Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы энергосбережения в химической промышленности 8
1.1. Основные направления экономии энергоресурсов в химической промышленности 10
1.1.1. Схемно-технологические методы энергосбережения 11
1.1.2. Перспектива использования САУ в решении задач экономии энергоресурсов 15
1.1.3. Пути экономии энергоресурсов в производстве неконцентрированной азотной кислоты 18
1.2. Особенности и структура энергосберегающих САУ 20
1.3. Задача проектирования энергосберегающих САУ 30
Выводы по первой главе 36
Глава 2. Исследование технологических характеристик агрегата неконцентрированной азотной кислоты 37
2.1. Технологическая схема агрегата неконцентрированной азотной кислоты 37
2.2. Основные математические модели агрегата неконцентрированной азотной кислоты 43
2.2.1. Расчет термодинамических свойств газов 47
2.2.2. Теплообменная аппаратура 51
2.2.3. Смеситель газовых потоков 53
2.2.4. Химические реакторы 55
2.2.5. Сжатие воздуха и расширение очищенных газов в ГТТ-3 57
2.2.6. Охлаждение воздуха в воздухоохладителе (поз. 2) 59
2.2.7. Расчет смесителя воздуха с газообразным аммиаком 59
2.2.8. Расчет контактного аппарата (поз. 7) 60
2.2.9. Котел-утилизатор КУН-22/13 61
2.2.10. Расчет холодильника-конденсатора и абсорбционной колонны (поз. 11-16) 64
2.2.11. Расчет камеры сгорания реактора каталитической очистки (поз. 24, 25) 66
2.2.12. Смешение хвостовых газов с топочными газами и природным газом (поз. 17, 18) 67
2.2.13. Расчет реактора каталитической очистки (поз. 19) 67
2.2.14. Котел-утилизатор КУГ-66 {поз. 22) 69
2.3. Анализ статических и динамических характеристик реактора каталитической очистки 69
Выводы по второй главе 76
Глава 3. Эксергетический анализ ХТС для целей создания энергосберегающих САУ 77
3.1. Эксергетический метод анализа эффективности энергопотребления в химической технологии 77
3.2. Методика эксергетического анализа управляемых ХТС при разработке энергосберегающих САУ 83
3.3. Эксергетический анализ для создания ЭСАУ в производстве неконцентрированной азотной кислоты 94
3.4. Расчет энергетических балансов и эксергетической чувствительности агрегата неконцентрированной азотной кислоты для создания 95
3.5. Результаты эксергетического анализа реактора каталитической очистки 96
Выводы по третьей главе 108
Глава 4. Цифровые энергосберегающие САУ, использующие регуляторы с переменной структурой 109
4.1. Применение СПС с целью улучшения качества систем регулирования 109
4.2. Особенности расчета цифровых систем с переменной структурой 112
4.3. Методика автоматизированного проектирования ЦСПС 119
4.4. Проектирование энергосберегающей ЦСПС узла каталитической очистки 126
4.4.1. ЦСПС с одним управляющим сигналом регулятора 132
4.4.2. ЦСПС с двумя управляющими сигналами регулятора 140
4.5. Пакет прикладных программ автоматизированного проектирования энергосберегающей ЦСПС узла каталитической. очистки 153
Выводы по четвертой главе 165
Библиографический список 166
Приложение 185
- Перспектива использования САУ в решении задач экономии энергоресурсов
- Основные математические модели агрегата неконцентрированной азотной кислоты
- Эксергетический метод анализа эффективности энергопотребления в химической технологии
- Применение СПС с целью улучшения качества систем регулирования
Введение к работе
За последние годы в России наметился определенный перелом в понимании необходимости энергоресурсосбережения [1]. В 1995 г. выходит постановление Правительства РФ «О неотложных мерах по энергосбережению», в 1996 г. - Закон «Об энергосбережении», в 1998 г. - Федеральная целевая программа «Энергосбережение России (1998-2005 г.г.)», постановление Правительства РФ № 588 «О дополнительных мерах по стимулированию энергосбережения».
Низкая энергетическая эффективность российской экономики стала одной из главных причин напряженности в топливо- и энергоснабжении страны. Проблема высокой энергоемкости производства усугубляется исключительно низким уровнем полезного использования энергоресурсов. На всех последовательных этапах добычи, переработки, преобразовании, транспортировки и распределения энергии первичных источников и всех ступенях использования энергии в материальном производстве и сфере услуг в целом теряется около 90% энергии от первоначального уровня [2].
Что же касается затраченных материальных ресурсов, то они практически полностью превращаются в отходы, поступающие в окружающую среду в виде газообразных и твердых продуктов сгорания. В окружающей среде рассеивается более 60% исходной энергии топлива в виде тепла разогретой воды и горячих газов, что является характерным недостатком используемых в настоящее время термодинамических циклов. Интегральный коэффициент полезного использования энергии первичного источника в отраслевых теплотехнических комплексах и системах, учитывающий энергетическую эффективность всей совокупности последовательных технологических операций по переработке исходного, обычно природного сырья в конечный товарный продукт, редко превышает 10%.
Потребление энергии должно осуществляться так, чтобы оно в полной мере соответствовало современным все более жестким требованиям по защите окружающей среды и рациональному использованию энергоресурсов.
Перевод экономики России на энергосберегающий путь развития - это не просто снижения затрат, удешевление выпускаемой продукции и т.п., но и переход на качественный уровень производства и потребления. В повышении эффективности использования топлива и энергии заложены значительные возможности выхода страны из кризиса. Потенциал энергосбережения России достиг грандиозной величины и составляет по разным оценкам 40-45% всего энергопотребления в стране [3].
Известно [4] , что энергосбережение по мере нарастания в среднесрочной перспективе способно оказать заметное положительное влияние на темпы роста экономического развития и структуру инвестиционного спроса.
Кроме того, энергосберегающие мероприятия, ведущие к снижению расхода топлива, как за счет его прямой экономии (снижению удельных расходов топлива), так и в результате структурных изменений в производстве в общем случае, при прочих равных условиях ведут к снижению объёмов вредных выбросов в окружающую среду [5], [6].
Общепринятый подход к решению проблемы энергоресурсосбережения в промышленном производстве заключается в создании энергозамкнутых комбинированных технологий, в которых удается повысить степень использования ресурсов за счет улучшения схемотехнических решений. Однако анализ типовых технологических схем в химической промышленности дает основание говорить о том, что взаимодействие значительного количества видов энергетических и сырьевых ресурсов ставит задачу его оптимальной организации путем создания АСУ ТП конкретного производства. Более того, если учесть динамику химико-технологических процессов и случайный характер действующих внешних возмущений, то задача энергоэкономии решается созданием систем автоматического регулирования, оптимизирующих процессы управления одновременно по динамическим критериям и энергетическим показателям [7]. Оптими-
зация по динамическим критериям позволяет построить динамически эффективные САУ, которые могут быть далеко не лучшими с точки зрения энергосбережения. Решить задачу энергосбережения и одновременно достичь эффективного управления в условиях реально действующих возмущений возможно с помощью применения многоконтурных САУ, использующих для целей стабилизации одной переменной одновременно несколько управляющих координат.
Проектированию САУ, обладающих избыточностью управления, для решения задач энергоэкономии посвящена данная диссертационная работа.
К числу основных задач, решаемых в рамках диссертации, относятся: разработка методики автоматизированного расчета статических и динамических характеристик исследуемого объекта, определение эксергетического баланса с целью нахождения неоправданных потерь эксергии, которые могут быть ликвидированы за счет совершенствования систем автоматического управления, разработка алгоритмов и программ, обеспечивающих автоматизацию вычислительных процедур на каждом этапе проектирования таких систем управления.
В первой главе проведен литературный обзор по вопросам энергосберегающей политики, сделан анализ известных в настоящее время методов энергосбережения и сделан вывод о том, что специфика химико-технологических производств в отдельных случаях позволяет решать вопросы энергосбережения на уровне систем автоматического управления. Для этого необходимо применять САУ со специальной многоконтурной структурой, обладающей избыточностью в управлении. Рассмотрены основные понятия энергосберегающих САУ (ЭСАУ) и структурные принципы их организации.
Во второй главе разработана математическая модель агрегата неконцентрированной азотной кислоты для целей анализа статических и динамических характеристик технологической схемы, позволяющего определить возможные управляющие воздействия и оценить степень их эффективности. Для выполнения анализа разработан алгоритм и создана программа, реализованная на языке
СИ++. По результатам расчета сделан вывод об эффективности выбранных управляющих воздействий на регулируемый параметр.
В третьей главе обосновано применение эксергетического анализа для определения целесообразности поиска способов снижения энергетических затрат. Эксергетический метод анализа химико-технологических систем является наиболее прогрессивным, результативным и точным, позволяющим получить объективную картину распределения эксергетических ресурсов исследуемой системы и предложить конкретные методы и способы экономии энергоресурсов и существенного снижения энергозатрат, решая таким образом важную для большинства современных производств проблему энергосбережения. Построен эксергетический баланс агрегата и выявлены отдельные его узлы, где возможно уменьшение эксергетических потерь за счет создания оптимальных систем управления технологическим параметром. Разработана программа, позволяющая оценить степень эксергетических потерь и возможность их уменьшения за счет создания энергосберегающей САУ.
В четвертой главе рассмотрена возможность создания энергосберегающей САУ с двумя управляющими воздействиями в узле каталитической очистки и возможность применения для этих целей законов регулирования теории систем с переменной структурой. Разработан пакет прикладных программ автоматизированного проектирования энергосберегающих цифровых СПС и подсистема имитационного моделирования динамических режимов систем управления данного класса.
В приложении приведены листинги программы расчетов математической модели агрегата неконцентрированной азотной кислоты и определения эксергетического баланса агрегата, документы, подтверждающие апробирование предложенных программ.
Автор выражает искреннюю благодарность академику МАСИ, профессору Венту Дмитрию Павловичу и доценту Пророкову Анатолию Евгеньевичу за искреннее внимание и поддержку в работе
Перспектива использования САУ в решении задач экономии энергоресурсов
Рассмотренные выше мероприятия по экономии энергоресурсов можно разбить на две большие группы: внедрение новых энергосберегающих технологий и технических решений и проведение энергосберегающих мероприятий на действующих производствах. Наибольшую перспективу во второй группе мероприятий имеет создание автоматизированных систем контроля и учёта энергоресурсов (АСКУЭ), которые являются одним из необходимых условий экономии энергии на предприятии. АСКУЭ является подклассом АСУТП, на нижнем уровне которого используются мощные микропроцессорные устройства. Основной фактор, обуславливающий применение цифровых технологий обработки данных - использование в АСКУЭ интеллектуальных счётчиков электрической и тепловой энергии [33].
Прогресс в области микроэлектроники вызвал резкое улучшение качественных показателей цифровых вычислительных машин и устройств цифровой техники.
Повышение требований к системам автоматического управления привело к тому, что средствами непрерывной автоматики и вычислительной техники уже не могли решаться многие практические задачи. Все это привело к расширению сферы применения цифровых систем. Они имеют серьезные преимущества перед непрерывными [34], [35]. Можно упомянуть о высокой стабильности их характеристик, отсутствие дрейфа параметров, высокой точности выполнения арифметических операций, малом весе и габаритах, высоком быстродействии, оперативной перестройки структуры управления и др.
Применение автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) позволяет решить ряд задач [36]: сбор и формирование данных для использования их при расчетах, в том числе по прогрессивным энергосберегающим тарифам; вести круглосуточный контроль за соблюдением заданных режимов потребления электроэнергии и мощности балансов в электроэнергии; проводить анализ структуры потребления электроэнергии и мощности по отдельным структурным подразделениям и по предприятию в целом; разрабатывать оптимальные графики работы предприятия с целью снижения потребления электроэнергии и значения заявленной мощности; контролировать достоверность показаний приборов учета; формировать статическую отчетность. В настоящее время имеется значительное число отечественных производственно-технологических комплексов (ПТК), выполняющих функции АСКУЭ: «Автонит» одноименной фирмы из Санкт-Петергурга; «Техноконт» (от НПО "Технокот"); «Космотроника-Э» (КРУИЗ) (от «ПИК Прогресс», Моеква»); «Саргои» (НВТ - Автоматика, Москва); Decont (фирмы ДЭП, Москва), «КРУГ» (одноименная фирма, г. Пенза) [37], [38]. Отечественные ПТК и SCADA-системы берут реванш у западной продукции за простой 90-х годов, чему в известной мере способствовал кризис 17 августа. Они развиваются опережающими темпами, а по некоторым факторам (цена/качество, адаптация к российскому менталитету, сопровождение) превосходят зарубежные аналоги. Все ПТК выполняют функции аварийной защиты, технологической блокировки, регулирования, оптимизации, контроля и представления всех видов информации оперативному персоналу, обмена данными со смежными системами, архивация технологических параметров. В состав ПТК входят полный комплект изделий для построения АРМ оператора и САУ отдельными агрегатами или группами оборудования. С помощью САПР ПТК можно разработать привязочную документацию ПО, оперативный интерфейс [39]. Все более широкое распространение приобретает создание АСУ ТП на базе SCAD А - системы ТРЕЙС МОУД, разработанной фирмой Ad Astra (Москва) [40]. Система ТРЕИС МОУД включает в себя полный набор средств проектирования, контроля достоверности, встроенные средства резервирования, она обеспечивает объектную организацию разработки для широкого тиражирования, гибкую сетевую идеологию и единое сетевое время. Система имеет встроенную поддержку практически всех промышленных контроллеров, присутствующих на российском рынке: отечественных Ремиконтов ПО, 120, 130, Ломиконтов и классических импортных Modicon, Siemens, Omron, Autolog и менее известных, но часто встречающихся Micro PC, ADAM, Advantion, PEP, a также современных российских разработок ПТК «Круиз», контроллеров ЭК 200, ТСМ 51 [41].Пути экономии энергоресурсов в производстве неконцентрированной азотной кислоты Промышленное получение слабой азотной кислоты является характерным примером производства, где получение целевого химического продукта сопровождается выделением большого количества теплоты на разных температурных уровнях, преобразованием различных форм энергии, выработанной паром для внешнего потребителя, потреблением энергоресурсов со стороны. Естественно, что вопросы совершенствования существенных технологий и разработка новых технологических решений не могут рассматриваться без учета энергетического процесса. Современное производство слабой азотной кислоты - источник энергии, но по тепловой мощности сопоставимый с промышленной ТЭЦ. Однако значительно количество теплоты выделяется на уровне средних и низких температур. Как и большинство химических производств, производство азотной кислоты связано с выбросом в окружающую среду экологически вредных веществ. Обеспечение технологических условий, при которых повышается интенсивность процессов, приводит не только к увеличению производительности по целевому продукту, но и к повышению степени поглощения реагентов, что, естественно, приводит к уменьшению количества вредных выбросов. Наиболее распространенной сейчас является схема производства слабой азотной кислоты под давлением 0.716 Мпа. Технология была разработана ГИ-АП в 1960г. и с 1967г. находится в эксплуатации [42]. Анализ современных технологических схем позволяет выявить наиболее существенные тенденции в совершенствовании производства слабой азотной кислоты:
Основные математические модели агрегата неконцентрированной азотной кислоты
Содержание оксидов азота в отходящих газах после каталитической очистки не более 0.005% (об.).
Очищенные хвостовые газы с температурой 700 .. 730С смешиваются с воздухом, топочными газами камеры сгорания 14 газотурбинного агрегата и при температуре 670 ... 700С поступают на турбину 15.
Вопросам высокотемпературной очистки хвостовых газов от окислов азота, использованию различных видов газа-восстановителя посвящены работы [68, 69]. Оптимальное содержание кислорода в выхлопном газе можно определить по данным работы [70]. Исследованию температурных режимов реактора каталитической очистки посвящена работа [71].
В турбине газы расширяются до давления 0.106 МПа и охлаждаются при этом до температуры 390...410С. С такими параметрами газы направляются в котел-утилизатор 17, г, затем через выхлопную трубу 18 выбрасывается в атмосферу.
Таким образом, механическая энергия очищенных газов используется на сжатие воздуха в осевом компрессоре и нагнетателе. Однако количество выделяемой в ГТТ-3 энергии, относящейся к ВЭР, зависит от стабильности работы этого узла [57] и агрегата в целом.
Исследованию работы газотурбинной установки ГТТ-3 и отдельных аппаратов агрегата, влияющих на его производительность, посвящено большое количество работ Черномордика Л.И. В работе [72] представлены результаты испытаний головной газотурбинной установки ГТТ-3, проведенные с целью уточнения регламента пуска и эксплуатации агрегата, в работах [73, 74] даны натурные характеристики установки, полученные в этих испытаниях. Особенности пуска агрегата освещены в работе [75]. Пуск турбины основан на плавном росте температуры газов с быстрым прохождением критических оборотов за счет увеличения расхода горючего при максимальной нагрузке электродвигателя по току. Перед розжигом контактного аппарата рекомендуется перевести электродвигатель ГТТ-3 в генераторный режим с целью предотвращения скачка температуры перед турбиной из-за роста газодинамического сопротивления аппаратов и коммуникаций и уменьшения расхода газов за абсорбционной колонной.
При розжиге реактора каталитической очистки рекомендуется, наоборот, перевести электродвигатель в двигательный режим. После пуска агрегата ГТТ-3 переводится в генераторный режим.
Как указано в работах [73, 76] установка каталитической очистки органически вписывается в узел газотурбинной установки, выполняя некоторые ее функции. Например, отпала необходимость сжигать топливный газ перед газовой турбиной, а поэтому стоимость используемого в установке каталитической очистки горючего газа почти полностью может быть отнесена на энергетические затраты. Кроме того, окисление горючего газа в реакторе остаточным кислородом азотного производства позволяет отказаться от расхода воздуха на сжигание топлива с целью подогрева газа, идущего в турбину и направить этот поток воздуха в производство кислоты. С учетом этого фактора суммарная доля каталитической очистки в капиталовложениях агрегата под давлением 0.716 МПа в целом составляет менее 10%, а повышение себестоимости кислоты примерно 1-2%.
Анализ тепловой экономичности газотурбинных установок (ГТУ) дан в работе [77]. Расчет на ЭВМ по уравнениям, позволяющим оценить максимальный тепловой эффект ГТУ, показал, что для ГТТ-3 оптимальная степень повышения давления равна 7.5. Кроме этого сделан вывод, что если для увеличения производительности агрегата по кислоте целесообразно весь воздух направлять
на химическую технологию, то в целях достижения максимальной экономичности ГТУ, наоборот, целесообразно увеличивать расход воздуха по байпасу химической технологии.
Опыт эксплуатации головного агрегата подтвердил, что регулировать температуру хвостовых газов перед реактором каталитической очистки можно в любых диапазонах с помощью камеры сгорания реактора [78]. Кроме этого, коэффициент использования энергии топлива к камере приближается к единице, поскольку тепло, теряемое через спинку жаровой турбины, полностью используется хвостовыми газами, а продукты неполного химического сгорания (газ-восстановитель) - на катализаторе реактора для разложения окислов азота. Это позволяет уменьшить количество загружаемого катализатора и снизить температуру начала реакции на катализаторе, поскольку в газах имеются активные компоненты (водород и окись углерода).
В агрегате неконцентрированной азотной кислоты установлены два котла-утилизатора. КУН 22/13 предназначен для утилизации тепла отходящих газов после газовой турбины. Результаты исследования работы этих котлов приведены в [79]. В работе [80] дана методика ГИАП расчета котлов-утилизаторов, которая показывает, что расчеты котла КУН-22/13 без учета одновременно протекающих процессов теплообмена и выделения тепла за счет окисления нитро-зных газов пониженное (на 60С) значение температуры газов за котлом.
Как указывалось ранее [50], одной из основных и наиболее трудоемких задач проектирования ЭСАУ является математическая постановка задач оптимального управления, которые будет решать ЭСАУ с учетом реальных условий эксплуатации и разработка математического обеспечения ЭСАУ. В [81] на основе практического опыта доказывается, что решение этих задач не определяется набором готовых программных продуктов. Для каждого предприятия это «штучная» продукция, которая не ограничивается приобретением тех или иных программных средств. Поэтому для проектирования ЭСАУ производства неконцентрированной азотной кислоты необходимо вначале проанализировать статические и динамические характеристики агрегата. Для этого рассмотрим математическую модель исследуемой химической технологии и расчет по этой модели всех необходимых технологических параметров. Поскольку все стадии производства слабой азотной кислоты относятся к типовым процессам химической технологии, представим технологическую схему агрегата в виде операторной [82] (рис. 2.2). Как видно из рисунка все технологические операторы могут быть объединены в следующие группы: операторы сжатия и расширения (поз. 1,3,21); операторы теплообмена (поз. 2, 5, 10, 11, 15); операторы смешения (поз. 6, 13, 17, 18, 20, 24); операторы химических превращений (поз. 7, 9, 12, 14, 16, 19, 25); операторы утилизации тепла (поз. 8, 22).
Эксергетический метод анализа эффективности энергопотребления в химической технологии
В настоящее время основной базой для оценки и нормирования расхода энергоресурсов служит энергетический баланс, основанный на первом законе термодинамики. Однако применительно к современным сложным системам, в которых производится различная продукция и потребляется разнообразные виды энергии, энергетический баланс дает неполную, а нередко и искаженную картину, Это объясняется тем, что энергетический баланс не учитывает разницу в качестве различных видов энергии и энергоносителей (электроэнергия, тепло, химические продукты, водяной пар различных параметров, горячая вода и т.д.). Кроме того, позволяя учесть лишь так называемые внешние потери (потери тепла с охлаждающей водой, потери целевого продукта и т.д.), энергетический баланс не позволяет выявить источники внутренних потерь и оценить степень совершенства отдельных элементов системы и всего производства в целом. Совершенство того или иного термодинамического процесса можно оценить лишь на основе второго начала термодинамики. Это привело к тому, что в 50-70 г.г. широкое развитие получил эксергетический метод термодинамического анализа, основанный на втором законе термодинамики [96-98]. Этот метод позволяет на строгой термодинамической основе оценивать любые потоки вещества и энергии на базе единого показателя и служит также основой для развития термодинамической оптимизации промышленных процессов [99].
Первоначально термодинамический анализ с использованием эксергети-ческого метода применялся для систем, в которых протекают термомеханические процессы и процессы сжигания топлива [100-102]. В энергетике термодинамический анализ применяется широко и плодотворно. Разработана методика термодинамического анализа и, в частности, наиболее современного его варианта - эксергетического анализа. Этот метод основан на применении второго закона термодинамики и разработан Дж. Гиббсом, Ж. Гюи, А. Стодолой, Ф. Бошняковичем и другими исследователями. Наиболее последовательно этот метод с начала 50-х годов развивался в работах советских ученых (в бывш. СССР) и, в первую очередь, В. М. Бродянского, а также в работах ученых ПНР (Я. Шаргут и др.), Германии (В. Фратчер и др.) В последние годы в связи с проблемой экономии топливно-энергетических ресурсов в США, ФРГ, Англии и в других странах возрос интерес к термодинамическому анализу химических процессов на основе второго закона термодинамики и, конкретно, к эксергетическому анализу, его автоматизации. Об этом можно судить по большому объему публикаций на эту, тему [103-105] и другие. Так, например, эксергетическому анализу посвящена вышедшая в 1980 г. монография Дж. Ахерна [106], причем часть ее объема составляют статьи светских ученых (В.М. Бродянского, И.П. Ишкнна, Л.Х. Мель-цера, B.C. Мартыновского, В.М. Горбатова, З.Р. Билдера и др.), опубликованные в 1963-973 г.г. В 1979 и в 1982 г.г. в США были проведены конференции, посвященные этому методу анализа.
Термодинамический анализ дает основу для выбора направления исследовании при создании новых технологических схем, новых методов разделения смесей, новых типов химических реакторов и тепломассообменной аппаратуры, новых катализаторов и абсорбентов, способов интенсификации технологических процессов, позволяя найти разнообразны технические приемы снижения энергетических затрат, начиная с простейших методов (таких как увеличение поверхностей теплообменников) до внесения кардинальных изменений в технологию.
За истекший период появилось большое число статей, посвященных методике эксергетического анализа, а также термодинамического анализа различных процессов химической технологии и экономии энергии в этих процессах [107-111] и др. Так, в работ В. М. Платонова и Ф. Б. Петлюка [112] создана теория, даны методы расчета экономичных схем ректификации многокомпонентных смесей с пониженными затратами энергии и предложены разнообразные варианты таких схем. Разработаны и внедрены в промышленность абсорбционные методы очистки газов [113] и жидкостей [114,115] в которых существенно снижены затраты тепла. Широкое применение нашел эксергетический метод в производстве цемента и технологии вяжущих материалов при решении задачи оптимального использования энергоресурсов и при проектировании новых производств [116-120]. Большое распространение получили энерготехнологические схемы производства различных многотоннажных продуктов химической технологии [121]. Эксергетический метод получил широкое распространение для анализа сложных ХТС. Заложены основы системного подхода к сложным ХТС и оценки их совершенства с использованием анализа эксергетического баланса [122-124]. Исходя из всего вышесказанного, в диссертации использован эксергетический метод анализа химико-технологических систем как наиболее прогрессивный, результативный и точный метод, позволяющий получить объективную картину распределения эксергетических ресурсов исследуемой системы, а в большинстве случаев предложить конкретные методы и способы экономии энергоресурсов и существенного снижения энергозатрат, решая, таким образом, важную для современных производств проблему энергосбережения [125].
Идея эксергетического метода сводится к тому, что любые потоки энергоносителей (пар, вода, химические продукты) или энергии (электроэнергия, тепло) оценивают по той максимально полезной работе, которую они могут произвести. Поэтому эту работу, которая и определяет величину эксергии, находят по законам термодинамики применительно к условиям окружающей среды. Окружающая среда характеризуется относительно постоянными параметрами - температурой Т0, давлением р0 и химическим составом, не зависящем от действия системы.
Применение СПС с целью улучшения качества систем регулирования
Коэффициенты / скачкообразно меняются по логическому закону (4.3) в зависимости от состояния системы, поэтому СПС относится к классу систем с разрывной функцией управления. Моменты разрыва u(t) совпадают с моментами перехода через ноль функции (4.4). Соотношение задает в пространстве X вектора ошибки х некоторую гиперплоскость J, которая является границей разрыва для управляющего воздействия u(t).
Существуют различные принципы построения СПС. Первый принцип заключается в том, чтобы из отдельных кусков траекторий имеющихся структур сшить оптимальную по какому либо критерию траекторию движения системы управления - режим переключения [144,145]. Второй принцип предполагает нахождение отдельных траекторий одной из подсистем с высокими динамическими показателями и обеспечение, начиная с некоторого момента времени, движения по этим траекториям - режим движения по вырожденным траекториям. И третий подход заключается в создании скользящих режимов, которые могут возникать в пространстве состояний системы вдоль поверхности, на которой претерпевают разрывы управляющие воздействия [154-164].
Применение первых двух принципов ограничилось изучением конкретных систем второго порядка [144,145,165] и эвристическим алгоритмом [166,167]. Перспективными оказались лишь принципы управления, основанные на преднамеренном введении скользящих режимов, которым принадлежит важная роль в теории СПС [150,153].
Согласно [168] движение в скользящем режиме будет возникать на всей границе разрыва S только в случае выполнения неравенств
Из этого следует делать выводы, что, во-первых, при движении системы в скользящем режиме траектории вектора состояния принадлежат многообразиям размерности, меньшей, чем все пространство состояний, соответственно меньшим оказывается и порядок дифференциальных уравнений, описывающих модель системы. Во-вторых, движение в скользящем режиме не зависит от управления и параметров объекта и определяется положением (или уравнением) поверхности разрыва (4.5). В третьих, при определенных условиях [150] скользящие режимы могут оказаться инвариантными к возмущающим воздействиям и к вариациям динамических свойств объекта, а это центральная задача, решаемая в теории автоматического управления. скользящего режима нарушаются из-за задержек в переключающих устройствах и погрешностей дифференцирования. Поэтому движение в системе происходит в системе не на границе разрыва S, а в некоторой ее окрестности, определяемой величиной запаздывания и вектором фазовой скорости x(f) [169]. Здесь можно говорить лишь о квазискользящем режиме, когда фазовая точка совершает колебательное движение в близкой окрестности гиперплоскости разрыва управления [152,170].
Данное положение усугубляет применение цифровых вычислительных устройств при формировании закона управления в СПС. Поэтому вопрос отыскания оптимального управления для цифровых систем с переменной структурой (ЦСПС) требует специального рассмотрения.
Широкое внедрение в АСР методов дискретной обработки информации и большие возможности современной вычислительной техники объясняет необходимость изучения процессов в СПС, обработка информации в которых осуществляется - целиком или частично - дискретным путем, а сигнал управления формируется на основе дискретного или непрерывного сигнала ошибки. Назовем такие СПС цифровыми СПС (ЦСПС).
Ограничимся рассмотрением систем регулирования, у которых объект управления характеризуется неизменяемыми параметрами, т.е. в (4.1) все at = const. В этом случае достаточна одна коммутация в канале главной обратной связи системы [171], а уравнение (4.2) примет вид то высокие динамические показатели движения могут быть достигнуты применением алгоритма управления (4.2). В этом случае увеличивается число коммутируемых воздействий в канале главной обратной связи до к=п-1.
При обработке информации в СПС с помощью цифровых вычислительных устройств реализовать режим движения по вырожденным траекториям и режим переключений не составляет труда. В работе [172] показано, что применение цифровых алгоритмов функционирования с переменной структурой даже без использования скользящих режимов для управления инерционными химико-технологическими объектами с запаздыванием позволяет улучшить показатели качества регулирования по сравнению с линейными ПИ- и ПИД-законами. При этом переходные процессы устойчивы и обладают высоким качеством при изменении параметров объекта в 2 раза.
Однако главные преимущества СПС можно получить только в скользящем режиме. Именно в этом режиме работы СПС достигается постоянство типа движения даже в случае, когда исходные линейные структуры являются нестационарными, возможен выбор характера движения в достаточно широких пределах, мала чувствительность к изменению параметров объекта, большое быстродействие.
