Автоматизация аппарата очистки природного газа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Разработка функциональной схемы автоматизации

 

4.1 Описание функциональной схемы

Функциональная схема автоматизации приведена на рисунке 10.

 

Рисунок 10 - Функциональная схема автоматизации

 

Раствор NaOH, H2 подаётся в ёмкость, объём емкости от 1 до 300 куб.м, определяется LE/4-1, регистрируется LIRSA/4-2.

Водород выходит из верхней части емкости, расход определяется FE/2-1, регистрируется FRC/2-3.

Раствор NaOH выводят из нижней части емкости, расход 120 кг/ч, определяется FE/2-4, регистрируется FRC/2-6.

Определяется качество раствора NaOH, определяется QE/3-1, регистрируется QRC/3-3, подаётся на насос.

Давление в насосе, 30-38 кгс/см2, определяется PT/1-1, регистрируется PRC/1-2, подаётся в абсорбер.

Сырой газ подаётся в абсорбер, расход 1000 нм3 , определяется FE/2-10, регистрируется FRC/2-12.

Уровень в нижней части абсорбера, определяется LE/4-4, регистрируется LIRSA/4-5.

Очищенный газ выходит из верхней части абсорбера, расход, определяется FE/2-7, регистрируется FRC/2-9.

Очищенный газ, качество без содержание сероводорода, определяется QE/3-4, регистрируется QRC/3-6.

Концентрированное вещество выводится из нижней части абсорбера, расход, определяется FE/2-13, FIR/2-15, подаётся на дроссель-вентиль.

 

4.2 Спецификация на приборы, средства автоматизации и аппаратуру

Спецификация на приборы, средства автоматизации и аппаратуру приведена в таблице 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 4 - Спецификация на приборы, средства автоматизации и аппаратуру

Позиция	Параметры среды, измеряемые параметры	Наименование и техническая характеристика	Марка	Габаритные размеры	Кол-во	Примечание
2-1, 2-7, 2-10	Расход	Погружной расходомер с выходным электрическим сигналом 4 – 20 мА	SCHMIDT SS 20.600	120 до 1,000 мм	3	По месту
2-4, 2-13		Ультразвуковой расходомер с выходным электрическим сигналом 4 – 20 мА	Р US-800	200 мм	2	По месту
1-1	Давление	Датчик давления с выходным электрическим сигналом 4 – 20 Ma	JUMO CTI-500	190x131	1	По месту
3-4	Качество	Газоанализатор с выходным электрическим сигналом 4 – 20 Ma	АГ-0011	290х250х150	1	По месту
3-1		Концентратомер с выходным электрическим сигналом 4 – 20 Ma	АЖК-3101	282х140х50	1	По месту
4-2, 2-3, 2-6, 3-3, 1-2, 2-9, 3-6, 2-12, 4-5, 2-15	4-20 мА унифицированный токовый сигнал	Контроллер	Siemens SIMATIC S7-400H	231 x132 x111	1	На щите

 

 

4.3 Выбор приборов и средств автоматизации

Анализатор жидких сред "АЖК-3101". Назначение: автоматический непрерывный контроль массовой концентрации щелочи (соли, кислоты) в растворах и сигнализации о достижении установленных значений концентраций.

Область применения: тепловые и атомные электростанции, выпарные установки, установки подготовки питьевой и технической воды (контроль солесодержания) и другие объекты.

Принцип действия: использована зависимость удельной электропроводности контролируемой жидкости от концентрации растворенных в ней солей, щелочей и кислот. В качестве чувствительного элемента применена кондуктометрическая ячейка, омываемая контролируемым раствором. В приборе производится автоматическая коррекция изменений при изменении температуры контролируемого прибора.

Достоинства и преимущества: анализатор жидких сред АЖК-3101 надежен в работе в условиях агрессивных сред, экологически чист, имеет простую установку задания значений концентрации, по достижению которой срабатывает реле сигнализации.  Достоинства системы заключаются в возможности использования ее для контроля параметров жидкости в емкостях или трубопроводах, находящихся под давлением. Разборная конструкция чувствительного элемента позволяет сделать датчик ремонтопригодным.

Сигнальная лампа. Технические характеристики: устройство индикации серии CSC могут использоваться как на машинах, так и дистанционно. Их используют в химической, фармацевтической, нефтяной промышленности и везде, где необходимо взрывозащищенное электрооборудование. Цвет сигнального излучателя обозначается буквой стоящей после обозначения сигнальной лампы L: V - зелёный, G - жёлтый, R - красный, I - белый, B - синий. Возможно использование сборного устройства CSC-LAMP-L + CSC-LAMP-LL на три лампы или CSC-LAMP-LL + CSC-LAMP-LL на четыре лампы. Цоколь E14. Мощность лампы для T5 - 5Вт, для T6 -3Вт. Область применения - взрывоопасные зоны помещений и наружных установок согласно маркировке взрывозащиты, ГОСТ Р 51330.13-99 (МЭК 60079-14-96), гл. 7.3 ПУЭ, гл. 7.4 ПУЭ, ПБ 05-618-03, ПБ 03-553-03, другим нормативным документам, регламентирующим применение электрооборудования во взрывоопасных и невзрывоопасных зонах на опасных производственных объектах I ,II, III, IV классов опасности, поднадзорных Ростехнадзору РФ, и национальных технических надзоров стран СНГ.

Промышленный программируемый контроллер Siemens SIMATIC S7-400H. Во многих областях промышленности остановка производственного процесса связана с большими материальными потерями, поэтому к надежности функционирования их систем управления предъявляются повышенные требования. Для автоматизации таких производств могут использоваться только резервированные контроллеры. SIMATIC S7-400, который изображен на рисунке 10, имеет дублированную структуру и обеспечивает высокую надежность функционирования систем автоматизации, построенных на его основе. Он способен продолжать работу при наличии одного или нескольких отказов в различных частях системы.

 

Рисунок 11 -  Siemens SIMATIC S7-400H

 

 Благодаря этому программируемый контроллер SIMATIC S7-400H может применяться для автоматизации:

• процессов с высокими затратами на перезапуск системы в результате отказа контроллера;
• процессов с высокой стоимостью простоя;
• процессов, в которых используются дорогостоящие материалы;
• необслуживаемых процессов;
• процессов с ограниченным количеством обслуживающего персонала.

Siemens SIMATIC S7-400H включает в свой состав:

• 2 базовых блока: на основе двух стандартных монтажных стоек UR1/UR2 или на основе одной монтажной стойки UR2-H с двумя независимыми секциями внутренней шины.
• 2 модуля синхронизации на один центральный процессор для связи базовых блоков контроллера по оптоволоконной линии связи. 2 оптоволоконных кабеля для установки синхронизирующих соединений.
• 1 центральный процессор CPU 417-4H/ CPU 414-4H на каждый базовый блок контроллера.
• Модули ввода-вывода S7-400 в каждом базовом блоке контроллера.
• Стойки расширения UR1/UR2/ER1/ER2 и/или станции распределенного ввода-вывода ET 200M с модулями ввода-вывода.

Все центральные функции управления резервируются. Система ввода-вывода может иметь стандартную (одностороннюю) или переключаемую конфигурацию, обеспечивающую повышенную надежность функционирования системы автоматизации.

 

4.4 Разработка алгоритмической схемы автоматизации

Построение алгоритмической схемы автоматизации осуществляется в соответствии с требованиями ГОСТ 19.002-85, 19.003-85, при этом учитывая, что алгоритм — это заранее заданное понятное и точное предписание возможному исполнителю совершить определенную последовательность действий для получения решения задачи за конечное число шагов.

Основные свойства алгоритмов:

1. Понятность для исполнителя — исполнитель алгоритма должен понимать, как его выполнять. Иными словами, имея алгоритм и произвольный вариант исходных данных, исполнитель должен знать, как надо действовать для выполнения этого алгоритма.

2. Дискретность (прерывность, раздельность) — алгоритм должен представлять процесс решения задачи как последовательное выполнение простых (или ранее определенных) шагов (этапов).

3. Определенность — каждое правило алгоритма должно быть четким, однозначным и не оставлять места для произвола. Благодаря этому свойству выполнение алгоритма носит механический характер и не требует никаких дополнительных указаний или сведений о решаемой задаче.

4. Результативность (или конечность) состоит в том, что за конечное число шагов алгоритм либо должен приводить к решению задачи, либо после конечного числа шагов останавливаться из-за невозможности получить решение с выдачей соответствующего сообщения, либо неограниченно продолжаться в течение времени, отведенного для исполнения алгоритма, с выдачей промежуточных результатов.

5. Массовость означает, что алгоритм решения задачи разрабатывается в общем виде, т.е. он должен быть применим для некоторого класса задач, различающихся лишь исходными данными. При этом исходные данные могут выбираться из некоторой области, которая называется областью применимости алгоритма.

Алгоритмические структурные схемы показывают взаимосвязь отдельных частей системы и характеризуют их динамические свойства. На алгоритмической структурной схеме вся система автоматики, как и на функциональной, изображается в виде прямоугольников, каждый из которых представляет собой динамическое звено направленного действия.

Регулируемые параметры.

1. Регулирование уровня NaOH в ёмкости.
2. Регулирование расхода H2 на выходе.
3. Регулирование расхода NaOH подаваемого в абсорбер.
4. Регулирование качества NaOH подаваемого в абсорбер.
5. Регулирование давления в насосе.
6. Регулирование расхода очищенного газа.
7. Регулирование качества очищенного газа.
8. Регулирование расхода сырого газа на подачи в абсорбер.
9. Регулирование уровня концентрированного вещества в абсорбере.
10. Регулирование расхода концентрированного вещества на выходе из абсорбера.

Алгоритмическая схема изображена на рисунке 12.

 

Рисунок 12 -  Алгоритмическая схема (начало)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Практическая реализация модели автоматизированной системы очистки природного газа

 

5.1 Расчет АСР уровня газа в резервуаре

Рассмотрим работу автоматической системы регулирования на примере регулирования уровня газа в резервуарах.

В резервуар поступает газ в определенном количестве Fпр. По условиям ведения процесса необходимо в резервуаре поддерживать уровень (L) на заданном значении (Lз).

Для автоматического регулирования процессом необходимо подключить регулятор. В качестве регулятора используют насос с постоянной скоростью вращения, включающийся от контактной системы, связанной с датчиком уровня. Таким образом, при уменьшении уровня ниже заданного включается насос и открывается клапан, при увеличении уровня выше заданного закрывается клапан.

 

5.2 Линейная часть расчета АСР уровня жидкости в резервуаре

 

Рисунок 13 - Функциональная схема САР

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 14 - Структурная схема САР

 

Определим  передаточные функции и их параметры для элементов данной системы.

Двигатель:

• K1:=0,5;
• T1:=0,05;
• D1:=0,4.

 

.                                      (4.1)

 

 

Клапан 1:

• K2:=0,2;
• T2:=0,02.

.                                             (4.2)

 

Клапан 2:

• K3:=0,3;
• T3:=0,03.

 

.                                               (4.3)

 

Датчик:

• K4:=0,2;
• T4:=0,04;
• d2:=0,2.

 

.                                      (4.4)

 

Передаточная функция всей системы определиться по формуле (4.5):

 

                                (4.5)

 

Найдем общую передаточную функцию всей системы:

 

 

 

 

 

Переходный процесс. Для этого найдем уравнение переходного процесса, методом обратного преобразования Лапласа (4.6):

 

;                                                      (4.6)

 

2.91*+4.14*exp(-56.2*t)-2.26**

*exp(29.8*t)-1.12** exp(-3.79*t)*cos(19.3*t)-2.14**

*exp(-3.79*t)*sin(19.3*t)+5.23***exp(-1.51*t)*cos(25.8*t)-2.65**

*exp(-1.51*t)*sin(25.8*t).

 

Построим график переходного процесса (рисунок 16):

 Рисунок 15 - График переходного процесса

 

Так переходный процесс стремится к устойчивому состоянию (т.е колебательный затухающий) можно сделать вывод, что данная САР устойчива.

Определение оценок качества системы.

Прямые оценки качества системы:

• время переходного процесса   -  время регулирования системы, определяется как интервал времени от момента приложения какого-либо воздействия до времени вхождения в пяти процентную трубку ( ). Определяет быстродействие системы.=0.41c;
• перерегулирование (максимальная динамическая ошибка) – определяется выражением (4.7):

 

                        (4.7)