Типовые решения по автоматизации процессов перемещения, смешения

Тема 5.5 Автоматизация гидромеханических процессов

1 Типовые решения по автоматизации процессов перемещения, смешения

2 Типовые решения по автоматизации процессов отстаивания, фильтрования

Предприятия химической технологии включают множество разнообразных аппаратов, установок, участков, цехов и произ­водств. С точки зрения автоматизации и управления важно разделить их по типу и характеру технологического процесса, проводимого в аппаратах, по сложности технологического объекта управления, а также по ха­рактеру параметров, участвующих в управлении.

В технологических объектах управления химической промышленности протекают различного рода про­цессы, которые классифицируют следующим образом (таблица 1).

Таблица 1 – Классификация ТОУ

Технологические процессы одного типа могут отличаться аппаратурным оформлением и свойствами перерабатываемых веществ, однако все они протекают по одним и тем же законам и характеризуются аналогичными зависимостями между пара­метрами. Это дает возможность разработать типовое решение по их автоматизации, которое с незначительными изменениями, вызванными особенностями технологического объекта управления, может быть применено для всех процессов данного типа.

Типовые решения по автоматизации процессов перемещения, смешения

В качестве объекта управления процесса перемещения примем трубопровод 6, по ко­торому транспортируется жидкость от аппарата 1 к аппара­ту 8, и центробежный насос (компрессор) 2 с приводом от асин­хронного двигателя 4 (рис. 1). Параметром, характеризую­щим выполнение задачи, поставленной перед установкой перемещения, служит расход перемещаемой жидкости.

Рисунок 1 – Схема автоматизации процесса перемещения жидкости

1, 8 – технологические аппараты; 2 – насос (компрессор); 3 – подшипники; 4 – электродвигатель; 5 – обратный клапан; 6 – трубопровод; 7 – дроссельный орган

Процесс перемещения в химической промышленности явля­ется вспомогательным; его необходимо проводить так, чтобы обеспечить эффективный режим основного процесса (химическо­го, массообменного), обслуживаемого данной установкой пере­мещения. Поэтому необходимо поддерживать определенное, чаще всего постоянное, значение расхода F. Это и будет целью управления установкой перемещения. Чтобы при наличии возмущений расход F все же был равен заданному, необходимо вносить в объект управления управля­ющие воздействия, которые будут компенсировать поступившие возмущения. В качестве регулируемой величины здесь необхо­димо взять сам расход F и формировать управляющие воздей­ствия в зависимости от того, насколько текущее значение рас­хода отличается от заданного. Наиболее простым способом вне­сения управляющих воздействий при этом является изменение положения дроссельного органа на трубопроводе нагнетания (устанавливать дроссельный орган на трубопроводе всасывания не рекомен­дуется, так как это может привести к кавитации и быстрому разрушению ло­паток насоса), что повлечет за собой изменение его гидравлического сопротив­ления и общего сопротивления всей системы.

Рассмотрим наиболее распространенные установки переме­щения и особенности их автоматизации. Часто уста­новкой перемещения необходимо управлять так, чтобы обеспе­чить стабилизацию какого-либо параметра процесса, предшест­вующего процессу перемещения или следующего за ним. Учитывая многообразие процессов химической технологии и задач, которые ставятся при их проведении, можно сказать, что в качестве регулируемой величины при перемещении пото­ков могут служить любые параметры этих процессов: темпера­тура, концентрация, плотность, толщина пленки и т. д.

При использовании поршневых насосов (компрес­соров) регулирующие органы устанавливать на нагнетательном трубопроводе нельзя, так как изменение степени открытия та­кого органа приводит лишь к изменению давления в нагнета­тельной линии; расход же практически остается постоянным. В этих случаях регулирование может быть осуществлено дроссельным органом, установленным на байпасной линии, со­единяющей всасывающий и нагнетательный трубопроводы. Та­кое же регулирование применяют при использовании шестерен­чатых и лопастных насосов.

Дроссельное регулирование имеет существенный недостаток — низкую экономичность, так как потери на регулирующем орга­не при дросселировании жидкости уменьшают к. п. д. насоса. Более экономичен метод регулирования — изменение числа обо­ротов рабочего вала насоса. Наиболее эффективным методом изменения числа оборотов вала насоса является использование вариаторов и муфт сколь­жения, которые позволяют изменять число оборотов рабочего вала насоса при неизменном числе оборотов вала электродви­гателя.

Основные принципы автоматизации процесса смешения разработаем на примере емкости, в которой смешиваются две жидкости А и Б (рисунок 2). В качестве показателя эффективности процесса перемешивания примем концентрацию искомого компонента в смеси (Q_см), а целью управления будет получение смеси с определенной концентрацией этого компонента.

Концентрация искомого компонента в смеси зависит от расходов жидкостей А и Б, а также от концентрации в них искомого компонента. Все эти параметры определяются технологическим режимом предыдущих процессов, и воздействовать на них из соображений достижения цели управления процессом смешения невозможно. Так, в смеситель могут поступать возмущающие воздействия, поэтому следует регулировать непосредственно концентрацию q_cm, внося регулирующие воздействия изменением одного из' расходов жидкостей.

Рисунок 2 - Схема автоматизации процесса смешения жидкостей

1 - емкость: 2 - механическая мешалка

В смесителе необходимо иметь определенный объем жидкости. Существеннее изменение объема жидкости может привести к переполнению аппарата или его опорожнению, при этом процесс смешения становится невозможным. Показателем объема жидкости является уровень в аппарате, поэтому его необходимо стабилизировать. Уровень жидкости зависит от расходов жидкостей, поступающих в смеситель, и расхода смеси. Если расход смеси определяется ходом последующего процесса, то его нельзя ни стабилизировать, ни использовать для внесения регулирующих воздействий. Один из расходов жидкостей (например, жидкости А), как уже сказано, будет использоваться для внесения регулирующих воздействий при регулировании концентрации q_cm. Следовательно, единственным каналом для внесения регулирующих воздействий при стабилизации уровня является расход другой жидкости. Отметим, что осуществляя регулирующие воздействия, регулятор уровня создает возмущения для регулятора концентрации Q_см. Для успешной эксплуатации смесителя, оперативного управления им и подсчета технико-экономических показателей следует контролировать концентрацию Q_cм, расходы жидкостей и смеси, уровень жидкости в смесителе и количество энергии, потребляемой приводом мешалки. При значительном отклонении концентрации Q_см и уровня в смесителе от заданных значений должен быть подан сигнал. При достижении критического значения уровня подача жидкости должна быть прекращена.

Если расход смеси не обусловлен ходом последующего технологического процесса, его нужно использовать для регулирования уровня в смесителе - качество регулирования уровня при этом улучшится по сравнению с описанным выше.

Если расход жидкостей сильно изменяется, то для улучшения качества регулирования следует использовать регулятор соотношения расходов жидкостей с коррекцией по концентрации смеси Q_см (рисунок 3). Регулирование соотношения расходов жидкости компенсирует возмущения по расходу жидкости Б путем изменения расхода жидкости А до того, как изменится концентрация Q_см. Если по каким-либо причинам концентрация Q_см все же изменится (например, при изменении концентрации искомого компонента в жидкостях А и Б), то изменится задание регулятору соотношения.

При постоянных концентрациях компонента в жидкостях А и Б возможно регулирование соотношения расходов без автоматической коррекции величины соотношения.

Рисунок 3 - Схема регулирования процесса смешения при значительных изменениях расхода одной из жидкостей (в данном случае - Б)