Устройство автоматического регулирования процессом ректификации
Полезная модель относится к устройствам для управления процессом ректификации и может быть использовано в химической, фармацевтической, нефтеперерабатывающей и пищевой промышленности.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в повышении эффективности работы ректификационной колонны путем учета и компенсации инерционности процесса ректификации, а также определении параметра, с помощью которого реализуется управление температурным профилем колонны по всей ее высоте.
Устройство автоматического регулирования процессом ректификации реализует управление системой путем изменения температурного профиля по высоте колонны системой, состоящей из блока регулирования температуры питательной смеси, блока регулирования температуры куба, блока регулирования температуры верха и блока идентификации текущего значения критерия эффективности работы ректификационной колонны, который вырабатывает задание регулятору температуры питательной смеси.
1 илл.
Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для управления процессом ректификации и может быть использована в химической, фармацевтической, нефтеперерабатывающей и пищевой промышленности.
Известен способ автоматического регулирования процессом ректификации (Авторское свидетельство СССР 
944600, кл. В01D 3/42, 1982) путем воздействия на подачу теплоносителя и орошения в зависимости от изменения значений температур на тарелках, отличающийся тем, что, с целью уменьшения энергозатрат путем улучшения качества регулирования, подачу теплоносителя и орошения изменяют в зависимости от суммы логарифмов отношений разности температур, измеренных в различных точках колонны, поддерживая произведение расхода орошения на расход теплоносителя постоянным. Устройство для реализации способа содержит ректификационную колонну, датчики температуры, вычислительные блоки, регулятор, регулятор расхода теплоносителя, регулятор расхода орошения.
Недостатком данного способа и реализующего его устройства является то, что при управлении колонной применяется мультипликативная связь (произведение) двух потоков информации (расходов) от датчиков, имеющих квадратические статические характеристики. Поэтому, качество регулирования, при таком большом количестве нелинейных, взаимосвязанных, измеряемых параметров находится под большим сомнением, особенно по метрологическим показателям качества управления.
Известен также наиболее близкий к предлагаемому изобретению способ автоматического регулирования процессом ректификации и реализующее его устройство (Авторское свидетельство СССР SU 1526723, кл. В01D 3/42, G05D 27/00, 1989), выбираемое в качестве прототипа, которое содержит ректификационную колонну, датчики температуры, блок коррекции профиля температур по давлению паров, регуляторы расходов теплоносителя и орошения, регулятор расхода питающей смеси, регулятор теплосодержания, датчики давления, дефлегматор в верхней части колонны, первый теплообменник в нижней части колонны, второй теплообменник, второй теплообменник, расположенный в месте подачи питающей смеси, исполнительные устройства.
Способ автоматического регулирования процессом ректификации путем задания температурного профиля колонны и изменения подачи теплоносителя и орошения в зависимости от изменения температурного профиля ректификационной колонны, реализует измерение давления в верхней и нижней частях колонны и, в зависимости от измеренных значений давлений, корректирование температурного профиля колонны, определение высоты участка колонны, на котором температура не меньше температуры кипения кубового продукта заданного состава и высоту участка колонны, на котором температура не превышает температуры кипения дистиллята заданного состава, расчет скорости изменения температуры по высоте колонны и, в зависимости от значений определенных высот участков колонны и скорости изменения температуры по высоте колонны параметров, корректирование расходов теплоносителя и орошения, расхода и теплосодержания питающей смеси.
Недостатком прототипа является попытка уменьшить статическую погрешность измерения температурного профиля колонны применением контроля давления в верхней и нижней части колонны. Это неизбежно приводит к появлению неопределенностей по фиксации температуры верха и низа колонны, что увеличивает динамические погрешности процесса управления и время регулирования температуры питающей тарелки. Также, в известном способе и реализующем его устройстве отсутствует компенсация инерционности процесса ректификации, что приводит к ухудшению качества регулирования.
Существующие в настоящее время программно-аппаратные системы регулирования позволяют применять адаптивные алгоритмы управления, которые, за счет наличия процедур идентификации, позволяют исключить влияние инерционных свойств объекта управления на качество регулирования и повысить эффективность работы ректификационной колонны.
Эффективность работы ректификационной колонны определяется текущим профилем концентраций по высоте колонны, которые непосредственно зависят от текущего профиля изменения температур по высоте колонны.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в повышении эффективности работы ректификационной колонны. Это достигается путем учета и компенсации инерционных свойств процесса ректификации, а также вычислением минимального среднеквадратического отклонения текущего значения температуры от прогнозируемого и установления этого значения в качестве задания регулятору температуры питающей тарелки и, тем самым, изменения температурного профиля по всей высоте колонны.
Поставленная задача решается тем, что известное устройство автоматического регулирования процессом ректификации, содержащее ректификационную колонну, оснащенную датчиками температуры, регулятором расхода перегретого пара, регулятором расхода хладагента, регулятором расхода греющего пара, дефлегматором в верхней части колонны, первым теплообменником в нижней части колонны, вторым теплообменником, расположенным в месте подачи питающей смеси, блоком коррекции профиля температур, согласно полезной модели, снабжено первым и вторым хроматографами, регулятором температуры верха колонны, регулятором температуры низа колонны, причем первый из хроматографов соединен с регулятором температуры верха колонны, подключенным к регулятору расхода хладагента, выход которого подключен через исполнительные устройства к дефлегматору, второй хроматограф соединен с регулятором температуры низа колонны, подключенным к регулятору расхода греющего пара, выход которого через исполнительные устройства соединен с теплообменником в нижней части колонны, регулятором температуры питающей смеси, подключенным через исполнительные устройства ко второму теплообменнику, а блок коррекции выполнен в виде блока идентификации текущего значения критерия эффективности работы ректификационной колонной, который реализует алгоритм:
где: N - количество датчиков температуры, установленных по высоте колонны;
Tэi (t) - текущее значение температуры i-той тарелки, измеренное на объекте управления; Тмi(t) - текущее значение температуры i-той тарелки, прогнозируемое по математической модели ректификационной колонны.
На чертеже 1 представлена структурная схема устройства для управления процессом ректификации.
Устройство состоит из: ректификационной колонны 1, оснащенной датчиками температур 2, блока регулирования температуры низа колонны 3, содержащего, в свою очередь, первый теплообменник 4, первый хроматограф 5, регулятор температуры низа колонны 6 и регулятор расхода перегретого пара 7, блока регулирования температуры верха колонны 8, содержащего дефлегматор 9, второй хроматограф 10, регулятор температуры верха 11 и регулятор расхода хладагента 12, второго теплообменника 13, блока идентификации текущего значения эффективности работы ректификационной колонны 14, блока регулирования температуры питательной смеси 15 и регулятора расхода греющего пара 16.
Устройство функционирует следующим образом. Информация, генерируемая датчиками температур 2, постоянно попадает в регулятор температуры верха 11, регулятор температуры низа 6 ив блок 14, в котором производится накопление текущих реализаций, идентификация настроечных коэффициентов математической модели ректификационной колонны и строится модельный профиль температур по высоте колонны.
Температурный профиль по высоте колонны фиксируется тремя управляющими воздействиями: расход перегретого пара, поступающего в первый теплообменник 4, расход хладагента, подаваемого в дефлегматор 9, и температура тарелки питания, которую можно изменять с помощью второго теплообменника 13. При этом два из управляющих воздействий (расход перегретого пара и расход хладагента) определяют начальное (температура низа колонны) и конечное (температура верха колонны) значения профиля температур по высоте колонны.
На протяжении всего периода идентификации должны быть зафиксированы температура низа посредством блока 3, температура верха колонны посредством блока 8 и температура тарелки питания посредством блока 15.
В каскадной системе регулирования температуры низа колонны (блок 3), выходная величина первого хроматографа 5 поступает в качестве задания на регулятор температуры низа колонны 6, вырабатывающий задание регулятору 7, предназначенному для стабилизации расхода перегретого пара, поступающего в первый теплообменник 4.
Аналогично в каскадной системе регулирования температуры верха, (блок 8), выходная величина второго хроматографа 10 поступает в качестве задания на регулятор температуры верха 11, который вырабатывает задание регулятору 12, предназначенному для стабилизации расхода хладагента, поступающего в дефлегматор 9.
Блок идентификации текущего значения эффективности работы ректификационной колонны 14, кроме идентификации математической модели и вычисления модельного профиля температур Тмi, вычисляет также минимальное значение квадрата отклонения модельного профиля температур по высоте колонны от измеренного температурного профиля Т Э1, по соотношению (1). Минимум ищется по математической модели ректификационной колонны методом градиентного поиска по температуре питающей тарелки.
Минимум соотношения (1) принимается за текущее значение эффективности работы ректификационной колонны и устанавливается в качестве задания регулятору температуры питающей смеси 15. Само же изменение текущего значения температуры питающей смеси осуществляется путем изменения расхода греющего пара посредством второго теплообменника 13 регулятором 16.
Таким образом, вследствие компенсации инерционности процесса посредством современных программно-аппаратных средств регулирования, в частности, с использованием микропроцессорной техники в реализации блока идентификации, достигается решение поставленной задачи - повышение эффективности работы ректификационной колонны.
Устройство автоматического регулирования процессом ректификации, содержащее ректификационную колонну, оснащенную датчиками температуры, регулятором расхода перегретого пара, регулятором расхода хладагента, регулятором расхода греющего пара, дефлегматором в верхней части колонны, первым теплообменником в нижней части колонны, вторым теплообменником, расположенным в месте подачи питающей смеси, блоком коррекции профиля температур, отличающееся тем, что оно снабжено первым и вторым хроматографами, регулятором температуры верха колонны, регулятором температуры низа колонны, причем первый из хроматографов соединен с регулятором температуры верха колонны, подключенным к регулятору расхода хладагента, выход которого подключен через исполнительные устройства к дефлегматору, второй хроматограф соединен с регулятором температуры низа колонны, подключенным к регулятору расхода греющего пара, выход которого через исполнительные устройства соединен с теплообменником в нижней части колонны, регулятором температуры питающей смеси, подключенным через исполнительные устройства ко второму теплообменнику, а блок коррекции профиля температур выполнен в виде блока идентификации текущего значения критерия эффективности работы ректификационной колонной, который реализует алгоритм:
,
где N - количество датчиков температуры, установленных по высоте колонны;
Tэi(t) - текущее значение температуры i-й тарелки, измеренное на объекте управления; Тм i(t) - текущее значение температуры i-й тарелки, прогнозируемое по математической модели ректификационной колонны.
