Nội dung
Tóm tắt
I. Giới thiệu về công nghệ nền của đơn vị tách không khí
Ii. Thiết kế và lựa chọn các vòng điều khiển quy trình chính và phụ trợ cho các biến của tháp chưng cất chính trong đơn vị tách không khí
Iii. Các cách để ngăn chặn độ trễ lớn của kiểm soát quy trình và lựa chọn các biến đầu ra điều khiển quá trình
Iv. Các biện pháp ngăn chặn sự điều chỉnh quá mức của kiểm soát quá trình
V. Kết luận
Đơn vị tách không khí áp dụng các điểm phát hiện nhiệt độ dựa trên nguyên tắc của trạng thái cân bằng khí-lỏng chưng cất. Thông qua chức năng tương ứng với trạng thái cân bằng chất lỏng khí của các thành phần vật liệu, nó phản ánh gián tiếp xu hướng thay đổi thành phần vật liệu và có thể đáp ứng trực tiếp và nhanh chóng với quá trình thực tế. Các biến điều khiển của quá trình này có thể phản ánh trực tiếp và hiệu quả các điều kiện làm việc chưng cất của tháp chưng cất, rất hữu ích để tối ưu hóa kết quả phát hiện và thực hiện của vòng điều khiển quá trình và là phương pháp điều khiển tự động hóa quá trình với giá trị ứng dụng rộng. Bài viết này phân tích sơ đồ điều khiển tầng cho nhiệt độ của tháp chưng cất trong bộ phận tách không khí.
Từ khóa
Đơn vị phân tách không khí; Nguyên tắc cân bằng khí-lỏng; Kiểm soát tầng
1. Giới thiệu về công nghệ nền của đơn vị tách không khí
Đơn vị tách không khí chủ yếu sử dụng các điểm sôi khác nhau của oxy, nitơ và argon trong không khí để hóa lỏng không khí, sau đó tiến hành nhiều phần bay hơi và ngưng tụ một phần để tách oxy, nitơ và argon trong không khí. Phương pháp này được gọi là chưng cất đông lạnh. Tháp chưng cất chính chịu trách nhiệm tách oxy và nitơ trong không khí, đồng thời tạo ra các thành phần nguyên liệu thô để chiết xuất argon. Nguyên liệu thô sẽ được vận chuyển đến hệ thống chưng cất argon để loại bỏ oxy và nitơ. Chiết xuất argon cũng sử dụng chưng cất đông lạnh.
Hệ thống chưng cất là đơn vị quy trình cốt lõi của đơn vị tách không khí và tháp chưng cất là thiết bị cốt lõi. Trong quá trình làm việc, những thay đổi trong tốc độ dòng không khí và cấu trúc sản phẩm sẽ ảnh hưởng đến quá trình chưng cất. Trạng thái hoạt động của tháp chưng cất chính là yếu tố chính ảnh hưởng đến chưng cất argon. Chỉ bằng cách đảm bảo rằng tháp chưng cất chính ở trạng thái quy trình vận hành tốt nhất, việc chưng cất hệ thống khai thác argon và hoạt động bình thường của thiết bị ngưng tụ argon thô. Hàm lượng nitơ trong thành phần khí của phần nguyên liệu thô của tháp chưng cất argon vượt quá giá trị thiết kế, thì sự trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ trên đỉnh của tháp argon thô sẽ là bất thường Tách tháp chưng cất chính nếu điều kiện làm việc xấu đi, và thậm chí gây ra vấn đề rằng các sản phẩm oxy và nitơ của thiết bị thường không thể được cung cấp cho bên ngoài, điều này có tác động tiêu cực đến việc sản xuất ổn định của đơn vị tách không khí. Tháp chưng cất chính và tháp chưng cất Argon ảnh hưởng và thúc đẩy lẫn nhau. Chỉ bằng cách tối ưu hóa tháp chưng cất chính, tốc độ chiết xuất sản phẩm của đơn vị tách không khí đều đạt đến trạng thái lý tưởng.
Kiểm soát tự động của nhiệt độ độ nhạy của tháp chưng cất chính được áp dụng trong bài viết này là ổn định tháp chưng cất chính của tách không khí, và cải thiện và phát triển công nghệ để đạt được kiểm soát hiệu quả các điều kiện làm việc chưng cất của đơn vị tách không khí. Là vật liệu nguồn của hệ thống chưng cất argon, phần Argon thô sẽ gây ra biến động quá trình nghiêm trọng, cụ thể là "cắm nitơ" sau khi thành phần nitơ vượt quá tiêu chuẩn. Chỉ bằng cách kiểm soát hiệu quả việc chưng cất của tháp chưng cất chính, sự xuất hiện của các điều kiện làm việc bất thường của "cắm nitơ" mới được ngăn chặn.
Quá trình thực hiện cụ thể là: Đặt vòng điều khiển tầng quy trình thông qua Hệ thống điều khiển tự động (DCS), đặt đầu vào của vòng điều khiển quá trình chính là điểm phát hiện nhiệt độ của điểm nhạy cảm của tháp chưng cất chính, hãy sử dụng dòng chảy ra. Đó là, trên cơ sở sản lượng nitơ lỏng được xác định trước, lưu lượng chiết nitơ lỏng là đầu ra thông qua vòng điều khiển quá trình chính và tính toán bù được thực hiện với dòng sản phẩm nitơ lỏng được đặt trong một phạm vi khác nhau. Nhận ra sự kiểm soát chính xác của nhiệt độ độ nhạy của tháp chưng cất chính.
Đơn vị cốt lõi của đơn vị tách không khí là hệ thống chưng cất. Điểm nhạy cảm của tháp chưng cất chính là vị trí mà độ dốc nồng độ thay đổi nhiều nhất trên tất cả các lớp đóng gói chưng cất của tháp chưng cất. Dọc theo chiều cao của tháp chưng cất, trên mỗi giao diện truyền khối khí lỏng-lỏng, có sự phân bố tốc độ thay đổi độ dốc nồng độ tương ứng với chiều cao của bộ chuyển khối chưng cất, trong đó vị trí với sự thay đổi độ dốc nồng độ lớn nhất là điểm nhạy cảm với quá trình chưng cất. Dữ liệu thiết kế của điểm này được tính toán bằng phần mềm mô phỏng quá trình, tương ứng với điểm tối đa của độ lệch giữa nồng độ oxy pha lỏng và nồng độ oxy pha khí trên sơ đồ pha cân bằng khí-lỏng lý thuyết. Từ phân tích lý thuyết và nguyên tắc, nhiệt độ điểm nhạy là nhiệt độ tháp trên sơ đồ pha cân bằng khí-lỏng của khí thải tương ứng với điểm thay đổi độ dốc nồng độ tối đa.
Dữ liệu về nhiệt độ điểm nhạy cảm của tháp chưng cất chính được DCS phát hiện được so sánh với dữ liệu lý thuyết được thiết kế. Vòng điều khiển quá trình chính PID (khác biệt tích phân theo tỷ lệ) bên trong DCS được sử dụng để lấy điểm này làm điểm phát hiện của vòng điều khiển quá trình chính và so sánh với nhiệt độ thiết kế điểm nhạy cảm và thực hiện hoạt động PID. Nhiệt độ thiết kế đo được là -187,5 độ. Vòng điều khiển quá trình chính được định nghĩa là TIC1717 và đầu ra PID tương ứng của nó là điều khiển dòng chảy loại bỏ sản phẩm nitơ lỏng trên tháp. Trên cơ sở giá trị đã cho của sản phẩm nitơ lỏng FIC1630 được chiết xuất từ tháp phía trên, kết hợp với lượng bù của đầu ra điều khiển PID của TIC1717, giá trị đặt của FIC1630 được xếp tầng và bù, do đó thực hiện kiểm soát tỷ lệ hồi lưu của tháp chưng cất chính. Thông qua tỷ lệ trào ngược, một biến hoạt động quá trình chính, tỷ lệ hồi lưu được thực hiện phù hợp với thiết kế, do đó, sự cân bằng chất lỏng khí của chưng cất tháp phía trên tiếp cận giá trị thiết kế và thành phần của phân số nguyên liệu thô cần thiết cho máy chưng cất argon được trích xuất từ phần tước tháp phía trên được điều khiển chính xác. Nếu nhiệt độ điểm nhạy cảm của tháp trên TI1717 thấp hơn nhiệt độ thiết kế, đầu ra điều khiển PID liên tục được hoàn thành thông qua vòng điều khiển quá trình chính của TIC1717 để điều khiển dòng sản phẩm nitơ lỏng FI1630, do đó, tỷ lệ Tỷ lệ Reflux. Do phần nguyên liệu thô cần thiết cho chưng cất argon xuất phát từ phần tước của tháp phía trên, nên việc kiểm soát hiệu quả điểm nhạy cảm của tháp chưng cất chính có thể kiểm soát sự phân bố nồng độ của phần tước của tháp chưng cất chính trong phạm vi thiết kế và nhận ra sự phân bố nồng độ bình thường của các thành phần nitơ trong phần tước.
Dựa trên các nguyên tắc điều khiển quá trình trên, biến kiểm soát quy trình chính của vòng lặp điều khiển quy trình chính của tháp chưng cất chính được giới thiệu ở trên có thể được áp dụng trong quá trình vận hành quá trình tách không khí. Việc lựa chọn nhiệt độ điểm nhạy cảm của tháp chưng cất chính dựa trên tính toán mô phỏng quá trình và lý thuyết cân bằng khí-lỏng. Điểm với sự thay đổi độ dốc nồng độ lớn nhất là dữ liệu quá trình có thể phản ánh nhanh nhất các thay đổi quá trình thực tế sau khi tải quy trình và điều kiện làm việc thay đổi. Điểm nhạy cảm của quá trình được chọn cho tháp chưng cất chính đến từ phần pha khí của phần đóng gói chưng cất tương ứng với phần mà không khí lỏng làm bay hơi hơi nước từ bình ngưng Argon thô vào tháp chưng cất chính. Bằng cách giải quyết các vấn đề kiểm soát quá trình gây ra bởi độ trễ quá trình thuần túy, chất lượng kiểm soát có thể được cải thiện một cách hiệu quả.
Để cải thiện chất lượng điều khiển của vòng điều khiển quy trình chính, dữ liệu nhiệt độ được phát hiện bằng kết thúc phát hiện của vòng điều khiển TIC1717 cần được chuyển đổi thành nhiệt độ nhiệt động và hệ số khuếch đại cần được thiết lập để cải thiện độ nhạy của dữ liệu phát hiện, để đạt được kiểm soát quá trình kịp thời và hiệu quả.
Từ kết nối liên quan đến quá trình, tác động của sản lượng nitơ lỏng của tháp chưng cất chính lên tỷ lệ trào ngược tháp phía trên là nhanh và hiệu quả, và sự thay đổi dữ liệu của độ nhạy của tháp chưng cất chính TI1717 là biến phát hiện trực tiếp và hiệu quả nhất đối với thay đổi tỷ lệ hồi lưu. Ngoài ra, việc điều chỉnh và bù đầu ra của các sản phẩm nitơ lỏng trong một phạm vi nhất định là biện pháp có thể kiểm soát và hiệu quả nhất cho hoạt động sản xuất và đảm bảo sản xuất ổn định của đơn vị chính. Đầu ra của các sản phẩm khí chính của đơn vị tách không khí là một chỉ số chính để đảm bảo các khách hàng tiếp theo. Nó không thể được điều chỉnh theo ý muốn trong quá trình sản xuất. Bằng cách điều chỉnh lượng sản phẩm nitơ lỏng trong một phạm vi nhất định, nó không chỉ có thể đảm bảo nhu cầu của các khách hàng khí tiếp theo, mà còn là cách ít tốn kém nhất.
4. Các biện pháp ngăn chặn kiểm soát quá trình điều chỉnh quá mức
Chương trình điều khiển tự động độ nhạy của tháp chưng cất chính dựa trên mức bù của dòng sản phẩm đầu ra nitơ lỏng. Nó chỉ là một chế độ điều khiển bù tự động của đơn vị tách không khí trong nhiễu quá trình. Nó không thể thực hiện kiểm soát quá trình khi bộ phận tách không khí có một loạt các thay đổi tải lớn. Do đó, khi chương trình điều khiển tự động của Tháp chưng cất đầu ra, chế độ bù hiệu chỉnh tầng đầu ra nitơ lỏng, cần phải áp dụng phạm vi giới hạn nhất định cho đầu ra của vòng lặp điều khiển quá trình chính TIC1717. Bằng cách lập trình một mô -đun giới hạn phạm vi đầu ra điều khiển và xác định nó dựa trên phạm vi thiết kế của đầu ra nitơ lỏng của sản phẩm đơn vị tách không khí, một giới hạn đầu ra điều khiển nhất định được duy trì để tránh quá mức.
Dựa trên dữ liệu về khả năng thiết kế của sản phẩm nitơ lỏng, đầu ra của vòng điều khiển quá trình chính bị giới hạn theo tỷ lệ tương ứng, có thể kiểm soát kịp thời và điều chỉnh độ lệch của quá trình khi nhiễu quá trình xảy ra, nhận ra sự theo dõi thời gian thực và điều khiển các biến kiểm soát quá trình của ống dẫn khí. Bằng cách sử dụng phương pháp bù hiệu chỉnh tự động của đầu ra chất lỏng, điều kiện chưng cất của bộ phận tách không khí có thể được kiểm soát tự động ở trạng thái quy trình tối ưu và các biến điều khiển quy trình chính được tính toán bởi thiết kế được sử dụng làm giá trị điều khiển mục tiêu để đạt được điều kiện làm việc ổn định của quá trình chưng cất tự động.
Trong việc kiểm soát các công cụ và mét tự động hóa công nghiệp, liên tục tối ưu hóa đường dẫn điều khiển và cải thiện độ chính xác kiểm soát có thể cho phép các công cụ và mét để phát huy tốt hơn tiềm năng của chúng và đóng góp nhiều hơn để cải thiện mức độ tự động hóa sản xuất công nghiệp. Trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp, hệ thống DCS cung cấp một nền tảng mạnh mẽ cho việc triển khai thông minh các quy trình sản xuất khác nhau. Nếu các kỹ sư xử lý và các kỹ sư tự động hóa hợp tác chặt chẽ với nhau về các chương trình tối ưu hóa mới khác nhau, thì tự động hóa chưng cất của tháp chưng cất có thể được thực hiện một cách hiệu quả. Giải pháp điều khiển Cascade này có nguồn gốc từ các ý tưởng của các kỹ sư quy trình cao cấp. Nhân viên kỹ thuật cần phân tích một cách có hệ thống các yêu cầu kiểm soát quá trình, khai thác tiềm năng của thiết bị và đảm bảo hoạt động ổn định và đáng tin cậy của thiết bị trong môi trường sản xuất công nghiệp phức tạp và có thể thay đổi. Đồng thời, thông qua đổi mới công nghệ, các công cụ tự động có thể đóng một vai trò quan trọng hơn trong sản xuất công nghiệp trong tương lai và dẫn dắt các doanh nghiệp đến một tương lai tuyệt vời hơn.
