Dr.ing Timur Chi

AUTOMATIZAREA PROCESELOR PETROCHIMICE

(NDRUMAR DE LABORATOR)

Editura PIMIai 2014Referent tiinific:

Sef Lucrari Dr.Ing. Renata Rdulescu

Universitatea Petrol-Gaze Ploiesti

EDITURA PIM

Acreditat de CNCSIS, 66/2010

PREFA

Cartea de fa reprezint suportul scris, al lucrrilor de laborator care sunt realizate n cadrul orelor de aplicaii practice din cadrul disciplinei de Automatizarea Proceselor Petrochimice.

Acest ndrumar se adreseaz studeniilor din anul III ai Facultii de tiine Aplicate si Inginerie din cadrul Universitii Ovidius.

Laboratorul de Automatizare a Proceselor Petrochimice, este prevzut n planul de nvmnt al Facultii n semestrul 2 (6) al anului III, cu o or dedicat aplicaiilor numerice i o or dedicat experimentelor.

innd cont de timpul alocat, tematica orelor de laborator a trebuit s fie redus la simularea noiunilor teoretice strict necesare inginerului tehnolog care va exploata instalaiile chimice si petrochimice.

Lucrarea de fa, conine descrierea a 14 teme de lucru, care abordeaz probleme practice, specifice domeniului prelucrarii petrolului.

Fiecare tem de lucru, prezint o parte teoretic, descrierea instalaiilor existente n industria petrochimic precum i prelucrarea datelor culese i modul de interpretare a rezultatelor.

ndrumarul de laborator, se adreseaz n principal studenilor de la specializarea Prelucrarea Petrolului i Petrochimie.

De asemeni cartea se adreseaz profesorilor i inginerilor, care sunt interesai n cunoaterea Controlului Proceselor.

Dr.Ing.Renata Radulescu

Universitatea Petrol-Gaze Ploiesti

NTOCMIREA REFERATELOR

Dup efectuarea temei de lucru, n cadrul Laboratorul de Automatizare a Proceselor Chimice, din cadrul Universitii Ovidius, studenii vor ntocmi un referat care face parte din pregatirea teoretica i practic pentru disciplina AUTOMATIZAREA PROCESELOR PETROCHIMICE.

Acest referat va avea urmtoarea structur:

a. pagina de inceput va contine:

b. de asemeni lucrarea, va conine urmatoarele capitole:

-noiuni teoretice,

-descrierea temei de lucru,

-modul de lucru i prelucrarea rezultatelor,

-exemplu de calcul,

-bibliografie.

Referatul va fi scris cu litere Times New Roman, 12 pt, la 1,5 linii spaiere, justified.

Titlul capitolelor vor fi scrise cu Times New Roman, 14 pt, la 1,5 linii spaiere, bold, centrat.

CUPRINSPrefa3

ntocmirea referatelor4

Cuprins6

Introducere7

Lucrarea 1. Controlul proceselor. Notiuni introductive8

Lucrarea 2. Evaluarea erorilor de masurare34

Lucrarea 3. Intocmirea diagramelor de proces si a diagramelor cauza-efect

Lucrarea 4. Constructia instalatiilor de masura, control, achizitie si prelucrare automata a datelor de tipul SCADA

Lucrarea 5.Intretinerea instalatiilor de masura, control, achizitie si prelucrare automata a datelor de tipul SCADA

Lucrarea 6. Reglarea proceselor chimice si petrochimice

Lucrarea 7. Masurarea presiunii

Lucrarea 8. Masurarea debitului

Lucrarea 9. Masurarea nivelului

Lucrarea 10. Calcule privind masurarea debitului

Lucrarea 11. Elemente de executie

Lucrarea 12. Masurari cu multimetre numerice

Lucrarea 13. Automatizare instalatii din industia petrochimica

Lucrarea 14. Automatizare instalatii din industia chimica si protectia mediului

Anexe

INTRODUCERE

n contextul creterii preului de achiziie al petrolului, prelucrarea acestuia trebuie realizat cu cheltuieli reduse pentru a face ca aceast activitate (Rafinarea complexa a petrolului i gazelor) sa fie rentabil.

Controlul centralizat al costurilor reprezint cerina principal n dezvoltarea complexelor petrochimice.

Acest deziderat se realizeaz prin aplicarea n practic a cunotinelor teoretice din domeniul computerelor, automatici, informaticii, electronicii i a altor discipline, scopul aplicrii acestor cunotiine fiind implementarea sistemelor optime de conducere, alctuite din cele mai eficiente echipamente realizate de tehnica modern.

La ora actuala nu se mai pune problema dac un proces trebuie sau nu automatizat ci care este modul de a realiza o eficien maxim a procesului n condiii de siguran sporit.

Pentru atingerea acestui deziderat este necesar ca n momentul proiectrii instalaiilor tehnologice s se acorde o atenie deosebit i pentru controlul proceselor, deoarece metodele i mijloacele de automatizare de care dispune inginerul de sistem, pot s asigure o exploatare judicioas a activitilor economice n contextul unor cheltuieli minime.

Prezenta lucrare se doreste a fi utila studenilor petrochimiti, care trebuie s asigure n viitor, exploatarea instalaiilor de prelucrare complex a petrolului i gazelor i deci cunoaterea sistemelor complexe de conducere optimal i n siguran a proceselor.

Avnd n vedere c inginerii automatiti vor pune n practic gndirea tehnologic a inginerilor petrochimiti, prezenta lucrare se dorete a introduce pe studeni n fascinantul domeniu al controlului proceselor, prin formarea unei gndirii inginereti complexe i prin rezolvarea pe lng temele de laborator i a problemelor i exerciilor aflate la sfritul fiecrei lucrri.

Timur ChiLUCRAREA 1

CONTROLUL PROCESELOR. NOIUNI GENERALE

1.1.Obiectivul lucrrii

a. nelegerea funcionrii unui sistem automat;

b. cunoaterea fizic principial, a elementelor ce alctuiesc un sistem automat din industria petrochimic;

c. efectuarea de observaii experimentale privind un sistem de reglare automat din industria chimic,

1.2.Notiuni teoretice

Controlul proceselor chimice si petrochimice, reprezint dotarea instalaiilor tehnologice, cu echipamente necesare pentru:

a. culegere de date,

b. transmisia datelor achiziionate ctre un sistem de prelucrare, inregistrare i analizare a acestora,

c.prelucrarea datelor achiziionate i transmise ctre sistemul de prelucrare,

d.compararea datelor achiziionate cu condiiile de funcionare prestabilite (elemente de securitate si eficienta a sistemului tehnologic),

e.actionarea automata a elementelor de reglare pentru readucererea funcionrii sistemului la condiile prestabilite de funcionare optim.

Controlul proceselor chimice const n achiziie de date, transmisa acestora i automatizarea instalaiilor tehnologice.

Automatizarea unui proces reprezint dotarea instalaiei tehnologice cu echipamente tehnice speciale pentru conducerea acestuia n condiii prestabilite [1].

Principalele operaii necesare pentru controlul proceselor sunt:

determinarea prin calcul sau msurare a principalelor variabile ale procesului tehnologic care necesit conducerea;

semnalizarea depirii limitelor variabilelor controlate;

reglarea variabilelor supuse influenei peturbaiilor la o valoare constant sau modificabil, funcie de cerinele procesului;

modificarea programat a unor variabile a procesului tehnologic;

meninerea sau modificarea unor rapoarte ale parametrilor instalaiilor tehnologice funcie de cerinele procesului;

controlul procesului tehnologic prin meninerea unor variabile intr-o plaj de valori extreme (maxim sau minim);

protecia instalaiei tehnologice i a personalului muncitor n caz de avarie sau pericol.

Controlul proceselor tehnologice se poate realiza (se poate implementa) prin numeroase variante de lucru funcie de:

natura procesului tehnologic i condiile de protecie a instalailor;

echipamentele tehnice puse la dispoziie de productor;

gradul de cunoatere a instalaiei tehologice i a procesului de operare precum i cantitatea de informaie avut la dispoziie la proiectarea automatizrii;

gradul de pregtire profesional a personalului care exploateaza instalaia;

gradul de pregtire practic i teoretic a proiectanilor instalailor tehnologice;

cerinele proprietarilor instalaiei tehnologice privind optimizarea consumurilor i a proteciilor n exploatare.

Automatizarea unui proces tehnologic trebuie realizat cu echipamente optime pentru a asigura o exploatare rentabil i n siguran a instalaiilor i tehnologiei de producie.

Dup cum se vede automatizarea reprezint o soluie de optimizare, fiind ultima treapt de asigurare a unor performane ridicate a proceselor conduse [1].

Performanele procesului condus sunt apreciate funcie de un criteriu sau mai multe criterii de performan, definite de ctre proiectant sau de ctre propietarul instalaiei respective.

ntotdeauna se are n vedere ca automatizarea s asigure pe lng calitatea produselor manufacturiate i securitatea instalaiilor tehnologice.

Automatizarea unei instalaii petrochimice, reprezint introducerea n fluxul tehnologic a unor echipamente speciale cu scopul de a asigura conducerea i sigurana proceselor respective.

Procesul (P) reprezint instalaia tehnologic sau utilajul care necesit automatizarea.

Pe acest process se vor monta elementele de culegere de date, transfer de informaie i elemente de reglare parametri. Procesul petrochimic este caracterizat prin una sau mai multe variabile msurabile (presiune, temperatur, volum, concentraie, etc.), variabile care trebuiesc meninute ntr-o anumit plaj de valori, modificabile dup anumite legi prestabilite (valabile pentru obinerea de produse de calitate i de securitate a instalaiilor tehnologice). n manualele de automatizare scrise in limba germana procesul este definit ca fiind obiect reglat, n cea engleza se numeste element automatizat iar n romn se numete sistem automatizat [2].

Dispozitivul de automatizare (DA) sau de conducere (DC) reprezinta asamblul echipamentelor tehnice ataate procesului tehnologic necesar realizrii operaiei de automatizare [3].Sistemul automat (SA) reprezint asamblul alctuit din dispozitivul de automatizare i procesul necesar a fi automatizat.

SA=DA (DC) + P

(1.1)

Elementul de reglare (ER) este elementul component al instalaiei de automatizare care stabilete o relaie de dependen dintre variabilele de intrare i variabilele de ieire ale procesului.

Variabilele de intrare sunt independente de proces (fiind prestabilite de ctre furnizor, proiectant sau beneficiar), iar variabilele de ieire sunt dependente de proces (sunt cele dorite de ctre operator).

Reglarea reprezint asamblul de operaii ce au drept scop comparaia valorilor msurate a unei mrimi furnizate (variabla de intrare-i) din procesul tehnologic, cu o valoare prestabilit (constant sau variabil n timp) (variabila de ieire-e), iar dup comparaie trebuie s acioneze asupra procesului, astfel ca mrimea reglat s fie adus sau meninut la valoarea prescris prin [1]:

stabilirea unei dependene, dup o lege prestabilit, pentru valoarea unei mrimi din proces n raport cu mrimi independente sau dependente de proces, reducerea influenei mrimilor perturbatoare asupra mrimilor din proces.Schema bloc reprezint modul de prezentare a automatizrii i controlului procesului, n care elementele de reglare sunt dreptunghiuri, iar variabilele de intrare i ieire sunt linii cu sgei n vrf. Sensul sgeii indic sensul de propagare a informaiei n interiorul sistemului automat.

Procesele pot fi:

-univariante (univariabile), dac prezint o singur variabil de ieire;

-multivariante (multivariabile), daca prezint mai multe variante de ieire.

Analiza proceselor chimice i petrochimice a reliefat faptul c fenomenele care se desfoar n cadrul funcionrii instalaiilor tehnologice, au trsturi comune, ceea ce permite tratarea unitar a acestora (teoria modern a sistemelor).

Figura 1.1. Schem bloc de automatizare [1,4]

Figura 1.2. Schema bloc de automatizare [1,4]

Sistemul reprezint un asamblu de elemente aflate n interaciune. Sistemului i sunt specifice o anumit organizare i un anumit scop, care sunt dependente de destinaia acestuia. Efectele interaciunii din interiorul unui sistem sunt fluxurile de mas, energie sau informaii. Procesele chimice i petrochimice reprezint macrosisteme, alctuite din microsisteme (utilaje componente, fluxuri de mas, energie, informaie, etc.) i echipamente de automatizare [1]. Cele dou componente (procesul i dispozitivul de automatizare) formeaz sistemul automat. n cadrul teoriei sistemelor (controlul proceselor) comportarea microsistemelor se extrapoleaza la macrosisteme (din punct de vedere matematic sistemele automate se trateaza ca i sistemele chimice).Ceea ce este n afara sistemului se numeste mediu nconjurtor sau mediu exterior (ntre sistem i mediul exterior are loc permanent un transfer de mas, energie sau informaie). Unele fluxuri de mas, energie sau informaie care intr sau ies din sistem, sunt utilizate drept comenzi (modificarea acestor comenzi dupa anumite cerine pentru a asigura evoluii convenabile ale sistemului poart numele de contrabilitate sau control procese) [1].

Mrimile care influeneaz dezvoltarea sistemului n mod negativ i care se dezvolt aleator (temperatura i presiunea mediului exterior, impuritile din produs, etc.), sunt elemente peturbatoare sau peturbaii (z).

Comenzile i peturbaile unui sistem reprezint variabilele de intrare (i) sau variabile independente.

Mrimile care definesc calitatea produselor sau cantitatea acestora reprezint variabilele de ieire (e) sau variantele dependente. Atunci cnd variabilele de intrare i ieire sunt invariante n raport cu timpul atunci starea procesului este staionar sau static [1].Dac n proces au loc acumulri de mas sau energie atunci sistemul este dinamic iar variabilele de intrare sau ieire sunt funcii de timp.

Dac sistemul ii menine starea intern curent egal permanent cu o stare de referin fr nici o intervenie din afar atunci acesta este autoreglabil (organismele vii, sisteme din economie i societate, etc.).

Sistemele tehnice autoreglabile sunt alctuite din proces i dispozitiv de automatizare n opoziie (sisteme de reglare automat SRA). Sistemele tehnice care fac parte din aceast clas sunt alctuite din dou pri componente: procesul i dispozitivul de automatizare conectate n opoziie.Variabila de intrare i reprezint valoarea prescris sau valoarea furnizat xp.

Variabila de ieire e reprezint i varianta reglat sau parametrul reglat x.

Atunci cnd se modific mrimea de peturbaie n timp, se modific i variabila de ieire dup o anumit funcie e(t). Sistemul de automatizare analizeaz permanent variabilele de intrare i variabilele de ieire. Dac apar diferene ntre valoarea efectiv a variabilei de intrare i valoarea efectiv a variabilelei de ieire, dispozitivul de automatizare prelucreaz aceast diferen dup o lege prestabilit i acioneaz direct asupra procesului n vederea readucerii valorii de ieire a variabilelei de ieire la valoarea variabilelei de intrare.

Mrimea fizic prin intermediul cruia dispozitivul acioneaz asupra dispozitivului de automatizare se numete mrime de execuie (m).

Dispozitivul de automatizare este alctuit din:

a. elementul de msurare (M), care reprezint acea parte a dispozitivului de automatizare ce vine n contact direct cu procesul i avand rolul de a urmri n mod continuu variaia valorii variabilei de ieire;

b. regulatorul sau elementul calculator (R), reprezinta microcalculatorul care analizeaz abaterea dintre variabilele de ieire i variabilele de intrare (i-e) i prelucreaz matematic aceast abatere, dup o ecuaie de dependen prescris de operator;

c. elementul de execuie (E), reprezint acea parte a dispozitivului de automatizare, care acioneaz direct asupra procesului prin modificarea mrimii de execuie.

Variabila de ieire a dispozitivului de automatizare poart numele de mrime de reacie (r) iar variabila de ieire a regulatorului este mrimea de comand (c). Variabila de intrare pentru ntregul sistem (pentru regulator) poart numele de mrime de referin (w), iar variabila de ieire a elementului de execuie, care acioneaz direct asupra procesului poart

Figura 1.3. Sisteme de reglare automata (SRA)[1,4]numele de mrime de execuie (m).

Figura 1.4. Dispozitivul de automatizare (DA) [1,4]1.3.Conducerea proceselor tehnologice

Conducerea proceselor tehnologice se poate realiza cu ajutorul regulatoarelor convenionale utiliznd reglare automat, cu ajutorul regulatoarelor convenionale nsoit i de optimizarea procesului (conducerea optimal) i cu ajutorul calculatorului.

a. Conducerea proceselor tehnologice cu ajutorul regulatoarelor convenionale utiliznd reglarea automat se utilizeaza la sistemele univariante. Deci sistemul prezint o singur variabil de ieire la care se ataeaz un singur dispozitiv de automatizare (se realizeaz un singur sistem de reglare automata).

n acest caz procesul chimic trebuie inut ntr-o stare permanent dorit, prin meninerea constant a valorilor efective ale variabilei de ieire. Dispozitivul de automatizare este format din elementul de msurare, regulator i elementul de execuie.Sistemul funcioneaz prin aciunea mrimii de execuie asupra procesului, atunci cnd variabila de ieire, se modific n raport cu variabila de intrare. Modificarea variabilei de ieire se datoreaz aciunii peturbaiilor din sistem. n momentul n care una din mrimile de peturbaie actioneaz asupra sistemului, se modific variabila de ieire, aprnd o abatere. Regulatorul analizeaz aceast abatere dup un algoritm de conducere, genernd mrimea de comand ctre elementul de execuie. Elementul de execuie va modifica mrimea de execuie pn n care valoarea de ieire ajunge din nou egal cu valoarea variabilei de intrare.

n cazul proceselor univariante acest sistem este util. Pentru sisteme unde exist mai multe variabile de iesire (debite, concentraii, temperatur, pH, nivele i presiune) situaia se complic necesitnd s se ataeze procesului condus attea dispozitive de automatizare cte variabile de ieire se iau n consideraie. Dac avem m variabile de ieire, trebuie ataate m dispozitive de automatizare avnd deci m sisteme de automatizare.

Figura 1.6. Schema bloc extins pentru un S.R.A. [1.6]

Figura 1.7. Schema proces multivariant

Orice sistem automat care intr n regim dinamic face s intre i celelalte sisteme automate n regim dinamic. n realitate toate variabilele de ieire se modific n timp.

ntr-un proces multivariant (pomparea pe o conduct de petrol), apar fenomene de inter-influen i interdependen ntre sistemele automate (m) (vibraii ale conductelor datorat deschiderii insuficiente a vanelor, vibraiile motoarelor electrice, etc), care pe lng diminuarea performanelor sistemului (creterea consumului de energie electric), fac s apar i fenomene oscilante cu amplitudine crescnd, care prin vibraiile produse pot duce la distrugerea aparaturii i instalaiilor tehnologice. Pentru diminuarea acestor influene se poate utiliza reglarea automat care s utilizeze calculatoare de proces.

b. Conducerea optimal cu ajutorul calculatorului

Pentru a menine starea cea mai bun a unui proces se alege ca soluie conducerea optimal a acestuia.

Pentru aceasta alegem o anumit funcie ca i obiectiv sau funcie de performan pe care o minimizm sau o maximizm. Aceast funcie trebuie s fie n legtur intrisec cu variabilele de ieire fiind modificabil de ctre operatorul uman pentru realizarea obiectivelor dorite.

n cazul n care n sistemul de optimizare se folosete doar un calculator atunci conducerea procesului este de nivelul I. Dac folosim mai multe calculatoare conectate n cascad conducerea procesului este de tipul ierahic de diferite nivele.

n conducerea proceselor petrochimice putem utiliza calculatorul [4]:

a. pe post de consultant,

b. pentru generarea mrimilor de referin,

c. pentru nlocuirea tuturor regulatoarelor.

n industria petrochimic se poate utiliza n conducerea proceselor un singur calculator (conducere de nivel I), sau mai multe calculatoare conectate n cascad (conducere ierarhic de diferite nivele).

Utilizarea calculatorului pe post de consultant. n acest caz calculatorul se afl amplasat n camera de comand, utilizarea acestuia se face numai n situaii speciale prin cuplarea la proces, de ctre operator. n cazul n care nu se pot lua decizii rapide cu privire la valoarea mrimilor de referin de ctre operator, acesta introduce datele n calculator care pe baza unor programe adecvate ofer rezultate optime de conducere a procesului.

n figura 1.7. este reprezentat un calculator pe post de consultant [1], notaile fiind urmtoarele:

M1, M2,...,Mm- elemente de msurare;

E1, E2,...,Ep - elemente de execuie;

r1, r2,...,rm - mrimi de reacie;

c1, c2, ...,cp - mrimi de comand;

w1, w2 ...wm - mrimi de referin;

z1, z2,...,zn - mrimi de perturbaie.

n practic numrul variabilelor de intrare p este mai mare dect numrul variabilelor de ieire m.

Utilizarea calculatorului pentru generarea mrimilor de referin.n acest caz, calculatorul se folosete prin intermediul echipamentelor de interfa, pentru generarea prin programe specializate a valorilor mrimilor de referin a regulatoarelor aflate n panoul de comanda.

Pentru un sistem automat este recomandat ca numrul variabilelor de intrare trebuie s fie egal cu numrul variabilelor de ieire.

Figura 1.7. Utilizarea calculatorului ca i consultant

n cazul n care se utilizeaz calculatorul pentru generarea mrimilor de referin n proces, se folosete pentru conducerea proceselor att calculatorul ct i regulatoarele clasice, ntroducnd n algoritmul de optimizare i valorile efective ale mrimilor de peturbaii, cu

Figura 1.8. Utilizarea calculatorului pentru generarea marimilor de referinta

scopul reducerii influenei acestora.

n figura 1.8 [1], notaile sunt urmtoarele:

M1, M2,...,Mm- elemente de msurare;

E1, E2,...,Ep - elemente de execuie;

r1, r2,...,rm - mrimi de reacie;

c1, c2, ...,cp - mrimi de comand;

w1, w2 ...wm - mrimi de referin;

z1, z2,...,zn - mrimi de perturbaie.

EIPC - echipament interfa proces-calculator care transform semnalele analogice primite de la elementele de msurare n semnale numerice.

EICP - echipament interfa calculator-proces care transform semnalele numerice provenite de la calculator n semnale analogice.

Utilizarea calculatorului pentru conducerea procesuluin acest caz sunt nlocuite regulatoarele, calculatorul acceptnd s primeasc ct mai multe date. Prin pachetul de programe suficient de complex i complet, conducerea procesului este optimal, lund n calcul toi factorii de dependen care intervin n proces. Calculatorul ia n calcul att valorile de referin ct i valorile necesare comenzii procesului.

1.4.Exprimarea performanelor proceselor

Evaluarea performanelor proceselor petrochimice ine cont de criteriul economic i de securitate a instalaiilor i personalului angajat.

Funcia beneficiului (FB) trebuie s fie ct mai mare. Expresia acesteia este urmtoare:

(1.2)

unde:-Ni=numrul de uniti de msur pentru produsul de sortiment i,

-Vi=valoarea specific a produsului de sortiment i,

-Ci= cheltuieli specifice pentru produsul de sortiment i.

Funcia costului (FC) trebuie s fie ct mai mic. Expresia acesteia este urmtoarea:

(1.3)

unde:-Ci=costul specific produsului de sortiment i,

-Qi=cantitatea de produs din sortimentul i,

Figura 1.9. Utilizarea calculatorului pentru conducerea procesului

Functia calitii (FCal) trebuie sa fie ct mai mare. Expresia acesteia este urmtoarea:

(1.4)

unde:-pi=coeficientul de pondere al produsului din sortimentul I,

-yxi=calitatea dorit (valoarea dorit) pentru o anumit proprietate sau un anumit parametru,

-yi=calitatea (valoarea) efectiv a parametrului.

Functia timpului de recuperare a investiilor de automatizare (FT) trebuie s fie ct mai mic. Expresia acesteia este urmatoarea:

(1.5)

unde:-Ii=investiiile pe automatizare pentru obinerea produsului din sortimentul i,

-Vi=creterea venitului brut obinut dup efectuarea investiiei n raport cu produsul de sortiment I,

-CIRi=cheltuieli de ntreinere i reparaie a echipamentelor de automatizare raportate la produsul din sortimentul i.

1.5.Clasificarea sistemelor automate

a. clasificarea dupa funcie i destinaie:

1. Sistemele de reglare automat (SRA) sunt destinate meninerii strii curente a unui proces fa de starea de referin a acestuia. Pentru sisteme univariante exist o singur mrime de referin. Dup variaia mrimii de referin sistemele pot fi:

cu reglare automat de stabilizare (w=constant),

cu reglare automat funcie de un program,

cu reglare automat de urmrire (w se modific aleator).

2. Sisteme de msurare (SMA) care au drept scop controlul de la distan a unor parametrii din procesul tehnologic. n acest caz elementul sensibil se afl n interiorul procesului iar aparatul de inregistrare se afl n panoul de comand.

3. Sisteme de protecie (SP), au rolul de a aciona pentru protecia procesului n cazul apariiei unor pericole.

4. Sisteme de semnalizare (SS) au rolul de atenionare acustic i optic la apariia unor situaii de funcionare anormal a instalaiilor.

5. Sisteme de blocare (SB) acioneaz asupra instalaiilor, securiznd procesul prin oprire, n caz de avarie sau pericol.

b. clasificarea dup legea de funcionare:

1. sisteme ce funcioneaz dup legea reglrii dup abatere,

2. sisteme ce funcioneaz dup legea reglrii dup peturbaie,

3. sisteme ce funcioneaz dup ambele legi (combinat).

c. clasificarea dup structura dispozitivului de automatizare:

1. sisteme automate convenionale care au singur traductor, un singur regulator i un singur element de execuie,

2. sisteme automate evoluate la care dispozitivul de automatizare este format din mai multe traductoare de msur, mai multe reglatoare i un singur element de execuie.

d. clasificarea dup liniaritatea sistemelor automate:

1. sisteme automate liniare,

2. sisteme automate neliniare care au dou forme de manifestare i anume prin compensarea componentelor neliniare opuse astfel nct sistemele s fie liniare sau utilizarea elementelor neliniare pentru ameliorarea unor performane ale sistemului automat.

e. clasificarea dupa energia utilizat la funcionarea dispozitivului de automatizare:

1. sisteme automate directe ce utilizeaz energia din procesul automatizat pentru acionarea elementului sensibil al traductorului de msurare,

2. sisteme automate indirecte, ce utilizeaz energia auxiliar pentru acionarea elementului sensibil al traductorului de msur (energie electric, termic sau hidraulic).

f. clasificarea dup distribuia parametrilor din interiorul elementelor de reglare ce compun sistemul de automatizare:

1. sisteme automate cu parametrii concentrai (SAPC), care au aceiai valoare a unei proprieti citite n tot sistemul,

2. sisteme automate cu parametrii distribuii (SAPD).

g. clasificarea dupa continuitatea semnalelor purttoare de informaie:

1. sisteme automate analogice sau continue,

2. sisteme automate discrete sau numerice.

h. clasificarea dup algoritmul de conducere dezvoltat de dispozitivul de automatizare:

1. sisteme automate cu program fix, la care conducerea procesului este constant n timp,

2. sisteme automate programabile, care funcioneaz dup o anumit valoare a procesului la un moment de timp dat.

1.6.Exemple de sisteme automate din industria chimicReglarea procesului de transfer de energie

Pentru studiul necesitii automatizrii procesului i elaborarea conceptului de lucru al sistemului de reglare n cazul transferului de energie, indiferent de natura procesului se pleac de la bilanul energiei i al maselor. n procesele de transfer de energie putem distinge:

a. transferul prin conversia energiei (ca n cazul reactoarelor chimice, pompelor, cuptoarelor i compresoarelor),

b. transferul fr s aib loc conversia energiei (ca n cazul schimbtoarelor de cldur).

Reglarea transmisiei cldurii prin amestecare direct

Acest proces consta n amestecarea a dou sau mai multe fluide compatibile (amestec de ap cu abur, pulverizarea apei n abur) n scopul reglrii temperaturi amestecului.

Scopul final al acestui proces const n atingerea unei temperaturi finale cerut de proces, care s fie msurabil n limitele unor erori acceptabile. n practic, acest proces const n utilizarea unui ventil de amestecare cu trei ci (debitul de fluid nu constituie o cerin n sine).

Dac avem dou fluide cu debitele F1 si F2, avnd debitul F ca suma a acestora, pentru reglarea temperaturii finale T se poate aciona asupra debitului F2, care se poate mri simultant cu reducerea debitului F1. Deci unul dintre debitele componente care se amestec va fi proporional cu poziia k a ventilului:

(1.6)

ntroducnd n ecuaia (1.6) valoarea temperaturii finale a amestecului:

(1.7)

se observ c temperatura procesului variaz cu poziia k a ventilului.

(1.8)

Utilizarea ventilului cu trei ci este cea mai folosit metod, n practic putnd regla debitul total sau alte condiii de presiune.

Reglarea transmisiei cldurii la schimbtoarele de cldura fluid-fluid

Sistemul de transmisie a cldurii la schimbtoarele de cldura fluid-fluid este limitat din cauza meninerii unui debit de fluid, deoarece trebuie meninut un sistem de cureni care trec prin conductele schimbtorului de cldura.

Debitul transmis de cldura este dat de relaia:

(1.9)

n care:W este coeficientul de transmisie a clduri, S este suprafaa de transmisie a cldurii i reprezint diferena medie de temperatur dintre fluide.

La majoritatea schimbtoarelor de cldura se impune reglarea temperaturii care variaz cu debitul de cldura transmis (are un grad ridicat de autoreglare).

La o analiza mai temeinica asupra felului cum se produce schimbul de cldura n lungul ntregului sistem de separaie se constat c transmisia cldurii se face neliniar i deci modificarea debitului fluid cald (figura 1.10) nu este o soluie util (i din cauza depunerilor de piatra sau impurificri pe pereii conductelor).

Se poate utiliza o noua metod (figura 1.11) prin utilizarea variaiei debitului fluidului de nclzit, meninnd i un by-pass a sistemului care micoreaz decalajul de timp dintre o variaie a poziiei de reglare i rspunsul tranzitoriu al temperaturii finale.

Reglarea fierberii lichidelor i condensrii vaporilor

Deoarece temperatura mediului care fierbe sau condenseaz variaz foarte puin ntre intrarea i ieirea din schimbtor, din punct de vedere al reglrii este mult mai favorabil atunci cnd se produce o schimbare de faz.

Figura 1.10. Automatizarea schimbtoarelor de cldura fluid-fluid

TIC-reglarea temperaturii produsului prin modificarea debitului de agent termic

Figura 1.11. Automatizarea schimbtoarelor de cldur fluid-fluid

TIC-reglarea temperaturii produsului prin dozarea debitului de produs, cu meninerea la debit constant a agentului termic

Msurarea debitului masic G, al mediului care fierbe sau condenseaz este o masur indirect a debitului de cldur transmis, avd n vedere c prin proces trebuie practic luat sau cedat cldura latent, ( conform relaiei:

(1.10)

Utiliznd, aburul ca mediul nclzitor, reglarea debitului acestuia se dovedete eficient, deoarece debitul de abur influeneaz n mod direct viteza de vaporizare, schimbtorul de faz prezentnd o tendin evident de autoreglare.

n cazul unui condensator, modul cel mai eficient de al regla este de a varia aria suprafeei prin care se face transmisia de cldur.

Se comand n acest scop debitul de condens ce se evacueaz, asigurndu-se umplerea parial cu condens a schimbtorului, reducndu-se astfel suprafaa disponibil pentru condensare.

Reglarea se face funcie de msurarea presiunii de vapori, reprezentnd un proces rapid, bucla avnd o bun comportare din punct de vedere dinamic.

Figura 1.12. Automatizarea codensatoarelor

PIC-reglarea presiunii de vapori prin modificarea debitului de condensReglarea arderiiTemperatura flacrii, determinat de coninutul de energie al combustibilului, ridic practic temperatura produselor de ardere la aceiai valoare. Debitul caloric Q produs de arderea unui debit masic Ge de combustibil, avnd cldura de ardere Ca, este:

(1.11)Debitul caloric necesar a ridica temperatura combustibilului i a aerului, pn la temperatura flcrii T, este definit de relaia:

(1.12)

Valorile lui he, haer, Te, Taer sunt cldurile specifice medii i temperaturile de intrare ale combustibilului i aerului.

Soluia cea mai economic este arderea complet a combustibilului i deci arderea se conduce prin controlul excesului de aer. Se are n vedere c un exces de aer duce la rcirea temperaturii flacrii i deci este recomandat ca temperatura flacrii s nu fie variabil recomadat pentru controlul arderii. De cele mai multe ori reglarea arderii se face funcie de coninutul de oxigen msurat n produsele arderii sau de un alt parametru considerat esenial n proces (de exemplu temperatura aburului supranclzit din tambur sau presiunea aburului suprancalzit din tambur sau presiunea aburului la cazanul generator de abur).

Trebuie s inem cont de asemeni c n alegerea arderii combustibilului i a aerului pot aprea n focar amestecuri explozive i deci trebuie s inem cont de condiiile de exploatare i securitate antiexploziv a instalaiilor.

n figura 1.13 si figura 1.14, sunt prezentate dou scheme practic echivalente avnd la baz, concepia unei reglri complete pentru combustibil i aer, raportul dintre cantitatea de combustibil i cantitatea de aer fiind pstrat printr-un sistem de selecie, astfel c dac debitul de aer scade, valoarea acestuia este aleas de preferin de regulatorul pentru debitul de combustibil, iar dac debitul de combustibil este prea mare, valoarea acestuia este aleas pentru stabilirea debitului de aer.

Reglarea pompelorProblema reglrii debitului i presiunii fluidelor este dictat de tipul de pomp (respectiv pomp volumetric i pomp centrifug). n cazul pompelor volumetrice, un volum de fluid este vehiculat ntre aspiraia i refularea pompei la o rotaie a arborelui, respectiv la o micare a pistonului. Operaia are loc periodic, debitul de ieire fiind pulsatoriu. Pulsaiile, n practic, se ncearc a fi eliminate, fie prin amortizare cu pern de gaze montat n refulare, fie prin utilizarea mai multor cilindrii, fazele acestora stabilindu-se pentru micorarea amplitudinii pulsaiilor i perioada pulsaiilor.

n cazul pompelor volumetrice, reglarea debitului printr-un ventil montat n refulare este exclus, deoarece acest lucru ar duce la depirea presiunilor nominale, motiv pentru care reglarea debitului se face cu servomotoare pneumatice sau electrice pentru reglarea automat a turaiei arborelui sau a vitezei pistoanelor.

Figura 1.13. Automatizarea proceselor de ardere

FRC/1-reglarea debitului de combustibil,

FRC/2-reglarea debitului de aer,

XC-comanda regimului de ardere.

n cazul pompelor volumetrice de tipul cu roi dinate (cu angrenaj) sau a celor cu palete, reglarea debitului se poate face prin montarea unui ventil de by-pass (figura 1.15), astfel c debitul de reglare s fie n permanen constant sau prin reglarea presiunii n refulare (figura 1.16) cu descrcarea de asemenea printr-un ventil de reglare montat n by-passul pompei. Debitul poate n acest caz s fie reglat n conducte de refulare prin ventil ce asigur micorarea seciunii de trecere, n deplin siguran pentru buna funcionare a pompei.

Spre deosebire de pompele volumetrice, pompele centrifuge accept micorarea seciunii de trecere a unui ventil montat n conductele de refulare (este drept uneori nerecomandabil pe perioade foarte lungi), deoarece principiul de funcionare asigur presiunea dinamic necesara prin imprimarea unui moment al cantitii fluidului n micare. Este contraidicat montarea n aspiraie a elementelor de strangulare a debitului, acest lucru putnd provoca cavitaie i anularea debitului.

O remarc deosebit pentru pompele mari, la care este justificat din punct de vedere economic, se poate realiza controlul utilajului prin comanda vitezei, n vederea realizrii unui randament maxim.

De asemeni se intlnesc pompe antrenate de turbine de abur a cror viteza se regleaz prin variaia debitului de abur la turbina printr-un ventil regulator comandat funcie de valoarea vitezei. O alt metod de reglare a vitezei pompelor acionate prin cuplaje hidraulice sau electromagnetice este realozabil prin ajustarea gradului de cuplare de la 0 la 100 %,

Figura 1.14. Automatizarea proceselor de ardere

FRC/1-reglarea debitului de combustibil lichid,

FRC/2-reglarea debitului de combustibil gazos,

FRC/3-reglarea debitului de aer,

XRC-comanda regimului de ardere.

Figura 1.15. Automatizarea pompelor volumetrice

FIC-reglarea debitului pompei prin modificarea debitului de recirculare

Figura 1.16. Automatizarea pompelor volumetrice

FIC-reglarea debitului pompei prin modificarea debitului de refulare

PIC-reglarea debitului pompei prin modificarea presiunii de refulareReglarea compresoarelorPentru compresoarele cu piston, reglrile se fac n acelai mod cu pompele volumetrice, completat i de faptul c prin proiectarea acestora, debitul se poate regla din reducerea aspiraiei.

Compresoarele centrifugale au reglajul influenat n principiu de caracteristicile acestora de funcionare i coordonat cu cerinele procesului tehnologic n care lucreaz. Avnd n vedere c n funcionarea unui compresor centrifugal, apare o zon n care pot aparea pulsaii (unde compresorul poate fi scos din funciune), se impune o reglare necesar a acestora.

Pornind de la faptul c debitul unui compresor centrifugal este proportional cu diferena de presiune ntre refulare i aspiraie n funcionare normal, msura debitului n aspiraia acestuia deci indirect msurarea unei presiuni difereniale, este o indicaie asupra punctului de funcionare pe caracteristica acestuia i deci o apreciere asupra distanei fa de punctul de instabilitate.

Aa cum rezult din figura 1.17, regulatorul de debit care comand ventilul de by-pass imediat ce debitul msurat scade sub valoarea minim, este condus de o mrime prescris dat de blocul de calcul (practic un amplificator cu un coeficient k), a crui intrare variabil este dat de transmiterul de presiune diferenial a ntregului sistem. Funcie de cerinele tehnologice, sistemul se poate completa cu circuite de reglare a presiunii de refulare sau de aspiraie.

Alegerea coeficientului de amplificare k, rezult din raportul (p/h unde:

(1.13)

i h este domeniul transmiterului de presiune diferenial pentru msurarea debitului.

n situaii mai complicate, n care compresia se face n mai multe trepte, similar cu montarea unor compresoare n serie, reglarea de mai sus se face fie pentru fiecare treapt n parte. sau comun pentru mai multe trepte de compresie, uneori corectat i de valoarea temperaturii de aspiraie, acest parametru de valoarea lui k fiind de natur s deplaseze ntr-un sens sau altul limita de stabilitate.

Figura 1.17. Automatizarea compresoarelor

FIC-reglarea debitului de produs prin modificarea debitului de recirculare

PIC-reglarea presiunii de refulare prin modificarea debitului de alimentare cu abur a turbinei

PDIC-reglarea debitului de abur dupa caderea de presiune dintre aspiratie si refulare

1.7.Intrebari, probleme si exercitii

1. Care sunt principalele operaii necesare pentru controlul proceselor petrochimice,

2. Din ce este alctuit un dispozitiv de automatizare,

3. Cum se realizeaz conducerea proceselor tehnologice,

4. Cum se evalueaza performanele proceselor petrochimice,

5. Cum se clasific sistemele automate,

6. ntocmii schema de automatizare pentru reglarea unui proces de transfer de energie prin conversia energiei,

7. ntocmii schema de automatizare pentru reglarea unui proces de transfer de energie fr s aib loc conversia energiei,

8.ntocmii schema de automatizare folosit n reglarea pompelor volumetrice prin modificarea debitului de recirculare,

9. ntocmii schema de automatizare folosit n reglarea pompelor volumetrice prin modificarea presiunii de refulare,

10. Intocmii schema de automatizare folosit n reglarea compresoarelor.

LUCRAREA 2

PROIECTAREA UNUI SISTEM DE CONTROL

A PROCESELOR PETROCHIMICE2.1. Obiectivul lucrarii

a. prezentarea noiunilor fundamentale privind controlul proceselor chimice;b. evaluarea gradelor de libertare ale unui sistem chimic; c. nelegerea modului de realizare a unui plan de automatizare.

2.2. Notiuni teoretice

Definiii

Sistem chimic-un asamblu de elemente care se afl n interaciune (fluxurile de mas, energie sau/i informaie), avnd un scop final i dispunnd de o organizare.

Mediul exterior, reprezint entitatea din afara sistemului studiat, entitate care se afl ntr-un schimb permanent de energie, mas sau/i informaie.

Mrimile de intrare sunt mrimile independente asociate unui sistem chimic, fiind fluxuri de energie i mas care intr n sistem. De menionat c aceste mrimi pot fi petrubatoare (mrimi care variaz aleatoriu modificnd negativ starea sistemului) sau de comand (acionnd pentru modificarea strii sistemului).

Mrimile de ieire sunt mrimile dependendente, de obicei de calitatea produsului final, mrimi care sunt funcie de starea sistemului (funcionarea sistemului) precum i de valorile peturbatoare i de intrare.

Starea sistemului chimic, este dat de valorile caracteristice ale acestuia la un moment dat (presiune, temperatur, concentraie). Starea sistemului este dat de o funcie (M), ce reprezint variaia parametrilor termodinamici n raport cu poziia punctului M.

Sistemul omogen chimic este sistemul n care funcia (M) este omogen (continua).

Sisteme chimice cu parametrii concentrai sunt acele sisteme n care funcia (M) este constant (de exemplu pentru un reactor chimic aflat sub presiune la un moment dat i la care nu a nceput operaia de schimbare a compoziiei chimice-nu au nceput reaciile chimice, este un sistem cu parametrii concentrai).

Sisteme chimice cu parametrii distribuii sunt acele sisteme ce au valorile de stare constante, funcie de poziia punctului M (adic funcia (M) este variabil funcie de poziia punctului M). Un exemplu din industria chimic este dat de valorile parametrilor de stare (temperatur, presiune, concentraie) la un anumit nivel (punct M) din interiorul instalaiei (riser) de cracare catalitic.Sisteme monovariante chimice sunt acele sisteme ce au o singur variabil de intrare i o singur variabil de ieire de controlat (un exemplu din industria petrochimic l reprezint controlul nivelului unui rezervor de depozitare a produselor petroliere, unde variabila de intrare este debitul produsului livrat iar variabila de ieire este nivelul rezervorului).

Sisteme multivariante chimice sunt acele sisteme ce au mai multe variante de intrare i mai multe variate de ieire (un exemplu din industria chimic l reprezint procesul de distilare a unui amestec binar unde variabilele de intrare sunt presiunea i temperatura produsului iar variabilele de ieire sunt cantitatea de distilat i cantitatea de reziduu. De observat c modificarea unui parametru de intrare duce la modificarea parametrilor de ieire n totalitate.

Faza unui sistem chimic reprezint aceea parte din sistem unde proprietile sunt continue (dac funcia (M) prezint discontinuiti, acel sistem este eterogen, avnd mai multe faze).

Regimuri i mrimi caracteristice ale proceselor chimice

Fluxurile de energie i materiale ale unui proces chimicUn proces tehnologic are loc ntr-o instalaie tehnologic, n anumite condiii de funcionare i de stare [6]. Procesul tehnologic (sistemul chimic) este caracterizat prin fluxurile de energie, material sau/i informaie intrate n sistem, fluxurile de energie, material sau/i informaie ieite din sistem precum i fluxurile de energie, material sau/i informaie acumulate n sistem (n procesul tehnologic).

Fluxurile de material (energie) sunt caracterizate prin unele mrimi de stare ale procesului chimic i anume temperatur, presiune, concentraie, densitate, debit, cldur specific, etc.Cantitile de material (energie) acumulate n instalaia tehnologic este funcie de capacitatea de acumulare a instalaiei (volumul de acumulare instalaiei, suprafaa de schimb de cldur, masa de catalizator) precum i de unele proprieti fizice ce exprim nivelul acumulrii (intensitate, presiune, temperatur, concentraiile diferitelor substane comonente, etc).

Unele mrimi ale procesului chimic sunt constante (volumul instalaiei) altele pot fi modificate n timpul desfurrii procesului (temperatur, concentraie, presiune, debit, etc), fiind definite ca mrimi tehnologice sau de stare.

Deci un proces chimic este definit de mai multe mrimi fizice de stare ale cror valori determin starea sistemului.Ecuaiile de bilan

Fluxurile de material, energie i informaie We i Wi , precum i cantitatea acumulat W, sunt interdependente. Dac cantitatea acumulat este constant, atunci We i Wi , sunt egale, procesul fiind static (staionar).

n regim static (staionar) cantitatea de materie (energie, mas, informaie) care intr ntr-un proces tehnologic este egal cu cantitatea de materie (energie, mas, informaie) care iese din sistem, n unitate de timp.

(2.1)

Ecuaia 2.1 reprezint bilanul de materie ntr-un sistem static (staionar).n regim dinamic, cantitatea de materie (energie, mas, informaie) acumulat n proce, nu este constant n timp, fiind dat de diferena ntre cantitatea de materie intrat n proces i cantitatea de materie ieit din proces.

(2.2)

n perioada foarte mic de timp, cantitatea acumulat de materie W se va modifica cu , adic:

(2.3)Din relaia 2.3, reiese faptul c n cadrul proceselor dinamice, diferena dintre cantitatea de materie intrat n unitate de timp i cantitatea de materie ieit n unitate de timp, este egal cu viteza de modificare a cantitii de materie (energie, mas, informaie) acumulat n cadrul procesului.

Gradul de libertate al procesuluiProcesele tehnologice sunt caracterizate prin fluxuri de materie (mas, energie, informaie) ce intr, ce se acumuleaz i ce ies din sistemul chimic. Dar fluxurile de materiale sunt caracterizate prin diferite mrimi fizice (temperatur, concentraie, densitate, debit, presiune, etc.) i una sau mai multe faze.

O faz compus din k componeni poate fi caracterizat intensiv sau extensiv.Caracterizarea intensiv a unei faze compuse din k componeni, necesit cunoterea a (k+1) variabile independente (variabile ce nu trebuie s se refere la cantitatea sau volumul acelei faze).

Variabilele independente pot fi de exemplu concentraile n fracii molare a (k-1) componeni, presiune i temperatur.

Caracterizarea extensiv, necesit pe lng cele (k+1) variabile independente i o variabil referitoare la debitul masic sau volumetric n cadrul fluxului material n componena cruia intr. Deci pentru caracterizarea unei comportri extensive a sistemului sunt necesare (k+2) variabile independente.

Pentru a conduce un proces chimic sunt necesare s se cunoasc (s se controleze) un numr suficient de variabile indepedente.

Numrul minim de variabile independente necesare pentru a conduce un proces chimic poart numele de grad de libertate. n funcionarea unei instalaii se vor utiliza un numr mare de variabile dar care nu toare sunt independente. Astfel ntre unele variabile ce descriu procesul chimic se pot determina relaii bazate pe ecuaiile de bilan material sau provenite din legile fizico-chimice ce guverneaz procesul respectiv.

Dac notm cu L numrul tuturor variabilelor ce intervin n descrierea procesului i cu M numrul ecuaiilor ce se pot scrie, atunci numrul variabilelor independente sau gradele de libertate ale sistemului, sunt date de ecuaia:

(2.4)

Stabilirea variabilelor ce descriu starea procesului L, se pot determina prin analiza variabilelor ce caracterizeaza intensiv sau extensiv, fiecare faz a fluxurilor de materie ce intr n proces respectiv ce iese din proces.In acest caz numrul ecuaiilor ce se pot scrie este egal cu numrul bilanurilor de materie (energie, mas i/sau informaie) asociate fluxurilor de intrare, respectiv de ieire din sistem.Stabilirea gradelor de libertate pentru un schimbtor de cldur

ntr-un schimbtor de cldur are loc un schimb de cldur ntre fluidul mai rece ce conine kp componeni i fluidul mai cald ce conine ka componeni.

Pentru descrierea extensiv a procesului avem nevoie de variabilele necesare caracterizrii fiecrui flux de intrare i de ieire. Astfel n acest caz numrul fluxurilor coincide cu cel al variabilelor i deci cele L variabile sunt:

(2.5)Ecuaiile de bilan pentru schimbtorul de cldur se pot scrie:-kp ecuaii de bilan masic pentru cei kp componeni din fluidul rece,

-ka ecuaii de bilan masic pentru cei ka componeni din fluidul cald,

-cte o ecuaie de bilan hidrodinamic pentru fiecare canal al celor dou fluide,

-o ecuaie de bilan termic pentru ntregul schimbtor.

In acest caz numrul total de ecuaii devine:

(2.6)

Scznd din ecuaia 2.5 ecuaia 2.6 obinem:

(2.7)

Ecuaia 2.7 ne arat gradele de libertate al unui schimbtor de cldur i dac n timpul procesului se pot determina prin msurare valorile a variabile, atunci procesul este extensiv n ntregime. Cele F variabile independente pot fi alese att la intrarea n schimbtor ct i la ieirea din el.

Figura 2.2. Schimbtor de cldur

n figura 2.2, x1, x2 , x3, xkp -1 , reprezint compoziia produsului, p1 i p2 sunt temperaturile de intrare i ieire a produsului rece, Qm este debitul produsului nclzit, p este presiunea fludului iar Q reprezint cldura cedat de fluidul cald fluidului rece.

Deci n concluzie, operarea unui proces implic cunoaterea strii acestuia n orice moment i meninerea acestuia ntr-o anumit stare, viabil pentru securitatea instalaiei i a mediului ambiant i n conformitate cu standardele de operare i producie.

Acest cerin se poate realiza prin montarea unui sistem de reglare automat (S.R.A.), care are rolul de a modifia o mrime de execuie a sistemului (debitul de combustibil, debitul de abur, concentraia reactantului, etc.).

Pentru fiecare SRA numrul mrimilor de execuie este limitat i n general mi mic dect numrul variabilelor independente. n practic se caut ca mrimile de execuie s nu prezinte variaii aleatoare (peturbatoare). Un exemplu ar fi compoziia materiilor prime, mrime ce poate prezenta modificri n procesul tehnologic [6] i deci va fi o mrime msurat i nu reglat.

n industria chimic i petrochimic fiecrui proces tehnologic i se poate ataa un SRA care poate regla automat un numr de variabile. De asemeni un numr de variabile ale procesului vor fi msurate. Valorile msurate i cu valorile reglate indic gradul de libertate al sistemului chimic. 2.3. Caracteristici statice ale procesului

Carateristica static a unui proces chimic este relaia care se stabilete ntre mrimile de intrare i mrimile de ieire ale acestuia (n regim staionar).

Dac sistemul are o singur ieire i o singur intrare, caracteristica static xe=f(xi) este reprezentat grafic ca i o linie. Dac linia este dreapt, procesul este linear i poate fi exprimat prin ecuaia:

(2.8)

Unde k este factor de transfer sau de amplificare.

Dac mrimile de intrare i de ieire au variaii relative mici x, n jurul unei valori x0, se poate nlocui caracteristica neliniar cu una liniarizat. De menionat c noua caracteristic static liniarizat este valabil doar n intervalul 2x, de variaie a mrimilor de intrare i ieire.

n acest interval 2x, dependena neliniar:

(2.9)

este nlocuit prin relaia

(2.10)

n care factorul de multiplicare (amplificare) al procesului devine:

(2.11)

n practic liniarizarea ecuaiei (2.9) se realizeaz prin neglijarea termenilor infiniti de ordin superior i anume (din relaia:

(2.12)

Figura 2.3. Caracteristici statice [6]

2.4. Caracteristici dinamice ale procesului

Regimul dinamic al unui sistem chimic, descrie comportarea dinamic a unui element, mrimile de intrare xi(t) i de ieire xe(t), fiind variabile n timp.

Ecuaia care descrie comportarea dinamic a procesului stabilete legtura ntre mrimile de intrare xi(t) i de ieire xe(t). Cea mai uzual caracteristic dinamic este rspunsul indicial (caracteristica indical) [6]. Deci rspunsul indicial ne arat modul n care variaz n timp mrimea de ieire atunci cnd mrimea de intrare variaz brusc (de la o valoare de intrare constant xio, la o alt valoare constant, xi, variaie ce n practic se traduce ca i semnal treapt (dac valoarea semnalului este egal cu o unitate, atunci semnalul este o treapt unitar xi=1).

Determinarea caracteristicilor statice i dinamice ale proceselor chimice se poate realiza prin aplicarea ecuaiilor de bilan (material, energetic i de informaie).

Procese de ntrziere (monocapacitive)

Acest tip de procese sunt descrise de ecuia:

(2.13)

n care T este o constant de timp, evaluat n uniti de timp i k este factorul de multiplicare.

Figura 2.4. Rspunsul indicial al procesului cu ntrziere monocapacitic [6]

a.Variaia treapt a mrimii de intrare

b.Rspunsul procesului (variaia de timp a mrimii de ieire)

Dac mrimea de intrare variaz sub forma de treapt de la xio, la o alt valoare constant, xi, atunci ecuaia 2.13 devine:

(2.14)

Sau,

(2.15)

Rspunsul elementului monocapacitiv la semnalul treapt de amplitudine xi, reprezint modul cum se modific n timp mrimea de ieire xe(t),

ntegrnd ecuaia 2.15 n limitele de la 0 la t obinem:

(2.16)

Adic:

(2.17)

ntroducnd limitele n ecuaia 2.17 se obine:

(2.18)

Respectiv:

(2.19)

Adic:

(2.19)

Analiznd ecuaia (2.19) se observ c semnalul treapt de amplitudine xi, are rspunsul:

(2.20)

Rspunsul indicial al elementului cu ntrziere monocapacitiv corespunztor unei trepte unitare xi=1

n acest caz ecuaia 2.20 devine:

(2.21)

i se observ c la t= , rezult xi()=k.

n cazul acestui element fluxul de ieire We depinde de cantitatea acumulat W. Astfel, dac fluxul de intrare se modific brusc, apare un dezechilubru n sistem i se modific cantitatea acumulat.

(2.22)

Pe msur ce se modific W se modific i We pn cnd se stabilete un nou regim de echilibru (staionar), n final obinndu-se We= Wi, cantitatea acumulat fiind din nou constant att timp ct se menine aceast stare. Aceste procese sunt definite ca autoreglatoare sau autostabilizante (deoarece sistemul revine la starea iniial n urma unei peturbaii, fr a avea o intervenie exterioar).

Figura 2.5. Reprezentarea grafic a elementului monocapacitic la un semnal treapt [6]

a.Variaia treapt a mrimii de intrare

b.Rspunsul procesului (variaia de timp a mrimii de ieire)

Procese integratoare

Procesele integratoare sunt descrise n regim dinamic de expresia:

(2.23)

ntegrnd ecuaia 2.23 obinem:

(2.24)

Dac xi(t) este o treapt de amplitudine xi, rspunsul procesului devine:

(2.25)

Figura 2.6. Rspunsul unui proces integrator grafic (astatic) la un semnal treapt de amplitudine xi [6]

n cazul acestui element, fluxul We=We0 este constant independent de acumularea W. la o modificare a fluxului Wi=Wi0+Wi, are loc un dezechilibru ntre We i We0, cantitatea acumulat W modificndu-se continuu fr a se restabili echilibrul static. Aceste procese sunt astatice (nefiind niciodat ntr-un regim static).

Rspunsul indicial al procesului integrator este de tipul:

(2.26)

Procese fr ntrziere

Procese fr ntrziere (proporional) n general nu exist, dar, unele procese cu constante mici de timp pot fi considerate, prin comparaie cu altele fr ntrziere.

n acest caz procesele dinamice sunt exprimate prin ecuaia:

(2.27)Rspunsul indicial al unui proces fr ntrziere este reprezentat n figura 2.7. Fa de celelalte dou procese menionate anterior, n acest tip de proces acumularea de energie sau material n regim dinamic sunt neglijabile (practic nule).

Figura 2.7. Rspunsul unui proces fr ntrziere (proporional) la un semnal treapt de amplitudine xi [6]

Procese cu timp mort

Procesele cu timp mort nu acumueaz material sau energie n regim dinamic, dar determin o ntrziere n transportul fluxului de energie (material) de la intrarea n sistem la ieirea din sistem.

Ecuaia de bilan este urmtoarea:

(2.28)n care reprezint timpul mort (timpul de transport).

Rspunsul indicial al elementului cu timp mort este dat de relaia:

(2.29)2.5. Determinarea experimental a caracteristicilor dinamice ale proceselor petrochimice

Determinarea experimental a rspunsului indicial al proceselor petrochimice dinamice este necesar pentru a determina tipul de regulator al procesului i gama de variaie a regulatorului.

Modul de lucru pentru a identifica rspunsul procesului const n variaia brusc cu 10% a mrimii de intrare i msurarea variaiei mrimii de ieire.

Figura 2.8. Rspunsul unui proces cu timp mort la un semnal treapt de amplitudine xi [6]

Prelucrarea datelor experimentale va determina constantele de timp, de amplificare i a timpului mort.Ca exemplu este prezentat n figura 2.9, rspunsul indicial al unui proces care poate fi considerat cu ntrziere, monocapacitiv.

Figura 2.9. Determinarea constantei de timp a procesului cu ntrziere monocapacitiv pe baza rspunsului indicial experimental [6]

n acest caz constanta de timp se determin cu ajutorul tangentei trasate la curba xe(t) prin punctul A. Din figura 2.9 se poate deduce c subtangenta (segmentul tA tB) este egal cu constanta de timp. Punctul B se afl la intersecia tangentei cu dreapta paralel la axa timpului xe(t)=xe.

Matematic, integrarea geometric a derivatei n punctul A, se poate scrie astfel:

(2.30)

(2.31)

Avnd n vedere c xe=k, iar

(2.32)

Se obine n final:

(2.33)

i

(2.34)Deci, dac treapta aplicat la intrarea procesului petrochimic are amplitudinea , atunci

La t=, avem i:

(2.35)n cazul proceselor cu ntrziere multicapacitive, rspunul indicial este dat de un punct de inflexiune A, din care panta curbei xe(t), ncepe s descresc. Un asemenea proces poate s fie aproximat printr-un element cu timp mort i un element cu ntrziere monocapacitiv, cu constant de timp T. Acesta se determin prin trasarea tangentei BC prin punctul A.

De asemenea i n acest caz ecuaia 2.35 este aplicabil.

Figura 2.10. Aproximarea unui proces cu ntrziere multicapacitiv printr-un element de timp mort i un element cu ntrziere monocapacitiv cu constant de timp T [6]2.6. Intrebari, probleme si exercitii1. Scriei ecuaia de bilan pentru un proces n regim static i dinamic,2. In cazul unui proces petrochimic, exprimarea gradelor de libertate ce implicaie are asupra modului de automatizare a acestuia,

3. Descriei caracteristica static i rspunsul indicial,

4. Care este forma general de descriere a comportrii statice i dinamice a unui proces,

5. Un rezervor dintr-un proces chimic este alimentat cu un debit de lichid de 10 mc/h, iar din rezervor se extrage lichid cu o pomp la un debit de 10 mc/h. n rezervor se menine un nivel constant de lichid H0=1 m. la un moment dat de timp debitul de alimentare crete brusc la 15 mc/h. Se dorete s se determine nivelul de lichid n rezervor dup 0,5 h i de asemeni ce comportare dinamic are procesul de acumulare.

mProcesul este integrator.6. ntr-un amestector cu agitator de volum V=10 mc se introduce cu un debit de Q10=100 mc/h, o soluie de SO4H2, de concentraie C10=90% , care trebuie diluat pn la o valoare de C0=40%, prin introducerea unei soluii C20=20% [6].Se cere s se determine:

Debitul nominal Q20 al soluiei C20,

Factorul de amplificare dintre intrare i ieire i mrimile de intrare ale procesului,

Rspunsul indicial.

Debitul nominal al soluiei C20Scriem ecuaia de bilan.C10Q10+ C20Q20 C0Q0= C10Q10+ C20Q20 C0(Q10+ Q20)=0

Mrimile de intrare i de ieire ale procesului sunt:

Din ecuaia de bilan n regim staionar rezult:

Deci mrimea de ieire a procesului este concentraia, iar mrimile de intrare sunt C1, Q1, C2 , Q2.

Factorul de amplificare dintre intrare i ieire

O s alegem ca i canal de automatizare, cel realizat ntre mrimea de intrare Q2 i mrimea de ieire.Pentru a determina factorul de amplificare pe un canal o s studiem comportarea procesului pe acel canal.

Mrimile de intrare ale celorlalte canale rmn constante i egale cu Q1, C1 i C2.

i

innd cont de faptul c: , ecuaia de mai sus devine:

Neglijnd infinitul mic de ordinul doi , ecuaia de mai sus devine:

In care , este mrimea de ieire i este mrimea de intrare i factorul de amplificare (de transfer al canalului studiat) este:

.Semnul ne indic faptul c la creterea mrimii de intrare, mrimea de ieire scade i invers.Rspunsul indicial

Pentru a determina rspunsul indicial se utilizeaz ecuaia de bilan n regim dinamic.

Ecuaia de bilan se poate scrie astfel:

innd cont de ecuaia de bilan n regim staionar i neglijnd , ecuaia de mai sus devine:

mprind cu Q0 se obine ecuaia ce descrie dinamica procesului pe canalul respectiv i anume:

.

n ecuaia de mai sus :

, este ecuaia constantei de timp, iar ecuaia factorului de transfer este:

Deci pe acest canal, procesul este monocapacitiv (cu ntrziere) i rspunsul indicial este:

, unde t este exprimat n ore, iar

2.7. Proiectarea sistemelor de automatizare a proceselor chimiceControlul proceselor din industria petrochimic reprezint o problem complex ce trebuie abordat de ctre inginerii tehnologi mpreun cu specialitii n automatizri.

Prin automatizarea proceselor petrochimice se va ncerca s se conduc procesul tehnologic n mod optim i n siguran i de asemenea:A. S se efectueze msurarea principalelor variabile ale procesului tehnologic,

B. S se determine prin calcul i alte variabile ale procesului,

C. S se semnalizeze depirea limitelor inferioare i/sau superioare a anumitelor variabile ale procesului,

D. S efectueze reglarea unor parametrii ai procesului tehnologic (a variabilelor de ieire a procesului),

E. S modifice programat unele variabile,

F. S protejeze instalaia.

Pentru a elabora un plan de automatizare este necesar a se parcurge urmtoarele etape:

a. Analiza procesului tehnologic i a instalaiilor n care se desfoar,b. Analiza circuitelor de reglare necesare desfurrii procesului n condiii de siguran,c. Detectarea peturbaiilor ce pot aprea n cadrul desfurrii procesului i a nivelului valoric al acestora,

d. Alegerea elementelor de msurare i a elementelor de execuie,

e. Stabilirea tipurilor de aciuni de reglare i a tipurilor constructoare a regulatoarelor,

f. Analiza posibilitilor de a implementa un calculator de proces n vederea conducerii automate a procesului.

n prima etap este necesar cunoaterea procesului tehnologic. Se vor analiza bilanurile de materiale, energie, informaie precum i tehnologiile de lucru aplicate procesului tehnologic.

De asemenea se vor analiza valorile maxime i minine ale parametrilor instalaiilor tehnologice pentru funcionare n siguran a procesului.

In a doua etap se determin ecuaiile modelului matematic, care descrie cel mai bine comportarea sistemului. De asemenea se va alege parametrul de ieire care poate fi msurat continuu, cu o precizie mare i mai ales cu rapiditate n indicaie, cel care va fi n final reglat.

Parametrii care sunt reglai n industria chimic sunt:

Debitul de fluid,

Nivelul de lichid,

Temperatura,

Concentraia produsului final,

Presiunea.

In etapa a treia se determin calitatea peturbailor din sistem i nivelul acestora. De menionat c o peturbaie din sistem va fi ataat parametrului care se regleaz, celelalte fiind peturbaii care se vor regla implicit (sisteme de rglare automat, sisteme de reglare auxiliare, etc).

Aparetele de msur se vor alege n etapa a IV-a, acestea fiind cu precizie mare i cu o siguran sporit n funcionare (n industria petrochimic fiind prezente fenomene corozive i erozive).

Elementele de execuie trebuie astfel dimensionate nct procesul s aib o comportare ct mai liniar. Amplasamentul acestora se va face astfel nct timpul mort ce apare n cazul unei comportri dinamice s fie redus la minim.

La alegerea tipului de aciune se alege o reglare continu sau dicontinu. n cazul unui proces petrochimic cu o comportare oscilant se alege o aciune discontinu bipoziional.

In cazul aciunii de reglare continue se alege un regulator de tipul proporional (mai ales la reglarea debitului de fluid).

n cazul unui proces petrochimic de ordin superior cu un regim tranzitoriu redus i abateri mici, se alege un regulator Proporional derivativ.

Reglarea proceselor prin metoda integral se aplic proceselor care nu admit abateri staionate ale parametrului reglat (cazul proceselor ce nu necesit un timp de reglare redus i abatere dinamic mic).

Pentru un proces care necesit o calitate ridicat a procesului de reglare, se recurge la aciunea PID (reglarea temperaturii unui reactor chimic se face prin procese de acest tip).

Pentru reglare se utilizeaz regulatoare electrice (electronice), electro-pneumatice sau pneumatice.

Alegerea tipului de regulatoare ine seama de zona de amplasare (posibilitatea de a aprea o atmosfer exploziv-caz n care se utilizeaz regulatoare pneumatice), de distana de comand (pentru distane mari se utilizeaz regulatoare electrice -electronice).

n ultima etap de analiz a necesitii automatizrii instalaiilor chimice, se va acorda o atenie deosebit implementrii sistemelor automate de achiziie de date, supervizare i control, prin implementarea de elemente de tip SCADA (PLC, calculatoare de proces, etc.).

2.8. Reprezentarea grafic a sistemelor automate

Pentru reprezentarea schematic a sistemelor automate se utilizeaz n practic standardul ISA ANSI/ISA-5.1-2009, Instrumentation Symbols and Identification i Instrument Loop Diagrams ANSI/ISA-S5.4-1991, ambele editate de ctre International Society of Automation [7,8].

n Romnia a fost editat standardul STAS 6755-81, Semne convenionale i simboluri literale, care nu mai este in vigoare.

n prezent pentru industria chimic se utilizeaz setul de standarde ISO 14617, Graphical symbols for diagrams.

Toate aceste standarde utilizeaz pentru reprezentarea grafic a schemelor de automatizare, pictograme, care sunt utile pentru nelegerea procesului tehnologic (scheme P&ID-Piping and Instrumentation Diagram).

Elementele de msurare i control ce apar n scheme sunt:

a. Elementul primar (detector, senzor), este acea parte a aparatului ce percepe valoarea variabilei de proces i care poate fi separat sau integrat cu alte elemente dintr-o bucl de msur,

b. Trasmiter, este un dispozitiv care preia valorile variabilei de proces citite de ctre elemental primar i le transmite ctre un calculator (regulator),

c. Elementul de execuie reprezint dispozitivul care transpune aciunea sistemului automat asupra procesului.

Pentru un proiect de automatizare este necesar construirea urmtoarelor diagrame:a. Planul de aplasare a instalaiilor petrochimice,b. Diagrama de flux, care prezint procesul tehnologic studiat,c. Diagrama P&ID care este o diagrama a utilajelor chimice, a procesului tehnologic principal, a instrumentelor de msur precum i a buclelor de reglare i monitorizare necesare,

d. Diagrama de funcionare a instrumentelor de msur, a buclelor de reglare i a softurilor associate,

e. Diagrama binar logic,

f. Schema electric.Modul de identificare a utilajelor din schemele tehnologice

Utilajele din schemele tehnologice (PFDi P&ID) sunt identificate prin urmtoarea formul:

XX-YZZ A/B

(2.36)

Unde:

XX-reprezint simbolul utilajului chimic conform tabelului 2.1.Y-indic arealul (zona) din combinatul petrochimic,

ZZ-reprezint numrul echipamentului,

A/B ne indic dac echipamentul studiat este prevzut i cu echipament de rezerv.

Modul de identificare a aparatelor de msur

Fiecare aparat trebuie identificat prindefinirea:

a. Tipului de aparat,

b. Locului de montaj,

c. Funcionabilitatea acestuia,

d. Stabilirea buclei de msur i control.

Un mod de identificare a aparaturii de controli msur este redat n standarul ISA 5-1.

Tabelul 2.1. Simbolul utilajului chimic

SimbolEquipmentTip utilaj

AAIRCOOLERRacitor cu aer

BBOILERBoiler

CCOLUMNColoan

DDRUM

EEXCHANGERSchimbtor cldur

EREBOILERRefierbtor

EWATER TRIM COOLERRacitor cu ap

EECONOMIZERRecuperator cldur

ECHILLERPomp de cldur

F/HFURNACE / HEATERCuptor/nclzitor

KCOMPRESSORCompresor

JJET MIXERMixer

JINJECTORInjector

JEJECTOREjector

JEDUCTOR

MELECTRIC MOTORMotor electric

MCMATERIAL HANDLING EQUIPMENTEchipament de ridicare

MDDRYERSUsctor

MEUNLESS OTHERWISE INDICATEDUtilaje cu indicaie special

MSSEPARATORSeparator

MXMIXERAmestector

PPUMPPomp

PELECTRICAL MOTORMotor electric

PDRIVERUtilaj transport

RREACTOR

TTURBINETurbin

TKSTORAGE TANKTanc depozitare

V VESSELVase depozitare

Aplicaia 2.1. S se identifice instrumentul TIC103 i 10-PAH-5A.

TIC 103 numrul i tipul instrumentului din diagrama de instrumentaie i conducte,

T 103-identificare bucl de msur (aparat de msur),

103-numr bucl (aparat de msur),

TIC -funcia (parametrul) msurat,

T -prima liter care indic parametrul msurat, IC -literele care succed indic modul de amplasare i de control.10-PAH-5A

10 -opional prefix,

PAH indicator de presiune, cu alarm,

A-opional sufix.

Tabelul 2.1. Semne convenionale conducte i linii [7]Nr. Crt.SimbolDescriere

1Linie de transmisie mecanica

2Semnal pneumatic

3

Semnal electric

4Semnal hidraulic

5Semnal soft

6Conducta izolat

7Conduct

8Conduct cu nclzire ap sau abur

9Conduct cu insoitor de nclzire electric

LUCRAREA 3EVALUAREA ERORILOR DE MASURARE

1. Obiectivul lucrarii

d. dezvoltarea abilitilor de a utiliza aparatele de msur;

e. evaluarea erorilor de msurare i verificarea clasei de precizie a aparatului de msur;

f. evaluarea indicatorilor statistici i nelegerea calitii msurrii.

2. Notiuni teoretice

Msurarea unei marimi fizice, reprezint procesul de comparare a acesteia cu o alt mrime de aceiai natur. Mentionam ca marimea de baza folosita pentru masurare este adoptat ca element de comparaie i considerat drept, unitate de msur.

Notam cu X marimea fizica pe care o masuram, cu [X] unitatea de masura a marimii fizice si cu x valoarea marimii fizice si marimea unitatii de masura, respectiv:

Orice masuratoare este afectata de erori, care fac ca valoarea exacta a marimii fizice sa fie greu de definit. Notam cu xf , valoarea reala a marimii fizice.

Fie un sir de citiri x1, x2, x3, , xn, acestea fiind masuratori efectuate in conditii identice, pe aparatul de masura.

Problema care apare este ca avand acest sir de masurari, sa determinam daca nu valoarea reala, valoarea pe care o numim cea mai probabila si pe care o numim simplu x.

Definim eroarea sau abaterea absoluta asupra masuratorii cu numarul i din sir ca fiind:

(2.2.)

Se observa ca eroarea absoluta este o marime dimensionala si are unitatea de masura identica cu marimea fizica.

De asemeni definim eroarea relativa ca fiind:

(2.3.)

Eroarea relativa este adimensionala. Daca se inmulteste cu 100 rezultatul se exprima in procente.

Se defineste la fel eroarea absoluta medie:

(2.4.)

Totodata definim eroarea patratica medie ca fiind:

(2.5.)

Dupa cum se observa, calcularea parametrilor de mai sus care descriu precizia masuratorii este dificila fiindca nu se cunoaste valoarea reala a marimii fizice din cauza erorilor care afecteaza masuratorile.

3. Clasificarea erorilor

Erorile sunt clasificate dupa cauzele care conduc la acestea.

a. Erori sistematice

Eorile sistematice au urmatoarele caracteristici:

daca se modifica conditiile de masurare, ele se mentin constante,

daca se modifica conditiile de masura legice, atunci si erorile sistematice se modifica legic.

Erorile sistematice apar datorita:

defectiunilor sau reglajelor defectuoase ale aparatelor de masura (cauze instrumentale),

determinarii valorii cerute functie de o marime masurata. Daca dependenta nu este cunoscuta correct, atunci oricat de precisa ar fi masuratoarea experimentala, determinarea este afectata de erori,

motivatiilor personale ale celui ce efectueaza experimental. Cea mai frecventa eroare se datoreaza citirii defectuoase a valorilor exprimate pe scala.

b. Erori grosolane

Aceste erori apar datorita citirii eronate de pe aparat, cunoasterea gresita a depedendentei teoretice si de functionarea defectuoasa a aparatelor de masura. Erorile grosolane se identifica prin valorile foarte diferite, fata de celelate valori. Aceste valori nu se prelucreaza ci se exclud din sirul de masuratori.

c. Erori intamplatoare

Aceste erori apar cel mai des si includ toate celelalte erori.

Au urmatoarele caracteristici:

erorile pozitive sunt la fel de probabile ca si erorile negative,

erorile mari sunt mai putin probabile ca si erorile mici,

sunt limitate ca marime.

4. Erorile legate de masuratorile directe

Prin masuratori directe se inteleg acele masuratori ale marimii fizice X, pentru care exista un aparat de masura. O masuratoare presupune punerea in contact a aparatului de masura cu sistemul de investigat si citirea valorilor marimii de pe scala aparatului.

Notam cu x valoarea cea mai probabila a marimii fizice pe care intentionam sa o determina. Aceasta valoare nu o cunoastem inca. Pentru a o deduce trebuie sa avem in vedere ca aceasta valoare este cea mai apropiata de toate valorile din sir. Matematic definim functia f(x) ca suma diferentelor dintre x si fiecare valoare din sir. Impunem ca valoarea functiei sa fie minima. Dezavantajul acestei metode consta ca trebuie sa lucram pe n+1 intervale.

O alta metoda de a sterge semnul diferentelor consta in definirea functiei ca suma patratelor abaterilor:

(2.6.)

Criteriul de gasire a valorii cea mai probabila prin minimizarea sumei patratelor abaterilor se numeste criteriul lui Gauss sau metoda celor mai mici patrate. Daca derivam si anulam derivata, gasim:

(2.7.)

Valoarea cea mai probabila a masuratorilor, este media aritmetica a valorilor din sir. Daca valoarea cea mai probabila indeplineste criteriul lui Gauss atunci functia de distributie este functia lui Gauss, care are expresia:

(2.8.)

Functia in sine nu are semnificatia unei probabilitati ci a densitatii de probabilitate. Probabilitatea ca in urma unei masuratori sa obtinem o valoare care este departata de valoarea reala cu o eroare cuprinsa in intervalul si se calculeaza ca aria de sub curba functiei de distributie, respectiv:

(2.9.)

Reprezentata grafic functia de distributie arata ca in figura 2.1.

Normal functia fiind o densitate de probabilitate.

(2.10.)

In ecuatia (2.8.), h este definit ca fiind parametrul distributiei, parametru legat direct de precizia masuratorilor. Cu cat masuratorile sut mai imprecise, cu atat mai mult h este mai mare si curba este aplatizata.

Analizand curba functiei de distributie regasim proprietatile enumerate la erorile intamplatoare.

Pentru masuratorile directe redefinim unele marimi functie de media aritmetica nu fata de valoarea reala, pe care nu o cunoastem. Astfel:

eroarea aparenta asupra masuratorii cu numarul i se calculeaza ca fiind:

(2.11.)

eroarea aparenta medie (uzual eroarea medie) este legata de parametrul distributiei:

(2.12.)

-eroarea patratica (aparenta) medie este:

(2.13.)

-eroarea standard a medie este:

(2.14.)

-eroarea probabila este:

(2.15.)

-eroarea relativa a masuratorilor se caracterizeaza ca fiind:

.

(2.16.)

5. Modul de prelucrare a datelor in masuratori directe

In cazul efectuarii unor masuratori directe, in conditii identice, deci fara a modifica montajul experimental, se culege sirul experimental.

Apoi:

a. se calculeaza media aritmetica a valorilor din sir, valoarea care este si valoarea cea mai probabila,

b. se calculeaza eroarea aparenta pentru fiecare determinare cu relatia (2.12.),

c. se calculeaza eroarea patratica aparenta medie cu relatia (2.13.),

d. se calculeaza eroarea relativa cu relatia (2.16.),

e. rezultatul final se scrie sub forma:

sau

(2.17.)

Semnificatia rezultatului este ca in urma masuratorilor efectuate, 68 % din rezultate se gasesc in intervalul .

Figura 2.1. Distributia citirii masuratorilor la un experiment

5. Masuratori indirecte

Prin masuratori indirecte definim acele masuratori pentru care nu avem aparat de masura care pus in contact cu sistemul de investigat afiseaza valoarea marimii de interes z dar cunoastem dependenta lui z fata de alte marimi fizice z=f(x1, x2,,xn), pe care le putem masura direct.

In acest caz se procedeaza la efectuarea masuratorilor directe pentru marimile fizice x1, x2,,xn si se calculeaza valoarea medie, abaterea medie, abaterea patratica medie, pentru fiecare dintre cele n marimi de care depinde z.

Valoarea medie este data de relatia:

(2.18.)

Eroarea aparenta medie se calculeaza ca fiind:

(2.19.)

Eroarea patratica (medie) se calculeaza ca fiind:

(2.20.)

Se observa ca erorile medii sunt medile ponderate ale erorilor aparente medii pentru fiecare din marimile fizice care intervin in expresia lui z, ponderele fiind modulele sau patratele derivatelor partiale ale functiei in raport cu acele variabile.

Eroarea relativa in determinarea marimii z se calculeaza astfel:

(2.21.)Rezultatul final se scrie sub forma:

sau

(2.22.)6. Erorile la citirea de pe aparatele de masura

Toate aparatele de masura au o clasa de precizie care este inscrisa pe scala aparatului. Clasa de precizie se exprima in procente (=3 %) si este definite ca fiind eroarea relative cea mai mica ce se poate obtine in urma unei masuratori. Fie x eroarea la citire de pe aparat. Atunci eroarea cea mai mica se obtine cand determinarea corespunde valorii maxime ce se poate masura, adica este definite ca fiind:

(2.23.)

In cazul unei masuratori arbitrare in care valoarea marimii de referinta este x, eroarea relative este calculata ca fiind:

(2.24.)

Cand facem masuratori cu un aparat electric, intai potrivim comutatorul pe functiunea dorita, respective pe voltmetru daca dorim sa masuram o tensiune. Apoi il comutam pe scala de valoarea cea mai mare, pentru a fi siguri ca nu ardem voltmetrul. Dupa aceea citim prima valoare, cu precizie scazuta, deoarece deviatia este cel mai probabil la capatul din stanga a scalei, rotim comutatorul spre scala cu valoare maxima din ce in ce mai mica, pana obtinem deviatii catre capatul din dreapta a scalei, care corespunde erorii minime, apropiate de clasa de precizie.Daca pe aparat nu este indicata clasa de precizie, se considera ca eroarea la citire x este jumatate din deviatia minima. Ca exemple uzuale avem: 0,5 mm la masurarea lungimii cu un liniar; 0,2 secunde la masurarea timpului cu un cronometru obisnuit. Eroarea relative se calculeaza cu relatia (2.24.).

7. Intrebari, probleme si exercitii

1. Ce este un sir de valori experimentale,

2. Enumerati marimile folosite la estimarea erorilor de masura,

3. Prezentati clasificarea erorilor,

4. Ce distributie au erorile intamplatoare,

5. Ce semnifica eroarea relativa aparenta medie,

6. Ce reprezinta eroarea patratica medie,

7. Ce reprezinta clasa de precizie a unui aparat de masura.

Problema 1. Fie un multimetru cu care determinam tensiunea dintr-un circuit electric construit ca in figura 2.2.

Valorile masuratorilor sunt urmatoarele:

Tensiune

LUCRAREA 4INTOCMIREA DIAGRAMELOR DE PROCES SI A DIAGRAMELOR CAUZA-EFECT

1. Obiectivul lucrarii

a. dezvoltarea abilitatilor de citire si interpretare a Diagramelor de Proces si Debit (P & FD) precum si a Diagramelor Conductelor si Instrumentatie (P & ID), utilizate in industria de petrol, petrochimie si gaze;

b. realizarea de Diagrame Cauza Efect necesare elaborarii unor planuri de automatizare a instalatiilor tehnologice.

2. Notiuni teoretice

Automatizarea proceselor de producie din industria petrochimic, reprezinta o investitie complex ce trebuie abordat de catre colective mixte de specialisti.

Elaborarea unui plan de automatizare cuprinde n general, urmtoarele etape:

I. Analiza procesului tehnologic precum i studiul instalaiilor n care se desfoar.

II. Identificarea si evaluarea procesului tehnologic.

III. Precizarea circuitelor de reglare necesare unei bunei desfurri a procesului tehnologic si asigurarea securitatii instalatiilor si oamenilor.

IV. Analiza mrimilor de perturbaie la care vor fi expuse circuitele de reglare propuse.

V. Alegerea elementelor de msurare precum i a elementelor de execuie.

VI. Alegerea tipurilor de aciuni de reglare i a modului de constructie a regulatoarelor.

VII. Analiza posibilitilor de implementare a unui calculator de proces, n vederea conducerii automate.

n prima etap se studiaz amnunit procesul tehnologic. De asemeni se realizeaza schema tehnologica a procesului. Se analizeaz condiiile de lucru ale instalaiilor, dependena regimului de funcionare al instalaiilor de parametrii procesului tehnologic, precum i influena acestor parametrii asupra calitii produselor. De asemeni se studiaza randamentului de prelucrare i randamentului energetic al procesului.

Fr cunoaterea amnunit a acestor aspecte este greu de obtinut un plan raional de control a proceselor, care sa asigure toate avantajele tehnico-economice oferite de automatizare.

n etapa a II-a se realizeaza identificarea procesului, prin una din metodele cunoscute, n concordan cu modelul matematic determinat.

In urma studiul procesului tehnologic, n etapa a II-a se identific parametrii procesului care prin valoarea lor sunt o msur ct mai direct pentru regimul de funcionare al instalaiilor. De asemeni se determina si acei parametrii a cror stabilizare prin reglare automat imprim instalaiei o funcionare sigur i uniform.

Parametrii alesi pentru reglarea sistemului sunt adoptai ca mrimi de ieire si trebuie avuta n vedere i posibilitatea msurrii acestor mrimi.

Mentionam ca in automatizarea proceselor chimice doar parametrul care poate fi msurat continuu, cu precizie suficient i fr ntrziere de indicaie mare, poate ndeplini rolul unui parametru reglat.

n etapa a III-a dup desemnarea parametrilor reglai (mrimi de ieire), se analizeaz dependena acestor marimi fata de ceilali parametri ai procesului tehnologic, n vederea alegerii mrimilor de execuie.

Ca mrime de execuie se alege acel parametru, fa de care marimea reglata prezint o dependen lineara si pronuntata. Acest parametru poate fi modificat uor n limite largi. n industria petrochimic, ca mrimea de execuie se alege de obicei debitul unui fluid.

Din punct de vedere economic, este important ca procesul tehnologic sa fie controlat cu cat mai putine circuite de reglare.

In etapa a IV-a se realizeaza analiza mrimilor de perturbaie pe baza datelor obtinute la alegerea marimilor de executie.

Pentru studiul proceselor chimice se considera ca doar un parametru este ales ca marime de executie, restul fiind marimi de peturbatie.

La analiza marimilor de peturbatie se aleg doar acelea care au o influenta pronuntata asupra marimii de iesire (prezinta variatii mari si frecvente). Pentru aceste marimi trebuie luate o serie de masuri speciale pentru atenuarea efectelor (combinarea circuitului de reglare cu un sistem de comanda automata), stabilizarea sistemelor (prin circuite de reglare auxiliara).

Etapa a V-a a proiectarii sistemelor de automatizare o reprezinta alegerea traductoarelor si a elementelor de executie. Elementul de masurare trebuie sa aiba precizie de determinare a valorii citite, siguranta in exploatare si intarzieri de indicatie mici.

Pentru elementul de executie trebuie sa fie aleasa dimensiunea dispozitivului de executie astfel incat acesta sa asigure o comportare cat mai lineara a procesului tehnologic.

De asemeni in aceasta etapa se alege si locul de amplasare a elementelor de masurare si a elementelor de executie, astfel incat in timpul comportarii dinamice a procesului automatizat, timpul mort sa fie redus la minim.

In etapa a VI-a se alege modul de reglare a sistemului si anume reglarea discontinua sau continua.

Dac procesul tehnologic are o comportare oscilanta a marimii reglate se alege o actiune bipozitionala discontinua. Aceasta comportare este analizata cu aparatura simpla.

In cazul actiunilor de reglare continue se foloseste ca actiune de automatizare, actiunea P (actiunea proportionala), daca procesul tehnologic tolereaza abateri stationare ale procesului reglat. Aceasta actiune de reglare tip P o regasim cel mai des la reglarea nivelului de fluid in rezervoare.

Daca procesul de automatizat este de ordin superior si cere un regim tranzitoriu scurt cu abateri dinamice mici, atunci se recurge la actiunea de reglare a sistemului de tipul PD (proportional, derivata). Daca este necesara o reglare fina a procesului de automatizare se recurge la actiunea PID (proportional, integrativa si derivata). Acest tip de actiune se aplica reglarii temperaturii proceselor chimice.

In privinta tipurilor constructive

n privina tipurilor constructive de elemente de automatizare, n industria chimic trebuie ales ntre elemente pneumatice, electrice (electronice) i electro-pneumatice.

Dac este vorba de o automatizare convenional, fr utilizarea tehnicii de calcul i distanele la care trebuie transmise semnalele nu depesc 250-300 m, sunt n general, preferate elemente de automatizare pneumatice. n condiiile utilizrii calculatoarelor pentru supravegherea i conducerea optimal a proceselor tehnologice, trebuie luat n discuie eventualitatea realizrii circuitelor de reglare cu elemente de automatizare electrice sau electro-pneumatice.

Hotrrea de a utiliza elemente de automatizare electrice depinde i de faptul dac n cadrul procesului tehnologic pot aprea amestecuri explozive. Asemenea amestecuri se pot aprinde n contact cu anumite pri din aparatura electric, chiar dac este antiexploziv, n cazul unor defeciuni survenite la aceast aparatur.

Sistemele de automatizare electro-pneumatice, elaborate n ultimii ani, constituie o sintez ideal ntre aparatura de automatizare electric i pneumatic, cu largi posibiliti de aplicare n tehnologia chimic.

Etapa a VII-a se bazeaz pe studiile efectuate n celelalte etape i are un pronunat caracter economic. Aici trebuie s se calculeze indicele de rentabilitate i mai ales indicatorul care se refer la timpul de recuperare a investiiei fcute prin implementarea calculatorului, investiii care, n general, sunt destul de ridicate.

Analiznd etapele elaborrii unui plan de automatizare, se constat c n cadrul fiecrei etape sunt necesare, pe lng cunotine de automatizare, i temeinice cunotine de inginerie chimic. Ca atare, la elaborarea unui plan de automatizare, inginerul mecanic care proiecteaz i ntreine utilajul chimic i revine un rol important. Buna ndeplinire a acestui rol cere din partea acestuia i cunotine corespunztoare din teoria i tehnica reglrii automate.

LUCRAREA 4

CONSTRUCTIA INSTALATIILOR DE MASURA,

ACHIZITIE SI PRELUCRARE A DATELOR

DE TIPUL SCADA 1. Obiectivul lucrarii

a. dezvoltarea abilitatilor de citire si interpretare a Diagramelor de Proces si Debit (P & FD) precum si a Diagramelor Conductelor si Instrumentatie (P & ID), utilizate in industria de petrol, petrochimie si gaze;

b. realizarea de Diagrame Cauza Efect necesare elaborarii unor planuri de automatizare a instalatiilor tehnologice.

2. Notiuni teoretice

Automatizarea proceselor de producie din industria petrochimic, reprezinta o investitie complex ce trebuie abordat de catre colective mixte de specialisti.

Descrierea CIP a Bibliotecii Naionale a Romniei

CHIS, TIMUR

Automatizarea proceselor petrochimice

(ndrumar de laborator)

Timur Chi-Iai: PIM, 2015.

ISBN

UNIVERSITATEA OVIDIUS CONSTANTAFACULTATEA DE TIINE APLICATE I INGINERIEDISCIPLINA AUTOMATIZAREA PROCESELOR PETROCHIMICE(TIMES NEW ROMAN, bold, 1,5 randuri spatiere, centrat 14 pt)

TITLUL REFERATULUI

STUDENT,

ANUL 3, TEHNOLOGIA PETROCHIMICA

TITULAR DISCIPLINA,

SEF LUCRARI DR.ING. TIMUR CHIS