Автоматизация тепловых процессов
Тепловые процессы играют значительную роль в химической технологии. Химические реакции веществ, а также их физические превращения, как правило, сопровождаются тепловыми явлениями. Тепловые эффекты часто составляют основу технологических процессов. В связи с этим, вопросы автоматизации теплообменников, трубчатых печей, выпарных аппаратов и других объектов химической технологии, связанных с передачей тепла, играют существенную роль.
Автоматизация трубчатых печей
Рис. VII-15. Схемы автоматизации трубчатых печей:
а — каскадная; б — каскадная с регулятором соотношения «топливный газ — продукт»; в — с коррекцией по содержанию кислорода в топочных газах; г — с экстремальным регулятором, корректирующим соотношение «топливный газ — воздух».
Прокачиваемый через змеевик трубчатой печи продукт нагревается за счет тепла, образующегося при сжигании топливного газа.
Цель регулирования трубчатых печей — поддержание постоянства температуры продукта на выходе из печи. Возмущениями объекта являются расход и температура исходного продукта, теплотворная способность топлива, количество и температура воздуха, подаваемого для сжигания топлива, потери тепла в окружающую среду и ряд других. Эти возмущения можно скомпенсировать с помощью АСР температуры продукта на выходе из печи, управляющей подачей топлива в печь. Однако трубчатые печи обладают запаздыванием по передаче тепла от дымовых газов через стенку змеевика к проходящему по нему продукту, кроме того, переходный процесс по каналу «расход топлива — температура продукта на выходе» продолжается несколько часов. Поэтому при использовании одноконтурной АСР динамическая ошибка и время регулирования достигают больших значений.
Вместе с тем температура газов над перевальной стенкой достаточно быстро реагирует на изменение режима работы печи, обусловленное изменением количества топливного газа, подаваемого на сжигание. Поэтому существенное улучшение качества регулирования температуры продукта на выходе из печи может быть достигнуто применением системы каскадного регулирования (рис. VII-15,а), состоящей из регулятора температуры продукта на выходе из печи (корректирующий регулятор), воздействующего на задание регулятора температуры газов над перевальной стенкой (стабилизирующий регулятор), который управляет подачей топлива в печь. Стабилизирующий регулятор начинает компенсировать возникающие возмущения, влияющие на процесс сгорания топлива, прежде чем они приведут к изменению температуры продукта.
При резком изменении нагрузки печи по расходу нагреваемого продукта и при наличии возмущения по расходу топлива используют также вышеописанную систему каскадного регулирования, стабилизирующий регулятор которой воздействует на регулятор соотношения расходов продукта и топлива. В этом случае регулятор соотношения управляет подачей топлива в печь (рис. VII-15,б).
При принудительной подаче первичного воздуха (рис, VII-15, в) оптимальный его расход, при котором температура в топке принимает максимальное значение, поддерживают посредством регулятора соотношения «топливный газ — воздух», обеспечивающего заданное значение коэффициента избытка воздуха, определяющего интенсивность процесса сгорания. Если при этом теплотворная способность топлива существенно изменяется, то на регулятор соотношения направляют корректирующий сигнал от регулятора стабилизации содержания кислорода в топочных газах. Это обеспечивает полное сгорание топлива и высокое качество регулирования.
Сильным возмущением режима работы трубчатых печей со стороны топливного газа является изменение его давления. Это изменение компенсируют введением в АСР температуры продукта на выходе из печи дополнительного регулятора давления, задание на который подают от регулятора температуры в топочном пространстве. Такие системы обеспечивают качественное регулирование расхода топливного газа, так как расход газа в большой степени зависит от его давления (см. рис. VII-15,в).
Так как зависимость температуры в топке от соотношения «топливо — воздух» имеет экстремальный характер, при автоматизации трубчатых печей применяют системы экстремального регулирования. На рис. VII-15, г экстремальный регулятор отыскивает максимальное значение температуры дымовых газов над перевальной стенкой, воздействуя на регулятор соотношения «топливный газ — воздух», управляющий подачей первичного воздуха.
При регулировании соотношения «топливный газ — воздух» необходимо обеспечить меры безопасности, так как при недостатке воздуха в топке может образоваться взрывоопасная смесь. Следует предусмотреть ограничение расхода топлива так, чтобы этот расход никогда не превышал максимально допустимого значения, соответствующего текущему значению расхода воздуха. При уменьшении расхода воздуха относительно определенного значения нужно обязательно автоматически уменьшать подачу топлива в топку.