Автоматизация процесса стабилизации бензина

     СОДЕРЖАНИЕ

     Введение…………………………………………………………………….3

     1 Исследование ТП как объекта управления……………………………..4

     1.1 Теоретические основы получения продукта………………………….4

     1.2 Описание схемы производства………………………………………..4

     2 Выбор и обоснование параметров контроля и управления……………7

     2.1 Выбор и обоснование параметров контроля………………………….7

     2.1.1 Контроль температуры………………………………………………7

     2.1.2 Контроль давления…………………………………………………...7

     2.1.3 Контроль расхода…………………………………………………….7

     2.1.4 Контроль уровня…………………………………………………….8

     2.2 Выбор и обоснование параметров  управления и каналов воздействия……………………………………………………………………….8

     2.2.1 Колонна как объект управления…………………………………….8

     2.2.2 Емкость орошения как объект управления......................................10

     2.2.3 Конденсатор-холодильник как объект  управления.......................12

     3 Описание АСР, выбор законов регулирования……………………….14

     3.1 АСР температуры верха стабилизационной колонны……………...14

     3.2 АСР температуры конденсатной смеси……………………………14

     3.3 АСР уровня кубового остатка………………………………………15

     3.4 АСР уровня в емкости орошения…………………………………..15

     3.5 Описание схемы автоматизации……………………………………17

     Заключение………………………………………………………………..20

     Список  литературы……………………………………………………….21

     Приложение  А. Спецификация технических средств…………………..22 

     ВВЕДЕНИЕ

     В настоящее время задача контроля и регулирования в нефтепереработке является ведущей, так как это очень опасное производство и в то же время развивающаяся отрасль.

     В процессе стабилизации бензина автоматический контроль параметров играет большую роль. Он позволяет контролировать параметры процесса практически без участия человека, позволяет предупреждать об отклонениях от допустимых значений параметров, оповещать об этих отклонениях и оперативно устранять их.

     Для управления работой энергетического  оборудования имеется несколько  сотен регулирующих органов с  автоматическими регуляторами и  дистанционным управлением. Оператор даже самой высокой квалификации не в состоянии справиться с таким  объёмом информации и не может  без автоматических устройств контроля и регуляторов реагировать на сигналы и показатели приборов. Малая  инерционность процессов, высокая  стоимость оборудования, тяжёлые  формы аварий из-за высоких параметров рабочей среды, требуют особо  надёжных систем автоматического контроля энергетического оборудования во всех случаях нарушения нормальных режимов  его работы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

           1 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

           1.1 Теоретические основы  получения продукта

     Для обеспечения стандартных значений давления насыщенных паров (или температуры начала кипения), нестабильный бензин из рефлюксных емкостей подается на блок стабилизации бензина. В блоке стабилизации бензина происходит процесс физической стабилизации бензина путем удаления углеводородных газов С₁-С₄.

           1.2 Описание схемы производства

     Технологическая схема стабилизации бензина представлена на рисун-ке 1.

     Нестабильный  бензин из ёмкостей 1,2 подается в колонну  стабилизации по двум разным вводам.

     Балансовое  количество нестабильного бензина из емкости 1 насосом 6 подаётся через теплообменник 12 в колонну стабилизации 5 на 8-ю тарелку. В теплообменнике 12 нестабильный бензин нагревается за счёт тепла стабильного бензина, поступающего из теплообменника 11. Стабильный бензин после теплообменника 12 направляется в блок предварительного нагрева нефти для дальнейшего охлаждения в 9 и вывода из установки.

     Балансовое  количество нестабильного бензина  из емкости 2 насосом 7 подаётся через теплообменник 11 в колонну стабилизации 5 на 22-ю тарелку.

     В теплообменнике 11 нестабильный бензин нагревается за счёт тепла стабильного бензина, поступающего из куба стабилизационной колонны 5, который затем направляется в теплообменник 12 для дальнейшего охлаждения.

     Необходимое для процесса стабилизации тепло  обеспечивается термосифонной циркуляцией  кубового остатка через межтрубное пространство испарителя (рибойлера) Т-21.

     По  трубному пространству рибойлера прокачивается  дизельная фракция атмосферной колонны, выводимая из установки.

     С верха колонны по шлемовой трубе  выводится головка стабилизации -углеводородный газ с частью бензина (С₁÷С₅, или фракция НК-76^оС) и водяные пары, которые поступают в конденсатор-холодильник 10. Конденсатная смесь собирается в емкости орошения (рефлюксной емкости) 3, где происходит разделение головки стабилизации и воды.

     Конденсатор-холодильник 10 работает в режиме парциального конденсатора, то есть весь сконденсировавшийся продукт, поступающий в ёмкость 3, возвращается в качестве орошения - рефлюкса в колонну 5. Рефлюкс из емкости 3 насосом 8 с целью регулирования температуры верха  стабилизационной колонны 5 подается в качестве острого орошения на верх колонны 5.

     В случае нарушения, или изменения режимов работы колонны 5, конденсатора-холодильника 10 и вызванного этим роста уровня в емкости 3 предусмотрена откачка фракции НК-75 ^оС с установки. При этом балансовое количество фракции из емкости 3 по уровню в рефлюксной емкости, направляется за пределы установки.

     Избыток пропан-бутановой фракции в емкости 3 испаряют либо подъемом температуры, либо снижением давления в рефлюксной емкости и направляют газ в топливную сеть, либо на факел. Возможно дренирование избытка уровня в дренажную емкость светлых Е-14 с последующей закачкой смеси в сырую нефть.

     Отстоявшийся  водяной конденсат из отстойника емкости 3 по уровню раздела фаз сбрасывается в емкость парового конденсата 4 для повторного использования в блоке ЭЛОУ. Стабильный бензин выводится не из куба колонны 5, а из рибойлера Т-21 и по уровню в Т-21 направляется в товарный парк через теплообменники 11, 12 аппараты воздушного охлаждения XB-10/1,2 и теплообменник Т-1 под действием избыточного давления колонны. 

     Рисунок 1 – Схема процесса стабилизации бензина:

1, 2, 3 – рефлюксные емкости орошения; 4 – емкость парового конденсата; 5 – стабилизационная колонна; 6, 7, 8 – насосы; 9, 10 – конденсатор-холодильник; 11, 12 – теплообменники. 

     2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ

    В процессе стабилизации бензина необходимо контролировать /1/ такие технологические параметры, как температура, давление, расход и уровень, а регулировать - температуру и уровень.

    2.1 Выбор параметров  контроля

    2.1.1 Контроль температуры

    В процессе стабилизации необходим контроль температуры бензина в кубе стабилизационной колонны, допустимые пределы которого составляют 150-160 ^оС с классом точности 0,25.

     Контроль  температуры осуществляет /2/ термометр сопротивления платиновый с диапазоном измеряемых температур -50…+ 200 °C, степень защиты от воздействия пыли и воды IP65, взрывозащитное  исполнение 1ExdllCT6 X, НСХ – 50П.

    2.1.1 Контроль давления

    Давление  является одним из основных параметров, определяющих термодинамическое состояние  веществ.

    В процессе стабилизации бензина необходим  контроль давления в верхней части  стабилизационной колонны в пределах от 1,05 – 1,07 МПа с требуемым классом точности 0,2.

    Для контроля давления в верхней части  стабилизационной колонны /3/ используем преобразователь технологического давления Метран 150-TG, с пределом измерения 0 - 6 МПа, рабочая температура -20…+120^oC, взрывозащищенное исполнение 1ExdIIСT6Х.

    2.2 Контроль расхода

    Расходом  называют количество вещества, проходящего  через определённое сечение трубопровода в единицу времени. Количество вещества – это суммарный объём или масса вещества. Объёмный расход измеряется в м³/с, м³/ч, нм³/с, нм³/ч (нм³ – это нормальный кубический метр).

    С верха стабилизационной колонны  по шлемовой трубе в конденсатор-холодильник  выводится «головка стабилизации» - углеводородный газ с частью бензина  и водяные пары, балансовый расход которой необходимо контролироваться в пределах от 2-4 м³/ч с классом точности, равным 0,2.

    Для контроля балансового расхода «головки стабилизации» используем /4/ электромагнитный расходомер Метран 370, пределы измерения 1,5 45 м³/ч, взрывозащищенное исполнение 2ЕхeiaIICT6X.

    2.3 Контроль уровня

    Уровнем жидкого или сыпучего материала, содержащегося в ёмкости, называется расстояние свободной поверхности этого материала от днища емкости. Уровень измеряется в единицах длины.

    В кубе стабилизационной колонне необходим  контроль уровня бензина, допустимые пределы которого составляют 500 - 800 мм, с требуемым классом точности 0,2.

    Контроль  уровня кубового остатка /5/ контролируется радарный уровнемером VEGAFLEX 66 со стержневым волноводом, пределом измерений 0-0,15м, температура рабочей среды: -20..+250°С, рабочее давление -1..100 бар, взрывозащитное исполнение EExia IIC T6.

    2.2 Выбор и обоснование  параметров управления  и каналов воздействия

    2.2.1 Колонна как объект  управления

    В верхней части стабилизационной колонны регулируется температура. Регулирование осуществляется путем  изменения расхода орошения, поступающего из емкости Е-24. Регулирование осуществляется в пределах от 60-70⁰С, с классом точности 0,25. 

Рисунок 2 – Принципиальная схема стабилизационной колонны

    Целью управления в стабилизационной колонне является поддержание постоянно заданной температуры в ее верхней части, а целенаправленное воздействие на расход острого орошения представляет собой процесс управления.

    Возмущения, влияющие на температуру верхней  части колонны:

1. Температура бензина, поступающего в колонну (θ_б)
2. Температура острого орошения (θ_о)
3. Давление в колонне (Р)
4. Расход орошения (F_ор)
5. Теплопотери, зависящие от температуры окружающей среды (q)
6. Коэффициент теплопередачи, изменяющиеся со временем (K_т)

     Последние два пункта можно отнести к  неконтролируемым возмущениям. Давление и расход легко подаются контролю.

                                          F_ор      θ_б    θ_о    Р      q     K_т

                          F_{остр.ор.}                                                                          θ_к 

    Рисунок 3 – Структурная схема стабилизационной колонны

    как объекта управления температурой

    При постоянстве всех выше перечисленных  возмущающих воздействий температура  в верхней части стабилизационной колонны будет практически постоянной.

    В нижней части стабилизационной колонны  регулируется уровень кубового остатка, регулирующий клапан которого находится  на линии вывода стабильного бензина  из стабилизирующей колонны.

    Регулирование осуществляется в пределах 770-850 мм с  классом точности, равным 0,2.

    Целью управления является поддержание уровня кубового остатка, а изменение положения  клапана в трубопроводе представляет собой процесс управления.

    Возмущения, влияющие на уровень кубового остатка  в колонне:

1. Давление в колонне (Р)
2. Расход острого орошения (F_о.о)
3. Расход нестабильного балансового бензина (F_н.б)
4. Расход головки стабилизации (F_г.ст)

                                                 F_г.ст        F_н.б      F_о.о         Р

                           клапан                                                         L_{куб.остатка} 

    Рисунок 4 – Структурная схема стабилизационной колонны

    как объекта управления уровнем

    При постоянстве всех выше перечисленных возмущающих воздействий уровень кубового остатка будет практически постоянным.

    2.2.2 Емкость орошения как объект управления

    В емкости орошения регулируется уровень  отстоявшегося водяного конденсата регулятором, регулирующий клапан которого находится на лини вывода воды из емкости орошения. Регулирование осуществляется в пределах 250-350 мм, с классом точности 0,2.

    Рисунок 5 – Принципиальная схема емкости  орошения

    Целью управления является обеспечение требуемого уровня водяного конденсата в емкости орошения, процесс управления которым осуществляется за счет изменения положения клапана.

    Возмущения, влияющие на уровень водяного конденсата в емкости орошения:

1. Давление в емкости (Р)
2. Расход конденсатной смеси (F_к)
3. Расход рефлюкса (F_р)
4. Расход газовой фазы (F_г.ф)

                                   F_г.ф      F_р      F_к        Р

                  клапан                                                       L_{вод.конденсата} 

    Рисунок 6 – Структурная схема емкости  орошения

      как объекта управления уровня

    При постоянстве всех выше перечисленных возмущающих воздействий уровень водяного конденсата в емкости орошения будет практически постоянным.

    2.2.3 Конденсатор-холодильник  как объект управления

    Регулятором регулируется температура конденсатной смеси на выходе из конденсатора-холодильника путем изменения частоты вращения электродвигателя вентилятора конденсатора.

    Рисунок 7 – Принципиальная схема конденсатора-холодильника

    Регулятор должен поддерживать температуру, не превышающую 54⁰С.

    Целью управления является поддержание температуры  конденсатной смеси на заданном значении, а изменение частоты вращения электродвигателя вентилятора конденсатора представляет собой процесс управления.

    Возмущения, влияющие на температуру конденсатной смеси:

1. Температура углеводородного газа с частью бензина (θ_г)
2. Температура водяного пара (θ_п)
3. Давление на входе (Р)
4. Скорость вращения двигателя вентилятора (υ_вращ)
5. Теплопотери, зависящие от температуры окружающей среды (q)
6. Коэффициент теплопередачи, изменяющиеся со временем (K_т)

    Последние два пункта можно отнести к  неконтролируемым возмущениям.

                                    υ_вращ    θ_г    θ_п   Р      q     K_т

                              f_вращ                                                                                 θ_{конд.смеси} 

    Рисунок 8 – Структурная схема конденсатора-холодильника

      как объекта управления температурой

    При постоянстве всех выше перечисленных  возмущающих воздействий температура конденсатной смеси на выходе будет практически постоянной.

     3 ОПИСАНИЕ АСР,  ВЫБОР ЗАКОНОВ  РЕГУЛИРОВАНИЯ

     3.1 АСР температуры  верха стабилизационной  колонны

     Температура верха стабилизационной колонны  регулируется расходом острого орошения. Температура измеряется термопреобразователем  сопротивления платиновым ТСП Метран-255, выходной сигнал которого 4-20 мА. Этот сигнал подается на регулирующий, регистрирующий и показывающий прибор - Диск-250 П, выходной сигнал которого 4-20 мА. Электрический сигнал 4-20 мА подается на электропневмопреобразователь ЭП1324, который преобразует его в пневматический сигнал 20-100 кПа. Преобразованный сигнал подается на пневматический регулирующий клапан SAMSON, тип 3266-1, который регулирует расход острого орошения.

     Выбор закона регулирования зависит от свойств объекта управления и  требуемого качества регулирования. В  АСР температуры верхней части  стабилизационной колонны выбираем ПИД-регулятор, реализующий ПИД-закон  регулирования, так как регулирование данного параметра производится в аппарате, имеющем большой объем, и возможна большая инерционность выходного сигнала.

     3.2 АСР температуры  конденсатной смеси

     Температура конденсатной смеси регулируется путем  изменения частоты вращения электродвигателя вентилятора. Температура измеряется термопреобразователем сопротивления платиновым ТСП Метран-255, выходной сигнал которого 4-20 мА. Этот сигнал подается на регулирующий, регистрирующий и показывающий прибор - Диск-250 П, выходной сигнал которого 4-20 мА. Этот сигнал подается на пускатель бесконтактный реверсивный ПБР-2М, который регулирует температуру путем изменения частоты вращения электродвигателя вентилятора.

     В АСР температуры конденсатной смеси выбираем ПИ-регулятор, реализующий ПИ-закон регулирования, так как необходимо поддерживать регулируемый параметр с высокой точностью, а у ПИ-регулятора отсутствует статическая ошибка и незначительна динамическая ошибка.

     3.3 АСР уровня кубового остатка

     Уровень кубового остатка в стабилизационной колонне регулируется изменением положения клапана в трубопроводе. Уровень измеряется емкостным уровнемером ДУЕ-1В, выходной сигнал которого 4-20 мА. Этот сигнал подается на регулирующий, регистрирующий и показывающий прибор - Диск-250 П, выходной сигнал которого 4-20 мА. Электрический сигнал 4-20 мА подается на электропневмопреобразователь ЭП1324, который преобразует его в пневматический сигнал 20-100 кПа. Преобразованный сигнал подается на пневматический регулирующий клапан SAMSON, тип 3266-1, который регулирует уровень кубового остатка в колонне.

     В АСР уровня кубового остатка выбираем ПИД-регулятор, реализующий ПИД-закон  регулирования, так как регулирование данного параметра производится в аппарате, имеющем большой объем, поэтому реакция системы на управляющее воздействие проявляется через большой интервал времени.

     3.4АСР уровня в емкости орошения

     Уровень в емкости орошения регулируется изменением положения клапана в трубопроводе. Уровень измеряется емкостным уровнемером ДУЕ-1В, выходной сигнал которого 4-20 мА. Этот сигнал подается на регулирующий, регистрирующий и показывающий прибор - Диск-250 П, выходной сигнал которого 4-20 мА. Электрический сигнал 4-20 мА подается на электропневмопреобразователь ЭП1324, который преобразует его в пневматический сигнал 20-100 кПа. Преобразованный сигнал подается на пневматический регулирующий клапан SAMSON, тип 3266-1, который регулирует уровень кубового остатка в колонне.

     В АСР уровня в емкости орошения выбираем ПИ-регулятор, реализующий  ПИ-закон регулирования, так как  необходимо с высокой 

точностью поддерживать регулируемый параметр, а у ПИ-регулятора отсутствует статическая ошибка и незначительна динамическая ошибка.

     3.5 Описание схемы  автоматизации 

     Функциональная  схема автоматизации технологического процесса стабилизации бензина представлена на листе 031 графической части проекта, где указаны все выбранные  выше приборы.

    В процессе стабилизации бензина задачей системы автоматического контроля является контроль температуры и уровня куба стабилизационной колонны, давление верха колонны, балансовый расход «головки стабилизации». Задачей автоматического регулирования является регулирование температуры верха стабилизационной колонны и температуры конденсатной смеси в конденсаторе-холодильнике, а так же регулирование уровня кубового остатка в стабилизационной колонне и регулирование уровня в емкости орошения.

    В стабилизационной колонне контролируется температура кубового остатка термопреобразователем  сопротивления платиновым ТСП Метран-255 с номинальной статической характеристикой – 50П и диапазоном измеряемых температур: -50…200^оС (поз. 1а), выходной сигнал с которого поступает на вторичный показывающий и регистрирующий прибор А-100Н (поз.1б).

    Давление верха стабилизационной колонны контролируется интеллектуальным датчиком давления Метран 150-TG (поз. 2а), выходной сигнал с которого поступает на вторичный показывающий и регистрирующий прибор А-100Н (поз.2б).

    В стабилизационной колонне необходимо контролировать уровень кубового остатка  датчиком уровня емкостным ДУЕ-1В (поз .3а), диапазон измерения 0-10 м, выходной сигнал с которого, 4-20 мА, поступает  на вторичный показывающий и регистрирующий прибор А-100Н (поз.3б).

     Так же контролю подвергается балансовый расход «головки стабилизации» электромагнитным расходомером Метран 370 (поз. 4а), предел измерения 1,5-45 м³/ч, выходной сигнал с которого, 4-20 мА, поступает на вторичный показывающий и регистрирующий прибор А-100Н (поз.4б).

     Уровень кубового остатка в стабилизационной колонне регулируется изменением положения клапана в трубопроводе. Уровень измеряется емкостным уровнемером ДУЕ-1В (поз. 5а), диапазон измерения 0-10 м, выходной сигнал с которого 4-20 мА подается на регулирующий, регистрирующий и показывающий прибор - Диск-250П (поз.5б) в комплекте с электропневмопреобразователем ЭП-1324 (поз.5в) с сигналом на регулирующий пневматический клапан SAMSON (поз.5г).

    В верхней части стабилизационной колонны температура регулируется расходом острого орошения. Температура измеряется термо-преобразователем сопротивления платиновым ТСП Метран-255 (поз. 6а), диапазон измеряемых температур: -50…200^оС, выходной сигнал с которого, 4-20 мА, подается на регулирующий, регистрирующий и показывающий прибор - Диск-250П (поз.6б) в комплекте с электропневмопреобразователем ЭП-1324 (поз.6в) с сигналом на регулирующий пневматический клапан SAMSON (поз.6г).