Модели ректификационной колонны в средах HYSIS и UniSim

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Курсовой проект 24 л., 20 рисунков, 1 таблица, 6 использованных источников.

РЕКТИФИКАЦИОННАЯ КОЛОННА, ЭТАН-ЭТИЛЕНОВАЯ ФРАКЦИЯ, СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ, ДИАГНОСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА, МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ, МОДЕЛИРОВАНИЕ ДАТЧИКОВ, МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕГУЛЯТОРА, МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТКАЗОВ, ПРОГРАММНАЯ СРЕДА UNISIM, КЛАПАН, МАТЕРИАЛЬНЫЙ ПОТОК, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОТОК

Объектом исследования является система диагностики технологического оборудования ректификационной колонны.

В процессе исследования были изучены функциональное назначение технологического объекта, нормы технологического режима установки, а также характеристики исходного сырья.

Цель работы - разработать модели объекта в средах HYSIS и UniSim, а также спроектировать систему диагностики модели объекта в среде UniSim.

В результате исследования были разработаны модели ректификационной колонны в средах HYSIS и UniSim, а также спроектирована система диагностики модели объекта в среде UniSim.

Эффективность разработанной системы состоит в том, что она обеспечивает функции диагностики состояния объекта по его параметрам, отказов исполнительного механизма, датчиков и регуляторов.



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Описание объекта диагностирования

1.1 Описание технологического процесса, функциональная схема объекта диагностики, состав сырья

1.2 Модель технологического процесса в среде HYSYS

2. Моделирование элементов САУ в среде UniSim

2.1 Моделирование исполнительных устройств

2.2 Моделирование регулятора

2.2 Моделирование датчиков

3. Моделирование отказов в среде UniSim

3.1 Моделирование отказов исполнительного механизма

3.2 Моделирование отказов регулятора

3.3 Моделирование отказов датчиков

Заключение

Список использованных источников



Введение

Техническая диагностика - составная часть технического обслуживания. Основной задачей технического диагностирования является обеспечение безопасности, функциональной надёжности и эффективности работы технического объекта, а также сокращение затрат на его техническое обслуживание и уменьшение потерь от простоев в результате отказов и преждевременных выводов в ремонт.

Диагностирование технических объектов включает в себя следующие функции:

- оценка технического состояния объекта;

- обнаружение и определение места локализации неисправностей;

- прогнозирование остаточного ресурса объекта;

- мониторинг технического состояния объекта [1].

Под диагностическими параметрами понимают репрезентативные параметры, по которым можно судить о состоянии объекта. При этом различают прямые и косвенные диагностические параметры. Первые непосредственно характеризуют состояние объекта, а вторые связаны с прямыми параметрами функциональной зависимостью.

Общей проблемой технической диагностики является достижение адекватной оценки распознавания истинного состояния объекта и классификации этого состояния (нормального или аномального).

При проведении технического диагностирования для выявления аномалий выделяют две основные проблемы: вероятность пропуска неисправности и вероятность «ложной тревоги», то есть вероятность ложного сигнала о наличии неисправности.

Чем выше вероятность «ложной тревоги», тем меньше вероятность пропуска неисправности, и наоборот. Задача технической диагностики неисправностей состоит в нахождении «золотой середины» между этими двумя проблемами.

1. Описание объекта диагностирования

Объектом диагностирования в данном курсовом проекте является ректификационная колонна поз. К-11, имеющая 53 тарелки, предназначена для выделения этан-этиленовой фракции из кубового продукта колонны деметанизации поз. К-10 (схема №6) и углеводородного конденсата сепаратора нагнетания 5-ой ступени компрессора поз. М-1 поз. Е-17. Колонна поз. К-11 оборудована двумя отключаемыми кипятильниками поз. Т-47/1,2, один из которых является рабочим, другой резервным. Резервный кипятильник предусмотрен на случай полимеризации углеводородов в трубном пространстве кипятильника.

1.1 Описание технологического процесса, функциональная схема объекта диагностики, состав сырья

В качестве питания в колонну поз. К-11 поступают три потока:

- нижний, на 16-ую тарелку с температурой 3040⁰С (углеводородный конденсат из сепаратора Е-17, через осушитель поз. С-5/1,2);

- средний, на 27-ую тарелку с температурой 810⁰С (кубовый продукт колонны поз. К-10);

- верхний, на 32-ую тарелку с температурой 1620⁰С (кубовый продукт колонны поз. К-10 после теплообменника поз. Т-6/8). Схемой предусмотрены перемыкающие трубопроводы между всеми 3-мя питаниями колонны поз. К-11.

Режим работы колонны поз. К-11:

- температура верха: минус 20минус 8^oС;

- температура куба: 7095^oС;

- давление в колонне: 2529 кгс/см^2;

- перепад давления: не более 0,8 кгс/см^2;

- флегмовое число (расчетное): 0,98.

Тепло в куб колонны подводится через кипятильник поз. Т-47/1,2 водяным паром давлением 3 кгс/см². Пар в кипятильник поз. Т-47/1,2 подается через клапан-регулятор расхода поз. 3246 с коррекцией по температуре на контрольной тарелке колонны, конденсат которого через сборник поз. Е-145 и через клапан-регулятор уровня поз. 3444 отводится в емкость поз. Е-76. Кубовый продукт колонны поз. К-11 с температурой 70-95⁰С через клапан-регулятор расхода поз. 3045 с коррекцией по уровню отводится в колонну поз. К-14.

Для ингибирования процессов полимеризации углеводородов в зоне повышенных температур, схемой предусмотрена подача ингибитора фирмы «Налко» в трубопровод среднего питания колонны поз. К-11 дозировочным насосом поз. НД-1.

Газообразная этан-этиленовая фракция (ЭЭФ) отводится с верха колонны поз. К-11, проходит трубное пространство дефлегматора поз. Т-46, в котором охлаждается и частично конденсируется за счет испарения пропилена, кипящего в межтрубном пространстве дефлегматора поз. Т-46 при изотерме минус 18⁰С и поступает в сепаратор поз. Е-30. Пропилен-хладоагент в дефлегматор поз. Т-46 через клапан-регулятор уровня поз. 3049 с коррекцией по уровню в сепараторе поз. Е-30 подается из теплообменника поз. Т-56а, пары пропиленаиз дефлегматора поз. Т-46 поступают в сепаратор поз. Е-66. Для более глубокого охлаждения паров ЭЭФ схемой предусмотрена возможность направления паров пропилена-хладоагента в сепаратор Е-65/1,2. Давление в системе колонны поз. К-11 в пределах 25-29 кгс/см², поддерживается клапаном-регулятором давления поз. 2139, установленным на линии подачи ЭЭФ в теплообменник поз. Т-12/13.

ЭЭФ из сепаратора поз. Е-30 насосом поз. Н-27/1,2 через клапан-регулятор расхода поз. 3046 подается в качестве орошения в колонну поз. К-11. Часть ЭЭФ с нагнетания насоса поз. Н-27/1,2 через клапан-регулятор расхода поз. 3389 возвращается в сепаратор поз. Е-30.

Принципиальная схема обвязки показана на рисунке 1. Фракционный состав сырья указан в таблице 1.

Функциональная схема автоматизации приведена в приложении.

Рисунок 1 - Принципиальная схема развязки колонны К-11

Таблица 1 - Фракционный состав сырья при номинальной (100%-ной) производительности установки

Потоки	6-1	6-2	6-4	6-5	6-6	6-7	6-10	6-26
Фаза патока	Смесь	Смесь	Газ	Газ	Жидкость	Газ	Жидкость	Жидкость
Водород	2,2	0	0	2,36	0	0	0,16	0
Окись углерода (II)	0,54	0	0	0,62	0	0	0,08	0
Диоксид углерода	0,01	0,37	0,19	0,96	0	0	0,39	0
Метан	228,74	77,87	43,66	453,45	0	0	103,18	0
Этан	547,48	8012,93	2780,51	24210,3	342,71	298,85	12913,23	43,86
Этилен	1619,9	32189,55	14530,5	89697,44	11,43	10,21	41358,71	1,22
Ацетилен	34,44	561,71	227,22	1568,5	0,46	0,4	745,18	0,05
Пропан	518,7	2924,45	331,02	5,37	17901,27	14128,4	4,11	3772,92
Пропилен	2310,79	14146,32	1862,64	228,9	90764,42	72504,28	169,29	18260.14
Пропадиен	137,7	632,4	59,84	0,19	3745,9	2916,01	0,15	829,89
13-Бугадиен	1570,81	3272,39	110,88	0	15637,22	10683,1	0	4954,08
1-Бутен	858,03	1848,82	67,05	0	8773,26	6019,36	0	2753,9
изо-Бутан	601,12	1508,17	61	0	7022,99	4852,7	0	2170,29
н-Бутан	461,48	938,85	39,5	0	4337,88	2898,05	0	1439,83
Изопрен	465,21	342,37	3,43	0	1733,25	922,2З	0	811,02
н-Пентан	1435,73	996,96	7,91	0	5217,07	2776,47	0	2440,6
н-Гексан	2214,42	559,52	1,26	0	4590,61	1815,42	0	2775,19
Бензол	2911	593,77	1,29	0	5636,38	2130,33	0	3506,05
н-Гептан	361,44	35,42	0,02	0	549,87	152,99	0	396,89
н-Октан	46,56	1,76	0	0	59,51	11,19	0	48,32
н-Нонап	0,45	0,01	0	0	0,52	0,06	0	0,46
Толуол	253,74	17,96	0,01	0	364,03	92,32	0	271,71
Стирол	1,38	0,03	0	0	1,65	0,24	0	1,41
Этилбензол	1,04	0,03	0	0	1,28	0,22	0	1,07
о-Ксилол	0,3	0,01	0	0	0,36	0,05	0	0,3
м-Ксилол	2	0,05	0	0	2,43	0,39	0	2,04
Циклопентадиен	400,18	247,67	2,04	0	1373,07	723,17	0	649,89
Вода	0	0	0	0	0	0	0	0
H2S	0	0	0	0	0	0	0	0
Итого, кг/час	16965,4	68909,4	20130,0	116168,1	168067,56	122936	55294,48	45131,13

1.2 Модель технологического процесса в среде HYSYS

В основе системы моделирования HYSYS лежат общие принципы расчетов материально-тепловых балансов технологических схем. Любое производство состоит из стадий (элементов), на каждой из которых производится определенное воздействие на материальные потоки и превращение энергии. Последовательность стадий обычно описывается с помощью технологической схемы, каждый элемент которой соответствует определенному технологическому процессу (или группе совместно протекающих процессов). Соединения между элементами технологической схемы соответствуют материальным и энергетическим потокам, протекающим в системе. В целом моделирование технологической схемы основано на применении общих принципов термодинамики к отдельным элементам схемы и к системе в целом.

HYSYS включает набор следующих основных подсистем, обеспечивающих решение задачи моделирования химико-технологических процессов:

- набор термодинамических данных по чистым компонентам (база данных) и средства, позволяющие выбирать определенные компоненты для описания качественного состава рабочих смесей;

- средства представления свойств природных углеводородных смесей, главным образом - нефтей и газоконденсатов, в виде, приемлемом для описания качественного состава рабочих смесей, по данным лабораторного анализа;

- различные методы расчета термодинамических свойств, таких как коэффициента фазового равновесия, энтальпии, энтропии, плотности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивности паров;

- набор моделей для расчета отдельных элементов технологических схем - процессов;

- средства для формирования технологических схем из отдельных элементов;

- средства для расчета технологических схем, состоящих из большого числа элементов, определенным образом соединенных между собой [http://www.petroleumengineers.ru/app/hysys].

В данном курсовом проекте необходимо смоделировать работу ректификационной колонны. Система HYSYS имеет графический интерфейс, позволяющий формировать схемы непосредственно на экране компьютера, выбирая элементы из списка и соединяя их в определенном порядке. Этот интерфейс называется окном PFD (Process Flowsheet Diagram, технологическая схема).

Для моделирования работы ректификационной колонны необходимо сделать следующее: добавить на PFD элемент «Ректификационная колонна» (подвид колонны: с ребойлером и дефлегматором), три регулирующих клапана, а также один входной поток, один выходной и два энергетических. Также нужно создать три промежуточных потока. Выбран только один входной поток 6-4 по технологическому обоснованию: в колонну одновременно подается только один поток сырья на строго выбранную тарелку колонны.

Основываясь на выбранном потоке, добавим необходимые химические компоненты в таблицу ComponentList (выбраны были основные компоненты, с расходом более 30 кг/час). Таблица изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 - ComponentList проекта

Поместив необходимые элементы на PFD, соединим входные и промежуточные потоки с клапанами (рисунок 3).

Также зададим свойства входного потока, такие как температура, давление и массовый состав (рисунок 4).

После этого два раза щелкнем по элементу «Ректификационная колонна», введем начальные данные на страница мастера по настройке колонны и последовательно введем требуемые данные (рисунок 5). В результате мы получим предварительно настроенную колонну с автоматически созданными спецификациями. Удалим все, кроме спецификации «Флегмовое число». Создадим две новые спецификации, первая - доля пропилена в этан-этиленовой фракции, вторая - доля этана в продукте куба колонны (рисунок 6).

Рисунок 3 - Элементы технологической схемы

Рисунок 4 - Массовый состав потока в кг/чРазмещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5 - Мастер по настройке ректификационной колонны

Рисунок 6 - Спецификации колонны

Запустим монитор колонны, выбрав в качестве активных спецификации флегмового числа (в нее запишем расчетное флегмовое число - 0,98) и долю этана в продукте куба колонны, нажмем RUN, дождемся сведения колонны.

После чего необходимо создадим ПИД-регулятор, который, благодаря созданным впоследствии связям, будет формировать управляющее воздействие на клапан в зависимости от текущего значения давления в колонне. Общий вид ПИД-регулятора показан на рисунке 7.

Рисунок 7 - ПИД-регулятор

Указали необходимые настройки ПИД-регулятора (рисунок 8), указали границы его работы (рисунок 9).

Рисунок 8 - Параметры конфигурации ПИД-регулятора (связи)



Рисунок 9 - Параметры конфигурации ПИД-регулятора (границы)



2. Моделирование элементов сау в среде unisim

2.1 Моделирование исполнительного механизма

Исполнительный механизм - устройство системы автоматического управления или регулирования, воздействующим на процесс в соответствии с получаемым командным сигналом. Входные и выходные сигналы исполнительных механизмов, а также их методы воздействия на объект управления могут иметь различный принцип.

В данном курсовом проекте исполнительным механизмом является клапан, в среде UniSim - «Valve». Смоделированный элемент «Valve» в программной среде UniSim представлен на рисунке 10.

Рисунок 10 - Элемент «Valve»

Окна свойств клапана изображены на рисунке 11.

Рисунок 11 - Элемент «Valve»

В программной среде UniSim клапан является основным элементом при работе в динамическом режиме. Направление потока зависит от давления реализованных материальных потоков, а также внутренней разности давления.

2.2 Моделирование регулятора

В программной среде UniSim предусмотрена модель ПИД-регулятора с использованием традиционного позиционного алгоритма. Общий вид регулятора в программной среде UniSim представлен на рисунке 12.

Рисунок 12 - ПИД-регулятор

Возможно осуществление управления в одном из трех режимах работы: пропорциональном, интегральном и дифференциальном. Настройка каналов управления регулятора осуществляется посредством указания необходимых связей в окне свойств (рисунок 13).

Для ПИД-регулятора выбираются следующие необходимые компоненты: технический диагностика hysys unisim

- объект;

- параметр объекта, регулирование которого необходимо осуществить;

- регулирующий орган, посредством исполнительного механизма которого осуществляется регулирование.



Рисунок 13 - Окно свойств ПИД-регулятора

На рисунке 14 изображено окно выбора выходного параметра регулятора - заданного положения привода регулирующего органа.

Рисунок 14 - Окно выбора выходного параметра регулятора

Модель ПИД-регулятора в UniSim включает в себя следующие особенности:

- идеальные, последовательные и параллельные алгоритмы;

- автоматическое, ручное и каскадное регулирование;

- дополнительная функция безударного перехода между автоматическим и ручным режимом;

- различные варианты ввода фильтрации;

- наличие мертвой зоны.

Итак, в программной среде UniSim был смоделирован регулятор, управляющий давление потока посредством исполнительного механизма.

2.3 Моделирование датчиков

В программной среде для точного моделирования технологических процессов UniSim регулятор выполняет функции датчика. Для осуществления индикации показаний необходимо в окне настройки параметров регулятора выбрать «Indicator» (рисунок 15).

Рисунок 15 - Настройка индикации показаний

После чего в контекстном меню регулятора необходимо выбрать пункт «Show Table». Требуемые параметры будут отображаться в таблице, изображенной на рисунке 16.

Рисунок 16 - Таблица параметров

Таким образом, было осуществлено моделирование необходимых элементов системы автоматизированного управления установки жидких газов в программной среде UniSim.



3. Моделирование отказов в среде unisim

3.1 Моделирование отказов исполнительного механизма

На данном этапе выполнения курсового проекта необходимо смоделировать в программной среде UniSim отказы основных элементов, входящих в контур регулирования.

При отрицательном абсолютном давлении, которое проявляется либо за счет высокого значения перепада давления на клапане, либо за счет уменьшения давления во входящем потоке, система выявит отказ регулирующего органа (рисунок 17).

Рисунок 17 - Отказ клапана

Кроме того, смоделированная система обнаруживает наличие сырья в потоке. В том случае, если прекратить подачу сырья, система также среагирует на отказ, что показано на рисунке 18.

Рисунок 18 - Отказ клапана при отсутствии сырья



3.2 Моделирование отказов регулятора

При настройке функционирования регулятора возможно указание уровней сигналов тревоги по зонам для различных диапазонов управляемой величины, а также типа сигнала тревоги. В случае выхода за пределы регулирования, происходит отказ регулятора.

Отказавший регулятор подсвечивается желтым цветом в среде UniSim (рисунок 19).

Рисунок 19 - Отказ регулятора

3.3 Моделирование отказов датчиков

Отказ датчиков в среде UniSim отображается цветовой индикацией (красного цвета) и текстовым сообщением в окне «Messages». Так, при формировании тревоги по аварийно низкому давлению происходит отказ датчика (рисунок 20).

Рисунок 20 - Отказ датчика



Заключение

В ходе выполнения курсового проекта была создана технологическая схема ректификационной колонны, предназначенной для выделения этан-этиленовой фракции, в средах HYSIS и UniSim. Также была создана система диагностики на ее основе.

Проделанная работа наглядно иллюстрирует возможности сред HYSIS и UniSim в области проектирования технологических схем и моделирования технологических процессов в области нефтехимии и нефтепереработки. Также в этих средах есть элементы автоматики и диагностики, что позволяет не только моделировать технологические процессы, но и использовать их для более широких целей обучения, проектирования, моделирования и обеспечения безопасности в области технологических процессов.

Основной задачей технического диагностирования является обеспечение безопасности, функциональной надёжности и эффективности работы технического объекта, а также сокращение затрат на его техническое обслуживание и уменьшение потерь от простоев в результате отказов и преждевременных выводов в ремонт. Исходя из этого, можем заключить, что среды HYSIS и UniSim реализуют лишь часть необходимых составляющих технического диагностирования, что не позволяет использовать их как полноценные системы диагностирования. Отсюда следует вывод, что создание систем диагностирования на базе этих сред технической разработки имеет смысл только в случае опциональности такой системы, либо в учебных целях для иллюстрации определенных базовых понятий в сфере диагностики и надежности.



Список использованных источников

1 Техническая диагностика -- Википедия [Электронный ресурс].

- http://ru.wikipedia.org/wiki/Техническая_диагностика

2 Технологический регламент производства этилена и пропилена в цехе № 56 производства ЭП-300 ОАО «Салаватнефтеоргсинтез», 2010. - 523 с.

3 Битюков, В.К., Волчкевич, Л.И., Голоденко, Б.А. Автоматизация технологических процессов промышленных производств: учебное пособие. - Воронеж: ВГТА, 2007. - 212 с.

4 Лисицын, Н.В., Федоров, В.И. Исследование процесса ректификации в производстве бутана: Метод. указания. - СПб, СПБГТИ (ТУ), 2004. - 27с.

5 Датчики: Справочное пособие / Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. - М.: Техносфера, 2012. - 624 с.

6 HYSYS.Process: Учебник. - М.: ЗАО «Технефтехим», 2001. - 170 с.

Размещено на Allbest.ru

...