Система стабилизации потока органической фазы каскада

СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ПОТОКА ОРГАНИЧЕСКОЙ ФАЗЫ КАСКАДА
ЭКСТРАКЦИОННЫХ КОЛОНН С ПРИМЕНЕНИЕМ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ
ПОГРУЖНЫМИ ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ НАСОСАМИ
Биянов А.В., Горюнов А.Г., Иванов К.А., Шенцов Э.Ю.
ГОУ ВПО «Национальный исследовательский
Томский политехнический университет», г. Томск
E-mail: 22leksey@mail.ru
Поток органической фазы в каскаде экстракционных колонн оказывает существенное
влияние на процессы экстракции и реэкстракции урана, задает производительность каскада.
Нестабильность потока приводит к различного рода негативным последствиям, таким как
перерасход реагентов, аварийное отключение насосов или снижение качества конечного продукта.
Существующая система стабилизации потока органической фазы установки М-1345 включает
четыре буферные емкости и установленные в них погружные центробежные насосы. Органическая
фаза самотеком поступает из верхних отстойных зон колонн в буферные емкости, откуда
откачивается центробежными насосами. Управление расходами осуществляется путем изменения
напора на выходе насосов. Для этого используются регулирующие вентили и исполнительные
механизмы постоянной скорости. При увеличении напора поток органической фазы возвращается
по байпасной системе в буферную емкость. При работе системы необходимо обеспечивать
заданные пределы уровней в буферных емкостях, не допускать аварийного отключения насосов
при холостом ходе и при этом обеспечивать стабильность потока органической фазы.
Исследования показали, что решить такую задачу в существующей системе на установке М-1345 с
применением САР с исполнительными механизмами постоянной скорости затруднительно по
причине недостаточного быстродействия последних. Поэтому предлагается изменить схему
управления расходом – применить частотное управление погружными центробежными насосами.
Такой подход должен обеспечить решение поставленной задачи, а также позволит значительно
снизить затраты по электроэнергии.
Современные системы управления с использованием преобразователя частоты часто
работают в режиме стабилизации внешнего параметра. Данная система строится на основе ПИ-,
ПИД-регулятора, на входы которого подаются сигнал задания параметра (уставки) и сигнал с
датчика регулируемого параметра. Регулятор формирует управляющий сигнал для
преобразователя частоты, который за счет изменения скорости вращения двигателя поддерживает
управляемую величину, равную значению уставки. В качестве внешнего параметра может
использоваться расход жидкости, давление, температура и др.[1]
Целью работы – разработка системы управления, обеспечивающей эффективное
демпфирование потока органической фазы каскада экстракционных колонн.
Математическая модель исходной системы управления уровнем жидкости в демпферной
емкости приведена на рисунке 1. В данной системе в качестве объекта управления выступает
демпферная емкость. Органическая фаза поступает в емкость порциями. Частота поступления
органической фазы (ОФвх) и объем перекачиваемой жидкости не постоянны. Для
технологического процесса необходимо равномерное поступление органической фазы в
следующую колонну. Насос работает в номинальном режиме, выдавая нерегулируемый расход
потока органической фазы. Управление потоком выкачиваемой жидкости (ОФвых) производится с
помощью вентиля, который управляется исполнительным механизмом [2] постоянной скорости 3
(ИМ). В данной системе применяется датчик измерения и контроля уровня 1. Сигнал с этого
датчика (Lвн) через фильтр Ф и значение уставки GL поступают на вход цифрового регулятора РL
[2], в виде сигнала рассогласования. Управляющее воздействие пропорциональное сигналу
рассогласования выдается регулятором на ИМ для дальнейшего управления вентилем.
Gw
GL
-
РL
Zим
3
ОФвх
ОФвых
4
Ф
FIC
2
LIC
1
Q
Lвн
Рисунок 1 - Исходная система управления уровнем жидкости в демпферной емкости
Поскольку регулирование потока жидкости происходит открытием и закрытием вентиля
посредством ИМ, в то время как электродвигатель постоянно вращает вал насоса с номинальной
частотой. Это происходит даже тогда, когда этого не требуется. В этом случае насос не
обеспечивает приемлемого КПД. При этом электродвигатель потребляет из сети электроэнергию,
соответствующую его номинальной мощности. Другими словами существует перерасход
электроэнергии, что ведет к дополнительным затратам.
Исходя из выше сказанного, с учетом недостатков предыдущей модели была разработана
новая математическая модель регулирования потока органической фазы. Предлагаемая система
управления представлена на рисунке 2.
В этой системе управление расходом производится посредством насоса, управляемого
частотным преобразователем. Вентиль предлагается установить в определенном фиксированном
положении и изменять поток органической фазы посредством изменения частоты вращения
асинхронного двигателя. В результате такая система представляет собой двухконтурную систему
управления. Внутренний контур системы отвечает за регулирование выходного расхода. Внешний
контур – за управление по уровню. Измерение уровня Lвн и выходного расхода Q производится
при помощи датчиков измерения и контроля уровня 1 и расхода 2 соответственно. Сигнал с
датчика уровня через фильтр Ф2 и значение уставки GL поступают на регулятор уровня PL в виде
сигнала рассогласования между ними. Аналогично сигнал с датчика расхода через фильтр Ф1 и
уставка GQ поступают на вход регулятора расхода Pω. Сигнал с регулятора расхода поступает на
устройство управления насосом 4 (частотный преобразователь), который согласно значению
входного сигнала изменяется частоту вращения двигателя насоса.
ОФвых
Gw
GQ
-
Рw
Zим
ОФвх
ТОУ
Q
Lвн
Ф1
Ф2
GL
-
РL
Tи
kп
Рисунок 2 - Предлагаемая система управления демпферной емкостью
Моделирование систем проводилась в пакете MatLab/Simulink. На рисунках 3 и 4
представлены результаты моделирования при пуске и ступенчатом возмущении исходной и
предлагаемой систем. На графиках представлена зависимость выходного расхода органической
фазы от времени. Видно, что при постоянном входном расходе (кривая 1) выходной расход
исходной системы (кривая 3) изменяется с большой скоростью и достигает больших значений, что
неприемлемо в данной системе. А выходной расход предлагаемой системы (кривая 2) изменяется
плавно, и достигает установленного значения (входной расход), не имея больших выбросов по
расходу. В таблице приведены основные показатели исходной и предлагаемой системе,
полученных на основании переходных процессов при пуске.
Таблица – Основные параметры систем
Система
Исходная
Предлагаемая
Время демпфирования, с
20
80
Перерегулирование, %
130
3
Таким образом, разработана математическая модель демпферной емкости, включающей
центробежный насос, обратный сбросовый трубопровод, регулирующий вентиль, исполнительный
механизм и ее система управления, разработана каскадная система стабилизации потока
органической фазы, включающая контур стабилизации расхода с частотным управлением насосом
и контур коррекции уровня в демпферной емкости. Выполненные компьютерные испытание
систем автоматизированной стабилизации потока органической фазы показали, что предложенная
система обеспечивает: более эффективное сглаживание расхода органической фазы; исключение
из контура управления ненадежного узла – исполнительного механизма постоянной скорости;
возможность управления расходом органической фазы в регламентном диапазоне; более низкое
энергопотребление за счет частотного управления насосом.
а)
18
б)
100
90
16
3
80
14
70
12
1
L, %
3
Q, м /час
60
10
8
1
50
40
6
2
4
20
2
0
2
30
10
100
200
300
t, c
400
500
0
600
0
500
1000
1500
2000
2500
t, c
Q – расход органической фазы (а), L – уровень в демпферной емкости
Рисунок 3 - Временные диаграммы переходного процесса по управлению САУ демпферной
емкостью
а)
10
б)
90
80
1
9.5
1
70
9
60
2
L, %
Q, м3/час
3
8.5
50
2
40
8
30
7.5
20
7
2980
3000
3020
3040
3060
3080
3100
3120
10
3000
3500
t, c
4000
4500
5000
5500
6000
t, c
Q – расход органической фазы (а), L – уровень в демпферной емкости
Рисунок 4 - Временные диаграммы переходного процесса при ступенчатом возмущении входного
расхода САУ демпферной емкостью
Список литературы
1 Петров Д. Применение современных преобразователей частоты // Силовая электроника.
– 2005. – № 1.
2 Горюнов А. Г., Ливенцов С.Н. Цифровой регулятор для системы управления с
исполнительным механизмом постоянной скорости // Известия ТПУ. – 2004. – Т. 307, № 6. – С.
131-134.