УДК 681.5

Моделирование системы управления технологическим процессом моноэтаноламиновой очистки газа

Коннов Станислав Павлович – студент Волжского политехнического института Волгоградского государственного технического университета.

Маслова Татьяна Александровна – ассистент Волжского политехнического института Волгоградского государственного технического университета.

Аннотация: В этой статье описан технологический процесс моноэтаноламиновой очистки газа. Объектом исследования выбран абсорбер и с помощью экспериментальной кривой разгона получена передаточная функция объекта управления. Произведено моделирование объекта управления в программном средстве VisSim и подобраны оптимальные настроечные коэффициенты для ПИ-регулятора методом Циглера-Никольса с последующей ручной корректировкой параметров.

Ключевые слова: абсорбер, моноэтаноламиновая очистка, очистка газа, автоматизация, ПИ-регулятор, кривая разгона, передаточная функция.

Газ является одним из наиболее популярных видов топлива, в первую очередь из-за его экономической эффективности и минимального воздействия на окружающую среду.

Тем не менее добыча природного газа в чистом виде невозможна. Вместе с газом извлекаются попутные органические соединения, в частности сероводород. Сероводород токсичен, опасен для окружающей среды и наносит ущерб катализаторам переработки газа. Это органическое соединение сильно разъедает стальные трубы и металлическую запорную арматуру, приводя к утечкам природного газа.

Для защиты потребителей вредные соединения удаляются из газообразного топлива еще до того, как оно попадает в магистральный трубопровод.

Допустимое содержание сероводорода в газе согласно ГОСТ 5542-2014 «Газы горючие природные промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия» не должно превышать 0,02 г/м³ [1].

Существует большое число методов очистки углеводородного газа, которые условно относят к трем группам – абсорбционные, адсорбционные и каталитические методы [2].

Ведущее место в мировой практике в области очистки углеводородного газа от кислых компонентов занимают аминовые процессы. Они применяются для очистки природного газа уже несколько десятилетий, но до настоящего времени остаются основными – примерно 70 % от общего числа установок [2].

Моноэтаноламиновая очистка газа является самым простым и недорогим способом очистки газа.

Использование раствора моноэтаноламина позволяет достичь оптимального уровня очистки, в первую очередь благодаря его значительной абсорбционной способности даже в условиях низкого давления [3].

Начальный этап процесса очистки газа включает подачу охлажденного природного газа в абсорбер, где диоксид углерода извлекается путем использования раствора моноэтаноламина. После этого раствор моноэтаноламина насыщается диоксидом углерода во время фазы абсорбции, и регенерация раствора моноэтаноламина происходит в ректификационной колонне, оснащенной выносным котлом.

На рисунке 1 показана схема охлаждения абсорбера (поз. 1), моноэтаноламином из сети трубопровода цеха.

Объектом автоматического регулирования в процессе моноэтаноламиновой очистки, является абсорбер (рис. 1, поз. 1). Данная установка выбрана в качестве основного элемента управления, поскольку температура и уровень очистки природного газа зависят от температуры внутри этого компонента. Температура внутри абсорбера зависит от количества подаваемого моноэтаноламина. Увеличение подачи моноэтаноламина приводит к снижению как температуры, так и степени очистки природного газа. Крайне важно избегать перегрева абсорбера, поскольку это отрицательно сказывается на процессе ректификации и приводит к получению некачественного продукта.

Рисунок 1. Схема управления температурой в абсорбере

Для достижения оптимального регулирования температуры внутри абсорбера важно смоделировать объект управления, выбрать стратегию управления и определить регулировочные параметры регулятора с пмощью выбранного метода, такого как метод Циглера-Никольса, Чина-Хронеса-Ресвика, Куна (быстрая настройка), Стогестада и др.

В данной работе настройка параметров регулятора будет производится по методу Циглера-Никольса [4] с дальнейшей ручной корректировкой коэффициентов для достижения наилучшего резутьтата.

Температура внутри абсорбера колеблется от 40°C до 25°C. Чтобы определить передаточную функцию объекта управления для абсорбера, необходимо получить экспериментальную кривую разгона. Для этого вносится возмущающее воздействие (аналоговый сигнал 9 мА) на привод исполнительного механизма на линии подачи моноэтаноламина. В результате эксперимента получены следующие данные (рис. 2):

Рисунок 2. График кривой разгона температуры моноэтаноламина

Согласно методу, изложенному в [5] определяется передаточная функция объекта управления. Зависимость температуры от времени описывается передаточной функцией, представленной в виде формулы [6]:

где: k - коэффициент усиления, мин, T - постоянная времени, мин, τ - время запаздывания, мин.

Исходная кривая разгона преобразуется для удобства расчета в относительные координаты, изменяющиеся в диапазоне от 0 до 100%.

Значения необходимых коэффициентов k, T, n, вычисляются [5] и вносятся в формулу, в результате чего получается передаточная функция, описывающая систему управления температурой в абсорбере.

Согласно полученной передаточной формуле объект управления имеет второй порядок с временем запаздывания 0,1 минута.

Для расчета параметров настройки регуляторов используются программные средства имитационного моделирования. Этот подход позволяет определять ключевые параметры регулятора с достаточным уровнем точности, и все это производится без нарушения работы оборудования и технологического процесса.

В данной работе используется метод Циглера-Никольса, настройка проводится в программном средстве VisSim. Для этого реализована структурная схема замкнутой системы регулирования с обратной связью с заданными параметрами входящих в нее элементов.

Сегодня существуют множество видов регуляторов, например, регуляторы на базе нечеткой логики, нейросетях, но основными остаются ПИ-регуляторы и релейные регуляторы [7].

ПИ-регуляторы находят применение в промышленности, когда возникает необходимость в точном поддержании параметра, который не подвергается немедленному изменению, даже при внезапных изменениях во внешней среде.

Настроечные параметры ПИ – регулятора рассчитанные с помощью метода Циглера-Никольса имеют следующие значения:

– П часть (пропорциональна разности входного сигнала и сигнала обратной связи (сигнал рассогласования));

– И часть (интеграл сигнала рассогласования);

Полученные численные значения настроечных параметров регуляторов подставляются в структурную схему замкнутой линейной системы.

Реализация ПИ-регулятора с рассчитанными настроечными параметрами в программном средстве VisSim представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. ПИ-регулятор с рассчитанными настроечными параметрами изменения температуры моноэтаноламина

Параметры системы, рассчитанные таким образом, обеспечивают затухание переходного процесса с течением времени, т.е. они обеспечивают фундаментальную возможность перехода системы в определенное устойчивое состояние при любом внешнем возмущении. Однако требуется, во-первых, чтобы это установившееся состояние было достаточно близким к заданному и, во-вторых, чтобы затухание переходного процесса было достаточно быстрым, а отклонения при этом были небольшими.

Полученный график имеет большое перерегулирование (60%) и требует ручной подстройки коэффициентов (рис. 3).

Ручная корректировка коэффициентов ПИ-регулятора значительно улучшила вид переходной характеристики (рис. 4). Оптимальные коэффициенты:

k₁ = 0.45 – пропорциональная составляющая,

k₂ = 0.05 – интегральная составляющая.

Рисунок 4. Переходной процесс

1–кривая изменения температуры в абсорбере с ПИ-регулятором; 2–исходная кривая изменения температуры моноэтаноламина

Для оценки эффективности выбранного закона регулирования и точности настройки коэффициентов регулятора требуется анализ основных критериев качества переходного процесса.

К критериям качества относятся время регулирования, перерегулирование, и колебательность переходного процесса [8].

При изучении графика (Рис.4) было определено, что ключевые показатели, отражающие качество управления системой с ПИ-регулятором, имеют следующие значения, соответствующие эффективному управлению технологическим процессом:

1. Перерегулирование σ =4%;

2. Время регулирования T_p= 4,2 минут;

3. Колебательность N = 1.

Посредством анализа технологического процесса была определена передаточная функция объекта управления, которая указывает на то, то, что объект имеет второй порядок и запаздывание 0,1 минуту.

Построенная математическая модель объекта управления облегчает проверку качества технологического процесса, в частности, контроль температуры внутри абсорбера.

Кроме того, в этом исследовании были вычислены и выбраны оптимальные настроечне коэффициенты для ПИ-регулятора путем моделирования объекта с использованием программного обеспечения VisSim. Согласно представленным графикам и расчетам, регулятор с такими настроечными коэффициентами может своевременно регулировать возмущающие воздействия внутри системы, влияя как на качество, так и на экономические показатели технологического процесса.

Список литературы

1. ГОСТ 5542-2014. Газы горючие природные промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия; Межгосударственный стандарт: введ. 2015-07-01 / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. – Изд. официальное. – Москва : Стандартиформ, 2019. – 9 с 
2. Мазгаров А.М. Технологии очистки попутного нефтяного газа от сероводорода /А.М. Мазгаров, О.М. Корнетова. – Казань: Казан. ун-т, 2015. – 70 с.
3. Письмен М.К. Производство водорода в нефтеперерабатывающей промышленности. М., «Химия», 1976
4. Zigler J.C., Nichols N.B. Optimum settings for automatic controllers. – N.Y.: Research Triangle Park, 1992. – 759 p
5. Ротач, В.Я. Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами/ В.Я. Ротач. - М.:Учебник для вузов - Энергоатомиздат. 2004. - 400 с.
6. Моделирование объектов управления // Vuzlit. URL: https://vuzlit.ru/1125058/modelirovanie_obektov_upravleniya (дата обращения 10.01.2024г).
7. Юшков, И. С. Сравнение ПИ-регулятора и релейного регулятора в современном электроприводе / И. С. Юшков, Д. В. Вильгельм, А. В. Мартынов // Modern Science. – 2020. – № 2-1. – С. 399-402.
8. Сенигов, П.Н. Теория автоматического управления:/ П.Н. Сенигов. – ЮурГУ: Конспект лекций. – Челябинск. 2001 – 93с.