Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Ректификация является одним из самых распространённых процессов химической технологии. Энергетические затраты на процесс ректификации составляют наибольшую долю в общих энергетических затратах на процессы химической технологии.

Этим обусловлен интерес к исследованию динамики процесса ректификации с целью энергосбережения [1] и созданию систем управления этим процессом [2].

В качестве объекта управления выбран блок колонн К-1 и К-2 в производстве изопрена [3, 4]. Технологическая схема ректификационной установки приведена на рис. 1. Питающая смесь – фракция углеводородов C5 пиролиза (поток F) поступает в колонну К-1, в которой происходит отделение низкокипящих компонентов фракции (поток D1). Целевым потоком, содержащим изопрен, является поток кубовой жидкости (W1). После нагрева до температуры кипения поток W1 поступает в колонну К-2, где происходит отделение высококипящих компонентов (поток W2). Фракция, содержащая изопрен, отбирается в виде дистиллята (поток D2). Процесс осуществляется при технологических параметрах, приведённых для базового режима, в табл. 1.

Рис. 1. Технологическая схема блока колонн ректификации К-1 и К-2 в производстве изопрена

Таблица 1

Технологические параметры для базового режима

Цель работы: разработка системы оптимального управления ректификационными колоннами К-1 и К-2, обеспечивающей минимизацию энергетических затрат и качественный переходной процесс в этих колоннах при возмущении по расходу питания в головную колонну.

Для получения системы оптимального управления решаются следующие задачи:

– в программной среде Unisim Design [5] вычисляются оптимальные статические режимы блока колонн К-1 и К-2, обеспечивающие минимальные энергетические затраты на процесс выделения дистиллята колонны К-2 требуемого качества при изменении расхода питания в колонну К-1;

– определяются места контрольных тарелок колонн К-1 и К-2 в статическом режиме при базовом расходе и составе питания в колонну К-1;

– определяется структура системы управления колоннами К-1 и К-2;

– в программной среде Unisim Design для колонн К-1 и К-2 моделируютя кривые разгона по каналам: расход питания – температура на контрольной тарелке, расход управляющего потока – температура на контрольной тарелке;

– определяются передаточные функции компенсаторов и регуляторов;

– строится переходной процесс в системе управления колоннами К-1 и К-2 и оценивается его качество.

Статическая оптимизация

Оптимизация статических режимов выполнялась поэтапным декомпозиционным методом [6]. В качестве критерия оптимальности выбраны энергетические затраты на технологический процесс, которые оценивались по тепловым потокам конденсаторов и ребойлеров. Результаты оптимизации показаны в табл. 2 и 3.

Таблица 2

Результаты статической оптимизации колонны К-1

Таблица 3

Результаты статической оптимизации К-2

По результатам статической оптимизации установлено, что управляющие воздействия линейно зависят от расхода питания в колонну К-1 и система управления должна основываться на изменении этих воздействий пропорционально изменению подачи питания. Установлена пропорциональность расхода питания в К-2 и расхода питания в головную колонну К-1, что позволяет формировать управляющие воздействия колонны К-2 в зависимости от отбора продукта W1. Из табл. 2 и 3 следует, что температура на контрольных тарелках изменяется незначительно при изменении расхода питания в колонну К-1. В связи с этим для стабилизации качества продукта можно стабилизировать температуру на контрольных тарелках.

Определение контрольных тарелок

Практически в любой задаче управления процессом ректификации имеет место задача получения информации о составе, оцениваемом по температуре в контрольной точке объекта управления.

Выбор тарелки, на которой будет контролироваться температура (контрольная тарелка) либо другой параметр, косвенно характеризующий состав, может происходить по различным критериям [7]. В данной работе место контрольной тарелки выбиралось по максимальному отклонению температурного профиля при нанесении внешнего воздействия с разными знаками по расходу питания.

На рис. 2 представлено отклонение температуры на тарелках колонны К-1 от температурного профиля в базовом статическом режиме при изменении расхода питания на ±5 %.

Из графика следует, что можно выбрать в качестве контрольной тарелки 6 тарелку.

На рис. 3 представлено изменение температуры на тарелках К-2 при изменении расхода питания в эту колонну на ±10 %.

Из представленного графика следует, что, что в качестве контрольной можно выбрать 53 тарелку.

На основе анализа оптимальных статических режимов работы ректификационных колонн предложена система управления, представленная на рис. 3. Она содержит:

– комбинированную систему регулирования температуры на контрольной тарелке колонны К-1 изменением расхода теплового потока в зависимости от расхода питания в эту колонну;

– систему стабилизации флегмового числа колонны К-1 изменением отбора дистиллята D1;

– комбинированную систему регулирования температуры на контрольной тарелке колонны К-2 изменением расхода теплового потока в зависимости от расхода питания в эту колонну;

– систему регулирования расхода дистиллята D2 в зависимости от расхода питания в колонну К-2.

Одноконтурными системами регули- руются:

– уровни во флегмовых ёмкостях изменением расхода флегмы;

– уровни в ребойлерах колонн изменением расхода кубового продукта;

– давление в колоннах изменением расхода охлаждающего агента в конденсаторы колонн.

Кривые разгона по каналам передачи воздействий получены моделированием в среде Unisim Design. Далее определены передаточные функции объекта и выполнена их нормировка.

Настроечные параметры ПИ-регуляторов, используемых в системах стабилизации, подбирались имитационным моделированием в среде Unisim Design.

Для синтеза регуляторов соотношения расходов смоделированы функциональные блоки R и F/D, которые рассчитывают флегмовое число и отношение питания к дистилляту соответственно. Выходной сигнал функционального блока поступает на вход классического ПИ-регулятора FFC, который регулирует соотношение расходов изменением положения клапана, установленного на линии отбора дистиллята.

В табл. 4 приведены значения настроечных параметров ПИ-регуляторов, предлагаемых в системе управления. Настроечные параметры регуляторов определены на основе анализа переходных процессов в процессе имитационного моделирования.

Таблица 4

Настроечные параметры регуляторов блока колонн К-1 и К-2

Рис. 4. Изменение температуры на контрольной тарелке в колонне К-2

В качестве компенсаторов К1 и К2 выбраны интегро-дифференцирующие звенья и получены их передаточные функции 1, 2:

(1)

(2)

На рис. 4 представлен график изменения температуры на контрольной тарелке ТКТ колонны К-2 в системе оптимального управления блоком колонн К-1 и К-2 при ступенчатом возмущении в головную колонну по расходу питания на 10 % от базового значения. Амплитуда колебаний не превышает 0,015 °С, а время переходного процесса блока колонн составляет менее 1 ч, что свидетельствует о высоком качестве переходного процесса.

Выводы

Выполнен структурный и параметрический синтез системы оптимального управления колоннами К-1 и К-2 в производстве изопрена. Получен переходной процесс высокого качества с максимальным отклонением температуры на контрольной тарелке, не превышающем погрешности измерительных средств, используемых в производственных условиях.

Выполнение структурного и параметрического синтеза с использованием среды Unisim Design на примере блока колонн К-1 и К-2 в производстве изопрена показало высокую эффективность как по статической оптимизации процесса, так и по имитационному моделированию при коррекции значений настроечных параметров регулирующих устройств.