Диагностика и прогноз температурного профиля (Раздел 5.3 учебника "Планово-экономическое управление")

  5.3   Диагностика и прогноз температурного профиля

Ректификационная установка является сложным многомерным объектом управления со значительной инерционностью и временем запаздывания по каналам регулирования. На рисунке 5.17 представлена схема взаимосвязи между входными и выходными величинами в ректификационной установке. При этом, приняты следующие обозначения:  - соответственно расходы перегретого пара в кипятильник колонны, флегмы в колонну, хладагента в дефлегматор колонны, кубового остатка из колонны (готового продукта), реакционной смеси на тарелку питания колонны и отбора флегмы (готового продукта);  - соответственно концентрации питания колонны, дистиллята, кубового остатка и флегмы;  - соответственно температуры куба колонны, верха колонны и флегмовой жидкости;  - соответственно давления верха и куба колонны;  - уровень жидкости в кубе колонны.

Анализ технологического процесса [6] показал, что основными каналами  регулирования являются: расход перегретого пара  - температура куба колонны ; расход перегретого пара  - концентрация кубового остатка ; расход перегретого пара  - давление в кубе ; расход флегмовой жидкости    - концентрация дистиллята ; расход хладагента в дефлегматор  - давление верха колонны ; расход хладагента в дефлегматор  - температура флегмы  и верха колонны ; расход кубового остатка - уровень жидкости в кубе колонны . Эти каналы позволяет осуществлять стабилизацию регулируемых величин с помощью независимых одноконтурных систем, связанных лишь через объект управления.

Особое значение для качества процесса ректификации имеет температура. Уменьшение температуры в кубе колонны ведет к снижению интенсивности испарения кубового остатка, падает давление сначала в кубе, а потом и в его верхней части, регулятор давления прикрывает подачу воды в дефлегматор и отбор паров из колонны уменьшается. Часть низкокипящего компонента попадает в куб колонны, приводя к ухудшению качества получаемого продукта.

 

Рис. 5.17  Упрощённая схема взаимосвязей в ректификационной установке

Повышение температуры в колонне приводит к увеличению содержания высококипящего компонента в дистилляте, а, следовательно, снижает производительность колонны. При постоянном давлении температура в колонне зависит от параметров исходной смеси, от количества флегмы и пара подаваемого в кипятильник. Температуру в верхней части колонны можно стабилизировать только путем изменения расхода хладагента в дефлегматор, а в кубе колонны путем изменения подачи пара в кипятильник.

Эффективность работы ректификационной колонны определяется текущим профилем распределения концентраций по высоте колонны [6], зависящим от текущего профиля изменения температур по высоте колонны (рисунок 5.18 ).

 На рисунке 5.18 показаны две температурные кривые: измеренная температурная кривая , которая строится на основе показаний датчиков температур, установленных по высоте колонны и температурная кривая , прогнозируемая по математической модели [6].

Эффективность работы колонны может быть количественно оценена величиной квадрата отклонения текущего температурного профиля от температурного профиля, прогнозируемого по математической модели:

,                      (5.13)

где       – порядковый номер термопары;  – дискретный аналог реального времени;    – количество датчиков температур, установленных по высоте колонны.

          Температурный профиль по высоте колонны фиксируется тремя управляющими воздействиями:  – расход перегретого пара, поступающего в исчерпывающую часть колонны,  – расход хладагента, подаваемого в дефлегматор колонны и  – температура тарелки питания. При этом два из управляющих воздействий ( и ) определяют начальные (температура куба) и конечные (температура верха колонны) условия  формирования профиля температур по высоте колонны. Оптимальное управление колонной по критерию эффективности (5.13) тесно связано с прогнозом температуры питающей тарелки и при необходимости её коррекции. Это возможно только при наличии математической модели температурного профиля колонны, функционирующей в режиме реального времени.

 

Рис. 5.18   Графическая интерпретация эффективности работы ректификационной колонны

В качестве эталонной математической модели целесообразно  применитьмодель температурного профиля колонны, которую можно представить (5.14) в виде совокупности динамических моделей его нижней и верхней частей и статической модели тарелки питания [6, 32].

Проверка адекватности математической модели колонны проводилась методом активного эксперимента путем снятия кривых разгона по каналам, имеющим управляющее воздействие. По каналам, не имеющим управляющего воздействия, проверка адекватности модели проводилась по данным пассивного эксперимента (при обработке использовались экспериментальные данные за время наблюдения, равное шестнадцати суткам).