Разработка автоматизированной системы управления процессом очистки воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Необходимым элементом нефтеперерабатывающих процессов является вода, которая используется в качестве теплоносителя, рабочего тела, растворителя или химического вещества. Вода естественных водоемов редко отвечает требованиям для прямого применения из-за содержания в ней различных примесей, которые удаляют перед её использованием. Качество воды - причина многих серьезных проблем, возникающих в сетях водо- и теплоснабжения. Самыми распространенными из них являются загрязнения, коррозия, накипь и отложения. Данные проблемы тесно связаны друг с другом и приводят к снижению теплопередачи, уменьшению срока службы и забиванию оборудования, снижению нагрузки и рентабельности, увеличению стоимости обслуживания и ремонта и увеличению частоты простоев. Главными факторами, обуславливающими загрязнение систем, являются: качество воды, температура воды, скорость потока воды, коррозионность, свищи, неплотности. Комплекс технологических процессов удаления примесей для приведения качества воды в соответствие с необходимыми требованиями, называется водоподготовкой. Правильный выбор химводоподготовки помогает избежать этих проблем уже на стадии проектирования и конструирования новых систем тепло и водоснабжения и предотвратить их развитие в существующих системах.

В данной работе рассматривается вопрос создания автоматизированной системы управления процессом очистки воды, в области разработки распределенных систем управления на основе контроллера. Система управления представляет собой полностью независимую систему управления отдельной установкой и оператором взаимодействует по средствам сетевого интерфейса.

В существующих системах управление осуществлялось в ручном режиме - аппаратчик химводоочистки вручную открывал (закрывал) задвижки, снимал показания со всех приборов и заносил их в журнал регистрации, брал анализы проб воды и определял качество воды лабораторным способом. Концентрацию NaCl определял специальным прибором ареометром, что явно влияет на снижение качества и надежности ХВО.

1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

1.1 Общая характеристика производственного подразделения

Установка "ФЛОТТВЕГ" предназначена для разделения стойких нефтяных эмульсий и донных осадков, образующихся на объектах очистных сооружений в процессе механической очистки сточных вод.

Разделение осуществляется под воздействием центробежной силы в декантерах и сепараторах с получением нефтяной, водной и твердой фаз.

1.2 Описание технологического процесса и технологической схемы производственного объекта

Принцип переработки нефтяного шлама заключается в разделении исходной смеси под действием центробежных сил на три фазы: нефтяную, водную и твердую.

Чем больше разница в удельных весах жидкостей, предназначенных для разделения, тем лучше разделение.

При повышении температуры разрушение эмульсии происходит быстрее, так как снижается вязкость нефтяного шлама. При снижении вязкости разделение осуществляется лучше и быстрее. Поэтому при разделении нефтешлама применяется его подогрев.

Снижение производительности означает, что продукт находится в барабане дольше обычного и поэтому разделение более эффективно.

1.3 Технологическая схема

Процесс утилизации нефтяных шламов на установке "Флоттвег" можно разделить на 3 стадии:

1. Подготовка нефтяного шлама к разделению.

2. Основное разделение в декантерах.

3. Дополнительная очистка продукта в сепараторах.

1.4 Описание технологического процесса, для разрабатываемой САУ

1.4.1 Дополнительная очистка технологической воды в сепараторах методом натрий-катионирования

Дополнительная очистка предназначена для оптимизации параметров технической воды, забираемой с установки.

Умягчение воды осуществляется методом ионного обмена. Метод ионного обмена обработки воды основан на способности некоторых металлов и других элементов вступать в ионный обмен с растворимыми в воде солями жесткости, сорбируя из воды ионы этих солей и отдавая в воду эквивалентное количество других ионов. В установке ионного обмена периодически должна проводиться регенерация материала фильтра (ионита), поставляющего ионы в обрабатываемую воду.

При регенерации материала фильтра (катионита) растворами NaCl, H2SO4 и NH2Cl происходит обмен катионов (соответственно Na, H и NH4) на катионы солей жесткости обрабатываемой воды. Этот процесс называют катионированием.

Наиболее распространенными методами ионного обмена являются:

- натрий-катионирование (Na-катионирование);

Вода в Na-катионитовых фильтрах пропускается через слой естественного или искусственного натриевого материала -катионита (глауконит, сульфоуголь и др.). Кальциевые и магниевые соли воды вступают в обменные реакции с указанным минералом, замещая в нем натрий и тем самым умягчая воду. Вместо кальциевых и магниевых солей в умягченной воде образуется эквивалентное количество легко растворимых натриевых солей. Щелочность воды при этом методе не изменяется.

Работает фильтр следующим образом. Через слой катионита пропускают воду, поступающую в теплогенерирующую установку. Происходит умягчение воды, при этом катионит уплотняется, вырабатывается и загрязняется. После выработки катионита подачу воды для умягчения прекращают и катионит взрыхляют обратным потоком (водой или воздухом). Слой катионита взрыхляется, и после этого промывочной водой из бака производят промывку фильтрующего слоя (по продолжительности эта операция занимает около 15...30 минут). После окончания промывки фильтрующего слоя приступают к его регенерации, для чего пропускают через слой фильтра раствор соли NaCl (продолжительность 1,5...2 ч). После регенерации фильтрующего слоя осуществляют промывку фильтра (продолжительность около 15 минут) для удаления остатков раствора соли.

Одним из основных недостатков такого метода умягчения воды является то, что загрязненная вода после регенерации и промывки фильтра сбрасывается в дренаж или канализацию, что приводит к загрязнению окружающей среды.

При одноступенчатой схеме умягчения воды величина общей жесткости исходной воды может быть уменьшена до величины 0,1 мг-экв/кг. Для более глубокого умягчения воды используют двухступенчатую схему, при этом жесткость воды может быть доведена до величин 0,005...0,02 мг-экв/кг.

Схема данного метода представлена на рисунке 1.1



Рис. 1.1 - схема последовательного натрий-катионирования.

1 - Н-катионитовый фильтр; 2 - Na-катионитовый фильтр; 3 - бак воды для взрыхления Н-катионита; 4 - удалитель углекислоты; 5 - вентилятор; 6 - бак умягченной воды; 7 - насос; 8 - солерастворитель; 9 - Na-катионитовый фильтр; 10 - бак воды для взрыхления Na-катионита; 11 - сброс загрязненной воды в канализацию.

Технологический процесс подготовки воды включает в себя выполнение следующих операций: умягчение воды, взрыхление катионита, пропуск раствора соли, отмывку катионита от продуктов регенерации. Подача воды при выполнении всех операций производится одним постоянно работающим насосом.

Na-катионитовая установка используется при отсутствии в обрабатываемой воде грубодисперсных и коллоидных примесей. В зависимости качества технологической воды осуществляют одна и двух-ступенчатая схема Na-катионирования. В двухступенчатых схемах умягчения воды следует предусматривать не менее четырех фильтров: два - первой ступени, один -второй и один - резервный, работающий в период регенерации основного фильтра или ремонта одного из фильтров.

Солерастворители предназначены для приготовления регенерационных растворов поваренной соли и сульфата аммония для катионитных фильтров, а также для осветления регенерационных растворов реагентов на водоподготовительных установках небольшой производительности.

Динамика работы фильтра заключается в том, что весь слой катионита сверху вниз условно делят на три горизонтальные зоны: истощенного, рабочего и свежего катионита. По мере работы фильтра слой истощенного катионита увеличивается, зона работающего катионита опускается, а слой свежего катионита становится все более тонким. Пока существует зона свежего катионита, фильтр выдает воду со стабильной остаточной жесткостью.

Когда зона свежего катионита исчезает, стабильный период работы фильтра заканчивается, он начинает выдавать все более жесткую воду, и в это время фильтр необходимо перекрыть и восстановить его реактивную способность. В момент полного истощения зон свежего и рабочего катионита жесткость воды, выдаваемой фильтром, становится равной жесткости исходной воды.

Эксплуатация катионитового фильтра сводится к последовательному проведению операций: взрыхления, регенерации, отмывки и умягчения.

Взрыхление - в процессе эксплуатации катионитовая масса уплотняется и загрязняется. Для взрыхления и очистки слежавшейся массы ее промывают водой снизу вверх. Взрыхление продолжается в течение 15 мин. Если по истечении этого времени сливная вода не станет светлой, то промывку продолжают до полного осветления.

Регенерация - после взрыхления из солерастворителя в катионитовый фильтр впускают регенерационный раствор в течение 12…15 мин. Обедненный регенерационный раствор вытекает в отстойный бак для последующего использования на промывку фильтра. При регенерации необходимо следить, чтобы фильтр был все время под напором, во избежание разрежения в нижней части фильтра и подсоса воздуха в толщу катионита, так как воздух, попадающий в фильтр, вредно влияет на катионит. Регенерацию фильтров осуществляют 6…8 %-ным раствором поваренной соли (NаСl) для первой ступени и 8…10 %-ным раствором NаСl для второй ступени. Расход реагента для сульфоугля примерно 4 м3 на 1 м3 катионита.

Отмывка - по окончании регенерации катионита из фильтра тщательно вымывают регенерирующие вещества. Для отмывки фильтра применяют прозрачную или умягченную воду без всяких примесей, с температурой не выше 50 оС. Фильтр промывают в течение 25…30 мин.

Умягчение - (основной режим, который в зависимости от качества воды длится 8...30 ч). Вода для умягчения поступает в распределительное устройство, далее проходит слой катионита, дренажное устройство и отводится из фильтра в питательный бак (деаэратор). Основная технологическая схема представлена на рисунке 1. 2.

Особенности выбора данного метода умягчения воды обусловлен тем, что он наиболее подходит для закрытых систем очистки воды.

Рис. 1.2 - технологическая схема ХВО.

2 ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Недостатки существующей системы управления

Объектом анализа является блок химводоочистки (ХВО). Он реализует технологический процесс химической очистки воды. ХВО как технологический процесс в существенной степени является определяющим для эффективной работы. Оборудование для ХВО весьма громоздко, рассредоточено на большой площади химического цеха и частично за его пределами, что затрудняет организацию эффективного управления процессом вручную. Периодический и весьма трудоемкий процесс контроля основных качественных параметров технологического процесса путем химических лабораторных экспресс - анализов при невозможности прямого их измерения предполагает большое запаздывание в получении информации, высокую вероятность субъективных и объективных ошибок и как следствие неоперативное вмешательство в технологический процесс, снижение качества и надежности ХВО. Основным недостатком натрий-катионирования воды является повышенное количество минерализованных сточных вод, образующихся в процессе регенерации фильтров. Однако с введением модернизированной установки эти показатели можно снизить за счет:

- введения по каждому технологическому циклу и в целом по станции показателей периода обмена, процент восполнения потерь, процент продувки цикла, станции, нормы водно-химического режима.

- разделения смешанных технологических циклов на функционально независимые индивидуальные технологические циклы. По вышестоящим и нижестоящим циклам, а также для одноименных технологических циклов должны быть разработаны технологические схемы организации подпитки и продувки с выделением "соленых" и "чистых" циклов.

- по каждому циклу должен быть составлен материальный баланс как по воде, по солям так и по загрязняющим веществам, нефтепродуктам и т.д.

До настоящего времени управление осуществлялось в ручном режиме - аппаратчик химводоочистки вручную открывал (закрывал) задвижки, снимал показания со всех приборов и заносил их в журнал регистрации, брал анализы проб воды и определял качество воды лабораторным способом. Концентрацию NaCl определял специальным прибором ареометром.

2.2 Цель создания автоматизированной системы управления производством

Основной целью создания автоматизированной системы управления является: улучшить качество очищенной воды; сократить количество установленного оборудования (фильтры, насосы, баки), арматуры, трубопроводов; снизить расходы химических реагентов (кислота, щелочь, соль) на нужды ХВО; уменьшить расход воды на собственные нужды и, соответственно, объем минерализованных сточных вод. Провести анализ разработанной математической модели натрий-катионирования, путем исследования системы на возмущающие действия реакций процесса. Провести расчет основный экономических параметров внедрения АСУ ХВО и обоснование реализации проекта. На основание полученных результатов, разработать среду управления, наглядно отображающую возможности ведения тех процесса и результаты внедрения инженерной системы контроля.

Решающими аргументами по внедрению технологии по сравнению с другими известными технологиями является:

- возможность использования отечественного оборудования (параллельноточные фильтры типа ФИПаI);

- простота конструкции и монтажа внутренних дренажно-распределительных устройств по типу коллекторно-лучевых с использованием полипропиленовых колпачков и возможность изготовления распределительных устройств на отечественных заводах;

- отсутствие жестких требований по содержанию взвешенных веществ в исходной воде перед ионитными противоточными фильтрами;

- исключение зависимости качества очищенной воды от изменения нагрузки ионообменных фильтров, т.е. широкий диапазон производительности ХВО;

- использование двухслойного анионирования в одном фильтре без каких-либо разделяющих устройств.

На основании рассмотрим возможности, обладание которых необходимо для создания функциональной системы.

Система должна иметь следующие возможности:

- представление достоверной информации о состоянии объектов на автоматизированных рабочих местах (АРМ);

- оптимизация водно-химического режима;

- оптимизация вводы и поддержания требуемых концентраций корректирующих реагентов;

- минимизация коррозионных процессов;

- предотвращение образования отложений на поверхностях нагрева;

- снижение повреждаемости оборудования за счет оптимизации водно-химического режима.

2.3 Выполняемые функции

Для реализации поставленной цели АСУ ТП должна выполнять следующие функции:

- Сбор и хранение информации;

- Сигнализация и регистрация нарушений норм технологического режима;

- Отображение информации о технологическом процессе на мониторе ПК;

- Автоматическое регулирование технологических параметров;

- Программно-логическое управление;

- Оперативное управление технологическими процессами;

- Регистрация и документирование предаварийных и аварийных ситуаций;

- Формирование рапортов и журналов;

- Получение предыстории развития технологических параметров за длительное время в виде трендов, графиков, таблиц;

- Контроль действий оператора;

- Защита от несанкционированного доступа к функциям системы.

2.4 Требования к автоматизированной системе управления

Одна из основных задач, ставившихся перед АСУ ТП ХВО, - оптимизация вводы и поддержания требуемых концентраций корректирующих реагентов.

Другая немаловажная задача - обеспечение эффективной и безопасной работы всей системы. В связи с этим необходимо обеспечить:

- высокую надёжность и отказоустойчивость системы,

- выполнение требований по пожаробезопасности,

- возможность расширения функций системы,

- простоту и удобство обслуживания,

- ремонтопригодность,

- простоту обучения оперативного персонала.

Немаловажным фактором является и минимизация цены предлагаемой системы. Поэтому для удешевления проекта можно использовать часть существующих аппаратных средств.

3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ

3.1 Разработка математической модели процесса регулирования подачи реагента

Оптимизация воды и поддержания требуемых концентраций корректирующих реагентов.

Для разработки математической модели процесса регулирования подачи реагента, составим контур регулирования (рисунок 3.1) и опишем в виде передаточных функций все элементы, участвующие в этом процессе.

Рис - 3.1 - Контур регулирования расхода реагента

ТП - тиристорный преобразователь;

ЭД - электродвигатель;

Д - Дозатор;

Д - датчик расхода.

где:

20 В - управляющий сигнал, поступающий на вход;

220 В - выходное напряжение тиристорного преобразователя;

360 об/мин - обороты двигателя дозатора;

120 м3/ч - расход реагента, перекачиваемого дозатором.

Опишем и рассчитаем передаточные функции каждого звена регулируемого контура, записывая их в таком порядке, как они представлены на рисунке 3.1.

 - ПФ тиристорного преобразователя

где:

kТП - коэффициент передачи тиристорного преобразователя;

ТТП - постоянная времени тиристорного преобразователя.

Подставляем значения:

ТТП = 0.05 (с)

Подставив полученные данные в ПФ, получаем:

- ПФ электродвигателя

где:

kЭД - коэффициент передачи электродвигателя;

ТЭ - электромеханическая постоянная времени;

ТМ - электромагнитная постоянная времени.

Подставив полученные данные в ПФ, получаем:

- ПФ дозатора

где:

kД - коэффициент передачи дозатора;

ТД - постоянная времени дозатора;

Подставляем значения:

Подставив полученные данные в ПФ, получаем:

- ПФ датчика расхода реагента

где:

kР - коэффициент передачи датчика расхода

Подставляем значения:

Подставив полученные данные в ПФ, получаем:

3.2 Расчет системы управления регулирования расхода реагента

После того как были описаны все передаточные функции узлов регулируемого контура и рассчитаны все коэффициенты и постоянные времени можно приступить к проверке работы нашей системы. Определим ПФ разомкнутой исходной системы:

Занесем ПФ разомкнутой исходной системы в MATLAB:

>> W=zpk([],[-20,-57,-400,-50],1.9/(0.05*0.0175*0.0025*0.02))

Zero/pole/gain:

43428571.4286

----------------------------

(s+20) (s+50) (s+57) (s+400)

tf форма исходной системы имеет вид:

>> W=W1*W2*W3*W4*W5

Transfer function:

1.907

-----------------------------------------------------------

4.375e-008 s^4 + 2.306e-005 s^3 + 0.002444 s^2 + 0.09 s + 1

Для определения переходного процесса найдем ПФ замкнутой исходной системы:

>> F=feedback(W,1)

Zero/pole/gain:

43428571.4286

---------------------------------------

(s+399) (s+96.82) (s^2 + 31.14s + 1714)

или

>> F=feedback(W,1)

Transfer function:

1.907

---------------------------------------------------------------

4.375e-008 s^4 + 2.306e-005 s^3 + 0.002444 s^2 + 0.09 s + 2.907

Для определения времени установившегося процесса после подачи единичного ступенчатого воздействия, строим переходную характеристику замкнутой системы:

Рис.3.2 - переходный процесс исходной замкнутой системы

Как видно, процесс является сходящимся, следовательно процесс устойчив. Время переходного процесса 0.4 с. Перерегулирование составляет 20%.

Для улучшения характеристик исходной замкнутой системы необходимо ввести корректирующее звено (регулятор), вид которого будет зависеть от ПФ желаемой системы.

Желаемая ПФ передаточная функция имеет вид:

Занесем ПФ разомкнутой желаемой системы в MATLAB:

>> Wzh=zpk([],[-50,-57,-400,-400],1.76/(0.02*0.0175*0.0025*0.0025))

Zero/pole/gain:

804571428.5714

-----------------------

(s+50) (s+57) (s+400)^2

Wzh=W6*W7*W8*W9

Transfer function:

1.76

--------------------------------------------------------------

2.188e-009 s^4 + 1.984e-006 s^3 + 0.0005438 s^2 + 0.0425 s + 1

Найдем ПФ замкнутой желаемой системы:

>> Fzh=feedback(Wzh,1)

Zero/pole/gain:

804571428.5714

------------------------------------------------

(s^2 + 75.84s + 7068) (s^2 + 831.2s + 1.783e005)

или

>> Fzh=feedback(Wzh,1)

Transfer function:

1.76

-----------------------------------------------------------------

2.188e-009 s^4 + 1.984e-006 s^3 + 0.0005438 s^2 + 0.0425 s + 2.76

Переходная характеристика желаемой системы представлена на рис. 3.3.

Рис.3.3 - переходный процесс желаемой системы.

Получим ПФ регулятора в MATLAB:

>> Wk=Wzh/W

Zero/pole/gain:

10.28 (s+20) (s+50) (s+57) (s+400)

------------------------------------

(s+50) (s+57) (s+400)^2

или

>> Wk=tf([0.0257,0.514],[0.0025,1])

Transfer function:

0.0257 s + 0.514

----------------

0.0025 s + 1

После сокращения ПФ равна:

Найдем разомкнутую ПФ скорректированной системы:

>> Wck=W*Wk

Zero/pole/gain:

446445714.2857 (s+20)

------------------------------

(s+20) (s+50) (s+57) (s+400)^2

или

>> Wck=W*Wk

Transfer function:

0.04902 s + 0.9804

----------------------------------------------------------------------------

1.094e-010 s^5 + 1.014e-007 s^4 + 2.917e-005 s^3 + 0.002669 s^2 + 0.0925 s + 1

После сокращения ПФ имеет вид:

Найдем ПФ замкнутой скорректированной системы:

>> Fck=feedback(Wck,1)

Zero/pole/gain:

446445714.2857 (s+20)

-----------------------------------------------------

(s+20) (s^2 + 88.2s + 5279) (s^2 + 818.8s + 1.71e005)

или

>> Fck=feedback(Wck,1)

Transfer function:

0.04902 s + 0.9804

----------------------------------------------------------------------------

1.094e-010 s^5 + 1.014e-007 s^4 + 2.917e-005 s^3 + 0.002669 s^2 + 0.1415 s + 1.98

Контур регулирования скорректированной системы:

Рис - 3.4 - Контур скорректированного регулирования расхода реагента

Переходный процесс скорректированной системы имеет вид:



Рис.3.4 - переходный процесс скорректированной системы

Время переходного процесса и перерегулирование составляют: 0.14 с и 7.06% соответственно, что удовлетворяет условиям нашей системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы над проектом был проведен анализ установки химической очистки воды, как объекта автоматизации. Выбрана наиболее подходящая концепция разработки системы управления.

На основании чего, можно сказать, что внедрение системы управления позволит повысить эффективность функционирования комплекса химической очистки за счет оптимального режима установки, повышения производительности оборудования и оперативности управления технологическим процессом, снижения потребления энергоресурсов, а также снизить аварийность и увеличить срок службы оборудования, уменьшить влияние человеческого фактора в производственном процессе и, одновременно, повысить культуру производства.

Создание системы позволит сделать ее без ограничений по интеграции с другими существующими или вновь создаваемыми системами и при необходимости без значительных затрат наращивать количество выполняемых функций и каналов обработки сигналов.

нефть вода очистка автоматизированный

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Вальков В.М., Вершин В.Е. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Политехника

2. Клюев А.С. Автоматическое регулирование. М.: Высшая школа, 1986;

3. Справочник по наладке электрооборудования электростанций и подстанций/Под ред. Э.С. Мусаэляна. М.: Энергоатомиздат, 1984.

4. Шапиро В.Д. Управление проектами-СПб.; “ДваТрИ”,1996.

5. Беклешов В.К. Технико-экономическое обоснование дипломных проектов: Учеб. пособие для втузов. М.: Высш. шк., 1991.

6. Васильев Г.А. Технико-экономические расчёты новой техники. М., «Машиностроение», 1977.

7. Волков О.И. Экономика предприятия: Учебник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ИНФРА-М, 2000.

8. Геворкян А.М., Карасёва А.А. Экономика и организация производства в дипломных работах по технологическим специальностям: Учеб. пособие. - М.: Высш. шк., 1982.

9. Жиделева В.В., Каптейн Н.Н., Экономика предприятия: Учеб. пособие. - 2-изд., перераб. и доп. - М.: ИНФРА-М, 2005.

10. Зайцев Н.Л. Экономика промышленного предприятия: Учебник. ИНФРА-М, 1998.

11. Справочник по наладке электрооборудования электростанций и подстанций/Под ред. Э.С. Мусаэляна. М.: Энергоатомиздат, 1984.

12. Новицкий Н.И. Организация и планирование производства: Практикум. Мн.: Новое знание, 2004.

13. Самсонов В.С. Экономика предприятий энергетического комплекса: Учеб. для вузов. - М.: Высш. шк., 2001.

14. Сергеев И.В. Экономика предприятия. Учеб. пособие. М.: Финансы и статистика, 2000.

Размещено на Allbest.ru