10. РЕГУЛИРОВАНИЕ МНОГИХ ВЕЛИЧИН ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОМ УПРАВЛЕНИИ ПЕРЕГОНКОЙ НЕФТИ

Выше был рассмотрен пример системы автоматической стабилизации самолета, состоящей из трех взаимосвязанных систем автоматического регулирования.

Однако встречаются такие процессы управления производством, в которых необходимо осуществлять одновременное регулирование большого количества переменных.

Примером может служить процесс перегонки нефти. Так, современные нефтеочистительные заводы при перегонке нефти используют информацию о температуре, давлении, расходе и составе нефтепродуктов, получаемую от 200 датчиков. Время, отводимое на их опрос, составляет примерно 10 мин. С помощью этой информации в системе вырабатываются сигналы управления 30 различными регуляторами.

Рассмотрим вкратце процесс регулирования режима ректификационной колонны для фракционной перегонки нефти (рис. II 1.21) [5]. В колонне нефть разделяется на фракции, т. е. на части, кипящие в заданном интервале температур. Фракции в колонне располагаются слоями. На рисунке показаны блок-схемы регулирования лишь двух фракций: наиболее легкой — верхней и наиболее тяжелой — нижней. В колонну поступает сырье, подлежащее перегонке. Скорость потока должна поддерживаться на определенном уровне. Цепь регулирования потока сырья (цепь 1) включает в себя диафрагменный датчик расхода сырья ДРС, который воздействует на регулятор расхода сырья РРСУ управляющий регулирующим органом РОС (вентилем).

Цепь регулирования температуры нижней части колонны (цепь 2) состоит из измерительного элемента датчика температуры ДТ.

который воздействует на регулятор температуры РТ, управляющий открытием регулирующего органа температуры РОТ (вентилем подачи горячего пара в куб К).

При нагревании фракции до определенной температуры последняя начинает кипеть.

Рис. III.21. (см. скан) Схема регулирования режима ректификационной колонны для фракционной перегонки нефти

Из верхней части колонны пары легкой фракции (бензин) поступают в конденсатор КНД, где конденсируются, и в виде жидкой фазы собираются в аккумуляторе Л. Давление паров в верхней части колонны регулируется с помощью датчика давления ДД, воздействующего на регулятор давления РД, который управляет регулирующим органом давления РОД — вентилем подачи в конденсатор охлаждающей воды.

Из аккумулятора бензин насосом направляется по двум путям. Часть его возвращается в верхнюю зону колонны в качестве флегмы. Обратный переток регулируется цепью: датчик перегона ДП, регулятор перетока РП, регулирующий орган (вентиль) перетока РОП. Другая часть бензина (готовый продукт) направляется в бензохранилище.

Поступление в бензохранилище регулируется регулятором уровня РУ, воздействующим на регулирующий орган РО. Другие фракции отбираются с промежуточных слоев (тарелок) колонны. Из нижней части колонны отводится наиболее тяжелая фракция (мазут). Ее поступление во внешний резервуар также регулируется регулятором уровня РУ.

В данном примере каждая из изображенных цепей регулирования представляет собой цепь регулирования одной переменной, на первый взгляд совершенно изолированной, не связанной с другими цепями регулирования. Но на самом деле все цепи регулирования связаны между собой динамикой процесса перегонки, что приводит к существенным затруднениям при регулировании. Так, если по каким-либо причинам увеличится поступление нефти в колонну, то это вызовет понижение температуры в нижней ее части и уменьшение давления. Одновременно с этим происходит повышение уровня нижней фракции и уменьшение уровня верхней фракции. Таким образом возникнет переходный процесс изменения всех переменных, пока колонна не придет в новое состояние равновесия. В ряде случаев простое присоединение на связанных между собой регуляторов отдельных величин не обеспечивает устойчивого регулирования. Поэтому для того чтобы компенсировать действия внутренних связей между переменными через объект, во многих случаях приходится вводить дополнительные внешние связи между регуляторами.

Одним из простейших примеров связывания регуляторов может служить их каскадное (последовательное) включение. Обычно целесообразно бывает принять за условную нагрузку быстроизменяющуюся переменную и сделать регулятор по ней основным, а более медленный регулятор использовать для изменения уставки «основного» регулятора. Так, в рассматриваемом примере регулирование скорости обратного перетока в верхней части колонны имеет основной целью косвенное регулирование температуры верхней фракции. Изменения скорости обратного перетока приводят к быстрому изменению температуры, но это регулирование будет грубым, так как температура зависит еще и от многих других факторов, но изменения температуры, вызываемые этими факторами, происходят медленно. На рис. II 1.21 приведена схема каскадного включения регуляторов, в которой регулятор температуры РТ сравнительно медленно изменяет уставку регулятора перетока.

При соизмеримых значениях степени влияния нескольких факторов и соизмеримых постоянных времени процессов более целесообразно осуществлять параллельное связывание, при котором чувствительные элементы нескольких регуляторов действуют на вход одного усилителя.

Подобрав соответствующим образом связи между регуляторами и воздействиями по нерегулируемым возмущениям, можно получить удовлетворительное качество регулирования по всем

переменным и в некоторых случаях добиться компенсации воздействия ряда связанных величин на данную регулируемую величину.

Однако действительно оптимальное управление процессом перегонки нефти, дающее максимально возможный экономический эффект, практически невозможно без использования цифровой вычислительной машины, координирующей действие регуляторов. Цифровая вычислительная машина в процессе управления решает три уравнения: срока службы катализатора, октанового числа и выхода бензина.

Рис. 111.22. (см. скан) Схема управления ректификационной колонны для фракционной перегонки нефти с помощью УВМ

Максимум выхода бензина определяется вариационным методом. Схема регулирования ректификационной колонны для перегонки нефти с управляющей цифровой вычислительной машиной показана на рис. III.22. Информация от датчиков давления ДД, температуры ДТ, расхода сырья ДРС, выхода бензина ДКБ, перетока жидкости ДП, качественного состава ДКС поступает через систему преобразований «напряжение — цифра» НЦ на УВМ. После выполнения расчетов на машине с ее выходных регистров через преобразователи «цифра — напряжение» ЦН выдаются команды управления различным регуляторам (РОС, РЯ, РОЯ, РОД), назначение которых было описано выше.

На выходе вычислительной машины включены выводное устройство ВВУ, с помощью которого регистрируется информация о ходе процесса перегонки нефти и эксплуатационных расходов завода.

Решение проблем оптимального управления процессом перегонки нефти является предметом теории управления и не входит в задачи настоящей книги. Теория регулирования дает методы проектирования отдельных систем регулирования, входящих в систему управления, а не всей системы в целом. Это же замечание относится к системе автоматического управления прокатным станом, рассматриваемым в следующем параграфе.