Выбор технических средств автоматизации химической промышлености

Содержание

Введение

1 Основные элементы производства олефинов

2 Оптические пирометры

3 Структура и состав АСУ

3.1 Управление тепловым режимом

3.2 Подсистема измерения технологических параметров

3.3 Подсистема автоматического регулирования

3.4 Подсистема автоматики безопасности

4 Расчет регуляторов

Заключение

Список использованных источников

Введение

В химической промышленности комплексной механизации и автоматизации уделяется большое внимание. Это объясняется сложностью и высокой скоростью протекания технологических процессов, а также чувствительностью их к нарушению режима, вредностью условий работы, взрыва и пожароопасностью перерабатываемых веществ и т. д.

По мере осуществления механизации производства сокращается тяжелый физический труд, уменьшается численность рабочих, непосредственно занятых в производстве, увеличивается производительность труда и т. д.

В механизированном технологическом процессе человек продолжает принимать непосредственное участие, но его физическая работа сводится лишь к нажатию кнопок, повороту рычагов и т. п. Здесь на человека возложены функции управления механизмами и машинами.

С увеличением нагрузок аппаратов, мощностей машин, сложности и масштабов производства, с повышением давлений, температур и скоростей химических реакций ручной труд даже в механизированном производстве подчас просто немыслим. Например, в производстве полиэтилена давление достигает 300 Ml la, в производстве карбида кальция температура в электрических печах равна 3000°С: процесс обжига серного колчедана в кипящем слое продолжается несколько секунд. В таких условиях даже опытный рабочий часто не в состоянии своевременно воздействовать на процесс в случае отклонения его от нормы, а это может привести к авариям, пожарам, взрывам, порче большого количества сырья и полуфабрикатов.

Ограниченные возможности человеческого организма (утомляемость, недостаточная скорость реакции на изменение окружающей обстановки и на большое количество одновременно поступающей информации, субъективность в оценке сложившейся ситуации и т. д.) являются препятствием для дальнейшей интенсификации производства. Наступает новый этап машинного производства — автоматизация, когда человек освобождается от непосредственного участия в производстве, а функции управления технологическими процессами, механизмами, машинами передаются автоматическим устройствам.

Автоматизация приводит к улучшению основных показателей эффективности производства: увеличению количества, улучшению качества и снижению себестоимости выпускаемой продукции, повышению производительности труда. Внедрение автоматических устройств обеспечивает высокое качество продукции, сокращение брака и отходов, уменьшение затрат сырья и энергии, уменьшение численности основных рабочих, снижение капитальных затрат на строительство зданий (производство организуется под открытым небом), удлинение сроков межремонтного пробега оборудования.

Проведение некоторых современных технологических процессов возможно только при условии их полной автоматизации (например, процессы, осуществляемые на атомных установках и в паровых котлах высокого давления, процессы дегидрирования и др.). При ручном управлении такими процессами малейшее замешательство человека и несвоевременное воздействие его на процесс могут привести к серьезным последствиям.

Внедрение специальных автоматических устройств способствует безаварийной работе оборудования, исключает случаи травматизма, предупреждает загрязнение атмосферного воздуха и водоемов промышленными отходами.

В автоматизированном производстве человек переключается на творческую работу — анализ результатов управления, составление заданий и программ для автоматических приборов, наладку сложных автоматических устройств и т. д. Для обслуживания агрегатов, оснащенных сложными системами автоматизации, требуются специалисты с высоким уровнем знаний. С повышением квалификации и культурного уровня рабочих стирается грань между физическим и умственным трудом.

Задачи, которые решаются при автоматизации современных химических производств, весьма сложны. От специалистов требуются знания не только устройства различных приборов, но и общих принципов составления систем автоматического управления.

1. Производство олефинов

Производство олефинов основано на термическом разложении углеводородного сырья на ряд продуктов и выделении этих продуктов с заданной степенью чистоты. В зависимости от условий разложения преобладающим является тот или иной продукт. При этилен-пропиленовом режиме олефины С2—С₄ составляют до 50—60% (на перерабатываемое сырье); всего же получают десять продуктов — водород, метан, этан, этилен, пропан, пропилен, фракции С₄ и С₅, ароматические углеводороды и тяжелое жидкое топливо. Наиболее потребляемым продуктом нефтехимической промышленности является этилен.

Автоматизация процесса. Режимными параметрами трубчатой пиролизной печи, определяющими термические превращения углеводородов и, следовательно, состав получаемых продуктов, являются: температурное поле (профиль) реакционной смеси по длине змеевика; продолжительность пребывания смеси в зоне реакции (время контакта); соотношение расходов сырья и водяного пара, поступающих в реактор; поле давления реакционной смеси по длине змеевика; состав исходного сырья; степень закоксовывания змеевика.

Управляющими воздействиями, с помощью которых осуществляют изменение и стабилизацию технологического режима вмшролизной'печи, служат расходы сырья и пара в змеевик и расходы топливного газа в обогревающие горелки. Путем перераспределения топлива, подводимого к отдельным горелкам (или их группам), можно изменять характер температурного ноля смеси по длине реакционной зоны. При регулировании теплового режима в печах некоторых конструкций в качестве управляющего воздействия используют подачу хладоагента (пара, сырья, воды, инертного газа) в промежуточные зоны змеевика.

Одной из важнейших задач автоматического регулирования работы пиролизных печей является стабилизация теплового режима, в частности температуры пирогаза на выходе из печи. Как правило, эту температуру стабилизируют воздействием на расход топливного газа к горелкам.

Для компенсации возмущений применяют каскадные схемы регулирования. В качестве промежуточной точки используют температуру перевала перепад давления в змеевике или давление топливного газа. Применяют также коррекцию по расходу, давлению, температуре и составу сырья.

В печах, где несколько змеевиков обогревается одним экраном горелок, температуру на выходе одного из них. Регулируют воздействием на подачу топлива, а на выходе из остальных воздействием на подачу в них сырья или водяного пара.

При автоматическом управлении промышленными печами важную задачу представляет стабилизация оптимального теплового режима по длине реакционной зоны змеевиков температурного профиля. Структура системы автоматической стабилизации температурного профиля зависит от конструкции конкретной печи.

На системе зонного регулирования температурного профиля реакционной смеси в змеевиках трубчатой печи с вертикальным расположением труб. Она осуществляет стабилизацию температуры Т₅ стенки труб змеевиков в конечной и средней частях (воздействие на подачу топлива в противолежащие зоны горелок) и регулирование температуры продуктов пиролиза на выходе из печи Г₆ изменением подачи топлива в зону горелок, обогревающую начальный участок змеевика.

Задание регуляторам температуры стенок труб змеевиков соответствует максимально допустимому пределу нагрева материала змеевика. Такая система регулирования позволяет при любом режиме поддерживать оптимальную (в данном случае максимально возможную) крутизну температурного профиля потока.

Для измерения температуры стенки змеевика в каждой зоне устанавливают несколько термопар. С помощью искателя максимальной температуры определяется значение температуры в наиболее нагретой точке, которое затем поступает на вход соответствующего регулятора и выдерживается им на максимально допустимом значении.

Для пиролизных печей с горизонтальным расположением труб змеевиков i расширенным обогревающим экраном горелок применяют системы регулирования величины реакционной зоны. При вменении нагрузки печи по сырью устройство 5 (см. рис. 10.8) управления ) размером реакционной зоны производит последовательное включение или включение подачи топливного газа в три нижних ряда горелок. Отключение ряда горелок, обогревающих начальный участок змеевика, приводит к концентрации подводимого тепла на конечном участке и сокращению реакционной зоны процесса (увеличению крутизны температурного профиля реакционной смеси).

Алгоритм работы устройства 5 составляют на основе экспериментальных данных с таким расчетом, чтобы при различных нагрузках по сырью обеспечить максимально возможную крутизну температурного профиля. Он позволяет изменять пределы срабатывания клапанов, предел их закрытия и время, в течение которого клапан переводится из нижнего положения в верхнее (и наоборот).

Общее количество тепла, необходимого для проведения реакции пиролиза, регулируют по температуре продуктов пироли a из печи воздействием на общую подачу топливного газа в горелки.

Если горелки трубчатой печи имеют ограниченную тепловую мощность, то при управлении тепловым режимом в печи целесообразно поддерживать максимальный расход топлива в горелки, обогревающие конечный участок змеевика. Такой реализуется системой, принципиальная схема которой представлена на рис 1 В качестве параметра, характеризующего

Теплоподвод на конечном участке реактора, выбрано давление топлива перед обогревающими горелками. Алгоритм управления клапанами на линиях подвода топлива в начальную зону горелок в зависимости от давления топлива разрабатывают на основе экспериментальных данных. Это позволяет автоматически компенсировать влияние на тепловой режим неконтролируемых возмущений закоксованности змеевика, изменения состава сырья и т. д.

Для пиролизных печей, в которых невозможно изменять температурный профиль смеси путем перераспределения топлива по зонам" обогрева, применяют системы регулирования температурного профиля изменением подачи хладоагента, % качестве которого используют водяной пар или воду. Система регулирования предусматривает регулирование соотношения между расходами сырья и водяного пара в змеевик. Если технологический регламент установки позволяет изменять расход пара в некоторых пределах, то для управления тепловым режимом процесса можно использовать системы, непосредственно изменяющие время пребывания (снижающие его до минимально допустимого). Эту систему регулирования целесообразно применять для печей с сильными перекрестными связями между подачей топлива в горелки и температурой стенки змеевика. Система осуществляет увеличение подачи пара в змеевик (т.е. уменьшение эффективного времени пребывания) до предела, обусловленного ограничениями на интенсивность подвода .тепла к змеевику: максимальной температурой стенки змеевика или максимальным расходом топлива в ода топлива в начальную зону горелок в зависимости способ управления.

На рис. 1 представлена система зонного регулировании подвода тепла к змеевику в многопоточной печи, которая предусматривает управление по усредненной температуре пирогаза на выходе змеевика и но максимальной из совокупности измеренных температур стенки змеевиков. Поверхностные термопары, установленные на стенках змеевиков в конечных зонах радиантной камеры течи, подсоединены к многоточечному потенциометру 11, выход которого связан с искателем 12 максимальной температуры. Выход искателя является переменной величиной, поступающей на вход регулятора 10, задание которому устанавливают с учетом верхнего предела температуры нагрева стенки змеевика. Выходной сигнал регулятора 10 воздействует на клапан 2, остановленный на линии подачи топлива. Таким образом, контур регулирования обеспечивает подвод максимально допустимого количества тепла в конечную зону пиролиза. Количество тепла, подводимого в начальную зону, регулируют с помощью регулятора 9 и клапана 1. В качестве переменной на регулятор 9 поступает сигнал, пропорциональный переднему значению температур пирогаза на выходе змеевиков. Этот сигнал вырабатывается с помощью усреднителя 8. Установку регулятору 9 корректируют по среднему значению расхода бензина, определяемому среднителем 7.

2.Оптические пирометры

Оптические пирометры широко применяются в лабораторных и производственных условиях для измерения температур выше 800°С. Принцип действия оптических пирометров основан на сравнении спектральной яркости тела со спектральной яркостью градуированного источника излучения. В качестве чувствительного элемента, определяющего совпадение спектральных яркостей в визуальных оптических пирометрах, служит глаз человека. Наиболее распространенным является оптический пирометр с исчезающей нитью, схема которого приведена на рис. 6.26, а. Для измерения температуры объектив / прибора направляется на объект измерения ОИ так, чтобы наблюдатель на его фоне увидел в окуляре 7 нить оптической лампы 4.

Рисунок 2. Схема визуального оптического пирометра

Сравнение спектральных яркостей объекта измерения и нити лампы 4 осуществляются обычно при длине волны равной 0,65 мкм, для чего перед окуляром установлен красный светофильтр 6. Выбор красного светофильтра обусловлен тем, что глаз человека воспринимает через этот фильтр только часть спектра его пропускания, приближающуюся к монохроматическому лучу. Кроме топ применение красного светофильтра позволяет снизить нижний предел измерения пирометра. Диафрагмы (входная 3 и выходная 5) ограничивают входной и выходной углы пирометра, оптимальные значения которых позволяют обеспечить независимость показаний прибора от изменения расстояния между объектом измерения и объективом.

Наблюдая за изображением нити лампы на фоне объекта измерения [светлый фон — темная нить (рис. 2); темный фон светлая нить (рис. 2, г)], с помощью реостата &б изменяют i тока, идущего от батареи Б к нити лампы, до тех пор, пока ярь нити не станет равной видимой яркости объекта измерения. При достижении указанного равенства нить «исчезает» на фоне изображения объекта измерения (рис. 2, в). В этот момент по шкале миллиамперметра тА, предварительно отградированного в значениях яркостной температуры нити лампы Г_я^н, определяют яркостную температуру объекта Г_я°. По измеренной яркостной температуре при известном г\ в соответствии с выражением рассчитывают истинную температуру объекта.

Нить оптической лампы выполнена из вольфрама, поэтому но избежание ее возгонки при температурах выше 1400°С, для изменения более высоких температур перед лампой включается ослабляющий или поглощающий светофильтр 2. Благодаря этому светофильтру уменьшается видимая яркость объекта измерения в кратное число раз, что позволяет не перекаливать нить и сохранит! стабильность градуировки пирометра. Оптическую плотность поглощающего стекла выбирают с таким расчетом, чтобы при температурах объекта, превосходящих 1400°С, нить накала нагрева не выше 1400°С. Поэтому обычно в оптических пирометрах имеется две шкалы, одной из которых пользуются при невведенном поглощающем светофильтре, например от 800 до 1200°С, а второй — при введенном светофильтре от 1200 до 2000°С.

Существующие в настоящее время оптические пирометры предназначены для измерения температур в интервале от 800 до 6000 с, и имеют различные модификации с различными пределами измерения. Класс точности оптических пирометров 1,5—4,0.

 

3.Структура и состав АСУ

Работа автоматизированных систем управления СУ ПСН и СУ спрейера основана на принципах управления технологическими процессами с использованием одного микропроцессорного контроллера, осуществляющего одновременное управление обеими установками в реальном масштабе времени. Для связи между отдельными электронными устройствами системы управления (контроллер, децентрализованная периферия, панель оператора и промышленный компьютер) организованы локальные сети управления MPI и Profibus DP (Европейский стандарт EN 50 170).

Архитектура системы управления построена по двухуровневой схеме:

нижний уровень управления;

средний уровень управления.

Нижний уровень управления (НУУ) включает в себя модули микропроцессорного контроллера SIMATIC S7 - 315 DP с цифровыми и аналоговыми входами-выходами и его децентрализованную периферию (удаленные входы-выходы), объединенную сетью PROFIBUS DP. Оборудование НУУ осуществляет сбор информации с пультов, шкафов и датчиков, ее предварительную обработку и передачу на средний уровень управления, а также выдачу управляющих воздействий на исполнительные механизмы установки в зависимости от алгоритма управления.

Средний уровень управления (СУУ) представляет собой промышленный компьютер SIMATIC RI25P, панель оператора ОР7 и микропроцессорный контроллер SIMATIC S7-315DP объединенные сетью MPI. Оборудование СУУ предназначено для ввода параметров технологического процесса, программного управления, контроля, диагностики и протоколирования хода технологического процесса .

В состав системы управления входят:

шкаф контроллера; шкаф электрооборудования, КИП и А; шкаф компьютерный; пульт управления; -height: 130%"> датчики технологических параметров и электрооборудование на механизмах ПСН и спрейерной установки.