратах воздушного охлаждения и водяных холодильниках при охлаждении получаемых целевых фракций;

· ректификации — при разделении газового конденсата на пропан_бутановую фракцию, фракцию н.к._140 єС, бензиновую фракцию, дизельную фракцию и мазут в колоннах;

· дегазации — при выделении из пропан_бутановой и бензиновой фракции легких углеводородов в рефлюксных емкостях;

· отстаивания — при отделении технологического конденсата от пропан_бутановой и бензиновой фракции под действием силы тяжести.

Основным технологическим процессом установки по переработке газового конденсата является процесс ректификации. Сущность процесса ректификации заключается в разделении жидких смесей взаимно растворимых компонентов, различающихся по температурам кипения, который протекает на клапанных тарелках ректификационных колонн К₁, К₂, К₃, К₄ при многократном контактировании неравновесных паровой и жидкой фаз.

Вступающие в контакт пары и жидкость при ректификации не находятся в равновесии, но в результате контакта фаз стремятся достичь его или приблизиться к этому состоянию. При этом происходит выравнивание температур и давлений в фазах и перераспределение компонентов между ними. Контакт пара и жидкости, при котором система достигает состояния равновесия, называется идеальным или теоретическим, а устройство, обеспечивающее такой контакт — теоретической тарелкой.

В процессе ректификации в колонне на каждую тарелку с вышележащей тарелки стекает жидкость при определенной температуре, а с нижерасположенной тарелки поднимаются пары так же при определенной температуре. На тарелке где встречаются жидкость и пар система достигает состояния равновесия, при этом пары и жидкость будут иметь одинаковую температуру.

При контакте на тарелке жидкой и паровой фаз в результате массообменных процессов температура паровой фазы снизится, часть паров конденсируется и концентрация низкокипящих компонентов в них возрастет, а температура жидкой фазы на этой же тарелке увеличится, часть ее испарится и концентрация низкокипящих компонентов в ней уменьшится.

Для осуществления режима ректификации температурный режим в колонне должен быть таким, чтобы температура убывала в направлении движения паров и возрастала в направлении движения потока жидкости. Таким образом, в результате многократного повторения таких противоточных контактов жидкой и газовойх фаз на тарелках по профилю колонны на ее верху мы получаем пары, обогащенные низкокипящим компонентом, а из куба колонны выводится жидкость, обогащенная высококипящим компонентом.

Исходным сырьем установки является стабильный газовый конденсат с содержанием фракций с температурой кипения выше 360 єС от 10 до 30%.

Описание технологической схемы. Газовый конденсат из резервуаров Р-1/1,2 насосами Н-200/1,2 (цех № 07) подается в блок нагрева газового конденсата.

Газовый конденсат проходит трубное пространство параллельно включенных теплообменников Т-1/1,2, где нагревается за счет тепла паров с верха колонны К-3. Затем проходит трубное пространство теплообменника Т-2, в котором нагревается за счет тепла циркуляционного орошения колонны К-3. Далее проходит трубное пространство теплообменника Т-3, где нагревается за счет тепла дизельного топлива, затем проходит межтрубное пространство теплообменника Т-4, где нагревается за счет тепла мазута.

Из теплообменника Т-4 газовый конденсат, с температурой 180₁₉₄єС (позиция TT-1−1), поступает в колонну стабилизации К-1. Давление газового конденсата на входе в колонну К₁ контролируется прибором поз. PT-3−1.

Расход газового конденсата 93₁₅₅ т/ч поддерживается регулятором поз. FIC-2−1, с помощью клапана поз. 2−5, установленного на линии подачи газового конденсата в колонну К-1.

Разгонка стабильного газового конденсата с выделением сжиженной пропанобутановой фракции, легкой бензиновой фракции 35−140єС, частично отбензиненного газового конденсата, углеводородного газа

Колонна стабилизации К-1 высотой 25 580 мм, диаметром низа 2400 мм и верха 2000 мм, объемом 77 м³ имеет укрепляющую и отгонную части.

В колонне К-1 установлены 25 рабочих тарелок типа трапециевидно-клапанные с волнистыми клапанами «ТКВ» из них:

· однопоточные — 18 шт.;

· двухпоточные — 7 шт.

В кубе колонны К-1 поддерживается постоянный уровень 700_3800 мм. Контроль уровня осуществляется по прибору поз. LT-6−1, минимальное (405 мм) и максимальное (3950 мм) значение уровня сигнализируется.

Давление в нижней части колонны К-1 0,82₀, 87 МПа контролируется прибором поз. P-5−1. Температура внизу колонны К-1 не менее 228 єС контролируется прибором поз. TT₁₁−1.

Из куба колонны К-1 одна часть частично отбензиненного газового конденсата забирается насосами Н-3 и двумя потоками прокачивается через змеевики (второй камеры) печи П-1. Расходы на потоках поддерживаются регуляторами поз. FT-16−1, FT-17−1, клапаны которых поз. 16−5, 17−5 установлены на входных потоках отбензиненного газового конденсата. При снижении расхода до 22,35 м3/ч срабатывает сигнализация, а при снижении расхода до 21,52 м3/ч закрывается отсечной клапан поз. SQ-17−4 и закрываются отсекатели на линии подачи топливного газа на форсунки печи П-1.

Нагретый в печи П-1 до температуры не более 325 єС отбензиненный газовый конденсат в качестве «горячей струи» подается в низ колонны К-1.

Испарившаяся парогазовая фаза поднимается вверх по колонне К-1, проходит рабочие тарелки отгонной части, где орошается поступающим сырьем, далее проходит рабочие тарелки укрепляющей части, где орошается рефлюксной жидкостью из емкости Е-1.

Температура верха колонны К-1 (не более 65 єС) по прибору поз. TT-4−1 поддерживается подачей орошения (в количестве 44₉₅ м3/ч) регулятором поз. FT-4−3, с помощью клапана поз. 4−7, установленного на линии подачи орошения в колонну К₁.

Давление верха колонны К-1 (не более 0,85 МПа) поддерживается регулятором поз. PT-8−1, с помощью клапана поз. FT-15−5, установленного на линии выдачи углеводородного газа из емкости Е-1.

Перепад давления (0,02₀, 03 МПа) по колонне К-1 замеряется приборами поз. PT-5−1 и PT-8−1.

Газы (пары пропан-бутановой фракции и воды) с верха колонны К-1 проходят через параллельно включенные аппараты воздушного охлаждения ХВ-1/1,2.

Далее газожидкостная смесь проходит параллельно включенные водяные холодильники Х-1/1,2, где охлаждается оборотной водой до температуры 32₃₇ єС.

Из холодильника Х₁/1,2 охлажденная газожидкостная смесь поступает в рефлюксную емкость Е-1, в которой происходит отделение газа от рефлюкса (пропан-бутановая фракция) и рефлюкса от воды.

Уровень рефлюкса (500_1300 мм) и воды (50₂₀₀ мм) в емкости Е-1 контролируется прибором поз. LT-15−1. Минимальный (480 мм) и максимальный (1400 мм) уровень углеводородной фракции сигнализируется. Отстоявшаяся вода из отстойника по уровню раздела фаз сбрасывается в канализацию через клапан при повышении уровня до 200 мм. При снижении уровня в отстойнике до 50 мм клапан закрывается.

Пропан-бутановая фракция из емкости Е-1 забирается насосом Н-1 и подается в качестве орошения на верх колонны К-1, а балансовый избыток по уровню выводится с установки через клапан поз. 15−5.

Из колонны стабилизации К-1 в виде бокового погона с тарелки № 10 фракция НК₁₄₀ єС с температурой 137₁₄₂ єС отводится на тарелку № 6 отпарной колонны К₂. Уровень на тарелке № 10 поддерживается регулятором поз. LT-7−1, с помощью клапана поз. 7−5, установленного на линии вывода бокового погона из колонны К-1 в отпарную колонну К-2.

Колонна отпарная К-2 высотой 13 230 мм, диаметром 1200 мм и объемом 9,14 м³ имеет шесть рабочих тарелок типа трапециевидно-клапанные с волнистыми клапанами «ТКВ», однопоточные.

Фракция НК-140 єС из куба колонны К-2 поступает в ребойлер с паровым пространством Т-5. Уровень в ребойлере 550_620мм измеряется прибором поз. LT-13−1,. При минимальном (500 мм) или максимальном (670 мм) значении уровня в ребойлере срабатывает сигнализация.

В трубное пространство ребойлера Т-5 подводится теплоноситель — водяной пар для нагрева фракции НК-140 єС. Образующийся конденсат водяного пара через конденсатоотводчик отводится из Т-5 в сборный коллектор и далее за пределы установки.

Пары из Т-5 поступают в колонну К-2, восходящим потоком поднимаются вверх, контактируя на тарелках с фракцией НК-140 єС поступающей из бокового погона колонны К-1. Отпаренные легкие фракции из колонны К-2 с температурой 138₁₄₃єС (поз. TT-9−1) возвращаются на тарелку № 12 колонны К-1.

Температура в кубе отпарной колонны К-2 145₁₅₀ єС поддерживается регулятором поз. TT-12−1, с помощью клапана поз. 12−5 установленного на линии подачи водяного пара в ребойлер Т-5.

Фракция НК-140 єС из ребойлера Т-5 забирается насосом Н-2 и подается в аппарат воздушного охлаждения ХВ-3.

Вторая часть частично отбензиненного газового конденсат забирается из куба колонны К-1 насосами Н-4, прокачивается через змеевики печи П-1 (первая камера) четырьмя потоками, где нагревается до температуры 355 _ 360єС и подается на отгонную секцию колонны К-3. На линии подачи стабильного газового конденсата в печь П₁ установлен отсечной клапан поз. 22−4. Расход частично отбензиненного газового конденсата не менее 27 м3/час по каждому потоку поддерживается регуляторами поз. FT-18−1, FT-19−1, FT-20−1, FT-21−1 с помощью клапанов поз.18−5, 19−5, 20−5, 21−5, установленных на входе в змеевик печи П-1. При снижении расхода через любой из четырех потоков до 24,96 м3/ч срабатывает сигнализация. При снижении расхода через любой из четырех потоков до 24,47 м3/ч закрывается отсечной клапан поз. 22−4, отсечные плапана на подаче топлива к горелкам печи П-1.

Атмосферная ректификация частично отбензиненного газового конденсата с получением бензиновой фракции НК-180 єС, дизельного топлива и мазута

Колонна К-3 высотой 25 005 мм, диаметром низа 2200 мм, диаметром верха 3200 мм, объемом 126 м³ имеет укрепляющую часть. В колонне К-3 установлены 20 рабочих тарелок типа трапециевидно-клапанные с волнистыми клапанами «ТКВ» из них:

· двухпоточные — 13 шт.;

· однопоточные — 7 шт.

На промывных тарелках № 5,6,7 колонны К-3 установлены контакторы.

Перепад давления (0,02₀, 03 МПа) по колонне К-3 замеряется приборами PT 23−1 и РТ 30−1.

Для защиты колонны К-3 от превышения давления предусмотрены три предохранительных клапана (Руст=0,32 МПа).

Частично отбензиненный газовый конденсат из печи П-1 поступает в низ колонны К-3. Уровень (400_2000 мм) в кубе колонны К-3 замеряется приборами поз. LT 28−1, LT 29−1. При минимальном (365 мм) или максимальном (2150 мм) значении уровня срабатывает сигнализация.

Пары бензина НК-180 С с верха колонны К-3 направляются в параллельно включенные теплообменники Т-1/1,2, а затем поступают в параллельно включенные аппараты воздушного охлаждения ХВ-2/1,2 и далее в водяной холодильник Х-2.

Температура бензина после ХВ-2/1 (ХВ-2/2) поддерживается регулятором TT 34−1, TT 35−1 изменением частоты вращения привода вентилятора.

Температура (35₄₀ єС) после Х-2 поддерживается регулятором поз. TT-43−1 с помощью клапана поз. TV 43−5, установленного на линии выхода оборотной воды из холодильника Х-2.

Из холодильника Х₂ охлажденный бензин НК-180 С поступает в рефлюксную емкость Е-2, в которой происходит отделение газа от рефлюкса (бензина НК-180 С) и рефлюкса от воды. Давление в емкости Е-2 (не более 0,5 МПа) контролируется прибором поз. PT 50−1, при повышении давления до 0,52 МПа срабатывает сигнализация. Для защиты рефлюксной емкости Е-2 от превышения давления предусмотрен предохранительный клапан (Руст=0,42 МПа) со сбросом в факельный сепаратор и далее на факельную установку. Температура бензина НК-180 С (35₄₀ С) в Е-2 замеряется прибором поз. TT 49−1.

Уровень рефлюкса (1400_2200 мм) и воды (50₂₀₀ мм) в емкости Е-2 контролируется прибором поз. LT 45−1. Минимальный (1200 мм) и максимальный (2400 мм) уровень бензина НК-180 С сигнализируется. Отстоявшаяся вода из отстойника по уровню раздела фаз сбрасывается в канализацию через клапан поз. LV 46−5, который открывается при повышении уровня до 200 мм и закрывается при снижении уровня в отстойнике до 50 мм. При не открытии клапана поз. LV-46−5 и повышении уровня до 300 мм срабатывает аварийная сигнализация. При неисправности клапана поз. LV-46−5 и снижении уровня до 0 мм срабатывает аварийная сигнализация.

Бензин НК-180 С из емкости Е-2 забирается насосами Н-5 и подается в качестве орошения на тарелку № 20 колонны К-3, а балансовый избыток по уровню выводится с установки через клапан поз. LV 47−5.

Далее бензин НК₁₈₀ С и фракция НК₁₄₀ С объединяются в один технологический поток и выводятся с установки. На линии выхода прямогонного бензина с установки предусмотрен прибор контроля расхода поз. FТ 51−1.

Расход 80₉₀ м3/час на орошение поддерживается регулятором поз. FТ 24−3 с коррекцией по температуре верха колонны К-3. Температура верха колонны К₃ должна быть 153₁₅₈ С по прибору поз. TТ 24−1.

Испарившиеся фракции восходящим потоком проходят рабочие тарелки. Избыточное тепло колонны К-3 снимается подачей циркуляционного орошения.

Циркуляционное орошение забирается из тарелки № 8 колонны К-3 насосом Н₆/1,2 и подается в теплообменник Т-2. В теплообменнике Т₂ циркуляционное орошение охлаждается газовым конденсатом, и далее в качестве флегмы подается на орошение в колонну К-3 на тарелку № 11. Расход циркуляционного орошения (80₈₅ м3/ч) поддерживается регулятором поз. FТ 25−3, с коррекцией по температуре на тарелке № 8 по прибору поз. TТ 25−1. Температура дизельного топлива на тарелке № 8 должна быть 240_245С.

С тарелки № 8 колонны стабилизации К-3 в виде бокового погона дизельное топливо отводится в отпарную колонну К-4 на тарелку № 6.

Уровень на тарелке № 8 колонны К-3 поддерживается регулятором поз. LТ 27−1 с помощью клапана поз. LV 27−5, установленного на линии бокового погона в отпарную колонну К-4.

Колонна отпарная К-4 высотой 14 090 мм, диаметром 1600 мм и объемом 18 м³ укомплектована шестью однопоточными рабочими тарелками типа трапециевидно-клапанные с волнистыми клапанами «ТКВ».

Дизельное топливо с куба колонны К-4 поступает в ребойлер с паровым пространством Т-6. Уровень 720₈₈₀ мм в ребойлере Т-6 поддерживается регулятором поз. LТ 40−1 с помощью клапана поз. FV 40−5, установленного на линии нагнетания насоса Н-7. При минимальном (700 мм) или максимальном (900 мм) значении уровня срабатывает сигнализация.

В трубное пространство ребойлера Т-6 в качестве теплоносителя подводится мазут от насоса Н-8.

Пары из Т-6 поступают в колонну К-4, восходящим потоком проходят рабочие тарелки, контактируя с дизельным топливом бокового погона колонны К-3. Отпаренные легкие фракции из отпарной колонны К-4 возвращаются в колонну К-3 под тарелку № 14.

Температура в кубе К-4 (262₂₆₇ єС) поддерживается регулятором поз. TТ 37−1, с помощью клапана поз. TV 37−5, установленного на байпасной линии подачи мазута в трубное пространство ребойлера Т₆.

Дизельное топливо из ребойлера Т-6 забирается насосом Н-7 и направляется для охлаждения в теплообменник Т-3. После теплообменника Т-3 дизельное топливо разделяется на три потока и поступает:

· в теплообменник Т-7, где подогревает топливный газ;

· в теплообменник Т-8, где подогревает жидкое топливо;

· на обогрев аварийной емкости Е-6.

Мазут из куба колонны К-3 забирается насосом Н-8 и последовательно подается в ребойлер Т-6.

Уровень 400−2000 мм в кубе колонны К-3 поддерживается регулятором поз. LТ 29−1, с помощью клапана поз. LV 29−5, установленного на линии подачи мазута от насоса Н-8 к теплообменнику Т-6.

Давление 0,20₀, 24 МПа и температура не мене 345 єС низа колонны К-3 контролируется приборами поз. PТ 30−1, TТ 31−1, соответственно.

1.1.1 Назначение и основная технологическая цель объекта

Цех по переработке газового конденсата предназначен для получения из газового конденсата:

· прямогонного бензина НК — 180 єС;

· дизельного топлива;

· мазута;

· пропан-бутановой фракции.

1.1.2 Описание сырьевых и продуктовых потоков

Таблица 1

1.1.3 Описание энергетических потоков

Таблица 2

1.1.4 Описание управляющих и регулируемых параметров

Таблица 3

1.1.5 Структурная схема объекта управления

Рис.1

Основными входными координатами (Х) для колонны К-1 и колонны К-3 являются расход сырья — Х1 и X'1, его температура — Х2 и X'2 и для колонны К-1 основной входной координатой является еще и состав температура — Х3.

Основными выходными координатами являются:

· Y1, Y'1 — дистиллят,

· Y2, Y'2 — кубовый продукт,

· Y3, Y'3- боковые погоны.

Кроме того, объект подвержен неконтролируемым возмущениям: изменение температуры и давление окружающей среды — Z1, старение установки — Z2 и т. д.

Контролируемым возмущениям: J1, J2… Jn и J'1, J'2…J'n — температура, давление в ректификационной колонне расход флегмы, конденсата и т. д.

Критерием эффективности объекта управления является получение максимального количества целевого продукта, при ограничении на его состав и минимизации затрат на энергоресурсы.

1.2 Основные характеристики и особенности технологического объекта управления с точки зрения задач управления

В качестве объектов управления при автоматизации процесса переработки газового конденсата и разделения его на фракции принимают процессы массообмена, ректификации, процесс дегазации, отстаивания, а также тепловые процессы.

Ректификационная установка служит для разделения жидких неоднородных смесей на составляющие вещества (или группу веществ) в результате противоточного взаимодействия смеси паров и жидкой смеси.

Процесс ректификации относится к основным процессам химической технологии. Показателем эффективности его является состав целевого продукта. В зависимости от технологических особенностей в качестве целевого продукта могут выступать как дистиллят, так и кубовый остаток. Поддержание постоянного состава целевого продукта и будет являться целью управления.

Поскольку затраты на ректификацию являются одной из самых существенных составляющих в себестоимости продукции, задача автоматизации ректификационных установок часто ставится как задача оптимального управления, которой подчиняются задачи автоматического регулирования отдельных параметров. В зависимости от назначения ректификационной колонны используют различные критерии оптимальности.

Для продуктовых колонн, предназначенных для получения одного целевого продукта (например, дистиллята), ставятся следующие задачи:

минимизация энергозатрат для получения целевого продукта заданной концентрации при ограничении на производительность по этому продукту;

максимизация производительности по целевому продукту при ограничении на его состав и энергозатраты;

для промежуточных колонн, в которых происходит предварительное разделение смеси на две фракции, ставится задача максимизации разделительной способности колонны при ограничении на производительность по целевому продукту и на энергозатраты.

Ректификационная установка является сложным динамическим объектом с большим числом взаимосвязанных координат и ярко выраженной распределенностью параметров по температуре и концентрации, а для колонн с большим количеством тарелок, и по давлению, с нелинейностью статических характеристик, со значительной инерционностью и запаздыванием практически по всем каналам управления и возмущения, которые ухудшают качество регулирования.

Ректификационная колонна относится к объектам с распределенными параметрами, в которых значения регулируемых величин в разных точках объекта неодинаковы, таких как градиенты давления, температуры и концентрации по высоте колонны. Распределенность параметров требует распределенного контроля по длине аппарата и распределенного управляющего воздействия.

Колонна является многоемкостным объектом, в которой число емкостей определяется числом тарелок. Емкостью называется свойство объекта накапливать энергию, жидкость, газ и т. д.

Емкость объектов влияет на выбор типа регулятора. Чем она меньше, т. е. чем больше скорость изменения выходной величины объекта, при данном изменении нагрузки, тем большую степень воздействия на объект должен иметь регулятор.

Трудность регулирования процесса объясняется еще частотой и амплитудой возмущений. В объекте имеют место такие возмущения, как изменение начальных параметров исходной смеси, а также теплои хладоносителей, изменения свойств теплопередающих поверхностей, отложение веществ на стенках и т. д. Кроме того, на технологический режим ректификационных колонн, установленных под открытым небом, влияют колебания температуры атмосферного воздуха.

Данное производство по характеру сырья и получения продуктов, а также в связи с наличием углеводородов с высокими энергетическими потенциалами, относится к категории пожарои взрывоопасных производств, что обуславливает необходимость противоаварийной защиты (ПАЗ).

Характер технологического процесса определяется по временным режимам работы технологического оборудования. Данная установка относится к ТОУ с непрерывным характером производства. Сырье и реагенты в ТОУ поступают практически безостановочно, а технологический режим после пуска устанавливается неизменным на длительные сроки.

Обычно исходная смесь поступает в ректификационную установку с предыдущих аппаратов технологической линии. Колебания расхода, состава и температуры питания являются основными возмущениями в процессе ректификации. К возможным источникам возмущений можно отнести также энтальпию греющего пара, теплоносителя и хладоагента, а также потери тепла в окружающую среду. Из перечисленных возмущений стабилизируют только температуру питания; расход питания контролируют; состав питания контролируют в редких случаях, когда имеются автоматические анализаторы состава, остальные возмущения, как правило, не контролируют.

К регулирующим воздействиям можно отнести расходы греющего пара, теплоносителя и хладоагента, отборы дистиллята и кубового продукта, расходы флегмы и инертных газов.

Концентрация продуктов, уровень в колонне и флегмовой емкости, давление в колонне являются выходными координатами процесса.

Если целевым продуктом является дистиллят, то для достижения цели управления следует регулировать расход и температуру исходной смеси, давление и состав жидкости в верхней части колонны, температуру и уровень жидкости в кубе. Контролю подлежат: расход исходной смеси, дистиллята, флегмы, кубового остатка, теплои хладоносителей; состав и температура конечных продуктов; температура исходной смеси, теплои хладоносителей; уровень в кубе колонны; температура по высоте колонны, давления в верхней и нижней частях колонны, а также перепад этих давлений.

Сигнализации подлежат значительные отклонения состава целевого продукта, уровня и давления в колонне от заданных значений. При давлении в колонне выше допустимого, а также при прекращении поступления исходной смеси должны сработать автоматические устройства защиты, отключающие ректификационную установку, при этом магистрали теплоносителей, остатка и дистиллята перекрываются, а магистрали хладоносителя и флегмы полностью открываются.

Кубовый остаток используется в качестве целевого продукта не реже, чем дистиллят. В этом случае более жесткие требования предъявляются поддержанию технологического режима в нижней части колонны, поэтому в кубе колонны устанавливают датчик состава, а в верхней части — датчик температуры. Остальные узлы регулирования остаются неизменными.

1.2.1 Обобщенная задача управления производством

Ректификационная колонна является основным аппаратом в технологической схеме получения химического продукта. Работой колонны в значительной мере определяется производительность установки в целом, качество и себестоимость получаемых продуктов. Решение этих задач в значительной мере сдерживается отсутствием соответствующих датчиков. Однако применение средств вычислительной техники для контроля и управления ректификационной колонной позволяет использовать различные косвенные показатели, по которым с помощью моделей рассчитывают производительность колонны и показатели качества продукта, используемые при управлении процессом.

При выборе АСУТП следует учесть, что данная информационно-управляющая система должна обеспечивать необходимую точность, быстродействие, высокую чувствительность и надежность в соответствии с заданными метрологическими, эксплуатационными и экономическими характеристиками.

На основании выше изложенного, данная система должна соответствовать следующим требованиям:

потребительские требования для выбранной САУ заключаются в простоте работы обслуживающего и оперативного персонала, удобном представлении информационных результатов работы системы управления;

желательно, чтобы комплекс технических средств был компактным и надежным, а также не слишком сложным при монтаже;

экономические требования заключаются в получении ощутимого экономического эффекта от внедрения новой техники, получаемого за счет экономии энергоресурсов и сырья, так и за счет улучшения качества продукции, выпускаемой на этой установке.

Эксплуатационные требования включают в себя:

гибкость, т. е. возможность легко адаптироваться в любой системе управления;

оперативность полученной информации (быстрая обработка информации);

достоверность полученной информации;

надежность технического и программного обеспечения (способность выполнять поставленные функции, сохраняя при этом характеристики в течение длительного времени эксплуатации);

низкая инерционность по введению управляющего воздействия на технологический объект управления.

Для реализации данной задачи необходимо:

· разработать и обосновать функциональную схему автоматизации технологического процесса;

· на основе функциональной схемы разработать и обосновать структурную схему объекта управления;

· выбрать и обосновать техническое и программное обеспечение.

1.2.2 Предельные и рабочие значения технологических параметров

Таблица 4

1.2.3 Основные эксплуатационные возмущения, их характер и место приложения

Основным возмущающим воздействием на протекание процесса является состав исходного сырья, т. е. газового конденсата. Почему только состав? Нет, конечно и температура и давление и расход газового конденсата так же являются немаловажными возмущающими факторами, но эти показатели мы можем застабилизировать, а вот состав сырья застабилизировать нет возможности. Отсюда и вся сложность управления: в зависимости от состава (легкий он или тяжелый) изменяеться и процент выхода той или иной фракции, а соответственно необходимо менять и температурный режим в колоннах.

Технология установки организована так, чтобы предотвратить возможность взрыва в системах при регламентированных значениях параметров.

Также к весомому возмущению можно отнести и старение объекта, т.к. при старении металлоконструкций происходит следующее: уменьшаеться внутренний пропускной диаметр труб (особенно это касается труб малого диаметра), происходит их ржавение (в связи с чем опять же это влияет на состав сырья) и многое другое.

Исходя из всех этих возмущений нам просто необходимо предусмотреть безопасное ведение процесса.

Для возможности безопасного ведения его и защиты обслуживающего персонала на установке предусмотрено следующее:

· все оборудование выбрано в соответствии с технологическими требованиями и производительностью;

· технология организована таким образом, чтобы предотвратить возможность взрыва при регламентированных значениях параметров, аппаратурное оформление, конструкция технологических аппаратов, их материальное исполнение подобрано для максимального снижения уровня взрывопожароопасности;

· технологический процесс ведется в герметичных аппаратах;

· для защиты аппаратов от превышения давления выше расчетного установлены предохранительные клапаны со сбросом в в факельную систему через факельную емкость. Кроме предохранительных клапанов также предусмотрены линии сброса на факел снабженные отсечными клапанами с дистанционным управлением. Сброс парогазовой смеси производится по факельному коллектору в факельный сепаратор и далее на факельную установку;

· для аварийного освобождения аппаратов от продукта смонтированы линии аварийного освобождения снабженные отсечными клапанами с дистанционным управлением.

Для обеспечения надежной и безопасной работы установки и в связи с особой опасностью предусмотрена автоматизированная распределенная система управления (РСУ) и система противоаварийной автоматической защиты (ПАЗ) на базе электронных средств контроля и автоматики, включая средства вычислительной техники, которые обеспечивают автоматическое регулирование процесса и его безаварийную остановку. Система контроля, управления и противоаварийной защиты по надежности, быстродействию и другим техническим характеристикам выполнена с учетом отнесения блоков установки к I категории взрывоопасности.

Во многом именно благодоря системе автоматизации, достигается необходимая надежность и точность, несмотря на большие возмущающие воздействия.

1.3 Обобщенный критерий эффективности управления процессом

Общая задача управления процессом формируется обычно как задача максимизации (минимизации) некоторого критерия при выполнении ограничений на технологические параметры, накладываемых регламентом. Решение такой задачи для всего процесса в целом очень трудоемко, а иногда практически невозможно в виду большого числа факторов влияющих на ход процесса. Поэтому весь процесс разбивают на отдельные участки, которые характеризуются сравнительно небольшим числом переменных. Обычно эти участки совпадают с законченными технологическими стадиями, для которых могут быть сформулированы свои подзадачи управления, подчиненные общей задаче управления процессом в целом.

На основании задачи оптимального управления отдельными стадиями процесса формируют задачи автоматического регулирования технологических параметров для отдельных систем автоматического управления, то есть тех параметров, которые необходимо регулировать, контролировать и анализировать, и на основании этих данных можно определить предварительное состояние технологического объекта управления. Иными словами, разрабатывается стратегия управления технологическим объектом. При этом необходимо получить наиболее полное представление об объекте, имея минимально возможное число выбранных параметров. Успешному достижению цели управления способствует правильный выбор автоматических устройств для реализации стратегии управления. Для формулировки задачи необходимо ввести обозначения искомых переменных и исходных данных, записать в этих обозначениях критерий оптимальности, который в результате решения должен принять минимальное или максимальное значение, и выписать набор условий, определяющих множество допустимых решений. Такими условиями являются связи между искомыми переменными, пределы, в которых может выбираться каждая из них, требования к характеру искомых функций (гладкость, непрерывность и т. п.).

Спецификой автоматизации массообменных процессов является то, что они очень энергоемки, поэтому система автоматизации должна способствовать снижению энергозатрат на разделение при условии обеспечения заданного качества продуктов.

В реальных условиях случайные возмущения приводят к нарушению материального и теплового балансов в аппарате, изменению давления и температуры и в конечном итоге — к отклонению составов продуктов. Поэтому одна из задач регулирования процессов — поддержание материального и теплового балансов при различных возмущениях.

Пусть известна математическая модель объекта в виде

Fвектор возмущений; Uвектор управления; Xсостояние объекта.

Заданы ограничения, наложенные на составляющие вектора F, U, X, которые определяют допустимую область изменения F, U.

Поставим в соответствие состоянию объекта скалярную функцию Q (F, U, X), которую будем называть целевой или критерием оптимальности. Целевая функция численно выражает нашу заинтересованность в том или ином режиме объекта. Для каждого вектора возмущений F необходимо найти вектор управления:

минимальное (или максимальное) значение целевой функции Q (F, U).

Конкретно для исследуемого объекта целевая функция или критерий оптимальности будет иметь вид:

где F = (f1, f2, f3, f4, Тпропан., Тпропан-пропиленовой фракции., Fфлегмы);

Для узла разделения пропан-пропиленовой фракций задачу управления можно сформулировать следующим образом: получение целевого продукта пропилена заданного качества, при ограничении на производительность по этому продукту и минимизации энергозатрат.

2. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

2.1 Анализ организационно-технической структуры

2.1.1 Перечень выполняемых системой функций

В производстве переработки газового конденсата реализована распределенная структура управления процессом, основанная на использовании как одноконтурных, так и многоконтурных автоматических системах регулирования. Поставленная перед АСУ ТП задача — получение целевого продукта заданного качества достигается выполнением следующих функций:

· Сбор и первичная обработка информации (опрос датчиков с заданной частотой, расчет действительных значений параметров по информации от датчиков с учетом их характеристик и введением поправок, усреднение и интегрирование параметров за час, смену, сутки).

· Определение за час, смену, сутки оперативных технико-экономических показателей сырья, пара, электроэнергии, воды, удельных расходов этих потоков, суммарных затрат на производство, технологической себестоимости целевых продуктов, потерь при производстве. При определении ТЭП, кроме того, составляются сводные материальные балансы расхода сырья и целевых продуктов.

· Контроль состояния установки: обнаружение отклонений текущих значений параметров от заданных, а также от минимальных и максимальных допускаемых значений, сигнализация и регистрация отклонений параметров от допустимых значений.

· Стабилизацию технологического процесса на заданном технологическим регламентом уровне.

· Прием, анализ и выдача заданий и ограничений: подготовка и выдача оперативной и обобщенной информации АСУТП.

· Автоматическое и ручное управление параметрами технологического процесса.

2.1.2 Используемые технические средства автоматизации

На производстве используются приборы и средства автоматизации иностранных фирм, таких как Yokogawa, Vega, Endress+Hauser, Masoneilan которые отвечают требованиям современного управления, используют аналоговые и дискретные электрические унифицированные сигналы для передачи информации.

Датчики расхода и давления, уровня фирмы Yokogawa используют аналоговый электрический сигнал 4−20 мА, а также HART-протокол для диагностики и настройки датчиков Для измерения температуры используем термометры сопротивления фирмы Элемер серии 0104-Ex взрывозащищенный с нормированным выходным сигналом 4−20 мА, с изменяемым диапазоном измерения.

Он предназначен для измерения температуры различных сред путем преобразования сигнала первичного преобразователя температуры в унифицированный выходной сигнал. Чувствительный элемент преобразователя и встроенный в голову датчика измерительный преобразователь преобразует измеряемую температуру в унифицированный токовый выходной сигнал, что дает возможность построения АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей. Использование термопреобразователя допускается в нейтральных и агрессивных средах, по отношению к которым материал защитной арматуры является коррозионностойким.

Технические характеристики :

— диапазон измеряемых температур: 0−1100°С;

— выходной сигнал: 4−20 мА;

— номинальная статическая характеристика: 100 М, 100П,;

— передел допускаемой основной приведенной погрешности: 0,1;

— длина монтажной части: L=40−2000мм;

— материал головки: алюминиевый сплав, сталь ;

— схема соединения: двухпроводная (205-Ех), трехпроводная (0104-Ех).

Степень защиты термопреобразователя от воздействия пыли и воды: IP54.

Имеется особовзрывобезопасный уровень взрывозащиты по ГОСТ 12.2.020, обеспечиваемый видом взрывозащиты «Искробезопасная электрическая цепь» по ГОСТ 22 782.5. Маркировка взрывозащиты ЕхiaIIСТ6Х.

Термопреобразователи с маркировкой взрывозащиты «Ехia» функционируют совместно с питающей и регистрирующей аппаратурой, выполненной с видом поставка отдельно измерительного преобразователя ИП 205/ взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» уровня «ia», например, блоки питания БПЗС-П-Ехia, барьеры РИФА2.

Схема подключения датчика

Монтаж термометра сопротивления.

Колонна содержит тарелки, в результате этого термометр сопротивления прикрепляется к колонне перпендикулярно потоку.

Расчет

Принцип действия термометров сопротивления основан на способности различных материалов изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Параметр, характеризующий изменение электрического сопротивления с температурой, называют температурным коэффициентом электрического сопротивления. В диапазоне от 0 до 200С он равен 3,9•10−3 1/ С. Удельное электрическое сопротивление меди мкОм/м. Изменение сопротивления меди в диапазоне температуру от 0 до 650С выражается уравнением, где Rt и R0 — сопротивление меди при температуре соответственно t и 0С; a, b — постоянные коэффициенты, значения которых определяют при градуировке термометра по точкам кипения кислорода и серы (а = 3,96 847 • 10−3 1/С, b = -5,847 • 10−7 1/С).