Способ автоматического регулирования установки разделения воздуха и устройство для его осуществления

 

Использование: криогенная техника, в частности при управлении ректификационными колоннами в установках для получения продукционного кислорода методом низко температурной ректификации. Сущность изобретения: при изменении значений давления паров в верхней ректификационной колонне 1 и концентрации кислорода на контрольной тарелке регулирование осуществляют по каналу управляющего опережающего воздействия, а в случае отклонения значения продукционного кислорода от диапазона задания регулируют отбор продукционного кислорода по каналу управляющего основного воздействия. При восстановившемся значении продукционного кислорода фиксируют установившиеся значения давления паров и концентрации кислорода на контрольной тарелке в верхней колонне элементами памяти 5 и 8, и в соответствии с этим новыми значениями осуществляют регулирование по каналу управляющего опережающего воздействия. 1 ил.

Изобретение относится к области управления ректификационными колоннами и может быть использовано для автоматического регулирования концентрации продукционного кислорода в установках разделения воздуха для получения кислорода с заданной концентрацией.

Известен способ регулирования работы установки разделения воздуха путем изменения количества отбираемого кислорода из верхней колонны в зависимости от концентрации кислорода в отбираемой фракции и устройство его реализации (см. Бродянский В.М. и др. "Производство кислорода" М. "Металлургия", 1970г. с. 367). Недостатки этого способа заключаются в том, что присутствует значительное запаздывание по управляющему воздействию, т.к. концентрация выходного продукта является инерционным параметром; отсутствует автоматический контроль за концентрацией кислорода в аргонной фракции, что может привести к нарушению работы аргонной колонны, а прямое регулирование по отклонению параметра снижает точность стабилизации параметра.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ регулирования работы установки разделения воздуха, заключающийся в изменении количества отбираемого кислорода из верхней колонны по информации о давлении паров в верхней колонне, концентрации кислорода на контрольной тарелке в верхней колонне, при этом стабилизацию концентрации продукционного кислорода осуществляют в зависимости от соотношения количества отбираемого кислорода и парового потока с коррекцией по величине отклонения концентрации отбираемого кислорода (а.с. СССР N 637600, F 25 3/04, 1977 г.).

Недостатки этого способа заключаются в том, что требуются предварительные расчеты или экспериментальное определение величины соотношения потоков и корректирующего воздействия, значения которых необходимо пересчитывать и устанавливать, о в ручном режиме при изменении режима процесса разделения воздуха, устройство реализации такого способа представляет собой сложную схему взаимосвязанного регулирования, что вызывает значительные трудозатраты в процессе наладки и во время эксплуатации установки.

Решение задачи стабилизации концентрации продукционного кислорода с повышенной точностью при различных внешних возмущающих воздействиях может быть осуществлено за счет введения нового алгоритма управления, в котором формируют электрические управляющие сигналы опережающего и основного воздействия и поочередно воздействуют ими на отбор продукционного кислорода, а также производят операции отслеживания и запоминания текущих значений давления паров в верхней колонне и концентрации кислорода на контрольной тарелке. Устройство, используемое для решения задачи, содержит электрическую каскадную схему регулирования с переключающимися каналами опережающего и основного воздействия с элементами памяти, нуль-органом, обеспечивает автоматическое регулирование концентрации продукционного кислорода.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе автоматического регулирования установки разделения воздуха путем изменения количества продукционного кислорода из верхней колонны, при этом измеряют давление паров в верхней колонне, концентрацию кислорода на контрольной тарелке верхней колонны и концентрацию кислорода в продукционном кислороде по изменению значений давления паров и значений концентрации кислорода на контрольной тарелке формируют электрический сигнал управляющего опережающего воздействия, сравнивают концентрацию кислорода в продукционном кислороде с заданным значением, и при отклонении полученного значения концентрации кислорода от заданного прекращают воздействие электрического сигнала управляющего опережающего воздействия, формируют электрический сигнал управляющего основного воздействия, а после восстановления заданного значения концентрации кислорода в продукционном кислороде фиксируют установившиеся значения давления паров и концентрации кислорода на контрольной тарелке, прекращают воздействие электрического сигнала управляющего основного воздействия и формируют новый электрический сигнал управляющего опережающего воздействия в соответствии с зафиксированными значениями давления паров и концентрации кислорода на контрольной тарелке.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве автоматического регулирования установки разделения воздуха, содержащем датчик концентрации кислорода на контрольной тарелке верхней колонны ДК, подключенный к регулятору концентрации кислорода на контрольной тарелке РК, датчик концентрации продукционного кислорода ДП, подключенный к регулятору концентрации продукционного кислорода РП, датчик давления паров в верхней колонне ДД и исполнительный орган, установленный на потоке продукционного кислорода, содержащем регулятор давления паров РД, соединенный с датчиком давления паров ДД, ограничитель уровня выходного сигнала, установленный между регулятором давления паров РП и регулятором концентрации кислорода на контрольной тарелке, РК два элемента памяти, ко входу первого из которых подключен датчик давления паров ДД, ко входу второго датчик концентрации кислорода на контрольной тарелке ДК, а их выходы соединены с регулятором давления паров РД и регулятором концентрации кислорода на контрольной тарелке соответственно РК, нуль-орган с дискретным выходом, соединенным с регулятором концентрации продукционного кислорода РП и с элементами памяти, и блок коммутации, к входам которого подключены выход нуль-органа, регулятор концентрации кислорода на контрольной тарелке РК и управляющий выход регулятора концентрации продукционного кислорода РП, а выход соединен с исполнительным органом.

Использование в качестве регулирующего воздействия концентрации кислорода на контрольной тарелке с коррекцией по давлению паров в верхней колонне с последующим формированием электрического сигнала управляющего опережающего воздействия целесообразно, т.к. изменение этих параметров под действием внешних возмущающих воздействий происходит раньше изменения концентрации продукционного кислорода на выходе из ВРУ.

Концентрация продукционного кислорода основной параметр регулирования, по которому осуществляют прямое регулирование концентрации продукта с фиксированным заданием и заданной точностью, формируют при этом электрический сигнал основного воздействия.

Операция отслеживания и запоминания текущих значений давления паров в верхней колонне и концентрации кислорода на контрольной тарелке с последующим использованием их в качестве новых заданий в момент восстановления требуемого значения концентрации продукционного кислорода позволяет осуществлять автоматически восстановление концентрации продукционного кислорода при перестройке технологического режима работы верхней ректификационной колонны воздухоразделительной установки.

Устройство автоматического регулирования работы установки разделения воздуха содержит необходимые для осуществления способа элементы автоматики, соединенные между собой по электрической каскадной схеме с переключающимися каналами управляющих основного и опережающего воздействия. Использование нуль-органа и блока коммутации позволяет поочередно автоматически переключать канал управляющего опережающего воздействия на канал управляющего основного воздействия. Элементы памяти необходимы для отслеживания и запоминания текущих значений давления и концентраций, по которым затем формируется в момент восстановления требуемого значения концентрации новое задание регуляторов давления и концентрации.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Дополнительно был проведен поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительным от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, следовательно оно соответствует требованию "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".

Осуществление предлагаемого способа автоматического регулирования установки разделения воздуха поясняется на чертеже (фиг.1).

Устройство, реализующее его, содержит верхнюю ректификационную колонну 1 с линиями входа потоков азотной флегмы, линиями отбора газообразного чистого азота, жидкого кислорода и продукционного кислорода, при этом в верхней колонне установлен датчик ДД2, выход которого подключен к регулятору РДЗ с ограничителем уровня выходного сигнала 4 и к первому элементу памяти 5, на контрольной тарелке верхней колонны 1 установлен датчик ДК6, выход которого подключен к регулятору РК7 и элементу памяти 8, соединенного с регулятором РК7, а элемент памяти 5 соединен с регулятором РД3, подключенным через ограничитель 4 к регулятору РК7, в линии отбора продукционного кислорода установлен датчик ДП9, соединенный через регулятор РП10 с нуль-органом 11, дискретный выход которого подключен ко входам элементов памяти 5 и 8, при этом регулятор РК7 подключен к первому входу блока коммутации 12, ко второму входу которого подключен управляющий выход регулятора РП10, а к третьему выход нуль-органа 11, при этом выход блока коммутации 12 соединен с исполнительным органом 13, установленным в линии отбора продукционного кислорода.

Способ автоматического регулирования установки разделения воздуха (ВРУ) реализуется следующим образом.

В процессе работы ВРУ в верхнюю ректификационную колонну 1 подают потоки "чистой" и "грязной" азотной флегмы. В результате разделения воздуха получают чистый газообразный азот, жидкий кислород, осуществляют отбор аргонной фракции кислорода и продукционного кислорода из нижней части верхней колонны 1. Известно, что под влиянием внешних возмущающих воздействий режим работы установки нарушается, что приводит к значительному отклонению концентрации продукционного кислорода. Восстановление требуемого значения концентрации выходного продукта осуществляют за счет поочередного воздействия двух электрических импульсных сигналов управляющего опережающего воздействия и основного на отбор продукционного кислорода. Для этого измеряют текущее значение давления паров в верхней колонне (датчик ДД 2) и при отклонении текущего значения от заданного в соответствии с сигналом рассогласования регулятором РД 3 через ограничитель уровня сигнала 4 изменяют задание регулятору РК 7. При этом одновременно записывают текущее значение давления паров в элемент памяти 5. Измеряют текущее значение концентрации кислорода на контрольной тарелке датчиком ДК 6 и записывают в элемент памяти 8. При отклонении текущего значения концентрации кислорода на контрольной тарелке от заданного формируют электрический импульсный сигнал управляющего опережающего воздействия, в соответствии с которым регулятором РК 7 через блок коммутации 12 изменяют количество отбираемого продукционного кислорода исполнительным органом 13. Измеряют текущее значение концентрации продукционного кислорода (датчик ДП9) и при отклонении текущего значения от заданного формируют сигнал управляющего основного воздействия. Предварительно, в нуль-органе 11 устанавливают диапазон отклонений величины концентрации продукционного кислорода от задания, и при выходе текущего значения за границы диапазона формируют дискретным сигнал, в соответствии с которым прекращают воздействие электрического сигнала управляющего опережающего воздействия, но формируют электрический сигнал управляющего основного воздействия (регулятор РП 10). После восстановления заданного значения концентрации кислорода в продукционном кислороде фиксируют установившиеся значения давления паров и концентрации на контрольной тарелке (элементы памяти 5 и 8), прекращают воздействие электрического сигнала управляющего основного воздействия и формируют новый электрический сигнал управляющего опережающего воздействия в соответствии с зафиксированными значениями давления паров и концентрации кислорода на контрольной тарелке. При этом регуляторам РД 3 и РК 7 устанавливают новые задания, в соответствии с которыми осуществляют очередной этап стабилизации режима в верхней ректификационной колонне 1.

Согласно заявляемому устройству, реализующему описанный выше способ, каскадная схема с переключающимися каналами основного и опережающего воздействия, содержащая регуляторы РДЗ, РК7, РП10, датчики ДД2, ДК6, ДП9, элементы памяти 5,8, нуль-орган 11, блок кооммутации 12 с контактами "I", "II", исполнительный орган 13, поддерживает заданное значение концентрации продукционного кислорода.

Информация о концентрации кислорода на контрольной тарелке поступает от датчика ДК 6 на регулятор РК 7 и записывается в элемент памяти 8. При действии внешних дестабилизирующих факторов срабатывает цепь коррекции (датчик давления паров ДД 2, регулятор РД 3 с ограничителем уровня входного сигнала 4). После чего задание по концентрации кислорода на контрольной тарелке регулятора РК 7 изменяется электрическим сигналом, поступившим на вход регулятора РК7 через ограничитель 4 от регулятора РД3, в соответствии с информацией, поступившей от датчика давления ДД ДД2, которая записывается в элемент памяти 5.

Выход регулятора РК7 образует через замкнутый контакт "I" блока коммутации 12 канал опережающего воздействия, по которому электрический сигнал, сформированный на выходе регулятора РК7 поступает на исполнительный орган 13, изменяющий количество отбираемого продукционного кислорода. Информация о концентрации продукционного кислорода поступает от датчика концентрации ДК9 через регулятор РП10 на вход нуль-органа 11. При превышении установленного порог а на выходе нуль-органа 11 образуется электрический дискретный сигнал, который поступает на вход блока коммутации 12 и вызывает размыкание контакта "1" и замыкание контакта "II", который вместе с управляющим импульсным выходом регулятора РП10 образует канал основного воздействия.

Регулятор РП10 в соответствии с информацией, поступившей от датчика ДП9, формирует электрический импульсный выходной сигнал, который поступает по каналу основного воздействия на исполнительный орган 13, изменяющий количество отбираемого кислорода. Тот же дискретный сигнал с выхода нуль-органа 11 поступает на входы элементов памяти 5 и 8, в которых начинается отслеживание информации о текущих значениях давления паров в верхней колонне 1 и концентрации на контрольной тарелке. После восстановления требуемого значения концентрации продукционного кислорода происходит изменение значения дискретного сигнала на выходе нуль-органа 11, что вызывает установку контактов "1" и "II" в начальное положение, в результате канал основного воздействии отключается, вновь формируется канал опережающего воздействия.

Одновременно, тот же дискретный сигнал поступает на элементы памяти 5 и 8, в них запоминается информация о текущих значениях давления паров и концентрация в момент восстановления концентрации продукционного кислорода, после чего электрическими сигналами с выходов элементов памяти 5 и 8 соответственно изменяется задание регуляторов РДЗ и РК7, что обеспечивает формирование электрического сигнала на выходе регулятора РК7, поступающего затем на исполнительный орган 13.

Технико-экономический эффект предлагаемого способа автоматического регулирования установки разделения воздуха и устройства его реализующего заключается в снижении брака продукции за счет повышения качества регулирования процесса низкотемпературной ректификации.

Формула изобретения

1. Способ автоматического регулирования установки разделения воздуха путем изменения количества продукционного кислорода из верхней колонны, при этом измеряют давление паров в верхней колонне, концентрацию кислорода на контрольной тарелке верхней колонны и концентрацию кислорода в продукционном кислороде, отличающийся тем, что по изменению значений давления паров и значений концентрации кислорода на контрольной тарелке формируют электрический сигнал управляющего опережающего воздействия, сравнивают концентрацию кислорода в продукционном кислороде с заданным значением, и при отклонении полученного значения концентрации кислорода от заданного прекращают воздействие электрического сигнала управляющего опережающего воздействия, формируют электрический сигнал управляющего основного воздействия, а после восстановления заданного значения концентрации кислорода в продукционном кислороде фиксируют установившиеся значения давления паров и концентрации кислорода на контрольной тарелке, прекращают воздействие электрического сигнала управляющего основного воздействия и формируют новый электрический сигнал управляющего опережающего воздействия в соответствии с зафиксированными значениями давления паров и концентрации кислорода на контрольной тарелке.

2. Устройство автоматического регулирования установки разделения воздуха, содержащее датчик концентрации кислорода на контрольной тарелке верхней колонны, подключенный к регулятору концентрации кислорода на контрольной тарелке, датчик концентрации продукционного кислорода, подключенный к регулятору концентрации продукционного кислорода, датчик давления паров в верхней колонне и исполнительный орган, установленный на потоке продукционного кислорода, отличающееся тем, что устройство снабжено регулятором давления паров, соединенным с датчиком давления паров, ограничителем уровня выходного сигнала, установленного между регулятором давления паров и регулятором концентрации кислорода на контрольной тарелке, двумя элементами памяти, к входу первого из которых подключен датчик давления паров, к входу второго - датчик концентрации кислорода на контрольной тарелке, а их выходы соединены с регулятором давления паров и регулятором концентрации кислорода на контрольной тарелке соответственно, нуль-органом с дискретным выходом, соединенным с регулятором концентрации продукционного кислорода и с элементами памяти, и блоком коммутации, к входу которого подключены выход нуль-органа, регулятор концентрации кислорода на контрольной тарелке и управляющий выход регулятора концентрации продукционного кислорода, а выход соединен с исполнительным органом.

РИСУНКИ

Рисунок 1