Моделирование систем управления

Подробнее

Размер

818.91K

Добавлен

26.06.2020

Скачиваний

32

Добавил

Ilmira Kharrasova
Текстовая версия:

Министерство науки и высшего образования и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра автоматизации технологических процессов и производств

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Моделирование систем управления»

Вариант 9

Выполнил: студ. гр. БАГи-17-01 <подпись, дата> И.Ф. Харрасова

Проверил: ассистент <подпись, дата> Д.И. Закирова

Уфа 2020

Общее задание:

Для заданного в соответствии с вариантом объекта управления требуется:

1) разработать модели концептуального, топологического, структурного и параметрического уровней;

2) реализовать модель в среде имитационного моделирования (VisSim или Simulink);

3) оценить адекватность модели по результатам имитационных экспериментов.

Состав курсовой работы:

Задание

1 Описание технологической части

2 Моделирование технологических объектов

2.1 Модели концептуального уровня

2.2 Модели топологического уровня

2.3 Модели структурного и параметрического уровней

2.4 Проведение имитационных экспериментов

2.5 Оценка адекватности модели

Вывод

Объект управления

9. Емкость Е0505 установки производства водорода.



1 Описание технологической части

1.1 Общая характеристика установки

Установка производства водорода УПВ-20 предназначена для получения водорода методом паровой каталитической конверсии углеводородных газов, для обеспечения техническим водородом установок газокаталитического производства завода.

Основными технологическими стадиями процесса, осуществляемыми на установке производства водорода, являются:

1.2 Назначение и сущность технологического процесса

Паровая каталитическая конверсия (ПКК) углеводородов является в настоящее время в мировой нефтепереработке и нефтехимии наиболее распространенным промышленным процессом получения водорода. В качестве сырья в процессах ПКК преимущественно используются природные и заводские газы.

В газах каталитической конверсии углеводородов содержится в зависимости от параметров процесса и сырья 6-25% окиси углерода. В производствах, где окись углерода не требуется, производится ее конверсия в CO2 водяным паром. В результате конверсии окиси углерода водяным паром получается дополнительное количество водорода, эквивалентное объёму превращенной окиси углерода.

Конверсия углеводородного сырья CnHm водяным паром протекает по следующим уравнениям:

CnHm + nH2O ↔ nCO + (n+0,5m)H2 – Q;

CO + H2O ↔ СО2 + Н2 + 42,4 кДж/моль.

Паровая конверсия метана с приемлемой скоростью и глубиной превращения протекает без катализатора при 1250-1350°С. Катализаторы конверсии углеводородов предназначены не только для ускорения основной реакции, но и для подавления побочных реакций пиролиза путем снижения температуры конверсии до 800-900°С.

На практике для возможности регулирования температуры процессы ПКК проводят в две ступени: среднетемпературная ступень конверсии и низкотемпературная ступень конверсии. Среднетемпературная конверсия окиси углерода идёт на железохромовом катализаторе СТК-1-5 (СТК-1-7) при температуре 300-430°С. Низкотемпературная конверсия окиси углерода идёт на меднохромцинковоалюминиевом катализаторе НТК-4 при температуре
185-265°С. В первом случае остаточное содержание составляет несколько процентов, а во втором – доли процента.

Необходимость проведения этого процесса в две стадии при разных температурах определяется тем, что при высокой температуре достигается более высокая скорость реакции, а при низкой – увеличивается глубина превращения окиси углерода.

Кроме того, первый низкотемпературный реактор защищает от ядов
(НС1, H2S) следующим образом: медь, реагируя с ними, высвобождает свободный водород, а оксид цинка – получает соли (ZnCl, ZnS) и воду.

1.3 Описание технологического процесса

Очищенный от сернистых соединений сырьевой газ смешивается с перегретым паром (температура пара 370-490°С, давление 2,0-4,0 МПа), в необходимом соотношении 7,5-9,0 : 1. Смесь пара и газа подогревается до температуры выше 510°С в подогревателе В 0401/3, расположенном в конвекционной зоне печи риформинга и равномерно распределяется по реакционным трубам в радиантной части печи риформинга В 0301. В печи параллельно тремя коллекторами расположены 144 реакционные трубы, заполненные катализатором К-87 или К-905, на котором происходит паровая конверсия углеводородов с получением водорода, окиси и двуокиси углерода. Из печи В 0301 риформированный газ, прошедший паровую конверсию, с температурой 700-860°С поступает в двухсекционный котел-утилизатор Е 0404, разделенный на две секции для удобства регулирования температуры в пределах 300-395°С котловой водой.

Риформированный газ, охлажденный в котле-утилизаторе Е 0404 до температуры 300-400°С поступает в реактор R 0501, где на железохромовом катализаторе происходит среднетемпературный процесс конверсии окиси углерода. Конвертированный газ из R 0501 с содержанием СО до 2-4 % об. и температурой 320-430°С, охлаждается в котле-утилизаторе Е 0505 до 300°С, затем в подогревателе питательной воды Е 0501 охлаждается до 185-265°С, и поступает на низкотемпературную конверсию окиси углерода в реактор R 0502А.

Низкотемпературная конверсия проводится в двух реакторах R 0502А и R 0502В, с промежуточным охлаждением в Е 0502 питательной водой.

Газ, выходящий из реактора R 0502В, при температуре 190-256°С с содержанием СО направляется на очистку газа от двуокиси углерода на блок PSA.


1.4 Нормы технологического режима

Нормы технологического регламента нормального режима технологического процесса приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Нормы технологического регламента нормального режима технологического процесса

№ п/п

Наименование стадий процесса, аппараты, показатели режима

Допускаемые пределы технологических параметров

Единица измерения

1

Температура перегретого пара перед смешением с сырьем

370-490

°C

2

Температура конвертированного газа на входе в Е 0404

300-395

°C

3

Температура конвертированного газа на выходе из Е 0404

200-380

°C

4

Температура конвертированного газа перед В 0401/3

350-420

°C

5

Температура парогазовой смеси на выходе из подогревателя В 0401/3

< 510

°C

6

Температура дымовых газов на выходе из зоны радиации В 0301

500-1050

°C

7

Температура конвертированного газа в коллекторе на выходе из В 0301

700-860

°C

8

Температура конвертированного газа в коллекторе на выходе из В 0301

700-860

°C

9

Давление перегретого пара перед смешением с сырьем

2,0-4,0

МПа

10

Давление парогазовой смеси перед конверсией

1,8-2,8

МПа

11

Разрежение дымовых газов в камере радиации

-140-50

Па

12

Давление топливного газа в коллекторе перед туннельными горелками

4,0-85,0

КПа

13

Давление топливного газа в коллекторе перед стабилизационными горелками

30-85

КПа

Окончание таблицы 1

14

Давление воздуха перед потолочными горелками

0,06-0,75

0,11 -1,45

КПа

КПа

15

Давление топливного газа перед потолочными горелками

4-85

КПа

16

Давление топливного газа в коллекторе перед стабилизационными горелками

25-85

КПа

17

Давление топливного газа в коллекторе перед сводовыми горелками

20 - 200

КПа

18

Давление топливного газа перед стабилизационными горелками

25-75

КПа

19

Разрежение дымовых газов в В 0301

-140-50

Па изб.

20

Расход топливного газа к сводовым горелкам

500-5000

м3/час

21

Расход топливного газа в коллектор топливного газа после U 0301

< 5000

м3/час

Секция PS05 Конверсия окиси углерода

1

Температура газа на входе в Е 0501 (выход Е 0505)

320-430

°С

2

Температура газа на выходе из Е 0501

185-265

°С

3

Температура газа в слоях катализатора в R 0502A

185-265

°С

4

Температура газа на выходе из R 0502A

185-265

°С

5

Температура газа после Е 0502

185-265

°С

6

Температура газа в слоях катализатора в R 0502B

185-265

°С

7

Температура газа на выходе из R 0502B

190-265

°С

8

Температура питательной воды на выходе из Е 0501

100-260

°С

9

Давление пара на выходе из котла риформинга Е 0505

2,0-4,0

МПа

10

Уровень воды в котле Е 0505

35-65

% шкалы


2 Моделирование технологического объекта

В качестве объекта используется емкость Е0505 установки производства водорода (рисунок 1).

Разработка модели заключается в последовательном составлении моделей четырех уровней: концептуального, топологического, структурного и параметрического.

Рисунок 1 – Технологическая схема емкости Е0505 установки производства водорода


Таблица 2 – Условные обозначения приборов и средств автоматизации

Прибор для измерения давления (разрежения) бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту.

Например: манометр с пневмо- или электропередачей

Прибор для измерения давления показывающий, установленный на щите

Прибор для измерения уровня бесшкальный, с дистанционной передачей показаний, установленный по месту.

Например: уровнемер бесшкальный с пневмопередачей

Прибор для измерения уровня с контактным устройством, установленный на щите.

Например: реле уровня, используемое для блокировки и сигнализации нижнего уровня

Прибор для измерений уровня показывающий, регулирующий, установленный на щите.

Например: прибор вторичный показывающий с сигнальным устройством. Буквы H и L означают сигнализацию верхнего и нижнего уровней

Преобразователь сигнала, установленный по месту. Входной сигнал электрический, выходной – пневматический

Прибор для измерения температуры бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту.

Например: термометр манометрический (или любой другой датчик температуры) бесшкальный с пневмо- или электропередачей

Прибор для измерения температуры показывающий, установленный на щите


2.1 Модель концептуального уровня

Модель концептуального уровня предназначена для определения векторов входных и выходных параметров и определения границ моделируемой системы. Модель данного уровня для емкости изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 Концептуальная модель емкости Е 0505 установки производства водорода

В качестве входных параметров выбраны:

Fг расход конвертированного газа, поступающего в емкость из реактора R 0501;

Fв расход воды, поступающей в котёл;

Fп – пар на выходе из котла;

Tг – температура конвертированного газа, поступающего из R 0501.

В качестве выходных параметров выбраны:

Pп давление пара на выходе из котла;

Lг – уровень газа в емкости;

Lв – уровень воды в емкости.


2.2 Модели топологического уровня

На топологическом уровне определяются причинно-следственные связи между входными и выходными параметрами. Данные связи представляются в виде графа (рисунок 3).

Рисунок 3 – Топологическая модель емкости

2.3 Модели структурного и параметрического уровней

На структурном уровне описываются связи между входными и выходными параметрами в виде математических выражений, использующих алгебраические операторы:

Pп = k11* Fг + k21* Fв + k31* Fп +k41* Tг;

Lг = k12* Fг k32* Fп;

Lв = k13* Fг + k23* Fв k33* Fп k43* Tг.

где kijкоэффициенты (параметры модели).

Для определения коэффициентов выражения для Pп составляется матрица nxn (n = 4 – количество входных параметров, которые влияют на Pп). Каждая строка и столбец матрицы соответствует параметрам Fг, Fв, Fп и Tг:

Определяем сумму весов:

S1 = α1 + α2 + α3 + α4;

S1 = 0,486 + 0,685 + 1,456 + 2,06 = 4,687;

Номинальные значения параметров приняты равными:

Fгн = 9450 м3/час, Fвн = 30 т/час, Fпн = 29180 м3/час, Tгн = 400°С,
Pпн = 3 МПа

Значение коэффициентов:

,

,

,

.

В итоге получено выражение для модели параметрического уровня с определенными коэффициентами:

Pп = Fг + Fв + Fп +Tг;

Для проверки подставляются номинальные значения:

Pп = 450+30+29180+ 400 = 2,92 МПа;

Видно, что значение давления Pп, полученное по модели, совпало с номинальным достаточно точно.

Для определения коэффициентов выражения для Lг составляется матрица nxn (n = 2 – количество входных параметров, которые влияют на Lг). Каждая строка и столбец матрицы соответствует параметрам Fг, Fп:

Определяем сумму весов:

S2 = α1 α3;

S2 = 1,732 0,574 = 1,158;

Fгн = 9450 м3/час, Fпн = 29180 м3/час, Lгн = 5 м.

Значение коэффициентов:

,

,

В итоге получено выражение для модели параметрического уровня с определенными коэффициентами:

Lг = Fг Fп;

Для проверки подставляются номинальные значения:

Lг = 9450 29180 = 5,08 м;

Видно, что значение давления Lг, полученное по модели, совпало с номинальным достаточно точно.

Для определения коэффициентов выражения для Lв составляется матрица nxn (n = 4 – количество входных параметров, которые влияют на Lв). Каждая строка и столбец матрицы соответствует параметрам Fг, Fв, Fп и Tг:

Определяем сумму весов:

S3 = α1 + α2 α3 α4;

S3 = 0,385 + 2,6 0,76 1,316 = 0,139;

Номинальные значения параметров приняты равными:

Fгн = 9450 м3/час, Fвн = 30 т/час, Fпн = 29180 м3/час, Tгн = 400°С,
Lвн = 5 м

Значение коэффициентов:

,

,

,

.

В итоге получено выражение для модели параметрического уровня с определенными коэффициентами:

Lв = Fг + Fв Fп Tг.

Для проверки подставляются номинальные значения:

Lв = 9450 + 30 29180 400 = 4,8 м.

Видно, что значение давления Lв, полученное по модели, совпало с номинальным достаточно точно.

2.4 Проведение имитационных экспериментов

Процесс в емкости 0505 является детерминированным с сосредоточенными параметрами и описывается передаточной функцией первого порядка с запаздыванием:

.

Начальные значения параметров передаточных функций представлены в таблице 3.

Таблица 3Начальные значения параметров передаточных функций

Выбираем вариант 9 с наименьшим k и τ = 1 (так как полученные коэффициенты в большинстве . Для реализации полученной модели используется макет визуального моделирования VisSim. Результат представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Реализация модели в программе VisSim

2.5 Оценка адекватности модели

Проведем анализ полученных в программе VisSim (рисунок 4) переходных кривых. Результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4 – Анализ переходных кривых

Pп

Lг

Lв

ууст

МПа

м

м

Тр

4,53 с

4,64 с

4,67 с

еуст

0,07 МПа

– 0,08 м

0,21 м

Установившееся значение давления пара Pп = 2,93 МПа входит в интервал допустимых нормами технологического регламента нормального режима технологического процесса (таблица 1) значений.

Номинальное давление пара на выходе из котла риформинга Е 0505
2,0 4,0 МПа.

Значения уровня воды и газа также удовлетворяют нормам технологического регламента.

Уровень воды в котле Е 0505 должен быть 35-65% шкалы. Если диапазон уровнемера составляет 10 м, то номинальный уровень воды 3,5 – 6,5 м.


Вывод

В ходе работы разработаны модели концептуального, топологического, структурного и параметрического уровней емкости Е0505 установки производства водорода. Полученная модель реализована в среде имитационного моделирования VisSim, адекватность модели оценена: определены прямые критерии качества апериодического процесса: время регулирования, установившаяся ошибка. Установившиеся значения параметров удовлетворяют нормам технологического регламента.


ПРИЛОЖЕНИЕ Б (информационное)

Таблица Б.1

Расход газа

Расход пара

Давление 3052

Т вход TRCA 3010

CH4

CO

CO2

H2

1

2

3

4

5

6

7

8

10628,86

30191,40

2,07

792,84

4,10

11,20

9,40

75,20

10238,16

31598,68

2,09

798,90

3,10

11,60

10,00

75,00

9859,38

29519,60

2,03

801,93

3,50

11,80

9,80

74,80

10710,82

30971,38

2,07

792,69

4,50

11,80

9,40

74,10

9933,91

32465,97

2,07

806,97

2,60

11,40

10,40

75,40

9526,87

30334,58

2,03

805,64

2,90

11,60

10,00

75,80

6474,98

24714,25

1,85

738,48

4,20

9,00

12,00

74,70

8775,53

27158,80

1,96

804,43

2,80

11,80

10,00

75,30

9181,50

27636,88

1,98

802,18

3,00

12,40

9,60

74,80

9771,04

31485,52

2,05

805,17

2,60

11,20

10,40

75,70

8927,94

28681,77

2,00

797,70

3,00

11,30

10,20

75,30

9267,07

29502,11

2,00

803,39

2,50

11,50

10,40

75,50

9449,84

29179,87

2,00

803,60

2,90

11,80

9,80

75,40

9861,34

30111,53

2,03

797,11

3,20

11,60

9,40

75,60

9122,67

29230,57

2,01

805,89

2,40

11,40

10,00

76,00

9377,09

29782,57

2,02

808,42

2,30

12,00

9,20

76,40

9327,26

30938,74

2,05

808,28

1,80

11,60

10,00

76,50

9102,98

31247,30

2,05

807,02

1,90

11,20

9,80

77,00

9715,56

30211,14

2,05

807,45

2,40

10,90

10,40

76,20

10045,09

31052,43

2,08

804,39

2,80

11,30

9,80

76,00

9523,39

29152,04

2,03

808,34

2,40

12,10

9,60

75,70

10032,31

30753,40

2,05

807,12

2,80

11,90

9,60

75,50

9980,69

31018,17

2,05

807,10

2,70

11,80

9,40

76,00

10026,83

30703,11

2,05

799,76

2,70

11,70

9,40

76,10

10203,38

29862,48

2,04

799,80

3,00

11,70

9,40

75,80

9362,50

30620,29

2,01

810,34

1,70

11,70

9,80

76,70

9279,14

29099,09

2,02

809,77

1,90

12,00

9,40

76,60

9463,06

30036,41

2,03

804,33

2,00

11,60

10,00

76,20

9107,06

29724,95

2,02

815,65

1,60

11,80

9,80

76,70

9326,15

30198,21

2,03

803,38

2,00

11,20

10,00

76,60

9301,39

30063,42

2,04

806,75

1,70

11,30

10,00

76,80

9909,45

29614,13

2,05

802,54

2,60

11,80

9,60

75,80

10254,34

31133,29

2,07

791,53

2,60

11,00

10,00

76,20

11046,94

32357,92

2,13

787,03

2,90

11,7

9,40

75,9

11029,06

31643,91

2,11

779,86

3,40

11,50

10,20

74,70

11098,96

32577,25

2,12

776,73

3,60

11,00

10,20

74,90

11116,33

32798,09

2,16

775,10

3,60

11,00

9,80

75,50

11078,37

32717,11

2,07

786,34

2,90

11,80

9,20

76,00

11146,31

32734,08

2,07

786,55

2,90

11,20

9,80

75,60

11194,59

32795,46

2,11

787,71

2,80

11,10

10,00

76,00

10885,58

34797,94

2,11

786,89

2,70

11,20

10,40

75,50

11011,39

34432,16

2,10

786,94

2,50

11,10

10,00

76,20

11265,44

33217,64

2,09

786,65

3,20

11,40

9,80

75,00

Окончание таблицы Б.1

1

2

3

4

5

6

7

8

11040,65

34104,07

2,10

779,88

3,00

11,50

9,80

75,60

11245,14

33514,45

2,08

777,91

2,90

11,70

9,40

75,90

10923,29

32853,13

2,08

778,76

3,40

11,50

10,20

74,70

10852,95

31954,59

2,06

781,38

3,60

11,00

10,20

74,90

11282,30

32802,84

2,08

784,42

2,80

11,20

10,80

76,70

10893,58

34645,36

2,10

788,13

2,50

11,40

10,40

75,90

11119,62

33076,34

2,07

787,17

2,80

11,30

9,90

75,80

11182,04

33697,25

2,09

756,65

3,20

11,20

9,80

75,60

11005,99

33667,71

2,09

780,53

2,80

11,30

9,60

76,10

11165,27

33852,94

2,09

778,89

3,20

11,30

10,80

75,60

10678,22

33803,54

2,08

789,33

2,50

11,40

9,80

76,10

10724,24

33094,66

2,07

774,30

3,10

11,00

10,00

75,70