Материал: VGPL1NUFSa

12

Исследование моделей подсистем «Выпаривание» и «Воздушное охлаждение» позволило сделать заключение, что установившиеся значения, полученные при проведении моделировании, либо не достигают заданного уровня, либо превышают его. Эти результаты подтверждают необходимость применения систем автоматического регулирования тепловых процессов для подсистем «Выпаривание» и «Воздушное охлаждение», которые в свою очередь оказывают влияние на течение тепломассообменных процессов в подсистеме «Ректификация».

В четвертой главе сформулированы и решены задачи управления массо- и теплообменными процессами при абсорбционной осушке природного газа. Исходя из сформулированных задач были разработаны ММ управляемых массо- и теплообменных процессов в подсистемах «Абсорбция газа», «Выпаривание» и «Воздушное охлаждение».

Для получения управляемой модели подсистемы «Абсорбция газа» (2) во второе уравнение введена управляющая функция f (u) zж . Управление процес-

сом абсорбции осуществляется изменением подачи жидкой фазы в абсорбер. Для этих целей предложено использовать многорежимное регулирование соотношения расходов «газ-абсорбент». Многорежимный нелинейный П-регулятор реализован в программной среде MATLAB/Simulink.

Эффективная работа абсорбера осуществляется при изменении расхода газа от 250000 м3/ч до 500000 м3/ч. При этом скорость газа может варьироваться в пределах от 0,29 м/с до 0,57 м/с. Результаты моделирования в системе с многорежимным регулятором при подаче возмущающих воздействий различного типа по скорости газа на входе абсорбера представлены на рисунке 4. Графики переходных процессов соответствуют минимальному уровню возмущающих воздействий.

По результатам вычислительных экспериментов можно сделать вывод, что система автоматического регулирования, реализованная в виде многорежимного нелинейного П-регулятора, приводит объект в заданное состояние.

Рисунок 4. Графики переходных процессов по концентрации целевого компонента в газе при прямоугольном импульсном (а) и ступенчатом (б) возмущениях

Анализ концептуальной модели КТС показывает, что влиять на массотеплообменные процессы в ректификационной колонне возможно посредством управления тепловыми процессами в испарителе и АВО.

Регулирование теплообменных процессов в подсистеме «Выпаривание» осуществляется за счет изменения расхода топливного газа или газовоздушной сме-

13

си, подаваемых в горелку с целью обеспечения требуемой температуры абсорбента на выходе испарителя. Регулирование реализовано введением в первое уравнение ММ подсистемы «Выпаривание» (3) функции управления f u дг Gтг .

Система регулирования предусматривает коррекцию по температуре дымовых газов. В качестве исполнительного устройства выбирался клапан-регулятор с мембранным исполнительным механизмом и позиционером. Для регулирования процессов применялся ПИ-закон. Требуемая величина температуры абсорбента на выходе испарителя составляет 160 С. Вычислительные эксперименты показали, что система регулирования температуры абсорбента в испарителе позволяет поддерживать заданную температуру.

Основной задачей системы регулирования теплообменных процессов в подсистеме «Воздушное охлаждение» является поддержание заданной температуры жидкой фазы на выходе из аппарата. Регулирование обеспечивается введением во второе уравнение ММ подсистемы «Воздушное охлаждение» (4) функции управления f (u) ср Gв . Процесс регулирования температуры флегмы на выходе

АВО производится изменением расхода охлаждающего воздуха, обдувающего конденсационные секции аппарата. В качестве исполнительного устройства выбирался частотно-регулируемый электропривод. Регулирование производилось по ПИ-закону. Требуемая величина температуры флегмы на выходе АВО составляет 34 С. Результаты вычислительных экспериментов показали, что система регулирования обеспечивает требуемую величину температуры.

Как следует из анализа концептуальной модели КТС «АБСОРБЦИЯ– ДЕСОРБЦИЯ», его главной особенностью является замкнутость технологической схемы циркуляции раствора абсорбента (замкнутый цикл по жидкой фазе). В связи с этим возникает задача исследование процессов в замкнутом контуре. «Замыкание» ММ двух подсистем «Абсорбция газа» и «Ректификация» производилось по величине концентрации ЦК в жидкой фазе.

Дискретно-непрерывная управляемая модель КТС «АБСОРБЦИЯ–

Cцг ,Cцп ,Cцж – концентрации ЦК в газовой, паровой и жидкой фазах; Eр , E – коэффициенты фазового равновесия; f u – управляющее воздействие по скорости

абсорбента в абсорбере; R , R , R , R – физико-технологические коэф-

г г ж ж п ж

фициенты по газообразной и жидкой фазам, h – шаг дискретизации.

Для регулирования взаимосвязанных массообменных процессов КТС «АБ- СОРБЦИЯ–ДЕСОРБЦИЯ» так же применяется многорежимное регулирование.

14

На рисунке 5 представлена КМ управляемых массообменных процессов КТС «АБСОРБЦИЯ–ДЕСОРБЦИЯ». Вычислительные эксперименты с КМ проводились в условиях приложения ступенчатых и последовательности прямоугольных импульсных возмущающих воздействий по скорости газа на входе абсорбера.

Рисунок 5. Компьютерная модель управляемых массообменных процессов КТС «АБСОРБЦИЯ–ДЕСОРБЦИЯ»

На рисунке 6 представлены результаты компьютерного моделирования управляемых массообменных процессов КТС «АБСОРБЦИЯ–ДЕСОРБЦИЯ» в случае подачи ступенчатого возмущения по скорости газа на входе абсорбера. При изменении скорости газа от номинальной до минимальной наблюдается плавное отклонение выходных величин от первоначальных значений и постепенный переход к заданным значениям по ЦК в газовой фазе на выходе аппарата.

Рисунок 6. Графики переходных процессов в абсорбере и РК по газовой/паровой (а,в) и жидкой (б,г) фазам при ступенчатом снижении скорости газа

15

Следует отметить, что значения, полученные при вычислительном эксперименте, для содержания ЦК в жидкой фазе лежат в области значений, выявленных при наблюдении за ТП на реальном производственном объекте. Для регенерированного диэтиленгликоля эти значения лежат в области [0,71÷4,1] %вес, для насыщенного диэтиленгликоля – [2,45÷9,9] %вес. В случае ступенчатого снижения скорости газа содержание ЦК в регенерированном диэтиленгликоле установилось в новом значении 3,3 %вес., а в насыщенном – 7,1 %вес. В случае подачи возмущения в виде прямоугольных импульсов содержание ЦК в регенерированном диэтиленгликоле устанавливалось в значении 1,2 %вес., а в насыщенном – 4,9 %вес.

Сравнительный анализ результатов вычислительного и натурного экспериментов позволяет сделать выводы что, применение многорежимного регулирования обеспечивает поддержание параметров массобменных процессов КТС «АБ- СОРБЦИЯ–ДЕСОРБЦИЯ» в требуемом интервале. Разработанная математическая модель КТС «АБСОРБЦИЯ–ДЕСОРБЦИЯ» адекватна реальному технологическому процессу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты диссертационного исследования состоят в следующем.

1. На основании анализа технологической, структурно-потоковой, укрупненной функциональной схем и физики процессов разработана концептуальная модель взаимосвязанных массотеплообменных процессов комплекса технологических систем «АБСОРБЦИЯ – ДЕСОРБЦИЯ». Установлены процессы в аппаратах комплекса, которые оказывают доминирующее влияние на абсорбционную осушку природного газа, что определило направления разработки и исследования математических моделей комплекса технологических систем «АБСОРБЦИЯ– ДЕСОРБЦИЯ».

2.В результате анализа состояния проблемы управления объектами с распределенными параметрами были определены нерешенные задачи управления пространственными массо- и теплообменными процессами абсорбционной осушки газа.

3.На основе анализа технологических процессов, происходящих в абсорбере, ректификационной колонне, испарителе и аппарате воздушного охлаждения, определены допущения и ограничения, составляющие базу для разрабатываемых математических моделей.

4.С учетом допущений и ограничений разработаны динамические математические модели подсистем «Абсорбция газа», «Ректификация», «Выпаривание», «Воздушное охлаждение», представленные системами дифференциальных уравнений в частных производных с начальными и граничными условиями.

5.На основе непрерывных моделей для исследования поведения подсистем численными методами были получены дискретно-непрерывные модели.

6.Для проведения компьютерного моделирования в программной среде

MATLAB/Simulink были разработаны:

− методика расчета физико-технологических коэффициентов абсорбции для номинального установившегося режима, используемых в математической модели подсистемы «Абсорбция газа»;