Моделирование систем управления

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.

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