СКАЧАТЬ:  dd.zip [364,71 Kb] (cкачиваний: 33)

Содержание

1. Введение..........................................................................................2
2. Теоретическая часть.......................................................................3

1)    Описание технологического процесса...................................................3

2)   Описание функциональной технологической схемы...................4

1. Расчетная часть...............................................................................9

1)    Сущность экспериментального определения статических

и динамических характеристик объектов регулирования....................9

2)    Выделения САР из общей схемы автоматизации................................12

3)   Определение передаточной функции в печи, по кривой разгона, методом площадей........................................................................13

4)   Нахождение настроечных параметров регуляторов моделируемых САР...........................................................................................................21

5)    Моделирование переходных процессов при различных вариантах систем.......................................................................................................24

6)    Анализ и выводы.....................................................................................27

1. Заключение...................................................................................................30
2. Список литературы......................................................................................31

Введение

Под ав­томатизацией производственных процессов нефтяных и газовых промыслов следует понимать применение приборов, приспособ­лений и машин, обеспечивающих бурение, добычу, промысло­вый сбор, подготовку и передачу нефти и газа с промысла потребителю без непосредственного участия человека, лишь под его контролем. Автоматизация производственных процес­сов является высшей формой развития техники добычи нефти и газа, предусматривающей применение передовой технологии, высокопроизводительного и надежного оборудования.

В настоящее время широко внедряются многоуровневые автоматизированные системы управления технологическими процесса, построен­ные на основе широкого применения микропроцессоров, микро- и мини-ЭВМ.

Основу нижнего уровня управления АСУ ТП составляют локальные системы автоматического регулирования (CAP), которые в зависимости от сложности технологического процесса и требований по качеству процесса регулирования могут быть построены в виде одноконтурных, каскадных, инвариантных и многосвязанных систем. Характерной особенностью АСУ ТП является передача функций выработки управляющих воздействий в CAP от локальных регуляторов микро-ЭВМ.

При высокой точности и быстродействии аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей система цифрового управления представляет собой контур, к которому с допустимой степенью точности могут быть применены известные упрощённые методы расчета аналоговых систем регулирования. Такие системы регулирования получили название квазианалоговых.

Расчёт САР производится по методам, разработанным для аналоговых регуляторов. При этом уравнение объекта и регулятора представляются в разностной форме.

Описание технологического процесса

В данной курсовой работе рассматривается  секция получения и выделения серы  (секция  - 600) «Елховского Нефтеперерабатывающего Управления» НГДУ «Елховнефть» ОАО «Татнефть».

Секция предназначена для получения серы путем окисления сероводорода. На первой стадии происходит окисление сероводорода в присутствии воздуха:

2H₂S + O₂  →  2S + 2H₂O

2H₂S + 3O₂  →  2SO₂ + 2H₂O

Обе реакции протекают при высоких температурах и являются экзотермическими реакциями. Поскольку сероводород, поступающий на секцию, содержит большое количество примесей, наряду с приведенными реакциями протекает ряд побочных экзотермических реакций:

2H₂ + O₂  →   2H₂O

CH₄ + 2O₂  →  CO₂ + 2H₂O

4NH₃ + 3O₂  →  2N₂ + 6H₂O

   Для обеспечения полного окисления двуокиси серы в реакторе в присутствии катализатора протекает реакция доокисления сероводорода и двуокиси серы:

2H₂S + SO₂  →  3S + 2H₂O

Первые две реакции окисления являются обычными реакциями полного и частичного сгорания сероводорода. Они протекают при температуре более 1000ºС. Каталитическая реакция окисления сероводорода и двуокиси серы протекает в присутствии катализатора типа Lu Roche S-201, представляющего собой активированный глинозем в форме шариков диаметром 4,8 мм. Этот катализатор состоит из 94-95% окиси алюминия с развитой эффективной поверхностью.

Реакция, протекающая в реакторе, экзотермична и сопровождается выделением тепла. Чем ниже температура, тем выше скорость реакции. Однако существенным недостатком низких температур является то, что при этом возможна конденсация серы в порах катализатора, что резко снижает его активность. Чтобы повысить скорость реакции и одновременно избежать конденсации серы на катализаторе, реактор на блоке разделен на три секции. Это позволяет избежать разогрева продуктов реакции выше допустимых температур, при которых возможно спекание катализатора и уменьшение его активной поверхности, и одновременно избежать конденсации серы в слое катализатора.

Описание функциональной технологической схемы 

(см. приложение «Секция получения и выделения серы. Схема функциональная автоматизации»)

Сырьем для секции извлечения и получения серы служит кислый газ, поступающий с десорбционной колонны Т-503 секции аминовой очистки газов. Этот газовый поток представляет собой главным образом сероводород с незначительными примесями водорода, метана, аммиака.

Кислый газ поступает в сепаратор V-601 для удаления увлеченных частиц жидкости. Жидкая фаза с сепаратора V-601 сливается в сепаратор отходов V-611.

Очищенный кислый газ с сепаратора V-601 поступает к горелке котла-утилизатора Е-601.

Для первичного розжига горелки котла-утилизатора и разогрева катализатора в V-602 предусмотрен топливный газ от заводского коллектора и воздух от воздуходувки К-601А,В.

Расход воздуха к котлу-утилизатору Е-601 регулируется блоком соотношения «кислый» газ / воздух поз., клапан которого установлен на линии подачи воздуха к горелке котла.

В топке котла-утилизатора Е-601 сероводород частично сгорает с образованием паров серы, воды и двуокиси серы. За счет тепла сжигания газа и экзотермических реакций в межтрубном пространстве котла-утилизатора Е-601, заполненного хим.очищенной водой, вырабатывается пар давлением 4,2 кгс/см². Пар выводится в заводской коллектор пара.

       Из 1-ой секции котла-утилизатора Е-601 технологический газ поступает в сепаратор серы V-608, где жидкая сера отделяется от газов и сливается через гидрозатвор V-607А в емкость V-603. Уровень жидкости в гидрозатворе V-607А предотвращает проскок газов из сепаратора V-608 в емкость V-603.

       Выходящий из сепаратора V-608 технологический газ поступает в печь штыкового типа Н-602, где подогревается за счет тепла сгорания топливного газа в горелки печи.

        Повторно подогретый технологический газ из печи Н-602 поступает сверху в 1-ую секцию реактора V-602. Проходя через слой активированного глиноземного катализатора, сероводород и двуокись реагируют между собой с образованием элементарной серы. Выходящий из 1-ой секции реактора V-602 технологический газ направляется в трубное пространство 2-ой секции котла-утилизатора Е-601, где охлаждается до 168ºС и из него конденсируется сера.

Охлажденный технологический газ и сконденсированная сера из трубного пространства 2-ой секции котла-утилизатора Е-601 поступает в сепаратор V-609, где происходит их разделение.

Жидкая сера с нижней части сепаратора через гидрозатвор V-607В отводится в емкость V-603, а технологический газ с верха сепаратора поступает в печь Н-603. Подогретый за счет тепла сгорания топливного газа, подаваемого к горелке печи Н-603, технологический газ поступает во вторую секцию реактора V-602.

Температура технологического газа на выходе из печи Н-603 регулируется клапаном температуры поз.TIC-6211, установленным на линии подачи топливного газа к горелке печи.

Проходя через слой катализатора 2-ой секции реактора V-602, сероводород и двуокись серы, содержащееся в технологическом газе, реагируют между собой с образованием элементарной серы и паров воды. Из второй секции реактора V-602 технологический газ поступает в 3-ю секцию котла-утилизатора Е-601, где он охлаждается и из него конденсируется сера. Охлажденный технологический газ из 3-ей секции котла-утилизатора поступает в сепаратор V-610, где из него выделяется жидкая сера, которая снизу сепаратора через гидрозатвор V-607С отводится в емкость V-603.

Технологический газ из сепаратора V-610 поступает в печь Н-604, где нагревается за счет тепла сгорания топливного газа. Подогретый технологический газ из печи Н-604 поступает в 3-ю секцию реактора V-602, где в слое катализатора реагирует остатки сероводорода и двуокиси серы. Выходящий из 3-ей секции реактора газ поступает в трубную часть котла-утилизатора Е-602.

В 3-ей секции реактора V-602 реагирует незначительное количество сероводорода с двуокисью серы и выделяющегося при этом тепла в зимнее время недостаточно для компенсации потерь тепла в окружающую среду через изоляцию трубопроводов и оборудования, что может вызвать затвердевание серы в трубках котла-утилизатора Е-602. Во избежание этого котел-утилизатор Е-602 имеет два режима работы.

В теплый период времени в межтрубное пространство котла подается котловая вода для утилизации тепла технологического газа и вырабатывается пар давлением 3,5 кгс/см², который срабатывается с котла-утилизатора в заводской коллектор пара.

В холодный период времени в котел-утилизатор подается пар давлением 3,5 кгс/см² для поддержания необходимой температуры в трубной части котла, конденсат пара с котла-утилизатора отводится в коллектор конденсата. Выходящий из котла-утилизатора Е-602 технологический газ поступает в сепаратор V-612, где от него отделяется жидкая сера, которая через гидрозатвор V-607D сливается в емкость V-603. Технологический газ с сепаратора сбрасывается на сжигание в печь Н-605.

Собирающаяся в емкости V-603 жидкая сера содержит в себе растворенный сероводород и полисульфиды водорода, которые разлагаются с образованием сероводорода. Выделяющийся в емкости V-603 сероводород может образовать взрывоопасную концентрацию в закрытом объеме и привести к сильному отравлению. Во избежание этого производится дегазация серы с помощью воздуха.

Емкость V-603 снабжена перегородкой, образующей приемную зону серы, куда поступает жидкая сера после гидрозатворов V-607A, B,C,D. В эту же зону под уровень жидкой серы подается воздух от воздуходувки К-601А,В. Барботируя сквозь слой жидкой серы, воздух способствует выделению из нее растворенного сероводорода. Дегазированная сера переливается через перегородку в зону хранения серы емкости V-603.

Дополнительный воздух вводится в пространство паров над жидкой серой через вентиляционное отверстие.

Избыток воздуха с сероводородом отсасывается из емкости V-603 при помощи парового эжектора и сбрасывается в печь для сжигания отходов Н-605.

Насосом Р-601А жидкая сера перекачивается к терминалу для загрузки в тару.

Загрязненная сероводородом вода с секций гидроочистки бензина и дизельного топлива, а также загрязненная вода с сепаратора V-601 поступают в сепаратор V-611.

Из сепаратора V-611 жидкая фаза сбрасывается в канализационный коллектор.

Газовая фаза с сепаратора V-611 поступает в печь сжигания отходов Н-605.

В печи сжигания отходов Н-605 сжигаются газы дегазации серы емкости V-603, а также в случае остановки секции получения серы все кислые газы, поступающие на секцию из десорбционной колонны Т-503 секции аминовой очистки газов.

Горелки печи Н-605 равномерно сжигают газы независимо от того работает секция или стоит. Пламя топливного газа экранировано от внезапного порыва газов, поступающих в печь в случае остановки секции. Полное сгорание потока кислого газа в случае остановки секции получения серы сильно увеличивает температуру дымовых газов, что может повредить изоляцию вытяжной трубы. Во избежание этого предусмотрена подача окружающего воздуха в вытяжную трубу за счет эффекта «тяги».

Расчетная часть 

Сущность экспериментального определения статических и динамических характеристик объектов регулирования

1. Статической характеристикой элемента, независимо от его конструкции и назначения, называется зависимость выходной величины от входной в равновесных состояниях. Статическую характеристику можно представить в виде таблиц или графически. Определит статическую характеристику можно аналитически (расчетным путем) и экспериментально. Обычно определение статических характеристик простых объектов не представляет трудностей, кроме того, они часто приводятся в литературе. Для многих сложных объектов статические характеристики неизвестны, и их трудно найти аналитически. В этом случае прибегают к экспериментальному определению их на действующих объектах.

Экспериментальное определение статических характеристик заключается в создании ряда последовательных равновесных состояний объекта при соответствующих выходных и входных величинах. В этом случае орган, управляющий притоком или расходом энергии или материи в объекте, вручную или дистанционно переводят из одного положения, соответствующего равновесному состоянию, в другое. При достижении нового равновесного состояния объекта записывают значения входных и выходных величин по показаниям измерительных приборов. По измеренным входным и выходным величинам можно составить таблицу и построить график статической характеристики и определить коэффициент усиления объекта.

Если по условиям эксплуатации изменять значения входных и выходных величин в широком диапазоне невозможно, то ограничиваются небольшим пределом выходных величин вблизи заданного значения регулируемого параметра, т. е. Снимается рабочий участок статической характеристики, в пределах которого допустимы указанные выше изменения.

2. Динамической характеристикой элемента называется зависимость изменения во времени выходной величины от входной в переходном режиме при том или ином законе изменения входной величины. Аналитически динамические характеристики выражаются обычно дифференциальными уравнениями, а графически в виде графиков (кривых), где по оси абсцисс отмечают время, а по оси ординат значения выходной величины. Очевидно, что графики динамических характеристик будут различными при разных законах изменения входной величины. Для определения динамических характеристик и сравнимости их друг с другом приняты типовые законы изменения входных величин, близкие к законам, возможным в реальных условиях работы систем. Часто таким законом является скачкообразное изменение входной величины, при котором выходная величина изменяется мгновенно на какую-либо конечную величину.

Динамические характеристики элементов систем можно определять так же, как и статические – расчетным путем и экспериментально.

Для оценки динамических свойств объектов регулирования можно воспользоваться временными характеристиками, снятыми с действующих объектов. Такие характеристики можно снимать в тех случаях, когда имеется возможность приложить возмущение и оставить действовать в течение времени, достаточного для окончания переходного процесса, т. е. Пока регулируемая величина не примет постоянного значения у устойчивых объектов или пока не установится постоянная скорость изменения выходной величины у нейтральных объектов. Регулируемые объекты часто имеют несколько каналов возмущения, тогда необходимо снять характеристики при всех возмущениях. Однако в ряде случаев можно ограничиться снятием характеристик для основных каналов. Наибольший практический интерес представляет исследование динамических свойств при возмущениях, вызванных изменением той величины, на которую действует или будет действовать регулирующий орган. При снятии временных характеристик весьма существенным является определение величины возмущения. При выборе величин возмущения исходят из допустимых отклонений в ходе технологического процесса. Однако необходимо, чтобы искусственно вводимое возмущение значительно превосходило по величине те случайные возмущения, которые могут быть при снятии характеристик.

         Временную характеристику снимают следующим образом. Перед экспериментом регулируемый объект приводят в равновесное состояние и обеспечивают постоянство всех входных и выходных величин. После стабилизации вводят скачкообразное возмущение, отмечая при этом время и величину его. Затем следят за изменением выходной величины, записывая ее значения до тех пор, пока выходная величина не примет нового установившегося значения ил пока не установится постоянная скорость ее изменения. На основании полученных данных строят кривую в координатах: выходная величина – время, которая и будет временной характеристикой объекта. Для снятия временной характеристики на объекте должны быть установлены приборы для измерения входной и выходной величин. Наиболее удобны регистрирующие приборы с ленточной картограммой и большой скоростью ее движения. Во время эксперимента записываются также все параметры, связанные с выходной величиной. Это позволяет при обработке результатов эксперимента установить, что снятые характеристики не искажены посторонними возмущениями.

          В зависимости от динамических свойств объектов кривые изменения выходной величины могут иметь различный характер. Чтобы получить исходные данные для расчета системы регулирования, необходимо найти аналитические выражения экспериментально полученных кривых. Этими аналитическими выражениями будут дифференциальные уравнения объектов. В настоящее время имеется несколько методов нахождения уравнения объектов по имеющимся временным характеристикам. Симою и Стефани разработали метод для определения передаточной функции объекта по его кривой разгона, который получил название метода площадей. Метод основан на предположении, что исследуемый объект может быть описан линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами. В заключение можно отметить, что многие промышленные технологические объекты имеют одну из следующих особенностей, влияющих на форму кривой разгона:

-         объект характеризуется отсутствием транспортного запаздывания и наличием самовыравнивания;

-         объект характеризуется отсутствием транспортного запаздывания и самовыравнивания;

-         объект характеризуется наличием транспортного запаздывания и отсутствием/наличием самовыравнивания.

Выделение САР из общей схемы автоматизации

Изобразим процесс в печи:

Основные входные параметры:

T_вх – температура технологического газа на входе;

Q_вх – расход топливного газа.

     Основные выходные параметры:

T_вых – температура технологического газа на выходе.

     Выделим каскадную САР из общей схемы автоматизации (см. приложение «Каскадная САР»).

Определение передаточной функции в печи по кривой разгона методом площадей.

Для нахождения передаточной функции объекта по промежуточному и основному каналам воспользуемся методом Симою. Пусть кривая разгона задана в графическом виде.  

1. 1.    Найдем передаточную функцию печи по промежуточному каналу. Регулируемая величина Q_вх в результате приложенного к объекту возмущения DТ_вых при t®∞ стремится к конечному значению DQ_вх(∞) отличному от нуля.

Изобразим этот процесс графически. Данный график станет базовым в определении ПФ основного объекта.

1. Разбиваем ось времени на отрезки с интервалом Dt = 1 исходя из условия того, что на протяжении всего графика функция их выхода в пределах 2Dt мало отличается от прямой.
2. Заполним таблицу 1. Для этого находим значения DХ_вых в конце каждого интервала Dt.

,    где DХ_вых (∞)= 8.2

Таблица 1

Таким образом, функция приведена к безразмерному виду.

Перестраиваем функцию   в другом масштабе времени (за независимую переменную примем переменную q).

1. Заполняем таблицу 2 и находим коэффициент F₂, F₃.

Таблица 2

1. Записываем окончательное выражение исследуемого объекта в размерном виде.

a₁=F₁;    a₂=F₂;    а₃=F₃.

1. 2.     Найдем передаточную функцию печи по основному каналу. Регулируемая величина Т_вых в результате приложенного к объекту возмущения DQ_вх при t®∞ стремится к конечному значению DТ_вых(∞) отличному от нуля.

1. Разбиваем ось времени на отрезки с интервалом Dt = 1 исходя из условия того, что на протяжении всего графика функция их выхода в пределах 2Dt мало отличается от прямой.
2. Заполним таблицу 3. Для этого находим значения DХ_вых в конце каждого интервала Dt.

,    где DХ_вых (∞)= 17

Таблица 3

Таким образом, функция приведена к безразмерному виду.

Перестраиваем функцию   в другом масштабе времени (за независимую переменную примем переменную q).

1. Заполняем таблицу 4 и находим коэффициент F₂, F₃.

1. Записываем окончательное выражение исследуемого объекта в размерном виде.

a₁=F₁;    a₂=F₂;    а₃=F₃.

Нахождение настроечных параметров регуляторов моделируемых САР

Каскадная САР 

1. Определяем передаточную функцию эквивалентного объекта для регулятора :

2. Определяем настройки регулятора  методом Циглера-Никольса. АФХ эквивалентного объекта в показательной форме:

Система уравнений для расчёта  и  имеет вид:

откуда ;

Настроечные параметры регулятора  равны:

3. Рассчитываем настройки регулятора .

Передаточная функция эквивалентного объекта для регулятора :

АФХ эквивалентного объекта в показательной форме:

Система уравнений для расчёта  и :

; ; .

4. Проверим правильность выполнения условия:

Неравенство подтвердилось.

Настройки ПИ-регулятора, рассчитанные методом расширенных АФХ, отличаются от настроек ПИ-регулятора для того же объекта, полученных методом Циглера-Никольса. Это объясняется тем, что метод Циглера-Никольса для данного объекта обеспечивает степень затухания переходного процесса y>0,75, в то время как оптимальные настройки метода расширенных АФХ соответствует y=0,75. 

Моделирование переходных процессов при различных вариантах систем 

1. Программа моделирования каскадной САР.

Начальные условия

Листинг программы:

1. С помощью ЭВМ получим график значений регулируемого параметра  в одноконтурной САР при  и оценим качество переходного процесса.

Анализ и выводы 

Сравнительный анализ качества ПП в исследуемых САР.

 Сравнение графиков ПП.

Сравнение качественных показателей ПП двух САР.

Выводы.

Проанализировав сравнительную таблицу качества двух ПП, можно сделать вывод, что применение более сложной системы регулирования для данного объекта является целесообразным.

Во-первых, было обеспечено сокращения времени переходного процесса, практически в 7 раз.

Во-вторых, ПП каскадной САР с более высокой точностью сходится в установившемся значении, в то время как график ПП одноконтурной при бесконечно большой точности не сходится в заданном значении.      

         Нельзя не отметить отрицательные стороны применения более сложной САР.

         Во-первых, достаточно большое значение  максимального отклонения в переходной период.

            Во-вторых, время достижения регулируемой величиной максимального отклонения в переходный период  больше, чем у одноконтурной  системы.

Заключение

В настоящее время 2/3 всей добываемой нефти и природного газа получают с комплексно - автоматизированных нефтедобы­вающих и газодобывающих предприятий, поэтому актуально и по сей день внедрять комплексные объекты с полной автоматизацией.

В данном курсовом проекте произошло знакомство с автоматизированной системой управления секции получения и выделения серы. Основная задача данной работы заключалась в выборе объекта, для которого необходимо было определить основные параметры и произвести расчет системы автоматического регулирования. В качестве объекта была выбрана печь, в которой осуществляется каскадная система автоматического регулирования.

Расчёт САР производится по методам, разработанным для аналоговых регуляторов. При этом уравнение объекта и регулятора представляются в разностной форме. Процессе расчета были выведены передаточные функции описывающие объект и произведен расчет каскадной САР. В результате были сделаны выводы о том, что применение каскадной САР лучше сказывается на процессе. При этом достигается наименьшее время переходного процесса и при этом она более точно сходится в установившемся значении. Все это приводит к улучшению качества регулирования и приводит к экономии времени и сырья. В общем случае хорошо разработанная система автоматического регулирования обеспечивает наилучшее качество, быстродействие, точность, экономию времени, сырья и рабочего персонала.

В настоящее время широко внедряются многоуровневые автоматизированные системы управления технологическими процесса, построен­ные на основе широкого применения микропроцессоров, микро- и мини-ЭВМ.

Список литературы

1. Технологическая документация «Елховского Нефтеперерабатывающего Управления» НГДУ «Елховнефть» ОАО «Татнефть»;
2. Исаакович Р.Я., Логинов В.И. «Автоматизация производственных процессов в НГП», учебник для вузов, М., Недра, 1983, 424с.;
3. Клюев В. М. «Проектирование систем АТП»;
4. Комягин А.Ф. «Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП НГП», Учебник для вузов. 2-е изд. М., Недра, 1983, 376с.;
5. Бадикова Л.Г. «Расчёт настройки каскадной САР методом незатухающих колебаний и оценка качества процессов регулирования», Альметьевск-2003, АГНИ-24с.;
6. Курс лекций по АТП и П.