НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ СТРАТЕГИИ ПРЕДИКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ МОДЕЛЬНОГО РЕГУЛЯТОРА

АННОТАЦИЯ

В данной работе реализуется усовершенствованное управления в условиях неопределённости цель которого является снижение потерь, затрат и увеличение дохода, которые достигаются за счет усовершенствование регулирования и вывода эксплуатации установок на оптимальный режим. Система усовершенствованного управления технологических процессов в отличие от PID-регулирования имеет возможность быстрой стабилизации технологических процессов, и имеющим меньшим временем перерегулирования уставки, при этом создаются оптимальные условия для установок.

ABSTRACT

This work implements improved management under conditions of uncertainty, the goal of which is to reduce losses, costs and increase income, which are achieved by improving regulation and bringing the operation of installations to an optimal mode. The advanced process control system, in contrast to PID regulation, has the ability to quickly stabilize technological processes and have a shorter set-point re-adjustment time, thereby creating optimal conditions for installations.

Ключевые слова: управление, процесс, ректификация, оптимизация, усовершенствованное, компонент, флегма, дистиллят, колонна, испарение, конденсат, температура, давление, расход

Keywords: control, process, rectification, optimization, improved, component, reflux, distillate, column, evaporation, condensate, temperature, pressure, flow

ВВЕДЕНИЕ

Оптимальное управление процессом ректификации представляет значительный интерес в области химической технологии и в различных отраслях, а также находит широкое применение в производстве нефтепродуктов, этилового спирта, фармацевтических веществ и т.д.

Основными аспектами для оптимального управления процессом ректификации являются: эффективность и энергосбережение, качество продукции, (высокое качество конечной продукции за счет более точного контроля параметров процесса, таких как содержание примесей, чистота и другие характеристики продукции), управление тепловыми издержками, адаптивность к изменениям в сырье и условиях, минимизация потерь и отходов. Немаловажное значение представляет и распределение компонентов по высоте колонны, зависящее от: физико-химических свойств компонентов, определяющих скорость испарения; конденсации и перемещения компонентов внутри колонны; температурного профиля внутри колонны, важного для обеспечения эффективного разделения; давление и фракции паров; управляющих параметров (различные управляющие параметры, такие как параметры подачи сырья, расходы флегмы, отношения между флегмой и продуктом, а также температурные точки в колонне, имеют существенное влияние на распределение компонентов).

МЕТОДОЛОГИЯ

Целенаправленное управление параметры подачи сырья, расходы флегмы, отношения между флегмой и продуктом, а также температурные точки в колонне позволяет оптимизировать распределение компонентов, что в итоге влияет на эффективность ректификационного процесса и качество получаемых продуктов. На этом основании математические описания технологических процессов строятся из уравнений, составленных относительно концентраций компонентов. Так, например, в работе [1, с. 85-86] модель покомпонентного баланса, записанная для статики процесса, записана в виде следующего уравнения:

      ,               (1.1)

а для динамического режима в виде:

                         (1.2)

             (1.3)

Величина рассогласования значений равновесных составов паровой фазы в экспериментально определенных и рассчитанных по модели точках определяется по сумме квадратов отклонений.

Рисунок 1. Принципиальная схема ректификационной колонны

Минимизируемая функция записывается в виде:

              (1.4)

В результате несложных преобразований можно от нелинейного критерия  перейти к линейному относительно  критерию, позволяющему преобразовать уравнение (3.5) к виду:

           .                     (1.5)

Оценка неизвестных параметров производится после линеаризации нелинейного расчетного уравнения в окрестностях искомых параметров.

Управляемые переменные в процессе ректификации

Разделяемую смесь можно разделить на легколетучие компоненты в потоке дистиллята, отбираемые из верхней части колонны и менее летучие компоненты, отбираемые снизу колонны (Рис. 1). Скорости потоков на входе (питание колонны, греющий пар и флегма) и выходе (дистиллят, кубовый остаток и небольшой поток лёгких паров, покидающих дефлегматор) колонны являются основными переменными при управлении ректификационной колонной. Эти переменные регулируются с помощью автоматического клапана, подключённого к выходному порту контроллера.

Основными переменными, которые должны контролироваться в ректификационной колонне, являются: давление в колонне; уровень жидкости в кубе; разделительная способность колонны, определяемая флегмовым числом; величина отвода дистиллята [2].

Давление в ректификационной колонне оказывает первостепенное влияние на управление процессом. Давление необходимо поддерживать стабильным, так как снижение давления вызывает чрезмерное испарение. Увеличение давления может вызвать бурную конденсацию.

Величина отвода дистиллята, D / F, то есть отношение скорости потока дистиллята к скорости потока питания колонны, обычно определяется массовой долей легких компонентов в потоке питания.

Управления процессом ректификации

Существует множество творческих подходов к стратегии управления процессом ректификации.

Таблица 1.

Четыре основные стратегии управления

Толливер и МакКуэн описали четыре альтернативные схемы управления материальным балансом для ректфикационных колонн [5, c. 27]. В каждой схеме осуществляется управление переменной для контроля температурной точки в колонне, то есть отношением D/F, что обеспечивает структуру для классификации стратегий управления ректификацией (таблица 1). Возможно несколько вариантов четырех основных схем управления.

Управление давлением в колонне. Одним из главных способов управления давлением в колонне является регулирование клапана в вентиляционной линии дефлегматора. При необходимости можно добавить еще одну линию и автоматический клапан перед выпускным клапаном для подачи инертных газов, например, азота. Если дистиллят отбирается в виде парового потока, то возможно, потребуется установка конденсатора в режиме частичной конденсации с подводом охлаждающей жидкости.

Управление температурой по расходу дистиллята. В данной схеме управления отводом дистиллята с помощью регулятора температуры колонны осуществляется управление регулирующим клапаном на линии отвода дистиллята. Другими словами, температура колонны — это переменная процесса, которую регулируют до заданного значения, а выходом регулятора является сигнал на ​​управляющий клапан на линии отвода дистиллята. Регулятор уровня в дефлегматоре управляет клапаном на линии подачи флегмы, а регулятор уровня в кубе управляет клапаном на нижней линии. Осуществляется регулирование скоростей потока при подаче питания в колонну и пара в ребойлер.

Данная стратегия управления температурой, с регулированием скорости отвода дистиллята, хорошо работает для систем, работающих с высокими флегмовыми числами, особенно в случаях, когда отношение флегма / дистиллят превышает 5. Это не противоречит общему правилу, когда основной поток следует использовать для управления уровнем, а меньший поток для управления температурой в колонне. Эта стратегия также хорошо работает для колонн, работающих в режиме, близкому к захлёбыванию, поскольку движение пара работает довольно устойчиво [4].

Другим вариантом стратегии отвода дистиллята является добавление каскадного контура для управления скоростью потока дистиллята, как показано на рисунке 1. Этот контур регулирования температуры управляет заданной точкой для контура регулирования ведомого потока дистиллята. Аналогичным образом, контур управления ведомым потоком может использоваться для скорости потока флегмы, а другой для расхода нижнего потока. Когда-то использование контуров управления с каскадом называлось расширенным управлением; оно было сопоставлено с управлением SISO (single input single output – один вход один выход), так ка для него требовалось большое число аппаратных ПИД-регуляторов. В современных компьютерных системах управления достаточно лишь прописать программный код при наличии датчиков расхода.

Другим вариантом стратегии управления потоком дистиллята является использование заданного значения соотношения пар / питание для установления разделительной способности колонны. Как правило, сигнал расхода подаваемого потока должен быть задержан на 8-20 минут (фильтр), поэтому поток пара пропорционален среднему значению скорости потока питания. Иногда эту стратегию относят к категории управления с прогнозированием на основе математической модели, так как модель Мак Кэба — Тиле или компьютерная имитационная модель [3] показывают, что разделительная способность колонны может определяться соотношением пар / питание, как показано в таблице 2.

Таблица 2.

Разделительная способность колонны, определяемая соотношением пар/питание

РЕЗУЛЬТАТЫ

При управлении технологическим процессом ректификационного разделения смесей значения целенаправленно выбранных технологических параметров процесса поддерживаются в заданном диапазоне. Это вызвано временными колебаниями величины входного потока и его состава и, как следствие, величин отбираемых продуктовых потоков, подачи хладоносителя в дефлегматор, потока орошения и греющего пара, зависящего от количества флегмы. Все это определяет динамический режим работы ректификационной колонны. Возможные изменения в составе сырья, температуре входного потока, давления в колонне, вызванного колебаниями теплофизических характеристик греющего пара или холодной воды, подаваемой для охлаждения дефлегматора, оказывают значительное влияние на технологический режим.

ВЫВОДЫ

Подводя итог, можно заключить, что изменения в технологическом режиме ректификации могут оказать значительное влияние на различные аспекты процесса, включая качество продукции, эффективность процесса, затраты, производительность, безопасность и стабильность. Поэтому важно проводить изменения в режиме внимательно и комплексно оценивать их последствия.  Основными величинами, подлежащими стабилизации в ректификационных колоннах, являются составы дистиллята и кубового остатка.

Список литературы:

1. Кадиров Ё.Б. Управление и оптимизация тепло-массообменных процессов (на примере ректификации): дис. ... канд. техн. наук. – Ташкент, 2018 – С.85-86.
2. Mukhitdinov, D. P., Kadirov, Y. B., & Sultanov, I. R. Control of the rectification column to ensure the required quality of the top product. [Электронный ресурс] - URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2373/7 /072025/ (дата обращения: 13.04.2024).
3. Мак Кэба — Тиле или компьютерная имитационная модель [Электронный ресурс] - URL:  https://tlk-energy.de/en/phase-diagrams /mccabe -thiele. (дата обращения: 12.04.2024).
4. Mukhitdinov, J., & Sultanov, I. Current state of modeling problems and management of rectification processes. The American Journal of Engineering and Technology, 5(11), C.130-138.
5. Robbins, L. (2011). Distillation Control, Optimization, and Tuning: Fundamentals and Strategies (1st ed.). CRC Press. [Электронный ресурс] - URL:   https://doi.org/10.1201/b10875