И. М. Губкина кафедра автоматизации технологических процессов Р. Л. Барашкин проектирование систем управления ректификационными колоннами учебное пособие

Рис. 6. Диаграмма разделение потоков и фракционирования



Для реализации системы управления колонной рассмотрим математические зависимости регулируемых и регулирующих па- раметров. Запишем уравнения материального, компонентного и теплового балансов:
материальный баланс

F = D + B,

(1)

компонентный баланс

Fxf = Dxd + Bxb,

(2)

где F – расход входного потока, D – расход дистиллята, B – рас- ход кубового остатка, x_f, x_d, x_b – концентрация полезного компо- нента во входном потоке, дистилляте и кубовом остатке соответ- ственно;
тепловой баланс

FHf + Qреб = DHd + BHb + Qконд,

(3)

где H_f – энтальпия входного потока, H_d – энтальпия дистиллята, H_b – энтальпия кубового остатка, Q_риб – мощность рибойлера, Q_конд – мощность конденсатора.
Подставив Ошибка! Источник ссылки не найден. в (2) по- лучим:

D = F(xf – xb)/(xd – xb),	(4)
B = F(xf – xd)/(xb – xd).	(5)

Система уравнений (1)(3)  представляет собой упрощенную модель колонны. D, B, Q_реб, Q_конд – регулирующие параметры. Уравнения (4), (5) упрощенно отражают зависимости регулируе- мых и регулирующих параметров, которые определяют систему управления в соответствии со стратегией и задают режим работы колонны в каждый момент времени.
Уравнение материального баланса колонны учитывает расхо- ды сырья, дистиллята и кубового остатка, объёмы жидкости в ри- бойлере, накопителе, запас жидкой фазы на тарелках. Изменение уровня жидкости в рибойлере или накопителе свидетельствует о нарушении материального баланса или изменении запаса жидкой фазы на тарелках колонны [2]
Из системы уравнений модели колонны определяют возмож- ные возмущающие воздействия, регулируемые и регулирующие параметры:

• 
  основные возмущающие воздействия: колебания расхода, состава и температуры питания;
  
• 
  второстепенные возмущающие воздействия: изменения эн- тальпии греющего пара, теплоносителя, хладагента; потери теп- лоты в окружающую среду;
  
• 
  регулируемые параметры: концентрации полезного компо- нента в дистилляте и в кубовом остатке; уровень жидкости в ри- бойлере и в накопителе, давление к колонне;
  
• 
  регулирующие параметры: расходы греющего пара, тепло- вой нагрузки конденсатора, тепловой нагрузки рибойлера, флег- мы, дистиллята, кубового остатка.
  

Выбор системы управления осложняется нелинейной зависи- мостью регулируемых и регулирующих параметров (нелинейный коэффициент усиления). Например, перепишем выражение (4) в следующем виде:

F (x  x ) x  x  ^f ^b . d b D

(6)

Продифференцируем (6) по D при постоянном x_b:

 xd  F (x f  xb ) . ^^^D^^D  xb

(7)

Из (7) видно, что зависимость изменения концентрации по- лезного продукта в дистилляте нелинейно зависит от расхода ди- стиллята.
При синтезе системы управления объектом необходимо учи- тывать нелинейные зависимости регулируемых и регулирующих параметров.
Порядок формирования структуры управления простой ко- лонной (рис. 3):

1. 
   Определя(ю)тся:
   

а) общее число степеней свободы объекта управления, б) число статических степеней свободы,
в) число динамических степеней свободы, г) парные переменные.

2. 
   Синтезируются контуры регулирования давления и уровня, которые затем исследуются в динамике по каналу возмущений.
   
3. 
   Синтезируются контуры регулирования параметров каче- ства колонны на основе требований регламента технологического процесса.
   

Для реализации стратегии управления с выбранной системой управления необходимо выбрать структуру регулятора.

6.