Расчет системы автоматического управления процессом подготовки нефти в трехфазном сепараторе

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Электромеханический факультет

Кафедра электротехники, электроэнергетики, электромеханики

Расчет системы автоматического управления процессом подготовки нефти в трехфазном сепараторе

Зырин В.О., к.т.н., ассистент

Штыков А.А., студент

Основной задачей системы управления является поддержание постоянства технологического процесса в условиях изменения исходных условий, начальных параметров процесса, а также отработка возмущающих воздействий. Важную роль в процессе разработки систем управления занимает расчет параметров устройств управления (регуляторов).

Рассмотрим процесс расчета регуляторов на примере установки подготовки нефти (УПН), осуществляющей подготовку нефти до товарного состояния [1]. Для устойчивой работы установки необходимо обеспечивать: контроль расхода воды G_в, расхода нефтяной эмульсии в секции нагрева и коалесценции G_эм, уровня раздела фаз «нефть-вода» в секции обессоливания h_н-в, расхода дымовых газов G_г и уровня раздела фаз «нефть-вода» в секции стабилизации; регулирование температуры стенок жаровых труб секции нагрева, температуры нагрева нефтяной эмульсии, уровня нефти в секции коалесценции.

Каскадная схема системы стабилизации температуры нефти нагрева и коалесценции имеет вид, представленный на рис. 1.

Рис. 1. Каскадная схема системы стабилизации

Первый контур с регулятором Р₁ стабилизирует температуру стенок жаровых труб Т_г для предотвращения прогара жаровых труб (повышения температуры стенок выше нормы). Для повышения качества ее работы регулятор Р₁ охвачен жесткой ООС по расходу регулирующей среды. Регулятор Р₂ стабилизирует температуру нагрева эмульсии T_н.

В качестве Р₁ выбран ПИ регулятор, расчет произведен частотным методом, предполагающим поиск оптимальных параметров алгоритма управления из условия минимума интегральной квадратичной ошибки регулирования (1) при скачкообразном характере возмущения [2]:

(1)

Метод основан на использовании частотных характеристик ОУ. В основу метода положено представление о том, что минимуму интегрального квадратичного критерия при скачкообразном возмущении по управляющему каналу соответствуют оптимальные параметры ПИ-алгоритма k_р и Ти, отвечающие условиям:

где - модуль АФХ замкнутой системы, т.е. амплитудно-частотная характеристика замкнутой системы по задающему воздействию.

При расчете оптимальных k_р и Т_и используются следующие соотношения [3]:

где щ - частота;

А(щ) - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) объекта управления для данной частоты;

г - угол, заключенный между вектором АФХ объекта управления и отрицательной мнимой полуосью,

;

- фазовая частотная характеристика (ФЧХ) для этой частоты;

М -заданный показатель колебательности.

Максимум отклонения k_р/Ти, рассчитанного с помощью (2), соответствует искомым оптимальным параметрам. По существу, вычисление требуемых значений k_р/Т_и сводится к поиску такого значения щ, при котором это отношение принимает максимальное значение. Для расчета используется часть АФХ ОУ, заключенная в III квадранте. Предельное значение г_пред, ограничивающее диапазон частот, для которого нужно проводить расчет, определяется из уравнения

Решая это уравнение, получаем

г _пред = arccos

Из условия (4) определяется диапазон частот, для которых должен быть проведен расчет. контроль вода дымовой газ нефть

Для упрощения расчетов щ_Н и щ_К строится ФЧХ объекта и определяются щ_Н при ц = -90⁰, щ_К при ц = -142⁰.

Далее определяются А(щ), ц(щ) и г(щ) для заданной передаточной функции объекта.

В результате расчета на ПК по заданному алгоритму получают оптимальные параметры регулятора: К_р^опт, Т_и^опт.

Таким образом, функция оптимально подобранного ПИ-регулятора выглядит следующим образом:

С учетом жесткой отрицательной обратной связи передаточная функция регулятора стабилизирующего P₁ принимает вид:

В качестве регулятора Р₂ принят также ПИ-регулятор. Расчет проведен по сложному эквивалентному объекту, который включает в себя весь внутренний контур и инерционный объект W₂.

Передаточная функция эквивалентного объекта:

,

где W₂- передаточная функция объекта по каналу температуры нефти.

Параметры регулятора Р₂ определяются частотным методом, суть которого изложена выше.

Для проверки расчета строится кривая переходного процесса (рис. 2) и по показателям качества делается вывод о правильности выбора параметров регулятора.

Рис. 2. Переходный процесс в контуре стабилизации температуры

Как видно из рисунка 2 система имеет удовлетворительные показатели качества (время переходного процесса t_П = 34 мин, перерегулирование г = 30%, степень затухания ш =0,85), что подтверждает правильность расчетов.

Структурная схема одноконтурной системы САУ системы стабилизации уровня нефти в секции стабилизации и отбора представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема одноконтурной системы САУ, где - секция окончательной коалесценции и нагрева, - система управления электроприводом насоса

Объект регулирования в системе управления, представленной на рис. 4 - секция окончательной коалесценции и отбора нефти, а его выходной параметр - уровень нефти h, который необходимо поддерживать постоянным путем изменения производительности насоса Н. Возмущающее воздействие в этой системе - приток нефти . Дифференциальное уравнение такого объекта имеет вид:

,

где - скорость изменения уровня нефти в НГС, м/с;

- приток нефти, м³/с;

- передаточный коэффициент объекта (F - площадь НГС, м²);

-производительность насоса, м³/с.

Следовательно, объект представляет собой астатическое звено первого порядка, передаточная функция которого имеет вид:

Приняв , рассчитывается площадь НГС:

В результате передаточная функция будет иметь вид:

По переходному процессу расхода нефти насосного агрегата получают передаточную функцию вида:

,

В результате передаточная функция эквивалентного объекта, для которого нужно выбрать регулятор имеет вид:

Т.к. объект интегральный, то целесообразно выбрать пропорциональный регулятор

Настройку этого регулятора определяют с помощью графического метода Ротача [3].

Таким образом, на основании кривых переходных процессов можно судить о правильности расчета параметров регуляторов системы управления, и соответственно, о выполнении предъявляемых к системе управления требований.

Литература

1. Слюсарев Н.И. Основы разработки нефтяных месторождений. - СПб.: СПГГИ, 2004.

2. Теория автоматического управления. Синтез систем автоматического объектами горного и нефтегазового производства. Методические указания к курсовой работе. - СПб.: СПГГИ, 2010, 58с.

3. Ротач В.Я., Шавров А.В., Бутырев В.Н. Синтез алгоритмов машинного расчета оптимальных параметров систем регулирования // Теплоэнергетика. 1987. №12 С. 76-79

Размещено на Allbest.ru