Учебное пособие Кохтла-Ярве 2007 удк 66-52: 66(075) Чекрыжов С. Г icon

Учебное пособие Кохтла-Ярве 2007 удк 66-52: 66(075) Чекрыжов С. Г


Смотрите также:
Учебное пособие Кохтла-Ярве 20 10 удк 66-52: 66(075) Чекрыжов С. Г...
Краткий конспект лекций Подготовил Сергей Чекрыжов Кохтла-Ярве 2008 Учебное пособие написано по...
Учебное пособие пенза 2007 удк 61: 316. 346. 2(075. 8)...
Учебное пособие Казань кгту 200 7 удк 31 (075) 502/ 504 ббк 60. 55...
Учебное пособие Чебоксары 2007 удк 32. 001 (075. 8) Ббк ф0р30...
Учебное пособие Чебоксары 2007 удк 32. 001 (075. 8) Ббк ф0р30...
Учебное пособие Чебоксары 2007 удк 32. 001 (075. 8) Ббк ф0р30...
Учебное пособие Самара 2007 удк 331. 108. 4(075. 8) Ббк 33(07)...
Учебное пособие Самара 2007 удк 331. 108. 4(075. 8) Ббк 33(07)...
Учебное пособие Иваново 2001 удк 658. 01 (075)...
Учебное пособие тверь 2008 удк 519. 876 (075. 8 + 338 (075. 8) Ббк 3817я731-1 + 450. 2я731-1...
Учебное пособие удк 159. 9(075) Печатается ббк 88. 2я73 по решению Ученого Совета...



Загрузка...
страницы:   1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15
скачать





Industry Automation


Sergey Chekryzhov


Automation of typical processes

of chemical manufactures


Kohtla-Järve

2007


Промышленная автоматизация


Чекрыжов С.Г.


Автоматизации типовых процессов

химических производств


Учебное пособие


Кохтла-Ярве

2007

УДК 66-52:66(075)


Чекрыжов С.Г. Автоматизации типовых процессов

химических производств. Учебное пособие. Кохтла-Ярве., 2007


Учебное пособие разработано для студентов специальностей «Технология топлив», «Автоматические системы» в виде методических материалов, используемых при чтении лекций по дисциплине «Промышленная автоматизация »


Учебное пособие включает в себя описание химико-технологических процессов и систем (ХТП-ХТС) как технологических объектов управления (ТОУ); методику анализа ХТП-ХТС как ТОУ; физико-химические основы технологических процессов, технологические схемы, математические описания основных процессов, типовые проектные решения автоматизации гидромеханических , тепловых, массообменных и реакторных процессов.

.


^

© Sergei Chekryzhov. 2007

© Virumaa kolledž TTÜ, 2007






Введение


Автоматизация производственных процессов сланцепереработки и сланцехимии является одним из основных направлений технического прогресса производства, темпы развития которой в Эстонии за последние годы резко возросли.

В целом автоматизация позволяет увеличить производительность технологического оборудования и производительность труда, улучшить качество продукции, повысить безопасность труда, обеспечить решение экологических проблем, внедрить новые высокоинтенсивные процессы, а также повысить устойчивость работы предприятий. Автоматизация качественно изменяет характер труда рабочих, неизмеримо облегчая его, делая более содержательным.

Автоматизация, являясь качественно новой формой в совершенствовании производства, активно вторгается в смежные области и требует перестройки технологии, аппаратуры и организации производства. В этом случае технологи, конструкторы, специалисты по организации работают в тесном контакте со специалистами по автоматизации.

Выделяют несколько этапов автоматизации.

Автоматизация контроля производства, характеризуется созданием и применением приборов, выполняющих функции наблюдения за ходом технологического процесса.

Автоматизация управления отдельными агрегатами, то есть частичная автоматизация производства. Системы частичной автоматизации, обеспечивающие автоматическое управление технологическим процессом по некоторым из его параметров.

Системы комплексной автоматизации, полностью обеспечивающие автоматическое управление технологическим процессом всего производственного цикла в режиме нормальной эксплуатации и частично при пуске-останове и в аварийном режиме.

Системы полной автоматизации, обеспечивающие автоматическое управление технологическим процессом в любом возможном режиме его работы.

Выбор той или иной системы управления зависит от многих причин, главные из которых — технический уровень производства, степень его механизации, изученность технологического процесса, наличие необходимых технических средств автоматизации и, прежде всего, средств получения информации о технологических параметрах, экономическая эффективность предлагаемой системы управления.

В данном учебном пособии предметом изучения является автоматизация основных процессов и аппаратов сланцехимических производств

Процессы сланцепереработки и сланцехимии, имея свои специфические особенности, относятся к химико-технологическим процессам, которые являются общими как для химических так и нефтехимических производств.


^ Раздел 1 Общие подходы к автоматизации химико-технологических процессов


Тема 1. Химико-технологические системы.


Под химико-технологической системой (ХТС) понимают совокупность аппаратов, взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как одно целое. Отличительная черта современных ХТС - большое количество внешних и внутренних связей, в том числе и обратных (рециклических), которые обусловлены необходимостью более полного использования сырья, энергии и исключения вредного воздействия на окружающую среду.

В качестве элементов ХТС, как правило, выделяют отдельные аппараты и машины, выполняющие заданную функцию, и в данном проводимом исследовании являющиеся неделимыми.


Химико-технололгические системы - ХТС

  • ХТС - это упорядоченная последовательность технологических процессов производства одного или нескольких целевых продуктов и множество технологических аппаратов с системой материальных и энергетических потоков между ними, необходимых и достаточных для производства этих продуктов.

  • В зависимости от уровня агрегации к ХТС относят как отдельные технологические агрегаты и установки, реализующие локальный технологический процесс, так и целые производства.



Требования к ХТС.

  • ХТС должна быть структурированной, то есть в ХТС можно выделить отдельные взаимосвязанные процессы и аппараты, которые можно рассматривать независимо от других подсистем.

  • ХТС должна быть управляемой, то есть у ХТС, разделенной на отдельные подсистемы, должна быть возможность воздействия на технологический процесс в каждой из них изменением материальных и энергетических потоков.

  • Возможность доступа обслуживающего персонала к местам установки датчиков, исполнительных механизмов, регулирующих органов.

  • Число возмущающих воздействий должно быть сведено к минимуму.




Типовая технологическая схема производства состоит из стадий подготовки сырья, химического синтеза, выделения и очистки целевых продуктов.


Классификация химико-технологических систем


  1. По объему продукции и структуре ассортимента:




  • Крупнотоннажные ХТС - ориентированны на продукцию постоянной, фиксированной номенклатуры с большими объемами выпуска.




  • Малотоннажные ХТС - ориентированные на выпуск продукции разнообразной и быстро меняющейся номенклатуры, с небольшими объемами выпуска. Такие перенастраивающиеся системы, называют гибкими.




  1. ^ По характеру временного режима функционирования:




  • ХТС периодического действия - ХТС, в которых аппараты (ТО) работают в циклическом режиме, а технологические процессы (ТП) представляют собой последовательность технологических и организационных операций, имеющих конечную продолжительность. Термину «периодический процесс», принятому в химической технологии соответствует общесистемный термин « дискретный процесс».




  • ХТС непрерывного действия - ХТС, в которых аппараты работают непрерывно, на вход аппарата непрерывно подаются исходные реагенты, на выходе аппарата непрерывно отводятся выходные продукты, а технологический процесс ведется в установившемся режиме.




  • ХТС полунепрерывного действия - ХТС, в которых аппараты функционируют непрерывно только в пределах интервала времени, необходимого для переработки конечной порции сырья или промежуточного продукта. В этих пределах в аппараты непрерывно подаются исходные реагенты, а с выходов - непрерывно отводятся продукты. Технологические процессы ведутся в установившемся режиме. Между интервалами времени работы аппараты находятся в режиме ожидания.




  1. ^ По степени важности ХТС в производстве.

  • Основные ХТС - ХТС для реализации основных технологических процессов производства. К основным ТОУ относят процессы и оборудование для реализации стадий подготовки сырья, химического синтеза, разделения и очистки целевых продуктов.




  • Вспомогательные ХТС - к таким ХТС относят процессы и оборудование для временного хранения исходных реагентов, промежуточных и конечных продуктов, осуществления транспортных операций.


^ По информационной емкости ХТС:

Степень сложности ХТС характеризуется информационной сложностью объекта, то есть числом технологических параметров, участвующих в управлении.


^ Таблица 1

Классификация ТОУ по информационной емкости.


Информационная

емкость объекта

Число параметров

контроля и управления

Пример ХТС

Минимальная

10 - 40

Насосная станция

Малая

41 - 160

Массообменная колонна

Средняя

161 - 650

Установка первичной переработки нефти

Повышенная

651 - 2500

Производство аммиака, этилена




  1. ^ По характеру параметров управления.

  • ХТС с сосредоточенными параметрами - ХТС, в которых регулируемые параметры (в данный момент времени, в разных точках аппарата), имеют одно значение соответствующего параметра.

  • ХТС с распределенными параметрами - ХТС, в которых значения параметров неодинаковы в различных точках объекта в данный момент времени. Большинство процессов химической технологии являются объектами с распределенными параметрами.

  • Пример: температура и концентрация по высоте ректификационной колонны.




  1. По типу технологического процесса.

  • Гидромеханические процессы - процессы, осуществляющие перенос количества движения.

  • Тепловые процессы - процессы переноса энергии в форме теплоты (теплопроводностью, конвекцией, излучением).

  • Массообменные процессы - процессы перемещения вещества в пространстве за счет разности концентраций (парциальных давлений).

  • Механические процессы - процессы переработки твердых материалов под действием механических сил (их измельчение и разделение по фракциям).

  • Химические процессы - процессы, характеризующие образование новых, отличающихся от исходных по химическому составу или строению, веществ при сохранении общего числа атомов и изотопного состава.

Различают следующие типы технологической структуры: последовательная, параллельная, последовательно - параллельная, параллельно-последовательная, комбинированная, содержащая байпасы и рециклы




.

^ Тема 2. Анализ ХТС


Определение критерия эффективности ХТС


  • Для производств - это, как правило, экономические критерии максимизации прибыли или минимизации себестоимости продукции.

  • Для технологических процессов - это технологические критерии максимизации качества или максимизации выхода целевого продукта.




  1. Разработка математического описания процесса в статике и динамике.

  • При разработке математического описания сложных ХТС стремятся к созданию наиболее простых моделей.

  • Строят не полные и исчерпывающие математические модели, а достаточные для решения задач проектирования и управления.




  1. Математическое моделирование и исследование статических режимов ХТС.

  • Основные методы создания математического описания процессов и аппаратов - аналитические; статистические (регрессионные, методы группового учета аргументов); модели на основе нечетких методов, теоретические и экспериментальные.

  • Исследование статических характеристик ХТС, на основании которого определяют:

  • Возможные диапазоны варьирования параметров при управлении;

  • Возможное число стационарных состояний процесса;

  • Анализ устойчивости стационарных состояний процесса;

  • Влияние основных режимных параметров на рабочие области ТОУ;

  • Исследование нелинейности коэффициентов усиления и возможности линеаризации статических характеристик и т.д.

  1. Построение информационной схемы ХТС.

Информационная схема ХТС - это схема, показывающая входные и выходные переменные ХТС и их связи.

Построение информационной схемы возможно на основе математического описания (при разработке новых технологий) или на основе информации по эксплуатации объекта (при модернизации технологического процесса).

  1. ^ Анализ информационной схемы.

Выполняется анализ информационной схемы на предмет классификации входных и выходных воздействий на следующие группы:

  • Возможные возмущающие воздействия.

  • Возможные управляющие воздействия.

  • Наиболее целесообразные управляемые переменные.

Осуществляется выбор возможных каналов управления.

  1. Математическое описание динамики ХТС.

  • Составляется математическое описание динамики объекта по возможным каналам управления и выбираются критерии эффективности.

  • Выполняется исследование динамики возможных каналов управления.

  • Выполняется выбор наиболее целесообразных каналов управления.

  • Составляется структурная схема системы управления.

  1. Выбор параметров контроля, сигнализации и защиты.



2.1 Формы представления ХТС

Понятие «структура ХТС» означает систему связей между основными аппаратами технологического процесса по материальным или энергетическим потокам.

Различают: функциональные, технологические, структурные и операторные схемы ХТС.

Функциональная - показывает технологические связи между основными подсистемами, каждая из которых выполняет какую либо техническую операцию.

Технологическая - показывает типы и способы соединения элементов, последовательность технологических операций. Для этого в схеме каждый элемент (аппарат или агрегат) имеет общепринятое изображение и связи между ними в виде стрелок.

Структурная - включает элементы в виде блоков имеющих входы и выходы. Она показывает, технологические связи между блоками, направление движения, материальных и энергетических потоков системы и может применяться как исходное при составлении математических моделей ХТС.

Операторная - включает элементы, в которых происходит качественное или количественное преобразование параметров входных материальных и энергетических потоков в физические параметры выходных материальных и энергетических потоков, являющихся результатом протекающих в каждом элементе химических процессов. Основными являются операторы: 1) химического превращения; 2) массообменного процесса; 3) смешения потоков; 4) разделения потоков; 5) нагрева или охлаждения; 6) сжатия или расширения; 7) изменение агрегатного состояния и т.п.

Целесообразность применения тех или иных схем связана с решением конкретных задач, возникающих на различных этапах исследования технологии, разработки проектной документации, проведения строительных и других работ, для обеспечения выпуска готового продукта.


2.2. Описание факторов ХТС

Внешние связи ХТС можно представить следующей схемой.



Рис. 2.1. Схема внешних связей системы

Прямоугольник на рисунке символизирует выделенную систе­му.

 Входы на рис. 2.1 разделены на три группы: H, X, Z.

h1, h2, ...,hm—факторы, контролируемые, но нерегулируемые. К нерегулируемым входам относят прежде всего конструктивные факторы , которые трудно регулировать (диаметр работаю­щего аппарата) ; качественные показатели сырья –(трудно регулировать состав сырья) и т. д.

Х — вектор контролируемых и регулируемых вхо­дов. Это те воздействия, которые мы измеряем и целенаправленно изменяем, чтобы привести систему в нужное состояние. Поэтому их называют управляющими воздействиями, или коротко управлениями.

Z—вектор неконтролируемых факторов. Это те воздействия на систему, которые находятся вне контроля .

Возможны три основных причины того, что тот или иной фак­тор оказывается неконтролируемым.

Во-первых, объект может быть плохо изучен, вследствие чего неизвестно, как данный фак­тор влияет на поведение объекта.

Вторая причина-неумение его контролировать. Есть параметры процесса, которые невозможно контролировать по техническим или экономическим причинам.

Третья причина- это неконтролируемое множество входных воздействий, поскольку таких воздействий так много (практически бесконечно много), что все их контро­лировать невозможно. При этом каждый из этих факторов влияет очень слабо, но их совокупное влияние может оказывается весьма ощу­тимым. Важно отметить, что это влияние носит случайный характер: не контролируя входы Z, невозможно предсказать» как они повлияют в той или иной момент. В эксперименте их влия­ние появляется в случайных ошибках опытов; на про­изводстве—в случайных возмущениях режима. В це­лом влияние неконтролируемых воздействий часто обозначают тер­мином шум. Учет шума необходим в большинстве технологиче­ских задач .

Обозначения y1,...,yk относятся к воздействиям си­стемы на окружающий мир, это—результаты функционирования системы; будем называть их выходами системы, или откликами (имеется в виду отклик системы на воздействие факторов). К их числу относятся количество про­изведенного продукта, его качественные показатели, себестоимость, прибыль предприятия, количество выбрасываемых в окружающую среду вредных примесей и множество других пока­зателей .

Диаграмма взаимозависимости факторов влияющих на ТП (диаграмма Исикава)


Причинами разброса параметров качества готовых изделий или изделий на любой стадии технологического процесса являются:

  1. колебания свойств исходных материалов и комплектующих изделий

  2. колебания параметров оборудования и оснастки

  3. влияние факторов связанных с деятельностью людей

  4. особенности применяемых технологических методов изготовления и контроля

При учете всех факторов система может стать сложной, т.е. практически неуправляемой

Выявление факторов наиболее влияющих на качество ТП производится путем построения диаграммы Парето и ее модификаций

Продукт технологического процесса - результат технологической операции или ТП соответствующий заданным требованиям


^ 2.3. Способы представления структуры ХТС


Для структурного анализа ХТС используют методы теории графов. Под ориентированным графом G(X,U) понимают геометрическую фигуру на плоскости, состоящую из множества вершин Х и множества ориентированных дуг U, их соединяющих.

Последовательность ориентированных дуг, позволяющих пройти из одной вершины графов в другую, называется путем. Путь, начальная вершина которого, совпадает с конечной, причем каждая вершина, за исключением начальной, проходится только один раз, называется контуром.

Вершины, соединенные дугой, называются инцендентными. Вершина, в которую входит дуга, называется положительно-инцендентной по отношению к той, из которой эта дуга выходит. Вершина, из которой выходит дуга, называется отрицательно-нцендентной по отношению к той, в которую эта дуга входит.

Каждой ХТС в зависимости от решаемой задачи можно поставить

в соответствие:

- материальный потоковый граф по общему массовому расходу (МПГ);

- тепловой потоковый граф (ТПГ);

- параметрический потоковый граф (ППГ).

При таком представлении ХТС вершины графа соответствуют ее элементам, а дуги - технологическим потокам.

При изображении графов ХТС внешняя среда условно обозначается фиктивным нулевым элементом, а соответствующая ей вершина имеет нулевой номер.

При выполнении работы необходимо составить матрицу смежности, список связи, А- и В- таблицы связей. Матрица смежности представляет собой квадратную таблицу, количество строк и столбцов которой равно количеству вершин в графе. Строки и столбцы матрицы нумеруются. Номера строк указывают номера вершин графа, из которой выходят дуги, а номера столбцов - вершины куда входят дуги. Если вершины графа связаны дугой, то на пересечении соответствующей строки и столбца ставится 1. Все остальные элементы матрицы связи равны нулю, и равны нулю все диагональные элементы матрицы.

Сумма единиц в строке матрицы определяет число выходных потоков из элемента, соответствующее номеру строки. Сумма единиц в столбце равна числу потоков, входящих в этот элемент.

Список связей представляет собой матрицу размером M*2, где М - число дуг в графе. В левом столбце указываются номера вершин графа, при этом каждая вершина повторяется столько раз, сколько потоков выходит из соответствующего элемента. В правом столбце записываются номера вершин, в которые входят дуги выходящие из элементов, указанных в левом столбце.

А- и В- таблицы связей содержат число строк, равное числу вершин графа. В i-ой строке А-таблицы связи записываются номера вершин положительно-инцендентные вершине i. В j-ой строке В-таблицы связи - номера, отрицательно-инцендентные вершине j.

NА- и NВ- таблицы представляют собой модификации А- и В- таблицы связей. Они также содержат число строк, равное числу вершин графа. В i-ой строке NA- таблицы записываются номера дуг, которые выходят из вершины i. В j-ой строке NВ-таблицы - номера дуг, которые входят в вершину j.

^ 2.4 Выделение комплексов


Выделить комплексы на графе можно при помощи двух методов.


2.4.1. Метод с использованием матрицы путей.


Матрица путей - квадратная матрица, число строк и столбцов, которой равно числу элементов ХТС. Если на графе есть путь любой длины из вершины i в j ,то на пересечении i-ой строки и j-го столбца ставится единица, иначе - ноль. В матрице путей на главной диагонали стоят "1", т.к. считается, что всегда существует путь, длиной равной нулю, из данного элемента в этот же элемент.

После построения матрицы путей, строится вспомогательная матрица "S" по правилу: Sij = 1 если Sij = Sji = 1

Sij = 0 в противном случае

С помощью матрицы "S" определяются комплексы, входящие в состав графа, если в i-ой строке этой матрицы имеется только один ненулевой элемент Sii , то элемент ХТС с номером i может быть рассчитан отдельно от остальных элементов системы. Строки матрицы имеющие, кроме элемента Sii, другие ненулевые элементы, соответствуют комплексам. Одинаковые строки матрицы "S" соответствуют одному и тому же комплексу.


2.4.2. Метод с использованием матрицы смежности.


Данный метод требует нахождения степеней матрицы смежности, путем ее последовательного умножения на"себя". Когда n-ая степень матрицы смежности получена последовательным умножением на саму себя, то можно доказать, что n-ая степень матрицы "A" показывает связи, которые проходят из любого блока к любому другому блоку, через п потоков. Так же как и в исходной матрице, единицы на пересечении

i-ой строки и j-го столбца означает, что существует ,по крайней мере, один путь через п потоков, от блока i к блоку j.

Для упрощения и уменьшения количества расчетов можно упростить матрицу смежности. Если в каком либо столбце стоят одни нули, тогда рассматриваемый блок может быть выделен из схемы , для последующего рассмотрения и удален из исходной матрицы смежности путем вычеркивания соответствующих столбца и строки. В результате преобразований, исходная матрица смежности преобразуется в матрицу, где все остальные блоки входят либо в комплексы, либо являются независимыми блоками между комплексами. Если образовать булеву сумму всех степеней матрицы смежности, то ее элемент будет равен 1, если равен 1 хотя бы один соответствующий элемент этой матрицы.

Таким образом получают матрицу достижимости Rn. Данная матрица содержит информацию о путях от блока i к блоку j. Если транспонировать матрицу достижимости, т.е. поменять связи от блока j к блоку i ,то новая матрица Rn/т/ дает информацию о связях между j и i блоками. При наложении матрицы Rn на Rn/т/ , единица сохраняется только там, где она была и в той, и в другой матрицах. Образованная матрица называется суперпозицией(W).

Если элемент Wij равен 1, это означает , что существует связь между блоками i и j в обоих направлениях, а такая связь может существовать только в случае комплекса. Это будет исключать любой блок, не входящий в состав ни одного комплекса, а любая ненулевая строка в суперпозиции будет включать в себя все блоки одного независимого комплекса.

Выделение комплексов позволяет решить задачу - определения предварительной последовательности расчета схемы.


^ 2.4.3. Определение предварительной последовательности

расчета схемы


В предварительной последовательности расчета схемы (ППРС) указывается порядок расчета независимых элементов ХТС и выделенных комплексов. Последовательность расчета определяется также, как для разомкнутых систем.

^ Выделение контуров

Контуры входящие в состав комплекса выделяют с помощью алгоритма с использованием прадерева комплекса.

Прадерево комплекса с корнем К - называют такое изображение всех путей, существующих в комплексе, когда в каждую вершину отличную от К входит только одна дуга. В вершину К прадерева ни одна дуга не входит. Для построения прадерева из любой вершины комплекса, которую принимают за корень прадерева, строят все

пути, существующего комплекса. Каждый путь строят до тех пор,пока не встретится уже имеющаяся структура. Конечная вершина ветви прадерева -"висячая". Каждая "висячая" вершина принадлежит контуру.

Для выделения контуров входящих в комплекс целесообразно построить А-таблицу внутренних связей для вершин, входящих в комплекс и после этого строить прадерево. Когда уже построено прадерево и определены "висячие" вершины, тогда по ним составляют список контуров по номерам вершин графа и список контуров по номерам дуг. При этом, один и тот же контур может быть выделен несколько раз. Одинаковые контуры вычеркиваются. Затем, находят оптимально-разрывающееся множество дуг.


^ Нахождения оптимально-разрывающего множества дуг


Задача нахождения оптимально-разрывающего множества дуг (ОРМД) решается двумя группами методов:

1. Методы основаные на использовании матрицы контуров;

2. Эвристические методы. Они основаны на выборе решения, исходя из определённых правил, выработанных на основе имеющегося опыта.

Рассмотрим первую группу методов. Для этого необходимо построить матрицу контуров, элементы которой Кij определяются по правилу:

Кij = 1, если дуга j входит в контур i;

Kij = 0, если дуга j не входит в контур i;

После построения матрицы контуров, определяется контурная степень дуги f, которая равна числу контуров, в которые входит данная дуга (сумма по столбцам). Чем больше величина f, тем больше контуров будет разомкнуто при разрыве данной дуги. Однако, если контурная степень двух или более дуг будет одинакова, причем эти дуги входят в одни и те же контуры, то необходимо определить параметричность каждой дуги.

Из двух дуг, имеющих равную f, разрывается та, параметричность которой меньше . После выбора соответствующей дуги, из матрицы контуров убираются те контуры, которые разрываются при разрыве данной дуги.

После нахождения ОРМД, определяют последовательность расчета комплекса.


^ Определение последовательности расчета комплекса

и окончательной последовательности расчета схемы


Для определения последовательности расчета комплекса, вводятся фиктивные (итерационные) блоки. Предполагается, что в этих блоках задаются начальные приближения значений параметров разрываемых потоков. Определяют последовательность расчета каждого комплекса также, как для разомкнутых систем.

Определив вычислительную последовательность для каждого комплекса, составляем окончательную последовательность расчета схемы с учетом независимых элементов.


^ Тема 3.

Структурный анализ

Алгоритм восстановления неизменяемых материальных потоков на основе структурного анализа ХТС


Для решения задач оперативного управления производством и расчёта технико-экономических показателей необходима информация о значениях материальных потоков в химико-технологической системе (ХТС). По техническим или экономическим соображениям невозможно измерение всех расходов. Поэтому при проектировании системы контроля необходимо так выбрать места точек измерения расходов, чтобы значения неизменяемых потоков могли быть найдены из уравнений материального баланса. В данной работе рассматриваются алгоритмические метод балансирования материальных потоков.


^ 1. Построение системы контроля материальных потоков

на основе структурного анализа ХТС


При структурном анализе ХТС технологической схеме производства можно поставить в соответствие направленный потоковый граф, вершинами которого являются аппараты, а дугами – материальные потоки. Если граф связан и не содержит петель, то его структура однозначно определяется матрицей инциденций А.

При выделении в потоковом графе измеряемых (y) и не измеряемых (u) дуг матрица А будет делиться на подматрицы (А1 А2 ), которые отражают топологию измеряемых и не измеряемых потоков ХТС. Материальные балансы описываются системой уравнений, которую можно представить матричным уравнением:

[A1 A2]*[y u]T = 0 ( 1 ).


Как правило, в систему уравнений балансов входят избыточные линейно зависимые или несовместные уравнения, которые необходимо исключить для однозначного вычисления подвектора неизмеряемых расходов (u).

Для получения совместной системы уравнений материального баланса, число независимых уравнений, которое определяет ранг составной матрицы A=[AI A2], должен быть не меньше числа неизвестных. Это условие обеспечивается путём агрегации исходного потокового графа, когда часть не измеряемых потоков исключается [I]. При агрегации сохраняются те потоки, значения которых необходимо восстановить. Матричное уравнение балансов, соответствующее укрупнённому (агрегированному) потоковому графу имеет вид аналогичной ( I ), однако его размерность ниже исходного.

Для определения линейной независимости уравнений материальных балансов ( I ) рассматривается суграф, образованный из укрупнённого графа исключением измеряемых дуг [2]. Из теории линейных графов [3] известно, что столбцы А2 матрицы инциденций графа линейно независимы только тогда, когда суграф, образованный множеством дуг из А2 , не содержит циклов, а число висячих дуг при каждом компоненте связности не превышает единицы. Если полученный суграф обладает такими свойствами, то неизмеряемые потоки однозначно определяются из уравнений балансов, то есть становятся наблюдаемыми. Другим способом определения наблюдаемости потоков является структурный анализ сигнального графа. Вершины сигнального графа изображают потоки в системе, а дуги устанавливают их взаимосвязи согласно уравнениям материального баланса. Ориентация дуг указывает потоки, используемые для вычисления неизвестных расходов. При анализе выявляются, досягаемы все ли не измеряемые вершины, т.е. существуют ли пути, которые начинаются в измеряемых, а заканчиваются в не измеряемых вершинах. Проверку досягаемости легче проводить по подграфу, образованном из сигнального графа удалением измеряемых вершин и инцидентных им дуг. Компоненты связанности полученного подграфа не должны содержать циклов. Если такие циклы имеются, то вершины, входящие в этот компонент связности недосягаемы и соответствующие не измеряемые потоки не могут быть вычислены только по значениям известных потоков. Приведённые условия наблюдаемости неизмеряемых потоков в технологической схеме являются основой при построении системы контроля расходов.

Структурный анализ был использован при обследовании системы контроля отделений первичной ректификации установки производства ароматических углеводородов.[4]

Ранг матрицы инциденции укрупненного потокового графа отделения ректификации равен шести, а число неизвестных – семи ( измеряемый поток)




Таким образом, при существующей системе контроля необходимые условия наблюдаемости не выполняются и вычисление всех неизмеряемых потоков по значениям измеряемых невозможно. Последующая агрегация потокового графа нецелесообразна, поскольку при этом теряется информация о значениях потоков, необходимых для расчета ТЭП и моделирования отдельных колонн ректификации.

Отсюда следует, что один из неизмеряемых потоков должен быть переведен в измеряемые. Для определения места установки дополнительного расходомера рассмотрен суграф потокового графа



и сигнальный граф материальных балансов отделения ректификации:



Потоки u6, u7 являются ненаблюдаемыми, поскольку в суграфе они образуют две внешние дуги, а в сигнальном графе недосягаемы, так как входят в компонент связности подграфа сигнального графа, содержащий простой цикл.



Технически проще осуществить измерение потока u7, представляющего выход ксилольно-хвостовой фракции, откачиваемой на склад. При измерении потока u7, условия наблюдаемости выполняются, и все неизмеряемые потоки отделения ректификации могут быть вычислены по значениям измеряемых потоков.

Применение структурного анализа при обследовании системы контроля позволяет оценить эффективность использования датчиков расхода обосновать необходимость в дополнительных приборах, а при проектировании определить минимальное их количество и оптимальное размещение. При автоматизированном управлении система контроля расходов, разработанная на основе вышеприведенных условий обеспечивает возможность расчета значений неизмеряемых потоков и материальных балансов по отдельным аппаратам и всей технологической системе.


^ 2.Алгоритм восстановления неизмеряемых потоков ХТС


Рассмотрим химико-технологическую систему (ХТС), структура потоков которой описана направленным материальным потоковым графом. Если граф связан и не содержит петель, то он однозначно задаётся матрицей инциденций , где к- число вершин, n-число дуг . Предполагаем стационарность процесса, и невязка балансов обусловлена только погрешностью измерения это предположение означает, что в системе отсутствуют утечки. Материальный баланс (ХТС) можно дописать матричным уравнением :

;

Образуем дерево дуг граф, которое включает S- измеряемых потоков (y) и (n-s) не измеряемых потоков (U), тогда уравнение материальных балансов принимает вид:

=0

Подматрицы А1 , А2 отражают топологию измеряемых и не измеряемых потоков и аппаратов ХТС. Матрицы содержат только элементы (0, +1,-1). Задача восстановления материальных потоков состоит к определению неизвестных потоков (U) и скорректированных ( ỹ )на основе уравнений материального баланса. Для получения оценок величин потоков, имеющих меньшую дисперсию по сравнению с исходными величинами, в качестве критерия используем взвешенную сумму квадратов отклонения измеренных и рассчитанных значений материальных потоков:

Ψ(U) = 2min, где




Pi= , дисперсия измерения i-го потока

При ограничениях в виде уравнений материального баланса:


j=1-k (1)

Принимаем, что для каждой вершины ui=0, тогда получим разбаланс

j=1…k (2)

Из (1) (2)



Целевая фракция (первая и вторая производные больше нуля). Задача решается методом неопределенных множителей Лагранжа.[5]





^ 3.Алгоритм определения корректирующей матрицы материальных потоков


Определение корректирующей матрицы сводится к следующей последовательности:[6]

1)Вычисление матрицы

А1- подматрица матрицы инцидентности, соответствующая наблюдаемой подсистеме

2) Формирование матрицы В размером

B=, где А2 – ненаблюдаемая подсистема

3) Формирование матрицы С размером

C=, где Е – единичная матрица

4) Формирование матрицы размером и матрицы размером

L=

5) Определение корректирующей матрицы Н

Н=F + , где Е – единичная матрица размером

О- нулевая матрица размером

Коррекция измеряемых и восстановление неизмеряемых материальных потоков проводится на основе уравнения





Реализация полученной корректирующей матрицы не представляет сложности и в режиме реального времени можно получать оперативные данные об измеряемых и неизмеряемых материальных потоках технологической системы.

Для проверки эффективности работы алгоритма были использованы данные балансовых опытов, проведённые в отделении ректификации производства ароматических углеводородов. Дисперсию измерения каждого потока определить практически трудно, поэтому в качестве матрицы ошибок использовалась диагональная матрица, элементы которой были выбраны равными обратным величинам произведения относительной погрешности измерительного прибора и абсолютного значения показателя расхода. Результаты сравнения экспериментальных и расчётных значений материальных потоков отделения ректификации приведены ниже (в тоннах).




Наименование материального потока





Обозначение


Опыт 1


Опыт 2



у





∆=у- ỹ


у





∆=у- ỹ

Легкое масло в к-2


У1

110

109,96

0,04

113

113,02

0,02

Орошение в К-2


У2


71


70,99


0,01


65


64,99


0,01


Добензольная головка

У3

3

4,45

1,45

3

2,27

0,73

БТК-фракция в К-3

У4

106

105,51

0,49

110

110,75

0,75

Орошение в К-3


У5


76


76


0


69


69


0


Сырой бензол

У6

66

66,86

0,86

65

63,70

1,3

ТК-фракция в К-4

У7

38

38,65

0,65

49

47,04

1,96

Орошение в К-4

У8

14

13,99

0,01

14

13,99

0,01

Сырой толуол

У9

19

20,67

1,67

28

28,41

0,41

КХ-фракция

У10

16

17,98

1,98

18

18,64

0,64

Паровой поток К-2

U1

-

75,44

-

-

67,27

--

Паровой поток К-3


U2


-


142,86


-


-


132,7


-


Паровой поток К-4

U3

-

34,67

-

-

42,41

-


Как следует из таблицы существуют некоторые расхождения между измеренными и расчётными показателями. Это объясняется как недостаточно высокими метрологическими характеристиками расходомеров, так и появлением случайных выбросов из-за нарушений технологического режима. Это относится к потокам У3 и У10 , где отклонения по своей величине превышают «нормальные ошибки». Таким образом, представленный анализ позволяет не только рассчитать не измеряемые и откорректировать измеряемые потоки, но и проанализировать работу отдельных измерительных цепей.

В целом предлагаемый структурный анализ ХТС позволяет спроектировать рациональную систему измерения, а алгоритм восстановления потоков получить сглаженные значения для использовании в задачах управления.

Данные о расходах потоков


Данные об уровнях в резервуарах









Оценка значений материальных потоков и накопленных масс



Уравнения общего материального баланса

Описание структуры ХТС






Сглаженные значения материальных потоков


Сглаженные значения накопленных масс

Двухуровневая структура расчёта материальных потоков химико-технологической системы





Скачать 1.68 Mb.
оставить комментарий
страница1/15
Дата28.09.2011
Размер1.68 Mb.
ТипУчебное пособие, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15
отлично
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх