Моделирование системы управления технологическим процессом разделения воздуха

№122-1,

технические науки

Данная работа посвящена автоматизации технологического процесса разделения воздуха. В статье рассматривается необходимость моделирования автоматизированной системы управления на примере температуры технического аргона на выходе из теплообменника. Смоделирован объект управления и подобраны настроечные коэффициенты для регулятора таким образом, чтобы процесс регулирования стал качественным и оптимальным. Разработанную модель автоматического управления процессом разделения воздуха можно считать оптимальной и использовать в промышленности.

Похожие материалы

В основных направлениях экономического и социального развития становится задача развивать производство электронных устройств регулирования и телемеханики, исполнительных механизмов, приборов и датчиков систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов, агрегатов, машин и оборудования. Во всем этом могут помочь автоматизированные системы управления [1]

Автоматизированная система управления или АСУ — комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия. АСУ применяются в различных отраслях промышленности, энергетике, транспорте и т. п. Термин автоматизированная, в отличие от термина автоматическая подчеркивает сохранение за человеком-оператором некоторых функций, либо наиболее общего, целеполагающего характера, либо не поддающихся автоматизации.

Опыт, накопленный при создании автоматизированных и автоматических систем управления, показывает, что управление различными процессами основывается на ряде правил и законов, часть из которых оказывается общей для технических устройств, живых организмов и общественных явлений.

Производство продуктов разделения воздуха, так как азот, кислород, аргон, ксенон и других, широко востребовано современной промышленностью в различных технологических процессах. Так как в них требуется высокое качество и чистота получаемых газов, правила разделения воздуха жестко регламентированы множеством нормативных актов и инструкции, в частности ГОСТ 26460-85 «Продукты разделения воздуха. Газы. Криопродукты. Упаковка, маркировка, транспортирование и хранение», а установка разделения воздуха может быть разработана и создана только в соответствии с «Инструкцией по проектированию производства газообразных и сжиженных продуктов разделения воздуха» [2].

Существуют три метода разделения воздуха: адсорбционный, мембранный и криогенный. Отсюда и типы установок: адсорбционные, мембранные и криогенные.

В адсорбционных установках — сжатый воздух проходит через один из двух попеременно работающих адсорберов, в результате осуществляется доминирующее поглощение азота или кислорода из воздуха, а оставшийся газ направляется потребителю.

У мембранных суть работы заключается в различной скорости проникновения выделяемого элемента через материал мембраны.

Криогенные установки предназначены для получения кислорода, азота, аргона и смесей редких газов из окружающего воздуха путем низкотемпературной ректификации.

В данной статье рассматривается разделение воздуха, криогенным методом, с целью получения аргона.

Аргон по летучести занимает промежуточное положение между азотом и кислородом — основными компонентами воздуха. Этим и объясняется специфическое поведение аргона при ректификации жидкого воздуха. Окончательное разделение жидкого воздуха на азот и кислород производится в колонне низкого давления воздухоразделительного аппарата. Дистиллятом этой колонны является газообразный азот, а нижним продуктом — газообразный или жидкий кислород. В качестве основного показателя эффективности данного процесса выступает чистота получаемого дистиллята аргона [3]

Целью процесса, описанного в этой статье, является поддержание процентных содержаний азота и кислорода в чистом аргоне на заданных значениях. Содержание азота в чистом аргоне должно быть не более 0.0005%. Содержание кислорода в чистом аргоне должно быть не более 0.005%. Процесс получения чистого аргона должен происходить при максимально большой интенсивности и экономичности процесса, кроме того, протекание процесса должно быть безопасным и безаварийным.

Суть метода состоит в трёхступенчатом отделении аргона от азота и кислорода, изначально состоящих с ним в смеси, в сниженном воздухе. Каждая ступень — это ректификационная колонна с обвязкой из трубопроводов, теплообменников, технологического оборудования и средств автоматизации. Каждая колонна сконструирована особым образом и выполняет свои функции в системе. Первая колонна — колонна сырого аргона — это колонна, в нижнюю часть которой поступает аргонная фракция, имеющая в своём составе — 88% кислорода и 0.7% азота. Вторая колонная (технического аргона) имеет на входе уже сырой аргон с содержанием 0.5% кислорода; 2.3% азота. Третья колонна — колонна чистого аргона имеет на входе технический аргон с содержанием в нем 0.002% кислорода, 0.01% азота, а на выходе чистый аргон с содержанием 0.0002% кислорода и 0.002% азота.

В качестве объекта исследования выбран контур регулирования температуры сырого аргона на входе в колонну технического аргона путем изменения расхода кубовой жидкости из нижней колонны установки разделения в теплообменник (поз.10)

Схема управления расходом кубовой жидкости в теплообменник сырого аргона
Рисунок 1. Схема управления расходом кубовой жидкости в теплообменник сырого аргона

Для определения свойств объекта применяется экспериментальный метод

Суть экспериментального метода заключается в некотором воздействии на вход объекта, фиксации отклика на выходе объекта и обработке экспериментальных данных по принятым в теории автоматического регулирования методикам.

При воздействии на входную величину объекта выходная величина изменяется от начального значения до конечного установившегося значения в виде переходного процесса.

Определение передаточной функции объекта по его переходной характеристике производится по методике, в основе которой лежит метод аппроксимации. Суть данного метода заключается в замене реального исследуемого объекта на некоторый идеальный, параметры которого заранее известны и их набор минимален, и отличающийся от реального объекта на предельно допустимую погрешность. В теории автоматического регулирования такие идеальные объекты называются типовыми звеньями.

Для снятия временных характеристик, объект управления приводится в равновесное состояние t0 = -185C, а затем вносится возмущающее воздействие по линии расхода кубовой жидкости, импульсное увеличение подачи расхода кубовой жидкости перемещением регулирующего клапана (Δх = 20 %).

Реакция объекта на это возмущение, кривая разгона, регистрируется в координатах: выходная величина — температура, время. Изменение выходной величины регистрируют до тех пор, пока объект управления не примет нового установившегося значения (Рис.2)

Исходный переходной процесс
Рисунок 2. Исходный переходной процесс

Определяется передаточная функция объекта управления [5]. Метод предназначен для объектов, переходная характеристика которых имеет S-образный вид. Зависимость температуры воды от расхода пара можно описать передаточной функцией, представленной в виде:

W_p=\frac{k}{(T_p+1)^n}\cdot e^{-p\tau}, (1)

где: k — коэффициент усиления; T — постоянная времени, с; τ — время запаздывания, с.

Получившиеся численные значения коэффициентов k, T, n, τ, заносятся в формулу (1) передаточной функции:

W_p=\frac{5}{220p+1}\cdot e^{-p\cdot 2,2}

Следовательно, объект управления имеет первый порядок и обладает временем запаздывания равным 2,2 секундам

Наложение графиков кривых
Рисунок 3. Наложение графиков кривых

При наложении исходного графика и графика, построенного в программном средстве VisSim, можно сделать вывод, о том, что полученная передаточная функция адекватна исходной кривой разгона (Рисунок 3).

Для обеспечения нормального хода технологических процессов, поддержания или изменения по заданным законам таких величин, как температура, давление, расход, уровень и др., применяют автоматические регуляторы.

Для регулирования температуры в теплообменнике выбирается пропорционально-интегральный (ПИ) закон регулирования, так как он обеспечивает высокую точность и качество переходного процесса.

Подбор коэффициентов ПИ-регулятора позволил улучшить вид переходной характеристики. Оптимальные коэффициенты:

k1 = 14.9 — пропорциональная составляющая;

k2 = 0.13636 — интегральная составляющая;

Переходной процесс: 1–Кривая изменения температуры с ПИ-регулятором; 2–Исходная кривая изменения температуры
Рисунок 4. Переходной процесс: 1 — Кривая изменения температуры с ПИ-регулятором; 2 — Исходная кривая изменения температуры

Исследованная выше устойчивость системы обеспечивает затухание переходных процессов с течением времени, т.е. обеспечивает принципиальную возможность прихода системы в некоторое установившееся состоянии при любом внешнем возмущении.

Основные показатели качества управления системы с ПИ-регулятором:

  1. Перерегулирование σ = 23%;
  2. Степень затухания Ψ = 1;
  3. Время регулирования Tp= 128 секунд;
  4. Колебательность N = 3.

Полученные основные показатели качества управления ПИ- регулятором являются приемлемыми.

Исходя из полученных данных, была рассчитана передаточная функция объекта управления, согласно которой объект имеет 1–й порядок с запаздыванием 2.2 секунд. Сформированы и решены основные задачи оптимизации системы управления, составлена математическая модель объекта управления. Произведен анализ качества управления объектом. Произведен расчет и подбор оптимальных настроечных коэффициентов ПИ–регулятора, проведено моделирование процесса управления.

Список литературы

  1. Что такое автоматизация технологических процессов и производств. Введение. [Электронный ресурс] // URL: https://wotsite.ru/ventilation/chto-takoe-avtomatizaciya-tehnologicheskih-processov-i-proizvodstv/ (Дата обращения: 26. 11.2020г.)
  2. Разделение воздуха [Электронный ресурс] // URL: https://chzmek.ru/lib/razdel-azotnye-stantsii-/razdelenie-vozdukha/ (Дата обращения: 26. 11.2020г.)
  3. Получение продуктов разделения воздуха [Электронный ресурс] // URL: http://geliymash.ru/tehnologii/poluchenie-produktov-razdelenija-vozduha/ (Дата обращения: 26. 11.2020г.)
  4. Лапшенков, Г.И. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности/ Г.И. Лапшенков, Л.М. Полоцкий. — М.: Химия, 1988. — 288с.
  5. Ротач В.Я. Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами: Учебник для вузов. — М.: Энергоатомиздат. 1985. — 296 с.
  6. Моделирование объектов управления [Электронный ресурс] // Vuzlit URL: https://vuzlit.ru/1125058/modelirovanie_obektov_upravleniya (Дата обращения: 26. 11.2020г.)