Файл: Шински Ф. Системы автоматического регулирования химико-технологических процессов.pdf

и связанных между собой технологических установок, время про­

непрерывно, с высокой точностью и достаточно быстро. При этом регулирование по замкнутому контуру не представляется возмож­ ным. В этих случаях регулирование очень часто выполняют по вспо­ могательному параметру, связанному с интересующим нас. Однако при этом может наблюдаться некоторое снижение качества продук­

контур экономического регулирования. Но даже если бы это было возможно, мы не смогли бы использовать обычную систему регули­ рования по отклонению, так как она предназначена для поддержа­ ния регулируемого параметра на заданном значении, а не для его оптимизации.

Программы оптимизации °. Системы регулирования по возмуще­ нию могут применяться не только для регулирования. Практически каждый регулируемый параметр может быть легко запрограммиро­ ван в зависимости от любой измеряемой величины процесса; для этого составляют соответствующее уравнение. Если необходимо, можно, например, изменять температуру жидкости на выходе из теп­ лообменника в зависимости от ее расхода. Обеспечивающее эту операцию вычислительное устройство должно отличаться от системы, предназначенной для поддержания регулируемого, параметра на заданном значении, по не быть сложнее ее. Если для такой же цели используется контур регулирования с обратной связью, то задание, подаваемое на регулятор с обратной связью, также должно быть запрограммировано аналогичным образом, хотя это может привести к значительному усложнению системы регулирования.

Из сказанного следует, что параметр можно регулировать по лю­ бой заранее заданной программе — даже такой, которая может привести к изменению знака коэффициента передачи объекта регули­ рования dc/dm. Следовательно, принцип регулирования по возмуще­

Первым шагом оптимизации производства является определение затрат на проведение технологического процесса. В ходе последнего получают продукт определенной стоимости, количество которого примерно пропорционально расходу сырья. При этом предприятие получает прибыль, которая может изменяться в широких пределах. Если затраты • поддерживаются минимальными, то предприятие получает максимальную прибыль. Определение затрат на проведе­ ние процесса не представляет большого затруднения.'Они включают в себя в основном стоимость израсходованного сырья, потребляемой

219

энергии, а также потери от уменьшения товарной стоимости про­ дукта из-за снижения его качества. Эти потери зависят от состава сырья, активности катализатора, атмосферных условий и других требований, предъявляемых к данному процессу. Перед вычисли­ тельной машиной на конкретном производстве ставится задача уп­ равления темп параметрами процесса, которые наилучшим образом компенсируют влияние нерегулируемых переменных па экономиче­ ские показатели предприятия.

Принято считать, что для оптимизации отдельных аппаратов или для частичной оптимизации всего производства следует исхо­ дить из системы сложных уравнений. На самом деле часто для этой цели достаточно довольно простого соотношения. В качестве при­ мера рассмотрим абсорбционную колонну, в которой поток газа F с содержанием z% ценного компонента абсорбируется потоком жидкости L . Последний изменяют с целью проведения процесса при минимальных эксплуатационных затратах. Предположим, что со­ став газа на выходе у подчиняется следующей закономерности:

y=kzIT F

где к — коэффициент, характеризующий скорость абсорбции. Экс­ плуатационные потери процесса абсорбции в осповном включают в себя стоимость извлекаемого компонента, увлеченного уходящим газом, и стоимость абсорбента:

I = v-iFy + v.,L

где vt — стоимость 1 кг целевого продукта; v2 — стоимость 1 кг ч абсорбента.

Выразим I только через независимые параметры процесса:

I = vxkz —z—J- v2L

Потери будут минимальными при таком значении L , когда производная dl/dL равна нулю:

Отсюда определим оптимальное значение расхода абсорбента L :

F2

измеряются расходомерами переменного перепада давления, в полу­ ченном уравнении следует оставить квадраты расходов. Для оконча­ тельного построения модели процесса необходимо определить вели­ чины постоянных коэффициентов. Заметим, что если нельзя полу-

220

чить решение из уравнения, в котором первая производная прирав­ нивается нулю, то исследуемый процесс не имеет оптимума. В нашем примере это могло бы иметь место, если бы и2 было равно нулю.

Очень часто получить такие простые уравнения с жесткой взаимо­ связью параметров не представляется возможным. Поэтому с целью оптимизации процесса приходится анализировать многие комбина­ ции неуправляемых и управляемых параметров, до тех пор, пока не будет получена приемлемая зависимость. Полученные соотноше­ ния обычно представляют в виде контурных графиков, подобных

экономический).

На условия проведения процесса в любом производстве наклады­ ваются многочисленные ограничениями оптимальный режим многих процессов часто находится за пределами этих ограничений. Эконо­ мический эффект, полученный в результате оптимизации производ­ ства, может быть ниже затрат на вычислительную технику и ее обслуживание. Эти два фактора резко ограничивают число процес­ сов, которые целесообразно оптимизировать.

При оптимальном управлении с помощью вычислительной ма­ шины суммарные затраты на проведение процесса уменьшаются. Для определения срока окупаемости вычислительной машины делят годовую экономию, полученную от ее внедрения, на стоимость машииы. Простая аналоговая вычислительная машина обычно окупает себя за один — два года. Сложная аналоговая машина, более точно моделирующая процесс, еще на 10—20% снижает экс­ плуатационные затраты. Однако, поскольку стоимость такой машины

Для труднорегулируемых процессов наиболее целесообразным является использование регулирования по возмущению. Примене­ ние различных вариантов регулирования по отклонению (исполь­ зование контура дополнительной обратной связи, импульсное и

221

нелинейное регулирование) позволяет уменьшить величину интеграль­ ной ошибки регулирования на единицу изменения нагрузки почти вдвое. В то же время при регулировании по возмущению эта ошибка может быть уменьшена в несколько десятков раз 1 G . Система регули­ рования по возмущению, имеющая точность ± 1 0 % , при совмест­ ной работе с контуром обратной связи способна повысить качество регулирования в несколько раз.

Такие результаты можно получить лишь при тщательном изуче­ нии автоматизируемого процесса и использовании этих знаний при проектировании системы регулирования. Это исключает мас­ совое производство систем регулирования по возмущению. Системы регулирования по возмущению полностью подобны друг другу только в том случае, если они предназначены для регулирования одинаковых процессов. Хотя регулирование по возмущению имеет свои преимущества прп компенсации изменения нагрузки, регули­ рование по отклонению остается основным принципом регулиро­ вания.

Наиболее эффективной является трехкаскадная система регули­ рования. В ней основной регулятор обратной связи корректирует задание, подаваемое на регулятор по возмущению, который, в свою очередь, управляет контуром регулирования расхода.

Основные принципы регулирования по возмущению были рас­ смотрены в этой главе на примерах, выбранных скорее для иллю­ страции метода, и не для практического применения. В последующих же главах будут приведены примеры практического применения систем регулирования по возмущению к таким процессам, где они дают наибольший эффект. Системы оптимального регулирования будут рассматриваться с такой же точки зрения.

v

РЕГУЛИРОВАНИЕ ХИМИКОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Г Л А В А IX

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

Передача энергии в многочисленных и разнообразных техноло­ гических процессах (от сгорания топлива в котельных установках до перекачивания насосом жидкости по трубопроводу) подчиняется одним и тем же законам. В частности, энергия (тепловая, электри­

В некоторых процессах, например в процессе теплообмена, энер­ гия передается от одного вещества к другому без превращения. В других процессах передача энергии сопровождается превращением ее из одной формы в другую. Такие процессы, протекающие в хими­ ческих и ядерных реакторах, промышленных печах, насосах, ком­ прессорах и других аппаратах, должны изучаться более глубоко. Регулирование передачи энергии заключается в регулировании скорости потока энергии, т. е. в регулировании ее мощности. Основ­ ным условием регулирования технологических процессов является сохранение их материального и энергетического балансов.

Процессы теплопередачи

При смешении технологических потоков веществ передача тепла от одного из них к другому осуществляется непосредственно. В боль­ шинстве же процессов теплообмена потоки веществ разделены пере­ городкой. В таких случаях граничные условия на теплообменных поверхностях зависят от расходов потоков. При высоких темпе­ ратурах, например в случае горения топлива, важное значение имеет радиация или излучение энергии. Перечисленные виды тепло­ обмена рассматриваются ниже.

Теплообменники смешения. В некоторых случаях температуру жидкости регулируют смешением двух или более потоков техноло­ гических продуктов. Смешение этих продуктов должно проводиться очень тщательно, иначе при измерении конечной температуры смеси возможна большая ошибка. Вопрос тщательного смешения компо­ нентов смеси имеет важное значение. Для получения хорошо пере­ мешанной смеси часто применяют механические мешалки.

223