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

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 kij – коэффициенты (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 E 0505 является детерминированным с сосредоточенными параметрами и описывается передаточной функцией первого порядка с запаздыванием:

.

Начальные значения параметров передаточных функций представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Начальные 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

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