Введение к работе
Актуальность темы диссертации. За последнее десятилетие существенно возросли количество и диапазон потребителей продуктов разделения воздуха, а ежегодный рост потребности в кислороде составляет в среднем ~4…5% за счет повышения спроса в черной металлургии, химической промышленности, производстве алюминия и других отраслях промышленности и социальной сферы.
Существенная доля потребителей кислорода использует в своей деятельности не столько чистый кислород, сколько воздух, обогащенный кислородом от 30 до 90 об. %. По этим причинам в последние годы все большее распространение получает адсорбционный метод разделения воздуха как наиболее прибыльный для потребителей, которые используют кислород и азот неравномерно во времени.
Установки адсорбционного разделения воздушной смеси по методу короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА) отличаются способом создания движущей силы (разности равновесных концентраций на стадиях адсорбции и десорбции) и используют в качестве адсорбентов синтетические цеолиты и активированные угли. Установки напорного типа работают от источника избыточного давления, и продукционный газ может непосредственно отводиться потребителю. Приведенные затраты электроэнергии на производство кислорода с концентрацией 90 об. % в установках КБА колеблются от 1,5 до 1,8 кВтч/м3, что в несколько раз выше затрат на получение кислорода методом низкотемпературной ректификации. Поэтому установки напорного типа отличаются невысокой производительностью и применяются на производствах, где остро стоит проблема доставки и хранения кислорода. Основными достоинствами установок КБА являются их автономность, мобильность, надежность и быстрый выход на стационарный периодический режим. Затраты энергии в установках, в которых кислород получают при практически атмосферном давлении, а для десорбции азота используют вакуумиро-вание, существенно ниже и составляют ~0,5…0,7 кВтч/м3.
Наивысшие значения степени извлечения кислорода и производительности достигаются в установках КБА, в которых стадия адсорбции осуществляется при избыточном давлении, а стадия десорбции – под вакуумом.
Повышение уровня автоматизации установок КБА для получения компонентов воздушной газовой смеси связана как с трудностями математического моделирования и оптимизации процессов массо- и тепло-переноса, сопровождающих процесс адсорбции, так и со сложностью учета взаимных связей всех устройств, входящих в их состав. В состав технологической схемы процесса КБА входят, как правило, от двух до четырех аппаратов-адсорберов, заполненных гранулированным адсорбентом, побудители расхода (воздушный компрессор, вакуум-насос
и др.), ресиверы, клапаны, предназначенные для изменения давления в адсорберах (десорберах) и управления потоками воздуха.
В связи с этим, тема диссертационной работы, посвященная математическому, информационному и алгоритмическому обеспечению создания автоматизированных технологических установок короткоцикло-вой адсорбции для обогащения воздуха кислородом и систем управления ими, является актуальной в научном и техническом плане.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с госзаданием (проектная часть) Минобрнауки Тамбовскому государственному техническому университету № 10.3533.2017/ПЧ по теме «Аппаратно-программный комплекс для исследования циклических адсорбционных процессов очистки и разделения газовых смесей».
Цель и задачи исследования. Разработка алгоритма оптимизации и системы автоматического управления циклическим адсорбционным процессом обогащения воздуха кислородом, обеспечивающих поддержание максимальной степени извлечения кислорода при выполнении требований технологического регламента по чистоте кислорода, производительности установки и ресурсосбережению гранулированного адсорбента.
Для достижения сформулированной цели были решены следующие задачи.
-
Формализовано описание и выполнена алгоритмизация процесса адсорбционного разделения воздуха и концентрирования кислорода в 2-адсорберной установке КБА.
-
Сформулирована задача идентификации параметров математической модели процесса обогащения воздуха кислородом в установке КБА и разработан алгоритм ее решения.
-
Проведены численные исследования системных связей и закономерностей объекта управления – процесса обогащения воздуха кислородом в установке КБА при имитации действия различных возмущающих воздействий; определены области допустимых режимов функционирования установки КБА.
-
Поставлена и исследована задача оптимизации (в смысле определения максимума степени извлечения кислорода) процесса обогащения воздуха кислородом в установке КБА с учетом выполнения требований по чистоте кислорода, производительности установки и ресурсосбережению гранулированного адсорбента; разработан алгоритм ее решения.
5. Разработаны:
– адаптивная автоматизированная система управления режимами
функционирования установки КБА;
– математическое, алгоритмическое и программное обеспечение для проектирования автоматизированных процессов адсорбционного разделения воздуха и концентрирования кислорода методом КБА.
Объект исследования. Системы и алгоритмы управления процессом адсорбционного разделения воздуха и концентрирования кислорода методом КБА.
Предмет исследования. Математическое, информационное и алгоритмическое обеспечение создания автоматизированных циклических адсорбционных процессов обогащения воздуха кислородом; научные основы и методы идентификации объекта управления; формализованное описание и алгоритмизация, оптимизация и имитационное моделирование функционирования автоматизированной системы управления циклическими процессами адсорбционного обогащения воздуха кислородом.
Методы исследования. При решении поставленных задач были использованы методы теории автоматического управления, системного анализа, математического моделирования, оптимизации, процессов и аппаратов химической технологии.
Научная новизна работы. Разработан метод математического моделирования установки КБА при обогащении воздуха кислородом, отличающийся учетом влияния процессов массо- и теплопереноса в газовой и твердой фазах на кинетику диффузионного переноса адсорбтива (азота, кислорода) в пределах единичного адсорбера, возмущающих воздействий (состава, температуры и давления атмосферного воздуха) и увязкой между собой моделей всех устройств (запорной и регулирующей арматуры (клапанов, дросселей и т.п.), адсорберов, ресивера), входящих в состав установки КБА; (п. 4 паспорта специальности 05.13.06).
Сформулирована и решена задача идентификации параметров математической модели с использованием метода регуляризации и экспериментальных данных, полученных методом физического моделирования на пилотных установках КБА в лабораторных и опытно-промышленных условиях (п. 6 паспорта специальности 05.13.06).
Поставлена и исследована задача оптимизации режимных параметров функционирования установки КБА для обогащения воздуха кислородом, отличающаяся использованием интегрального учета степени извлечения кислорода на отрезке времени выхода установки КБА на стационарный периодический режим, требований технологического регламента по чистоте кислорода, производительности и ресурсосбережению установки КБА; разработан алгоритм ее решения (п. 11 паспорта специальности 05.13.06).
Разработаны алгоритм и 2-уровневая система адаптивного управления процессом КБА при обогащении воздуха кислородом, обеспечивающие оперативное решение задачи оптимизации (на верхнем уровне) и изменение задания программному задатчику автоматической системы управления (на нижнем уровне) (п. 15 паспорта специальности 05.13.06).
Практическая ценность работы. Разработано алгоритмическое обеспечение адаптивной системы автоматического управления процессом концентрирования кислорода, обеспечивающее поддержание максимальной степени извлечения кислорода при выполнении требований технологического регламента по чистоте кислорода, производительности установки и ресурсосбережению гранулированного адсорбента.
Результаты диссертации внедрены в ООО «Системы Моделирования» г. Тамбов и ООО «Экотехнологии» г. Тамбов.
Основные положения, выносимые на защиту:
– метод математического моделирования динамических режимов функционирования установки КБА при обогащении воздуха кислородом;
– постановка и алгоритм решения задачи оптимизации процесса обогащения воздуха кислородом в установке КБА с учетом выполнения требований по чистоте кислорода, производительности установки и ресурсосбережению гранулированного адсорбента;
– алгоритмическое обеспечение адаптивной системы автоматического управления процессом адсорбционного разделения воздуха и концентрирования кислорода.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались: на международных научно-практических конференциях «Математические методы в технике и технологиях» – ММТТ-25 в 2012 г.; «Достижения и перспективы естественных и технических наук» в 2012 г.; «Модернизация современного общества: проблемы, пути развития и перспективы» в 2013 г.; на научных семинарах кафедры «Информационные процессы и управление» ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» и ОАО «Корпорация «Рос-химзащита» г. Тамбов.
Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 статьи – в рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основной текст диссертации изложен на 157 страницах машинописного текста, включает 59 рисунков и 6 таблиц. Список литературы содержит 157 наименований.