Способ управления сложной ректификационной установкой в нефтепереработке

 

Изобретение относится к управлению процессом ректификации в нефтепереработке. Установка включает емкость исходной смеси, теплообменник, ректификационную колонну, кипятильник, конденсатор, флегмовую емкость, регулятор расхода исходного материала, регулятор уровня флегмовой емкости по дистилляту, причем в каждой из стрипинговой емкости, флегмовой емкости и ректификационной колонны для измерения и регулирования общего расхода, поступающего в колонну, расхода дистиллята из флегмовой емкости, расхода готового продукта в стрипинговых емкостях и расхода кубового остатка используют в качестве расходомеров насосные установки, для чего при пуске в работу ректификационной установки, стрипинговых и флегмовых емкостей снимают рабочие характеристики насосов по мощности и развиваемому напору в зависимости от расхода, определяют по каждой насосной установке расходные коэффициенты путем вычитания из результата деления мощности, действующей на валу насоса на развиваемое им давление, результата деления мощности на развиваемое им давление при закрытой задвижке на выходе из насоса в начале рабочей характеристики. По вычисленным коэффициентам строят расходную характеристику, находят ее математическое описание. Задают значение расхода для ректификационной колонны в целом и измеряют действующее значение расхода и, если оно не равно заданному, то подают сигнал на регулируемый клапан для изменения расхода в такую сторону и до тех пор, пока действующий расход не будет равен заданному. Измеряют и регулируют уровень во флегмовой емкости и расход дистиллята из нее до тех пор и в такую сторону, пока расход дистиллята не будет равен заданному; измеряют расход сырья, поступающего из колонны в каждую стрипинговую емкость, путем дифференцирования значения динамического уровня в стрипинговой емкости; регулируют уровень жидкости в каждой стрипинговой емкости путем откачки готового продукта с помощью насосной установки и измерения его расхода и определяют расход перетока из ректификационной колонны в стрипинговую емкость. Поддерживают этот расход перетока постоянным путем регулирования его значения клапаном, находящимся на линии перетока между стрипинговой емкостью и колонной, причем регулирование производят последовательно и продолжают до тех пор, пока величина перетока не станет равной заданному значению, регулируют уровень кубового остатка в ректификационной колонне и измеряют его расход, одновременно в ректификационной колонне поддерживают материальный баланс, при котором суммируют расход дистиллята по флегмовой емкости, расходы готового продукта по стрипинговым емкостям, расход кубового остатка и полученное значение сравнивают с количеством поступающего исходного сырья в колонну, которые должны быть равны. Данный способ повышает надежность, точность и экономичность в поддержании материального баланса в стрипинговых и флегмовых емкостях и ректификационной колонны в целом. 4 ил.

Изобретение относится к регулированию массообменных процессов на установках в нефтепереработке и может быть использовано в сложных ректификационных установках на нефтеперерабатывающих заводах.

Известно "Устройство для измерения расхода вещества" (RU 1789861 C1, 23.01.1993). В этом изобретении в качестве расходомеров используются непосредственно насосные установки без установки в потоке жидкости дополнительных технических средств.

Наиболее близким к заявленному решению по технической сущности является способ управления ректификационной установкой в химической промышленности (Казаков А. В. , Куликов М.В., Мелюшев М.В., М., "Машиностроение", 1970, с. 331-336). Недостатком этого способа является то, что в нем отсутствует возможность в измерении перетока из ректификационной колонны в стрипинги, а также для измерения и регулирования расхода исходной смеси и дистиллята используются расходомеры с установкой их элементов непосредственно в потоке измеряемой жидкости.

Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в повышении точности и надежности работы всей ректификационной установки.

Указанный технический результат достигается тем, что в каждой из стрипинговой емкости, флегмовой емкости и ректификационной колонны в целом для измерения и регулирования общего расхода, поступающего в колонну, расхода дистиллята из флегмовой емкости, расхода готового продукта в стрипинговых емкостях и расхода кубового остатка, в качестве расходомеров используют насосные установки, для чего при пуске в работу ректификационной установки, стрипинговых и флегмовых емкостей снимают рабочие характеристики насосов по мощности и развиваемому напору в зависимости от расхода, определяют по каждой насосной установке расходные коэффициенты М путем вычитания из результата деления мощности N, действующей на валу насоса на развиваемое им давление p, результата деления мощности N_o на развиваемое им давление p_o при закрытой задвижке на выходе из насоса в начале рабочей характеристики по вычисленным коэффициентам M строят расходную характеристику M-Q, находят ее математическое описание, по которому расход Q равен: где A и C - постоянные для данной насосной установки коэффициенты, при измерении действующего расхода эксплуатационный коэффициент M равен: где N_c, η_эд, η_эк - соответственно активная мощность, потребляемая электродвигателем привода из сети, коэффициент полезного действия электродвигателя, эксплуатационный коэффициент полезного действия насосной установки; p_в, p_п - соответственно давления на выходе из насоса и на его входе; B - постоянный для данной насосной установки коэффициент, задают значение расхода для ректификационной колонны в целом Q_р.з. и измеряют действующее значение Q_р, и если оно не равно заданному, то подают сигнал на регулируемый клапан для изменения расхода в такую сторону и до тех пор, пока действующий расход не будет равен заданному: Q_р=Q_р.з, измеряют и регулируют уровень во флегмовой емкости и расход дистиллята из нее до тех пор и в такую сторону, пока расход дистиллята Q_д не будет равен заданному Q_д.з.

Q_д= Q_д.з измеряют расход сырья, поступающего из колонны в каждую стрипинговую емкость Q_с, путем дифференцирования значения динамического уровня в стрипинговой емкости по формуле
где Q_с - расход сырья, поступающего из колонны в каждую стрипинговую емкость, ∂H, t - соответственно, приращение уровня за заданный промежуток времени регулирует уровень жидкость в каждой из стрипинговой емкости путем откачки готового продукта с помощью насосной установки и измерения его расхода Q_г.п и определяют расход перетока Q_п из ректификационной колонны в стрипинговую емкость по формуле:
Q_п = Q_с - Q_г.п,
поддерживают этот расход перетока Q_п постоянным путем регулирования его значения клапаном, находящимся на линии перетока между стрипинговой емкостью и колонной, причем регулирование производят последовательно и продолжают до тех пор, пока величина перетока Q_п не станет равной заданному значению Q_п.з, регулируют уровень кубового остатка в ректификационной колонне и измеряют его расход Q_к.о, одновременно в ректификационной колонне поддерживают материальный баланс, при котором суммируют расход дистиллята по флегмовой емкости, расходы готового продукта по стрипинговым емкостям Q_г.п1, Q_г.п2, Q_г.п3, расход кубового остатка Q_к.о, и полученное значение сравнивают с количеством поступающего исходного сырья в колонну Q_р, которые должны быть равны
Q_р=Q_д+Q_г.п1+Q_г.п2+Q_г.п3+Q_к.о
Доказательство существенных отличительных признаков предлагаемого способа управления ректификационной установкой для химических производств проводилось только по сравнению с указанными выше.

На фиг. 1 дана структурная схема сложной ректификационной установки с флегмовой и стрипинговыми емкостями.

На фиг. 2 даны типовые и предлагаемая новая расходная характеристика насосной установки.

На фиг. 3 дана схема, поясняющая работу ректификационной установки с флегмовой емкостью.

На фиг. 4 дана схема и алгоритмы управления работой стрипинговых емкостей.

На фиг. 1 дана структурная схема такой установки для ректификации многокомпонентных смесей. Она состоит из емкости исходной смеси 1, теплообменника 2, в котором исходная смесь подогревается до температуры кипения, ректификационной колонны 3 с кипятильником 4, конденсатора 5, флегмовой емкости 6, стрипинговых емкостей 7, 8, 9. Задача управления процессом ректификации заключается в получении продуктов разделения - дистиллат Q_д, готовых продуктов Q_г.п1, Q_г.п2, Q_г.п3 и кубового остатка Q_к.о определенной чистоты при заданной производительности установки Q_р при минимальном расходе греющего пара. Особенность предлагаемого способа управления заключается в том, что для измерения расхода подаваемого продукта в ректификационную колонну, продуктов разделения дистиллята, готовой продукции, кубового остатка осуществляется несуществующими методами измерения, при которых в потоке измеряемой жидкости должны находиться технические средства измерения, а при помощи непосредственно работающих насосных установок, обеспечивающих подачу этих жидкостей, а также в том, что для измерения перетока в стрипинговых емкостях используется метод измерения расхода путем измерения скорости изменения уровня продукта в стрипинговых емкостях методом его дифференцирования по времени. Для использования насосной установки в качестве расходомера в период ее пуска в эксплуатацию снимают ее энергетические характеристики - зависимости расхода от мощности N-Q и создаваемого напора H-Q (фиг.2). При этом температура жидкости не учитывается, так как расходная характеристика от плотности перекачиваемой жидкости не зависит. Это хорошо видно из анализа снятых характеристик при плотности 1000 кг/м³ и плотности 710 кг/м³. Вычисляют во всем диапазоне производительности расходные коэффициенты М путем вычитания из результата деления мощности N на развиваемое давление p результата деления мощности N_о на развиваемое давление p_о при закрытой задвижки на выходе насоса в начале характеристики:

По найденным расходным коэффициентам строят расходную характеристику M-Q, находят ее математическое описание и расход вычисляют по формуле:

где A, C - постоянные для данной насосной установки,
N = N_c η_эдη_эк кВт, (3)
p = p_в - p_п МПа, (4)
где p_в, p_п - соответственно давление на выходе из насоса и давление на его приеме; N_с - активная мощность, потребляемая электродвигателем привода насоса из сети, кВт; η_эд - электродвигателя, взятые из его рабочей характеристики, η_эк - эксплуатационный коэффициент полезного действия насосной установки, который определяют перед пуском насосной установки в эксплуатацию и равен:

где N_о, N_о.з, p_о p_з.з - соответственно мощности и давления, взятые из рабочей характеристики насоса и полученные при периодическом испытании при закрытой задвижке на выходе из насоса. На фиг. 3 дана схема, поясняющая работу ректификационной установки с флегмовой емкостью. На этой схеме показана ректификационная колонна 3, в которую из емкости исходной смеси 1 насосом 10 с электродвигателем 11 смесь через регулятор 12 подается в колонну. Для измерения и регулирования расхода исходной смеси, поступающей в ректификационную колонну с помощью насосной установки, имеется датчик давления на приеме насоса 13, датчик давления на выходе из насоса 14, преобразователь мощности 15, сигналы с которых поступают на контроллер 16, который осуществляет измерение и стабилизацию подачи исходной смеси в ректификационную колонну по формулам (1, 2). Для разделения исходного продукта на дистиллят и кубовый остаток имеются флегмовая емкость 6. Исходный продукт через конденсатор 5 поступает в емкость 6, а из нее дистиллят откачивается насосом 17 с электродвигателем 18 в сборник, а кубовый остаток через регулируемым клапан 19 возвращается в ректификационную колонну 3. Уровень кубового остатка в колонне поддерживается регулятором уровня 20 и откачивается и измеряется насосом 21 с электродвигателем Д3 и преобразователем мощности 22 с манометрами на приеме насоса 23 и выходе из насоса 24, сигналы с которых подаются в контроллер 25, а с него с ЭВМ 26. Для поддержания материального баланса флегмовой емкости имеется регулятор уровня 27, для измерения расхода флегмы и регулирования производительности используется сама насосная установка, для чего имеется преобразователь мощности 28, датчик давления на приеме насоса 29, датчик давления на выходе из насоса 30, блок управления клапаном 31 на выходе флегмовой емкости, контроллер 32, который осуществляет управление флегмовой емкостью 6.

Управление стрипинговыми емкостями осуществляется следующим образом (фиг. 4): материальный баланс стрипинговой емкости 7, как и аналогичных емкостей 8, 9, реализуется по одной и той же схеме. Жидкость из ректификационной колонны 3 через клапан 33 поступает в емкость 7. Готовый продукт разделения Q_гп1 откачивается насосом 34 с электродвигателем ДС1 в сборную емкость. Регулирование уровня жидкости в стрипинговой емкости осуществляется регулятором уровня 35, а измерение расхода поступающего в емкость продукта с помощью динамического уровнемера 36. В качестве расходомера готового продукта выступает непосредственно насосная установка с насосом 34 и приводным электродвигателем ДС. Для измерения активной мощности используется преобразователь мощности 37, для измерения давления на выходе из насоса датчик давления 38, а для измерения давления на приеме насоса датчик давления 39. Для поддержания постоянного материального баланса стрипинговой емкости необходимо соблюдение определенных условий. Так, если общий расход смеси, поступающий в стрипинговую емкостью, обозначим через Q_с, расход готового продукта через Q_г.п, расход перетока через Q_п, тогда при известном значении Q_с и Q_г.п расход перетока будет равен
Q_п = Q_с - Q_г.п,
который поддерживается на заданной величине.

Для реализации этого материального баланса предлагается следующий способ.

Измеряют общий расход продукта, поступающего в стрипинговую емкость из колонны, путем дифференцирования меняющегося уровня жидкости в емкости с использованием динамического уровнемера по формуле:

где - соответственно приращение уровня за заданный промежуток времени.

Конечное значение уровня H в стрипинговой емкости регулируется регулятором уровня 3,5, который поддерживает уровень постоянным в заданном значении. Для измерения расхода готового продукта измеряется давление p, создаваемое насосом 34, для чего находится разность между давлением на выходе из насоса p_в, измеряемое датчиком 38, и давлением на приеме насоса p_п, измеряемое датчиком 39 в блоке 40 по формуле p = p_в - p_п,МПа.

С помощью преобразователя мощности 37 измеряется активная мощность, потребляемая электродвигателем привода насоса из сети N_с, и по ней с учетом КПД электродвигателя η_эд и эксплуатационного коэффициента η_эк насосной установки определяется мощность, действующая на валу насоса в блоке 41 по формуле:
N = N_cη_дη_эк, кВт.
Полученные значения поступают в блок 42, затем в блок 43 контроллера 44, который вычисляют расходный коэффициент М, расход готового продукта Q_г.п по формулам:


Затем определяют расход продукта, поступающего в стрипинговую емкость, по формуле:
Q_c= ∂H/∂t, м³/ч.
После этого с помощью полученного значения расхода готового продукта Q_г.п и продукта, поступающего в стрипинговую емкость Q_с, находится значение расхода перетока из ректификационной колонны в стрипинговую емкость Q_с в блоке 43 контроллера 44 по формуле:
Q_п = Q_с - Q_г.п
Затем задаются значением перетока Q_п.з, и если Q_п ≠ Q_п.з ,то выдается управляющий сигнал в блок 45 контроллера 44 на изменение расхода перетока в стрипинговую емкость помощью регулирующего клапана 33 до тех пор и в такую сторону, пока эти расходы не будут равны:
Q_п = Q_п.з.

В последующий дискретный момент времени процесс измерения и регулирования повторяется вновь. Таким образом реализуется задача поддержания материального баланса в стрипинговой емкости. По такой же схеме работают и все остальные стрипинговые емкости.

Учитывая, что измерить переток продукта из ректификационной колонны в стрипинговую емкость из-за отсутствия перепада давления существующими техническими средствами и методами не представляется возможным, получаемая информация о его количестве чрезвычайно важна и получить без нее заданное качество выходного продукта практически невозможно.

В результате ректификации получаются продукты разделения - дистиллят Q_д, готовые продукты Q_г.п1l, Q_г.п2 Q_г.п3 и кубовый остаток Q_к.о определенной чистоты. Расходы исходной смеси, поступающей в колонну, стабилизируются с помощью регулятора расхода. Температура исходной смеси и давление греющего пара регулируют с помощью соответствующих систем, которые в данной заявке не рассматриваются. Для устойчивой работы колонны необходимо поддерживать ее материальный баланс, при котором поддерживается равенство питания и суммы расходов дистиллята, кубового остатка и готовой продукции. При стабилизированном питании это достигается стабилизацией расхода одного из продуктов и регулированием расхода второго так, чтобы их сумма оставалась постоянной. В ректификационной колонне это реализуется с помощью регулятора расхода на питательной линии и регулятора уровня кубового продукта в колонне. Существующие регуляторы расхода по своей надежности не отвечают современным требованиям, поэтому предлагается в качестве регулятора расхода использовать непосредственно насосную установку. Для этого на насосной установке 10 с двигателем 11 измеряется с помощью преобразователя мощности ПМ 15 мощность N_с, потребляемая электродвигателем привода из сети, давление на приеме насоса p_п датчиком давления 13, давление на выходе из насоса p датчиком давления 14 и вычисляется расход по формулам: давление, развиваемое насосом
p = p_в - p_п, МПа,
мощность на валу насоса
N_a= N_cη_эдη_эк, кВт,
где η_эд, η_эк - соответственно КПД электродвигателя, который берется из рабочей характеристики и эксплуатационный коэффициент полезного действия насосной установки, полученный при снятии ее рабочей характеристики перед пуском насоса в эксплуатацию, в момент работы насоса на закрытую задвижку.

Определяют расходный коэффициент М

вычисляют расход

Полученные значения расхода сравнивают с заданным значением Q_р.з и при их неравенстве подается команда на прикрытие или приоткрытие клапана 12 на подающим трубопроводе.

Далее расход готового продукта по всем стрипинговым емкостям, флегмовой емкости и кубового остатка сравнивают с общим расходом, подаваемым в ректификационную колонну Q_р, по формуле:
Q_р = Q_к.о + Q_д + Q_г.п1 + Q_г.п2 + Q_г.п3.

Формула изобретения

Способ управления ректификационной установкой в нефтепереработке, содержащей емкость исходной смеси, теплообменник, ректификационную колонну, кипятильник, конденсатор, флегмовую емкость, регулятор расхода исходного материала, регулятор уровня флегмовой емкости по дистилляту, отличающийся тем, что в каждой из стрипинговой емкости, флегмовой емкости и ректификационной колонны для измерения и регулирования общего расхода, поступающего в колонну, расхода дистиллята из флегмовой емкости, расхода готового продукта в стрипинговых емкостях и расхода кубового остатка используют в качестве расходомеров насосные установки, для чего при пуске в работу ректификационной установки, стрипинговых и флегмовых емкостей снимают рабочие характеристики насосов по мощности и развиваемому напору в зависимости от расхода, определяют по каждой насосной установке расходные коэффициенты М путем вычитания из результата деления мощности N, действующей на валу насоса на развиваемое им давление p, результата деления мощности N_o на развиваемое им давление p_o при закрытой задвижке на выходе из насоса в начале рабочей характеристики

по вычисленным коэффициентам М строят расходную характеристику M - Q, находят ее математическое описание, по которому расход равен

где А и С - постоянные для данной насосной установки коэффициенты,
при измерении действующего расхода эксплуатационный коэффициент М равен

где N_c, η_эд, η_эк - соответственно активная мощность, потребляемая электродвигателем привода из сети, кВт, коэффициент полезного действия электродвигателя, эксплуатационный коэффициент полезного действия насосной установки;
P_в, P_п - соответственно давления на выходе из насоса и на его входе, МПа;
В - постоянный для данной насосной установки коэффициент,
задают значение расхода для ректификационной колонны в целом Q_р.з. и измеряют действующее значение расхода Q_р и, если оно не равно заданному, то подают сигнал на регулируемый клапан для изменения расхода в такую сторону и до тех пор, пока действующий расход не будет равен заданному
Q_р = Q_р.з.,
измеряют и регулируют уровень во флегмовой емкости и расход дистиллята из нее до тех пор и в такую сторону, пока расход дистиллята Q_д не будет равен заданному Q_дз
Q_д = Q_дз,
измеряют расход сырья, поступающего из колонны в каждую стрипинговую емкость Q_с, путем дифференцирования значения динамического уровня в стрипинговой емкости по формуле

где Q_c - расход сырья, поступающего из колонны в каждую стрипинговую емкость;
∂H, ∂t - соответственно приращение уровня за заданный промежуток времени,
регулируют уровень жидкости в каждой стрипинговой емкости путем откачки готового продукта с помощью насосной установки и измерения его расхода Q_г.п. и определяют расход перетока Q_п из ректификационной колонны в стрипинговую емкость по формуле
Q_п = Q_c - Q_г.п.,
поддерживают этот расход перетока Q_п постоянным путем регулирования его значения клапаном, находящимся на линии перетока между стрипинговой емкостью и колонной, причем регулирование производят последовательно и продолжают до тех пор пока величина перетока Q_п не станет равной заданному значению Q_пз, регулируют уровень кубового остатка в ректификационной колонне и измеряют его расход Q_ко, одновременно в ректификационной колонне поддерживают материальный баланс, при котором суммируют расход дистиллята по флегмовой емкости, расходы готового продукта по стрипинговым емкостям Q_г.п1, Q_г.п2, Q_г.п3, расход кубового остатка Q_ко и полученное значение сравнивают с количеством поступающего исходного сырья в колонну Q_р, которые должны быть равны
Q_р = Q_д + Q_{г.п 1} + Q_{г.п 2} + Q_{г.п 3} + Q_ко.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4