Reconfiguration of control system of the gas mixture temperature at the furnace outlet of the catalytic reforming unit a.pdf Стратегия управления непрерывными технологическими процессами в подавляющем большинстве случаев заключается в стабилизации технологических параметров на значениях, обеспечивающих оптимальную работу промышленной установки. Это достигается за счет корректного выбора структуры и параметров системы управления, применения алгоритмов улучшенного управления [1-3] и обеспечения эффективной работы алгоритмов системы управления. В настоящее время на современных предприятиях качеству функционирования систем автоматического регулирования, вопросам совершенствования алгоритмов регулирования и их оперативной реконфигурации в промышленных условиях уделяется повышенное внимание [4]. Широкое распространение получили алгоритмы управления с прогнозирующей моделью (Model Predictive Control), внедрение которых позволяет повысить качество процессов управления [5-8]. Но необходимо также отметить, что существует потребность обеспечения требуемого качества функционирования традиционных классических алгоритмов регулирования. Вследствие постоянного изменения динамических характеристик объектов управления и наличия множества параметров, оказывающих влияние на технологический процесс, алгоритмы автоматического регулирования нуждаются в периодической перенастройке, позволяющей сохранить требуемые показатели качества системы регулирования. Накопленные в процессе эксплуатации и хранящиеся в базах данных распределенных систем управления данные содержат в себе информацию об объекте, позволяющую в режиме реального времени оценить адекватность алгоритмов управления текущему состоянию объекта и, если необходимо, выполнить их перенастройку. Вопросы идентификации технологических объектов по данным эксплуатации и оперативной перенастройки алгоритмов систем регулирования являются актуальными [9]. На основе подхода, изложенного в [10], выполнена реконфигурация системы регулирования путем расчета компенсирующего устройства для комбинированной системы управления технологическим объектом. Интеграция комбинированных систем в управление технологическим процессом позволяет повысить качество регулирования параметров процесса, снижая флуктуацию, коррелирующую с поведением возмущающих воздействий. Управляющий сигнал в данных системах формируется с учетом рассогласования регулируемой величины от установленного задания и изменения возмущающих воздействий. Синтез комбинированных систем предполагает решение задачи структурной и параметрической идентификации каналов передачи объекта управления с последующим расчетом компенсиру-12 Реконфигурация системы регулирования температуры газосырьевой смеси ющих устройств. В статье показаны результаты реконфигурации системы регулирования температуры газосырьевой смеси на выходе печи П-1 установки каталитического риформинга с предварительной гидроочисткой исходного сырья на основе данных эксплуатации технологического объекта. 1. Описание объекта управления Установка каталитического риформинга предназначена для получения ароматических углеводородов - бензола, толуола, сольвента - после гидроочистки бензиновых фракций и последующей экстрактивной дистилляцией ароматических углеводородов. Печь П-1 входит в состав блока гидроочистки данной установки и обеспечивает нагрев сырья до необходимой температуры. С увеличением температуры интенсивность реакций гидрообессеривания и гидрирования непредельных углеводородов увеличивается, но также увеличиваются в большей степени реакции гидрокрекинга. В результате гидрокрекинга происходит потеря сырья, превратившегося в газы. Недостаточный нагрев сырья ведет к недостаточному очищению от серы, азота и кислорода, вследствие чего отравляется катализатор риформинга. Стратегия управления температурой газосырьевой смеси заключается в поддержании температуры на минимально необходимом для реакций гидроочистки значении, при этом режим всегда ведется с некоторым запасом по качеству, т.е. температуру приходится поддерживать на несколько градусов выше, чем это необходимо. Чем лучше стабилизирована температура, тем меньший запас по качеству нужен и тем меньше вероятность образования брака и меньше потери сырья на гидрокрекинг. Регулирование температуры газосырьевой смеси на выходе из печи П-1 (TIRC) осуществляется посредством изменения подачи топливного газа в печь. Основным регистрируемым источником возмущения данной системы автоматического регулирования является изменение давления потока газосырьевой смеси (PIR). На рис. 1 представлена схема объекта. в реактор гидроочистки Р-1 Рис. 1. Печь П-1 Fig. 1. Furnace P-1 Реконфигурация системы регулирования температуры путем введения блока компенсациивоз-мущающего воздействия позволит лучше стабилизировать температуру и снизить целевое значение температуры. 2. Идентификация объекта управления С целью решения задачи структурной и параметрической идентификации технологического объекта по данным его эксплуатации рассмотрен подход, представленный на рис. 2. В соответствии с концептуальной моделью (см. рис. 2) для расчета системы регулирования использованы значения технологических параметров процесса, хранящиеся в базе данных системы управления установки, в ходе нормального режима работы. После анализа и обработки экспериментальных данных обучена автокорреляционная нейронная сеть, аппроксимирующая поведение объекта управления, работающего в динамическом режиме. В состав нейросетевой модели также включена модель регулятора, обеспечившая корректную работу модели. На построенной нейросетевой модели 13 М.А. Работников, А.С. Александрова, А.Г. Шумихин проведен вычислительный эксперимент с подачей периодических сигналов, результатом которого является комплексная частотная характеристика (КЧХ) по каналу «давление потока газосырьевой смеси (возмущающее воздействие) - температура газосырьевой смеси на выходе из П-1 (регулируемая величина)» с замкнутым контуром по каналу управления [8]. По полученной частотной характеристике произведена структурная и параметрическая идентификация объекта в форме передаточных функций по методу наименьших квадратов с помощью специально разработанного для решения подобных задач приложения [11]: (s) 0,22 e 56,96s +1 "3,13s, WyX (s) 6,94 g-74,41s 9,81s +1 (1) где Wn (s) - передаточная функция по каналу «управляющий сигнал - температура газосырьевой смеси на выходе из П-1», Wa (s) - передаточная функция по каналу «давление газосырьевой смеси на выходе из П-1 - температура газосырьевой смеси на выходе из П-1», s - оператор Лапласа. Рис. 2. Концептуальная модель идентификации технологического объекта по данным его эксплуатации Fig. 2.Conceptual model for identifying a technological object based on exploitation data На рис. 3 представлены экспериментальная КЧХ исследуемого канала при соответствующих частотах и аппроксимирующая ее характеристика, построенная по результатам проведенной идентификации. На рис. 4 представлена имитационная модель, прогнозирующая поведение температуры газосырьевой смеси на выходе из печи П-1 с учетом изменения давления потока, где W (s) - передаточная функция регулятора в замкнутом контуре управления. 14 Реконфигурация системы регулирования температуры газосырьевой смеси Рис. 3. КЧХ по каналу «давление газосырьевой смеси на выходе из П-1 - температура газосырьевой смеси на выходе из П-1» (точки - экспериментальная КЧХ, сплошная линия - аппроксимирующая КЧХ) Fig. 3. CFRon the channel «pressure of the gas-feed mixture at the exit from P-1 - temperature of the gas-feed mixture at the exit from P-1» (points - experimental CFR, solid line - approximating CFR) Рис. 4. Имитационная модель системы регулирования температуры газосырьевой смеси Fig. 4.Simulation model system of a gas-temperature mixture temperature control Температура потока, °C 310 309 308 -307 -30Ѳ -30b 304 -303 -302 2 00и 4000 0000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Время, C Рис. 5. Температура потока газосырьевой смеси: 1 - реальные значения, 2 - имитационная модель Fig. 5. The temperature of the gas mixture: 1 - real values, 2 - imitation model Для оценки достоверности построенная модель протестирована на реальных экспериментальных данных. Входным сигналом является давление потока газосырьевой смеси. Сигнал управляющего 15 М.А. Работников, А.С. Александрова, А.Г. Шумихин воздействия формирует модель регулятора. На выходе имитационная модель объекта выдает температуру потока газосырьевой смеси (рис. 5) со средним квадратичным отклонением (СКО) от реальных значений, не превышающим 0,372°С. 3. Синтез комбинированной системы управления Исходя из условия абсолютной компенсации возмущающих воздействий на регулируемую величину, произведен расчет идеального компенсирующего устройства: W (s) = - (s) Wvu (s) = 31,55- ,56,96s +1 9,81s +1 -e (2) Для его аппроксимации использовано апериодическое звено второго порядка: Wk(s) = - K 31-55 T'k2 s2 + T'kl s +1 302,35s2 + 5,69s +1 (3) Параметры K'k , Tkl, T/2 определены из условия равенства комплексных частотных характеристик идеального и реального компенсирующих устройств при нулевой и резонансной частотах: (4) fwk (0) = W(0) W (j®r) = Wk(jar), где юг - резонансная частота, определяемая как аргумент вспомогательной функции F (ю), соответствующий первому положительному экстремуму, М®[М sin ф (ю) +1] F (ю) = - у2 , (5) Ay, (ш)[М2 -1] где M = 2,37 - частотный показатель колебательности, (ю) и ф (ю) - амплитуда и сдвиг фазы частотной характеристики по каналу управления ур соответственно [12]. На рис. 6 представлены комплексные частотные характеристики идеального компенсирующего устройства и аппроксимирующего его звена. 16 Рис. 6. КЧХ компенсирующих устройств: 1 - идеальный компенсатор, 2 - реальный компенсатор Fig. 6. CFR of compensating devices: 1 - ideal compensator, 2 - real compensator Реконфигурация системы регулирования температуры газосырьевой смеси На рис. 7 представлена имитационная модель системы комбинированного управления температурой газосырьевой смеси с блоком компенсации изменения давления потока. Рис. 7. Комбинированная система регулирования температуры газосырьевой смеси Fig. 7. Combined system of a gas-temperature mixture temperature control На рис. 8 представлены тренды подавления возмущающих воздействий действующей одноконтурной и построенной комбинированной систем регулирования температуры потока газосырьевой смеси. Температурз потока, °С 310 309 308 307 306 305 304 303 303 -і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і-і- О 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Время, с Рис. 8. Подавление возмущающих воздействий: 1 - одноконтурная система управления, 2 - комбинированная система управления Fig. 8. Disturbance suppression: 1 - single-loop control system, 2 - combined control system В сравнении с одноконтурной системой комбинированная система позволяет существенно улучшить качество процесса регулирования: среднее квадратичное отклонение и максимальный выброс снизились с 0,207 и 3,769°С до 0,027 и 0,439°С соответственно. Заключение Преимущество описанного метода построения систем комбинированного управления заключается в отсутствии необходимости проведения активного эксперимента непосредственно на действующем технологическом объекте, так как для идентификации объекта используются данные его эксплуатации. Адекватность используемых для расчета блоков компенсации моделей проверяется на экспериментальных данных. Для исследуемого технологического объекта СКО значений температуры потока газосырьевой смеси, полученных на имитационной модели, от реальных значений не превышает 0,207°С. Реконфигурация системы управления дала возможность существенно снизить флуктуацию регулируемой величины. Внедрение комбинированной системы управления на технологическом объекте позволило уменьшить максимальный выброс и СКО температуры потока газосырьевой смеси 17 М.А. Работников, А.С. Александрова, А.Г. Шумихин от установленного задания с 3,769°С и 0,207°С до 0,439°С и 0,027°С соответственно.Улучшение качества процессов регулирования позволяет снизить потери продукта на гидрокрекинг и повышает срок службы катализатора.

Скачать электронную версию публикации