CC BY
89
УДК 66.65.001
Р. С. Леонтьева, А. В. Мингалиева, Н. Н. Зиятдинов
ПОСТРОЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СЕКЦИИ ОТПАРКИ КИСЛОЙ ВОДЫ УСТАНОВКИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ СЕРЫ В СРЕДЕ «VISUAL MODELER»
Ключевые слова: отпарка кислой воды, динамическая модель, универсальная моделирующая программа « Visual Modeler».
На примере построения динамической модели секции отпарки кислой воды установки извлечения элементарной серы рассматриваются возможности моделирующей программы Visual Modeler. Приведены структура и состав моделирующей программы, этапы построения компьютерной модели секции, дано описание используемых моделей аппаратов и средства автоматизации. Проведен системный анализ технологического процесса секции как объекта управления.
Key words: sour water stripping, dynamic model, the universal modeling program 'Visual Modeler'.
Using the example of computer simulations of the sour water stripping section of the elemental sulfur extraction unit, the possibilities and features of the modeling program 'Visual Modeler' are considered. The structure and composition of the modeling program as well as construction phases of the computer model of this unit are defined. Furthermore, the description of the used apparatus models is given. System analysis of the technological process of this unit as a controlled object is realized.
В последнее время для решения задач моделирования, управления, оптимизации, исследования динамических характеристик, построения компьютерных тренажеров нашли широкое применение универсальные моделирующие программы. К их числу относятся Aspen Hysys [1], Chemchad [2], OmegaLand [3], Unisim [4] и др.
В настоящей статье рассмотрена моделирующая программа Visual Modeler (VM), которая является ядром тренажерного комплекса OmegaLand компании YOKOGAWA.
Visual Modeler - это пакет программ, обеспечивающий интегрированную среду для выполнения динамического моделирования технологических процессов, обладающий дружественным интерфейсом с пользователем. Он позволяет решать различные задачи, возникающие на различных этапах жизненного цикла химических, нефтехимических и
нефтеперерабатывающих производств. обладает многочисленными функциональными возможностями, включая функции выбора из широкого спектра различных математических моделей аппаратов, контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации, построения компьютерной модели сложных технологических установок, как объектов управления, их настройку, редактирование и моделирование, функцию реализации и тестирования моделей, а также другие функции, которые могут понадобиться технологам и специалистам по автоматизации для создания специальных моделей под конкретные задачи.
Для демонстрации возможностей моделирующей программы в настоящей статье рассматривается порядок построения и настройки математической модели секции отпарки кислой воды установки извлечения элементарной серы (рис. 1).
<=
<=
<=
гО"
г-Щс§Ё0-
ХВ-421
\€2
|£2
►вшв-
ХВ-422
4221 ^
5>
гсс
Рис. 1 - Технологическая схема блока отпарки кислой воды установки извлечения серы
Назначение секции отпарки кислой воды (SWS) является удаление растворенного сероводорода (H2S) и аммиака (NH3) из кислой воды, в основном поступающей с секции комбинированного крекинга (VCC). Технологическая схема блока отпарки кислой воды установки извлечения серы (SWS) представлена на рисунок 1. Секция SWS состоит из трех блоков: сбор и очистка блока питания, отпарка кислой воды и охлаждение отпаренной воды. Сероводород и аммиак разделяются в отпарной колонне. Образующийся кислый газ направляется на секцию извлечения серы, в то время как отпаренная вода охлаждается, возвращается в секцию VCC или идет в секцию очистки сточных вод.
Кислая вода смешивается с дизельным топливом VCC через статический смеситель МЕ-421, для более легкого извлечения тяжелых углеводородов.
Затем кислая вода собирается в уравнительной емкости Е-421, которая представляет собой трехфазный сепаратор. Легкие углеводороды мгновенно испаряются вместе с сероводородом и аммиаком, в то время, как тяжелые углеводороды отделяются от кислой воды в нефтяной отсек.
Отстоявшиеся углеводороды направляются в емкость некондиционных нефтепродуктов Е-466 в блока вспомогательного оборудования.
Кислая вода самотеком направляется в резервуар подачи сырья Р-421. Резервуар находится под азотной подушкой, чтобы не допустить попадание кислорода воздуха.
Далее кислая вода перекачивается центробежными сырьевыми насосами Н-421А/В (один рабочий, один резервный) в верхнюю часть отпарной колонны K-421. Перед подачей она предварительно нагревается до температуры 90 °С в рекуператоре Т-421 горячей отпаренной водой из куба колонны К-421.
В отпарной колонне К-421 сероводород и аммиак, содержащиеся в кислой воде, удаляются при взаимодействии с противоточным потоком отгоноч-ного пара, образующегося в ребойлере Т-422. Это вертикальный ребойлер термосифонного типа, в межтрубное пространство которого поступает насыщенный пар низкого давления (НД) полученный пароохлаждением в пароохладителе пара НД МЕ-422. Образующийся в Т-422 конденсат собирается в емкости Е-423 и освобождается под контролем уровня в сеть конденсата НД.
Жидкость с верхней части колонны К-421 отводится из колонны центробежными циркуляционными насосами Н-422A/B и направляется на охлаждение в воздушный холодильник циркуляционного орошения ХВ-421 и возвращается на орошение в колонну.
Горячая отпаренная вода из нижней части К-421 подается насосами H-423А/В в теплообменник -рекуператор Т-421, охлаждается до 82 °С и далее через воздушный охладитель ХВ-422. где охлаждается до температуры 40 °С, передается на установку сточных вод. Далее отпаренная вода в делится на два потока, один из которых направляется на уста-
новку VCC в качестве промывочной воды, а другой направляется на установку очистки сточных вод.
Создание математической модели (ММ) объекта в программной среде 'УЖ состоит из следующих этапов:
1) выбор компонентов, участвующих в моделировании;
2) создание систем компонентов и выбор методов расчета термодинамических и физико-химических свойств, в частности плотности, вязкости, энтальпии, парожидкостного равновесия;
3) выбор ММ аппаратов, контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации, их расположение пиктограмм на рабочей области;
4) связывание пиктограмм аппаратов материально тепловыми потоками;
5) связывание пиктограмм ММ аппаратов и приборов средств автоматизации информационными потоками;
6) задание параметров потоков, ММ аппаратов и приборов;
7) отладка модели.
Материальные потоки технологической секции характеризуются высокой параметричностью. Так, список компонентов, участвующих в технологическом процессе и используемых в моделировании включает воду, кислород, аммиак, сероводород, диоксид углерода, водород, азот, метан, этан, пропан, изобутан, нормальный бутан, сера, нормальный пентан, метилдиэтаноламин, моноксид углерода, аргон, сульфид углерода, диоксид серы. Для выбора метода расчета парожидкостного равновесия рассматриваемой смеси компонентов была использована встроенная в программу УМ экспертная система. Для данной смеси был предложен термодинамический пакет SRK (Соаве-Редлиха-Квонга) [5], который адекватно описывает фазовое равновесие компонент легких фракций и тяжелых компонентов при высоких давлениях.
В компьютерную модель технологической установки были включены ММ аппаратов, которые оказывающих существенное влияние на динамические характеристики исследуемого объекта. Помимо этого, были включены датчики, регуляторы, исполнительные механизмы, обеспечивающие управление. В таблице 1 приведено описание математических моделей аппаратов использованных для построения компьютерной модели секции отпарки кислой воды установки извлечения элементарной серы в среде УisuaLModeler. После сборки ММ аппаратов, измерительных приборов, регуляторов, исполнительных механизмов в единую компьютерную модель секции, осуществлялась настройка ММ путем задания их параметров в соответствующих окнах.
Этими параметрами являются геометрические размеры оборудования, коэффициенты массопере-дачи, теплопередачи, мощности и т.д. Некоторая сложность возникла с заданием параметров насосов, компрессоров, воздуходувок.
Вестник технологического университета. 2017. Т.20, №11 Таблица 1 - Перечень используемых моделей аппаратов
Название
Пиктограмма
Описание
Позиция а ппарата
Исходные настроен ные параметры
3
4
5
Generalpurpose heat exchanger
Теплообменный аппарат. Данный тип включает модели расчета горячего и холодного потоков и состоит из трех блоков: горячая сторона, холодная сторона и поверхность передачи тепла. Возможные направления потоков: прямоток и противоток.
T-421, T-422
TYPE - 0 - прямоток, 1-противоток;
A - площадь теплопе-
2
редачи, м ;
Gw - вес теплопереда-ющей стенки, кг; UH - коэффициент теплопередачи с горячей стороны, Вт/м2/К; WHdes - проектный расход с горячей стороны, Кг/ч;
DHdes - проектная плотность потока с горячей стороны, Кг/м3; PdHdes - проектный перепад давления с горячей стороны, кПа; UL - коэффициент теплопередачи с холодной стороны, Вт/м2/К; WLdes - проектный расход с холодной стороны, Кг/ч;
DLdes - проектная плотность потока с холодной стороны, Кг/м3; PdLdes - проектный перепад давления с холодной стороны, кПа.
Generalpurpose vapor phase reactor
Емкость.
Данная модель может использоваться как сепаратор «газ-жидкость», либо как емкость. Внутри сосуда жидкость и газ находятся в состоянии равновесия и имеют одинаковые температуры. Есть возможность подать энергию (подключить холодильник или нагреватель) непосредственно к сепаратору. Сосуд может быть задан как горизонтальная или вертикальная цилиндрическая емкость, либо иметь форму сферы. Модель можно запустить в пустом состоянии (без жидкости), следовательно, резервуар в любой момент может быть опустошен от жидкого содержимого
E-421 E-423 P-421
X1 - мольный состав верхней жидкой фазы; X2 - мольный состав нижней жидкой фазы; kL - коэффициенты массопередачи, 1/м2/ч; Z11 - удерживающая способность по верхней фазе, Кмоль; Temp - температура жидкости, град.С; Pres - давление, КПа; DTYPE - тип сосуда (1-Вертикальный; 2-
Горизонтальный) DD - диаметр, м; LD - длина, м; Gw - вес емкости, кг.
1
2
Окончание табл. 1
3
4
5
Air cooled heat exchanger
Воздушный холодильник. Горячий поток данного теплообменника может претерпевать фазовые изменения. Коэффициент теплопередачи со стороны воздуха при выключенном вентиляторе (потеря тепла) может быть задан отдельно.
XB-421, XB-422,
А - площадь теплопередачи, м2;
Gw - вес теплопереда-ющей стенки, кг; иН - коэффициент теплопередачи с горячей стороны, Вт/м2/К; WHdes - проектный расход с горячей стороны, Кг/ч;
DHdes - проектная плотность потока с горячей стороны, Кг/м3; PdHdes - проектный перепад давления с горячей стороны, кПа;
UL - коэффициент теплопередачи с холодной стороны, Вт/м2/К.
Centri -fugal pump
Центробежный насос. Предполагается наличие двигателя. Производительность, напор и требуемая мощность могут быть заданы функцией от расхода или линией между желаемой точкой и точкой нулевого расхода. Есть возможность моделирования отказа, при котором насос останавливается
H-421A/B,
422A/B,
423A/B
Vd - проектный расход, м3/час;
Ш - проектный напор, м;
Wd - проектная мощность, кВт;
Н - напор при выключении, м;
Ws - мощность при выключении, кВт; Tstart - время выхода в рабочий режим, сек; Tstop - время останова, сек.
Tray tower (blow
type)
Колонна тарельчатого типа общего назначения. Подается только один питающий входной поток. Можно менять эффективность тарелок. Есть возможность подвода внешней энергии (тепла или холода) к колонне.
K-421
NFEED - номера тарелок питания; Vy - мольный состав паровой фазы; Temp - температура, град.С;
Presl - давление в колонне, КПа;
Gw - эффективный вес колонны, кг; AD - площадь тарелки, м2;
Vtot - общий объем пара в колонне, м3; Lev0 - высота переливного слоя, м;
Для их настройки (рис. 2) необходимы напор (Нё) и мощность ^ё), которые отсутствуют в паспортных характеристиках нагнетающего оборудования. Однако, используя данные, имеющиеся в паспортных характеристиках их можно рассчитать [6]. Так для центробежных насосов применяются следующие формулы (1),(2): АР
Hd =
m
р* g
(1)
Wd = , ш (2)
где g - ускорение свободного падения [м/с2]; р -плотность перекачиваемой среды [кг/м3]; АР - перепад давления Р [мПа]; Р - расчетный расход [м3/ч]; П - коэффициент полезного действия [%].
1
2
Рис. 2 - Окно настройки модели центробежных насосов Н-421А/В
Однако не всегда результаты расчета насосного оборудования программе УМ, даже качественно, совпадают с данными реального процесса. Причина заключается в том, что рабочие характеристики агрегатов могут иметь сильную крутизну около рабочей точки и, следовательно, обладают высокой чувствительностью даже к небольшим изменениям производительности. Как показали результаты моделирования насоса Н-421А/В, для сходимости модели одной рабочей точки недостаточно. Это отразилось в том, что на выкиде насоса давление существенно превысило свое проектное значение. С целью обеспечения сходимости расчета насоса Н-421А/В было решено указывать не одну рабочую точку, а имитировать изменение характеристик насосов по мере изменения частоты вращения двигателя.
Для этого опираясь на исходную проектную документацию, были построены графики изменения напора и мощности насоса в зависимости от значений производительности, а следовательно и частоты вращения двигателя. Иными словами, была предложена имитация динамических характеристик насоса в зависимости от нагрузки на вал двигателя.
На рисунке 3 видно, что данные характеристики применительно к насосам Н-421А/В построены по 11 точкам. Также виден ярко выраженный изгиб кривой напора (TDH) начиная с 8-ой точки. По мере увеличения производительности рабочая точка перемещается по характеристике напора и при мощности около 72 кВт (рис. 3), напор резко падает [7].
Кроме того, отметим, что в исходных данных отсутствуют критические, близкие к нулю значения напоров, то есть когда потребляемая мощность стремится к максимуму. Однако для надежной сходимости системы уравнений модели насоса программа УМ использует критические значения напоров, которые фактически отсутствуют. Поэтому для их задания мы экстраполировали рабочие кривые напоров (см. рисунок 3).
Рис. 3 - Графики изменения напора (TDH) и потребляемой мощности (Power) насоса Н-421А от производительности
На рисунке 4 представлена расчетная схема секции отпарки кислой воды в программной среде Visual Modeler.
Рис. 4 - Расчетная схема компьютерной динамической модели секции отпарки кислой воды установки извлечения элементарной серы
Последним этапом построения компьютерной модели явилась настройка оптимальных параметров регуляторов технологического процесса. Были настроены контуры регулирования по температуре, уровню, давлению и расходу. Настройка регуляторов проводилась по методикам, изложенным в [8]. Результаты настройки контура регулирования ЦУ0023 по уровню в емкости Е-423:
• до настройки регулятора: интегральная составляющая - 10; пропорциональная составляющая - 100; время регулирования - 18 секунд;
• после настройки регулятора: интегральная составляющая - 4,951; пропорциональная составляющая - 2,388; время регулирования - 3 секунды.
Переходная характеристика с исходными (слева до ограничительной линии) и рассчитанными настройками регулятора (справа от ограничительной линии) LV0023 представлена на рисунке 5.
В заключение отметим, что предполагается использование построенной модели в тренажерном
комплексе обучения операторов секции отпарки
кислой воды.
Литература
1. Aspentech. Technology That Loves Complexity. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.aspentec.com/
2. Chemstations. Focused on process simulation. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.chemstations.com/
3. Omega Simulation Co., Ltd. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.omegasim.co.jp/contents_e/product/ol/
4. Honewell. The power of connected. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.honeywell.com/
5. Базис Hysys. Версия 2004.2
6. Кирилов Д.В. Работа центробежного насоса в трубопроводной сети. Учебное пособие
7. А.А. Усольцев. Общая электротехника: Учебное пособие. Санкт-Петербург, 2009. с. 301.
8. Ю. Д. Павлов, Н. Н. Зиятдинов, Д. А. Рыжов. Системный анализ химико-технологических процессов как объектов управления и методы настройки регуляторов. Учебное пособие. Изд-во КНИТУ, Казань, 2013. с. 88.
---)23.mv - PROCESSI
LVO О . . . LVOO . - .
Рис. 5 - Переходная характеристика с начальными и рассчитанными настройками регулятора по уровню ЦУ0023
© Р. С. Леонтьева - магистр каф. управления и автоматизации КНИТУ, [email protected], А. В. Мингалиева - магистр каф. управления и автоматизации, [email protected]; Н. Н. Зиятдинов - д.т.н., проф., зав. каф. системотехники КНИТУ, [email protected].
© R. S. Leontieva - Master of the Department of Control and Automation, KNRTU, [email protected], A. V. Mingalieva - Master of the Department of Control and Automation, KNRTU, [email protected], N. N. Ziyatdinov - Full Professor, Doctor of Sciences in Engineering, Chair of Process System Engineering Department, KNRTU, [email protected].
