Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов 16
1.1. Общие вопросы производства глинозема 16
1.2. Автоклавное выщелачивание бокситов 20
1.3. Аппаратурно-технологическая схема автоклавного выщелачивания боксита 25
1.3.1 Периодическое и непрерывное выщелачивание бокситов 25
1.3.2 Схема непрерывного выщелачивания бокситов в автоклавах 26
1.3.3 Автоклавы, подогреватели, сепараторы, игольчатые регуляторы 30
1.3.4 Особенности низовой автоматики технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов 31
1.4. Подходы к математическому описанию и автоматизации технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов 32
1.5. Выводы по первой главе и постановка задачи исследования 38
2. Математическое моделирование процессов контактного нагрева пульпы паром высокого давления при выщелачивании бокситов 42
2.1. Основные закономерности технологического процесса и общие принципы построения математической модели 43
2.2. Статическая модель контактного нагрева пульпы паром высокого давления в процессе выщелачивания бокситов 48
2.3. Динамическая модель контактного нагрева пульпы паром высокого давления в процессе выщелачивания бокситов 53
2.3.1 Автоклавная батарея с верхним подводом пара 53
2.3.2 Автоклавная батарея с нижним подводом пара 67
2.4. Расчет удельной теплоты реакции выщелачивания 74
2.5. Динамическая модель, устанавливающая зависимость температуры пульпы в греющих автоклавах батареи от внешних факторов/возмущений.. 77
2.5.1 Автоклавная батарея с верхним подводом пара 77
2.5.2 Автоклавная батарея с нижним подводом пара 84
2.6. Выводы по второй главе 88
3. Построение многоуровневой АСУ ТП автоклавного выщелачивания бокситов 91
3.1. Подсистемы регулирования расхода пульпы на батарею, давления пульпы в последнем автоклаве батареи и уровня пульпы в сепараторе первой ступени 92
3.2. Подсистема регулирования температуры выщелачивания бокситов в автоклавной батарее непрерывного действия 93
3.3. Подсистема регулирования плотности пульпы 111
3.4. Алгоритмическое обеспечение автоматизированного управляющего контура (второго уровня АСУТП) 113
3.5. Базовое алгоритмическое обеспечение подсистем регулирования первого уровня АСУТП 122
3.5.1 ПИД-регулятор 122
3.5.2 ШИМ-регулятор 128
3.6. Выводы по третьей главе 128
4. Реализация функций самонастройки и адаптации к объекту управления 133
4.1. Интегральная оценка параметров объекта управления по переходной характеристике разомкнутой системы 135
4.1.1 Идея метода интегральной оценки параметров объекта 135
4.1.2 Метод интегральной оценки параметров применительно к объекту первого порядка с запаздыванием. Моделирование 137
4.1.3 Метод интегральной оценки параметров применительно к объекту второго порядка с запаздыванием. Моделирование 140
4.2. Определение параметров ПИ-регулятора 145
4.2.1 Требования к показателям качества регулирования 145
4.2.2 Варианты выбора параметров ПИ-регулятора 145
4.2.3 Влияние величины отношения времени запаздывания к постоянной времени объекта на качество переходных процессов 148
4.2.4 Влияние погрешности оценки параметров объекта на качество переходных процессов 150
4.2.5 Работа с объектом более высокого (второго) порядка 152
4.3. Практическое применение предложенного метода самонастройки ПИ-
регулятора в подсистеме регулирования расхода промывной воды 154
4.3.1 Описание процедуры самонастройки 154
4.3.2 Результаты опытно-промышленной эксплуатации 157
4.4. Выводы по четвертой главе 161
Заключение 164
Библиографический список 172
- Особенности низовой автоматики технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов
- Динамическая модель контактного нагрева пульпы паром высокого давления в процессе выщелачивания бокситов
- Алгоритмическое обеспечение автоматизированного управляющего контура (второго уровня АСУТП)
- Влияние величины отношения времени запаздывания к постоянной времени объекта на качество переходных процессов
Введение к работе
В настоящее время самым распространенным и эффективным способом промышленного производства глинозема является гидрохимический способ Байера, применяемый как чистом виде, так и в сочетании со способом спекания в параллельном или последовательном варианте. При всем многообразии технологических операций в цикле Байера процесс выщелачивания, т.е. процесс перевода содержащейся в сырье окиси алюминия в раствор под действием щелочи, является центральным по значению и в значительной степени определяет технико-экономические показатели всего комплекса гидрохимических переделов получения глинозема.
В отечественной практике производства глинозема способом Байера перерабатывают главным образом диаспоровые и бемитовые бокситы, разложение которых возможно только при высоких температурах выщелачивания в автоклавах.
Эффективность выщелачивания в значительной степени зависит не только от характеристик сырья и технологических растворов, но и от условий протекания самото процесса (в первую очередь - от температуры выщелачивания). Поэтому одной из основных задач управления процессом выщелачивания является стабилизация режимных параметров на уровне, обеспечивающем оптимальность условий для протекания основных химических взаимодействий.
Разработкой автоматизированных систем управления (АСУ) и математических моделей для процессов выщелачивания (в том числе и с целью применения их в АСУ) занимались многие исследователи (Мальц Н.С., Бабицкий Я.С., Буровой И.А., Богданов А.В., Левин М.В., Локшин Р.Г., Потапова Т.Б. и др.). Приведенные в литературных источниках модели направлены на установление зависимостей кинетики выщелачивания и химического состава получаемых растворов от внешних условий, подтверждающих, в частности, что повышение температуры является важнейшим фактором ускорения реакции выщелачивания. Однако такие модели в большинстве случаев оказываются слишком сложными и непригодными для целей оперативного управления и непосредственного использования при создании АСУ (т.к. требуют, во-первых, априорного знания численных значений многих коэффициентов, зависящих от условий самого процесса выщелачивания и не являющихся в строгом смысле константами, и, во-вторых, определения текущего химического состава растворов, осуществляемого, как правило, на основе ручного лабораторного анализа с большим запаздыванием). Вопросы же математического описания зависимости температуры выщелачивания от внешних факторов/возмущений исследованы недостаточно.
Как правило, регулирование основных технологических параметров процесса выщелачивания осуществляется с помощью локальных одномерных систем автоматического регулирования (САР), построенных на базе Пропорционально-Интегрально-Дифференциальных (ПИД) регуляторов. В некоторых случаях применяются комбинированные системы с упрощенным контуром компенсации измеряемых возмущений. Данные АСУ либо не учитывают ряда принципиальных технологических параметров, либо не обеспечивают стабилизацию расходов энергоносителей и реализованы, как правило, в виде устаревших аналоговых регуляторов, характеризующихся низким уровнем надежности и трудоемкостью настройки. И на практике оказывается, что существующие АСУ процессами выщелачивания не удовлетворяют современным требованиям по основным показателям качества регулирования и не обеспечивают высокую эффективность переработки сырья.
Исходя из вышеизложенного, можно констатировать, что разработка моделей и алгоритмического обеспечения современных АСУ для технологических процессов автоклавного выщелачивания бокситов (АВБ) с учетом специфики и требований реального промышленного производства является актуальной задачей. При этом целесообразно разработать и применить структуру АСУ в соответствии с многоуровневым иерархическим принципом.
Многоуровневый иерархический принцип построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), изложенный, в частности, в работах В.Г. Лисиенко, И.Н. Печориной и других авторов, соответствует современному подходу к построению АСУТП, согласуется с возможностями современных цифровых устройств контроля и управления и имеет целый ряд преимуществ по сравнению с разрозненными локальными САР: обеспечивает широкие возможности по оптимизации сложных многосвязных технологических процессов; позволяет относительно просто использовать современный алгоритмический аппарат (например, экспертные системы); упрощает дальнейшее развитие и модернизацию АСУ на этапе эксплуатации и т.д.
Объект исследования — технологические процессы автоклавного выщелачивания бокситов на отечественных глиноземных производствах.
Предмет исследования — математическое описание зависимостей основных режимных параметров автоклавного выщелачивания от внешних факторов/возмущений, многоуровневая структура и алгоритмическое обеспечение АСУ технологическими процессами автоклавного выщелачивания бокситов.
Таким образом, целью диссертационной работы является разработка структуры и алгоритмического обеспечения комплексной системы автоматизации технологических процессов автоклавного выщелачивания бокситов для повышения эффективности управления ими на отечественных глиноземных производствах.
Исходя из цели работы, были поставлены и решены следующие основные задачи исследования:
1. Исследование технологических процессов автоклавного выщелачивания бокситов на отечественных глиноземных производствах и анализ существующих математических моделей и систем управления.
2. Построение упрощенных математических моделей для изучения и формализации принципиальных закономерностей технологического процесса АВБ, разработки (синтеза) и исследования алгоритмов управления и оптимизации.
3. Разработка системы управления процессами автоклавного выщелачивания бокситов в соответствии с современным многоуровневым иерархическим принципом построения АСУТП и с учетом особенностей и требований отечественных глиноземных производств.
4. Разработка и анализ метода самонастройки и адаптации построенных систем управления к конкретным объектам управления (ОУ) с учетом специфики систем промышленной автоматизации.
Решение поставленных задач осуществлено с помощью методов технической и химической термодинамики, теории автоматического управления, системного анализа и математического моделирования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработаны, исследованы и апробированы упрощенные динамические модели, описывающие контактный нагрев пульпы паром в процессе выщелачивания бокситов и устанавливающие зависимость температуры пульпы в греющих автоклавах батареи от внешних факторов/возмущений, позволяющие проводить дальнейший анализ процессов выщелачивания, строить (синтезировать) и исследовать системы автоматического управления и оценивать значения некоторых технологических параметров, недоступных для непосредственного измерения.
2. Разработана и апробирована структура АСУТП автоклавного выщелачивания бокситов в соответствии с современным многоуровневым иерархическим принципом. Разработаны и реализованы процедуры оптимизации технологического процесса, позволяющие обеспечить максимально возможную производительность автоклавной батареи, не приводящую к потере качества выщелачивания.
3. Обоснована возможность управления температурным режимом автоклавного выщелачивания путем стабилизации температуры пульпы не в реакционном автоклаве, а в одном из греющих автоклавов батареи. Это позволило существенно улучшить динамические характеристики объекта управления по каналу регулирующего воздействия за счет значительного снижения времени транспортного запаздывания.
4. Разработана, исследована и апробирована комбинированная система управления температурным режимом выщелачивания, сочетающая максимально полный учет всех измеряемых возмущений со стабилизацией расхода греющего пара.
5. Разработан, обоснован и исследован косвенный метод самонастройки ПИ-регулятора на базе интегрального метода оценки параметров объекта управления по переходной характеристике, учитывающий специфику систем промышленной автоматизации (отсутствие точных математических моделей объектов управления, высокий уровень шумов, жесткие требования к показателям качества регулирования и недопустимость значительных отклонений от заданных технологических режимов).
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные методы и системы управления позволяют повысить эффективность технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов, существенно улучшить показатели качества регулирования основных технологических параметров и дают значительный экономический эффект за счет снижения удельного расхода энергоносителей (греющего пара) и повышения качества извлечения окиси алюминия из руды. Подана соответствующая заявка на изобретение (№2004105561).
Кроме того, разработанные алгоритмы и структуры систем управления применимы не только в рамках технологических процессов автоклавного выщелачивания бокситов, но и, частично, для широкого круга промышленных объектов управления и локальных АСУ с исполнительными механизмами постоянной скорости и пропорционального действия.
На основании результатов данной диссертационной работы построены и внедрены в промышленную эксплуатацию системы управления технологическими процессами на участках "Выщелачивание - 2" (5 автоклавных батарей), "Выщелачивание - 3" (4 автоклавные батареи) и "Выщелачивание - 4" (3 автоклавные батареи) Богословского алюминиевого завода ("БАЗ" филиал ОАО "СУАЛ", г. Краснотурьинск). Материалы диссертации включены в учебные курсы для студентов радиотехнического факультета ГОУ ВПО "УГТУ-УПИ".
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: V Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии и электроника" (Екатеринбург, 2000 г.); I, II, IV и V отчетных конференциях молодых ученых ГОУ ВПО "УГТУ-УПИ" (Екатеринбург, 2001-2003 гг.); Всероссийской научной конференции "Управление и информационные технологии" УИТ 2003 (Санкт-Петербург, 2003 г.); Международной научно-технической конференции "Проблемы автоматизации и управления в технических системах" (Пенза, 2004 г.). Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ.
Структура диссертации. В первой главе подробно исследуется технологический процесс автоклавного выщелачивания бокситов, анализируются существующие математические модели и системы управления. Изучаются основные факторы, влияющие на процессы выщелачивания, и обосновывается, что оптимизация температурного режима выщелачивания вносит наиболее существенный вклад в повышение эффективности данного процесса. Рассматриваются существующие на отечественных глиноземных производствах аппаратурно-технологические схемы автоклавного выщелачивания бокситов, указываются и обосновываются требуемые контура автоматического управления и регулирования. Анализируются различные модели процесса выщелачивания, подчеркивается их сложность и обосновывается слабая пригодность для целей оперативного управления и непосредственного использования при создании АСУ. Рассматриваются существующие АСУ технологическими процессами автоклавного выщелачивания бокситов, результаты их применения в условиях реального глиноземного производства, приводятся и обосновываются их достоинства и недостатки. Формулируются краткие выводы, и осуществляется постановка задачи исследования.
Вторая глава посвящена разработке математического описания контактного нагрева пульты паром высокого давления и зависимости температуры пульпы в. греющих автоклавах батареи от внешних факторов/возмущений. Обосновывается отказ от разработки полной математической модели процесса и переход к упрощенной модели, базирующейся на фундаментальных законах физики, химии и термодинамики. Разработка моделей проводится поэтапно: формализуются и экспериментально подтверждаются принципиальные закономерности технологического процесса, строится статическая модель нагрева фрагмента пульпы паром высокого давления, проводится вывод и верификация динамической модели контактного нагрева фрагмента пульпы паром. Обосновываются принципиальные преимущества управления температурным режимом выщелачивания бокситов путем регулирования температуры в греющих автоклавах батареи. На основании статической и динамической моделей нагрева фрагмента пульпы паром строится упрощенная динамическая модель, устанавливающая зависимость температуры пульпы в греющих автоклавах батареи от внешних факторов/возмущений. Формулируются наиболее важные выводы по результатам моделирования.
В третьей главе описываются разработанная многоуровневая структура АСУТП и подсистемы регулирования основных технологических параметров автоклавного выщелачивания бокситов. Обосновываются принятые решения по выбору критериев оптимизации данного технологического процесса, структур подсистем регулирования и их основных элементов. Методами математического моделирования исследуется подсистема регулирования температуры пульпы в греющих автоклавах батареи в различных технологических режимах и ситуациях (с учетом возможных отклонений характеристики объекта от параметров модели). Описываются базовые элементы разработанных подсистем управления (ПИД и ШИМ-регуляторы), и даются рекомендации по их настройке. Формулируются выводы, и приводятся результаты многомесячной промышленной эксплуатации.
Четвертая глава посвящена исследованию вопросов самонастройки регуляторов, используемых в составе подсистем управления основными технологическими параметрами автоклавного выщелачивания бокситов. Рассматривается косвенный метод самонастройки ПИ-регуляторов, основанный на интегральной оценке параметров объекта управления по переходной характеристике и учитывающий специфику систем промышленной автоматизации (отсутствие точных математических моделей объектов управления, высокий уровень шумов, жесткие требования к показателям качества регулирования и недопустимость значительных отклонений от заданных технологических режимов). Показано, что предложенная методика самонастройки достаточно проста, универсальна и позволяет получать требуемые показатели качества регулирования при работе с объектами первого и второго порядков (без колебательности), как с незашумленным полезным сигналом, так и при наличии значительных по амплитуде шумов. Приводятся аналитические результаты, результаты моделирования и промышленных экспериментов. Формулируются краткие выводы и рекомендации.
В заключении приводятся и обобщаются основные результаты данной работы.
Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук Евгению Эрастовичу Страшинину, научному руководителю, кандидату технических наук Александру Владимировичу Цветкову, а так же сотрудникам Богословского алюминиевого завода Корешкову Олегу Николаевичу, Штирцу Валерию Викторовичу и Беккеру Константину Викторовичу.
Особенности низовой автоматики технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов
Особенностью отечественной аппаратурной схемы автоклавного выщелачивания бокситов является применение в качестве греющего и перемешивающего агента пара высокого давления ("острого" пара), вводимого непосредственно в автоклавы с бокситовой пульпой [2, 4, 9]. Автоклавы (см. рис. 1.4), обогреваемые "острым" паром, представляют собой вертикальные цилиндрические сосуды со сферической крышкой и таким же или коническим днищем. Пар поступает через патрубок в горловине днища или крышки. Снаружи автоклав покрыт слоем теплоизоляции для сохранения тепла. Разгрузка осуществляется через вертикальную трубу, доходящую почти до дна автоклава.
Рис. 1.4. Автоклав без мешалки с нагревом и перемешиванием пульпы "острым" паром Достоинствами такого аппаратурно-технологического оформления процесса выщелачивания являются предельная простота технических решений, отсутствие перемешивающих механизмов и большого количества арматуры, организация нагрева пульпы в трубчатых теплообменниках, высокое отношение высоты автоклава к его диаметру, и, как результат, в несколько раз меньшая металлоемкость и стоимость аппаратуры. Однако при этом осуществляется разбавление пульпы конденсатом греющего пара, что снижает концентрацию щелочи в растворе и повышает количество воды, подлежащей удалению из цикла путем выпаривания. В результате контактного нагрева пульпы в автоклавах и вынужденного использования выщелачивающего раствора высокой концентрации возрастает расход пара.
Опытно-промышленные исследования и промышленная эксплуатация батарей непрерывного выщелачивания показали [2, 9], что возможность поверхностного нагрева бокситовой пульпы в кожухотрубных теплообменниках до высоких температур (вплоть до реакционной температуры) ограничивается интенсивным образованием на теплообменных поверхностях титанистых осадков, отличающихся высокой твердостью и трудно поддающихся очистке как химическими, так и механическими способами. Поэтому нагрев бокситовой пульпы в кожухотрубных теплообменниках ограничивается температурой порядка 160С.
Из последнего автоклава батареи пульпа переходит в сепараторы, где охлаждается почти до точки кипения при атмосферном давлении. Основное назначение сепараторов -быстро снижать температуру перегретой в автоклавах пульпы настолько, чтобы дальнейшие переделы были возможны при обычном давлении. Другое назначение -отделить за короткое время пар самоиспарения, использование которого резко сокращает расход пара высокого давления с ТЭЦ.
При непрерывном выщелачивании пульпа поступает в сепаратор через щель между дроссельной шайбой и иглой регулятора. От площади щели, определяемой положением иглы в отверстии шайбы, зависит скорость разгрузки автоклавной пульпы. Игольчатый регулятор и дроссельная шайба находятся в неблагоприятных условиях работы и быстро истираются.
Сепаратор первой ступени обычно такого же размера и формы, как и автоклав; он имеет сетку и кап л еу ловите ль. Форма сепаратора второй ступени также похожа на форму автоклава, но размеры сепаратора много меньше.
В качестве первичных измерителей технологических параметров автоклавного выщелачивания используется широкая номенклатура датчиков. Выбор метода измерения, тип и конструкция измерителя определяется с учетом свойств измеряемой среды.
Для измерения температур применяются термометры сопротивления [10] медные и платиновые (ТСМ и ТСП). Измерение давлений, расходов и уровней осуществляется, как правило, первичными преобразователями со стандартными диапазонами сигналов (0-10В, 0-20 мА и 4-20 мА). Для измерения плотности используются радиоизотопные датчики.
В контурах регулирования на участках выщелачивания используются как исполнительные механизмы (ИМ) пропорционального действия (например, частотно-регулируемый привод подачи промывной воды на разбавление "вареной" пульпы), так и исполнительные механизмы постоянной скорости (например, однооборотные и многооборотные электрические исполнительные механизмы - МЭО/МЭМ). Основными элементами ИМ пропорционального действия, как правило, являются электрический двигатель и преобразователь частоты (ПЧ), осуществляющий плавное изменение частоты вращения двигателя до требуемой (требуемая частота вращения двигателя пропорциональна подаваемому на ПЧ управляющему сигналу, т.е. сигналу с выхода регулятора). Таким образом, управление ИМ пропорционального действия осуществляется за счет изменения величины управляющего сигнала.
Основными элементами электрических исполнительных механизмов постоянной скорости являются асинхронный электрический двигатель и редуктор [10]. Двигатель таких механизмов с помощью контакторов (или бесконтактных пускателей) подключается к напряжению сети; выходной вал редуктора соединяется с регулирующим органом (заслонкой подачи греющего пара, игольчатым клапаном и т.д.). Скорость перемещения регулирующего органа зависит от скорости вращения двигателя и передаточного числа редуктора. Для получения сигнала, пропорционального положению регулирующего органа, исполнительные механизмы снабжаются датчиками положения (реостатными или индуктивными).
Для управления ИМ постоянной скорости предусмотрены две линии, "больше" и "меньше". При наличии дискретного управляющего сигнала с неизменным уровнем на одной из линий контакторы подключают трехфазную сеть к статорным обмоткам двигателя в определенной последовательности (т.е. управляющий сигнал на линии "больше" вызывает вращение двигателя с постоянной скоростью в одном направлении, а на линии "меньше" - в противоположном направлении). Так как вал редуктора при этом жестко соединен с регулирующим органом, то происходит перемещение (открытие или закрытие) последнего с постоянной скоростью.
Таким образом, управление исполнительным механизмом постоянной скорости осуществляется по одной из управляющих линий ("больше" или "меньше", в зависимости от требуемого направления движения), длительностью управляющего импульса.
Динамическая модель контактного нагрева пульпы паром высокого давления в процессе выщелачивания бокситов
Рассмотрим динамическую модель контактного нагрева фрагмента пульпы, введенного в батарею в некоторый момент времени І At, паром, поступившим в батарею в момент времени і At.
Как уже было отмечено в п. 2.1, через каждый промежуток времени (период дискретизации модели, описывающей процесс поступления пара и пульпы в батарею) At в батарею поступают ( At-G ) тонн пара и ( At-Gn ) кубометров пульпы и, перемешиваясь, совместно перемещаются по автоклавам батареи с постоянной скоростью (см. рис. 2.1). Перемещение данного фрагмента пульпы по автоклавам батареи сопровождается процессом нагрева (изменения температуры) пульпы. Из анализа трендов технологических параметров автоклавных батарей с верхним подводом пара, эксплуатируемых на Богословском алюминиевом заводе (см. рис. 2.5), следует, что при расходе пульпы 100 м3/ч время транспортного запаздывания і] = Тавт от начала батареи до точки измерения температуры пульпы в автоклаве 1 (т.е. до выхода из автоклава 1) составляет примерно 450 секунд; до точки измерения температуры пульпы в автоклаве 2 - (2-450=2- та„т) секунд, а до точки измерения температуры пульпы в автоклаве 3 - (2.5- 450=2.5- та„т) секунд.
Данный факт объясняется тем, что в батареях с верхним подводом пара датчики температуры пульпы в греющих автоклавах (т.е. первом и втором) установлены в точках выхода пульпы из автоклавов. В остальных автоклавах (в том числе и в автоклаве 3) датчики температуры пульпы установлены в верхних крышках.
Примечание. Установить датчики температуры в крышках греющих автоклавов батареи с верхним подводом пара невозможно, так как греющий пар и пульпа подаются в батарею сверху под давлением, и за счет абразивного действия пульпы датчик может выйти из строя. Следовательно, для батарей с верхним подводом пара n-1 ,11= 1,2; \ = (2п-1) т п . (2-15) где тп - время транспортного запаздывания от начала батареи до точки измерения температуры пульпы в автоклаве п (п - номер автоклава), [с]; Хавт — время перемещения пульпы через один автоклав батареи (т.е. время транспортного запаздывания от входа до выхода одного автоклава) при текущем расходе пульпы, рассчитываемое по формуле (2.2), [с]. При построении модели предположим, что взаимное влияние порций пара и пульпы, введенных в батарею в разные моменты времени І At (см. рис. 2.1), отсутствует (т.е. массо- и теплообмен между порциями пара и пульпы, введенными в батарею в разные моменты времени І At , не происходит). Таким образом, необходимо рассмотреть процесс теплообмена в термодинамической системе, состоящей из (At Gnap) тонн пара и ( At-Gn ) кубометров пульпы с учетом протекания экзотермической реакции выщелачивания бокситов и наличия теплообмена с окружающей средой. На изменение температуры фрагмента пульпы влияют следующие процессы: 1) теплообмен пульпы (и парового конденсата, растворившегося в пульпе) с паром высокого давления; 2) теплообмен пульпы с окружающей средой; 3) экзотермическая реакция выщелачивания бокситов. Примечание. Учесть теплообмен с окружающей средой и при построении статической модели контактного нагрева фрагмента пульпы паром (см. п.2.2) не представляется возможным. В установившемся режиме (при наличии теплообмена с окружающей средой) температура фрагмента пульпы объемом (Gn At), введенного в батарею в любой момент времени і At, будет равна температуре окружающей среды (т.к. после окончания процесса теплообмена пульпы с паром и завершения реакции выщелачивания фрагмент пульпы будет остьшать до тех пор, пока его температура не станет равной температуре окружающей среды). Рассмотрим поочередно величины Qnap, Qoc, Qp. Количество теплоты, прошедшее в единицу времени через произвольную поверхность F, называют тепловым потоком . Плотность теплового потока q (по определению) dt это количество теплоты, проходящей через единицу поверхности в единицу времени [30] (2.17) Знак минус в правой части выражения (2.17) показывает, что в направлении теплового потока температура убывает (т.е. теплопередача осуществляется от вещества с большей температурой к веществу с меньшей температурой). dТепловой поток и плотность теплового потока q связаны соотношением При описании процессов теплообмена между паром и пульпой за основу принят закон Ньютона-Рихмана [26, 30]: q = a-(TKn) (2.19) где q - плотность теплового потока, [кДж/(с-м2)]; Тк- температура газа (пара), [С]; Тп -температура поверхности тела (пульпы), [С]; a - коэффициент теплоотдачи, [кДж/(С-с-м2)]. В процессе передачи теплоты от пара к пульпе на поверхности теплообмена пар конденсируется и растворяется в пульпе, остывая до текущей температуры пульпы. За разность температур (Тк — Тп) в формуле (2.19) при этом берется разница значений температуры, при которой начинается конденсация пара, и текущей температуры поверхности тела (пульпы) [30]. Таким образом, в формуле (2.19) величина Тк соответствует температуре конденсации пара в раствор, а не температуре пара на входе в батарею. В работе [4] описана важная особенность контактного нагрева пульпы паром высокого давления. Автор отмечает, что пар будет конденсироваться и нагревать раствор (пульпу) до тех пор, пока последний не достигнет температуры, при которой упругость пара над ним станет равной давлению греющего пара. Из физики известно [29, 31], что кипение жидкости происходит, когда давление насыщающего пара на ее поверхности (упругость пара) равно внешнему давлению. Таким образом, с учетом того, что давление пара после его поступления в автоклав равно давлению внутри автоклава, за значение температуры конденсации греющего пара Тк можно принять температуру кипения ТкипенИя пульпы при данном давлении в автоклаве. Исходя из (2.18), (2.19) и предполагая, что плотность теплового потока во всех точках поверхности теплообмена постоянна, можно записать следующее соотношение где Fnap- площадь поверхности теплообмена пульпы с паром, [м2]. Таким образом, количество теплоты, отдаваемое паром в процессе теплообмена в единицу времени, пропорционально площади поверхности теплообмена и разнице значений температуры, при которой начинается конденсация пара, и текущей температуры пульпы. Примечание. Расчет температуры кипения пульпы Ткипения при заданном давлении в автоклаве осуществляется с помощью аппроксимирующей формулы (2.21), полученной методом наименьших квадратов на основе экспериментальных данных (см. табл. 1.1). ТКИПе„ия = 2.0745-Р + 185.75, (2.21) где Р - давление в автоклаве, [бар]. Площадь поверхности теплообмена Fnap в каждый момент времени переходного процесса рассчитать крайне сложно (т.к. требуется учесть диаметр частиц пульпы, явление массопереноса и т.д.). Поэтому при составлении модели принято допущение, что площадь поверхности теплообмена пропорциональна количеству пара, еще не перешедшего в конденсат и участвующего в теплообмене. При построении модели учтено, что в первый автоклав батареи подается только 90% пара, а остальные 10% поступают во второй автоклав (т.е. включаются в процесс теплообмена не сразу, а по прошествии времени транспортного запаздывания Ті = тавт, соответствующему перемещению пульпы от начала батареи до входа во второй автоклав).
Теплообмен между паром и пульпой заканчивается, когда весь пар полностью растворяется в пульпе, остывая до текущей температуры последней. Площадь поверхности теплообмена между паром и пульпой при этом, естественно, равна нулю.
Алгоритмическое обеспечение автоматизированного управляющего контура (второго уровня АСУТП)
Второй уровень АСУТП (автоматизированный управляющий контур) предназначен для оптимизации (повышения эффективности) технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов в целом, осуществляемой путем координированного формирования уставок на локальные САР (см. рис. 3.18). Как уже было показано в главе 1, для достижения высокой эффективности процесса выщелачивания (т.е. максимально возможной производительности автоклавной батареи, не приводящей к потере качества выщелачивания), следует обеспечить максимальную температуру выщелачивания, не приводящую к кипению пульпы, при максимально возможном в данных технологических условиях расходе сырой пульпы.
Работа второго уровня АСУТП автоклавного выщелачивания бокситов осуществляется с учетом начальных значений и ограничений на основные технологические параметры, задаваемых вышестоящими автоматизированными системами (в качестве таких систем могут выступать диспетчерские системы управления глиноземным производством, системы согласования материальных потоков глиноземного производства или третий имитационно-оптимизационный контур АСУТП), либо операторами/диспетчерами.
Примечание. Второй уровень АСУТП может функционировать как в "автоматическом", так и в "ручном" режиме. В "ручной" режиме осуществляется лишь трансляция уставок от оператора или вышестоящих систем управления на локальные САР (т.е., фактически, при переходе второго уровня АСУТП в "ручной" режим, оптимизация процесса не осуществляется, и функционируют только локальные САР по заданиям оператора или вышестоящих систем управления).
В связи с тем, что значение плотности пульпы после выщелачивания влияет главным образом на работу смежных участков глиноземного производства (сгущения и декомпозиции), то требуемое значение плотности пульпы р ад определяется вышестоящими (по отношению к АСУТП автоклавного выщелачивания) системами управления и транслируется на локальную САР плотности пульпы без изменения.
Аналогичным образом ведется работа (т.е. транслирование без изменения) и в случае уставки по уровню пульпы в сепараторе первой ступени Н„ад. Как уже было указано, поддержание постоянного уровня пульпы в сепараторе первой ступени позволяет продлить срок службы трубопроводов и оборудования. Таким образом, уровень пульпы в сепараторе поддерживается примерно равным половине высоты сепаратора, и, следовательно, уставка по уровню пульпы практически не меняется и определяется габаритными размерами (высотой) конкретного сепаратора. По давлению пульпы в батарее задается непосредственно начальное значение Р зад 0 , тлмин т макс ч и ограничения уставки снизу и сверху (г иг соответственно), определяемые главным образом диапазоном разрешенных давлений в технологическом оборудовании (в первую очередь - в автоклавах). По расходу пульпы на батарею задается непосредственно начальное значение G 3afl 0 / /-і мин /-і макс ч п и ограничения уставки снизу и сверху (Оп и оп соответственно). Значения ограничений определяются требуемой производительностью батареи (т.е. производственным планом) и корректируются оператором или диспетчерской системой с целью согласования материальных потоков глиноземного производства в целом. Примечание. Начальные значения уставки давления пульпы Рзад и расхода пульпы G3aa служат для конкретизации начальных значений (начальных условий) для второго контура АСУТП и для обеспечения плавного (безударного) перехода из автоматического режима в "ручной" и обратно. Основную роль в дальнейшей оптимизации играют именно „ / т» мин т) макс /-і мин г макс ч значения ограничении (г , г , (лп , Оп ). Уставка по температуре пульпы Т ад в греющем автоклаве рассчитывается на основе значения давления пульпы в батарее. При температуре пульпы в греющем автоклаве равной Т„ад максимальная температура пульпы в батарее Т 0 должна быть немного меньше температуры кипения пульпы Ткипения при текущем давлении в автоклаве. Следовательно, Рассчитанное по формуле (3.4) значение Т ад может передаваться непосредственно на локальную САР температуры пульпы в качестве задающего воздействия, либо только отображаться оператору в качестве рекомендуемого значения уставки (в режиме "советчика" оператора). При невозможности обеспечить нагрев пульпы в греющем автоклаве до температуры Т ад (при отсутствии запаса по регулированию расхода греющего пара) следует снижать расход сырой пульпы на батарею. В качестве критерия наличия запаса по регулированию расхода греющего пара выбрано значение выхода регулятора U контура стабилизации расхода пара. Действительно, выход U. на упор сверху сигнализирует о невозможности обеспечить требуемый расход пара для нагрева пульпы до оптимальной температуры при текущих технологических параметрах (расходе и температуре сырой пульпы, давлении пара в паропроводе и т.д.). Справедливо и обратное утверждение. Небольшой выход регулятора расхода пара (т.е. и небольшой процент открытия заслонки, регулирующей подачу пара) свидетельствует о наличии значительного запаса по регулированию расхода пара. Следовательно, имеется возможность нагреть до оптимальной температуры и выщелочить большее количество пульпы в единицу времени, чем установлено в данный момент (т.е. можно увеличить расход пульпы и повысить производительность батареи без потери качества выщелачивания). Таким образом, можно вьщелить диапазон значений выхода регулятора расхода пара [ и ид U ] вблизи верхнего упора, в котором обеспечивается максимальная производительность батареи (при требуемом качестве выщелачивания) в текущих технологических условиях. т-г т тпар г т тмин т тмакс і Положение выхода регулятора расхода пара и Пвд в диапазоне [ U ПИд ; U ПИд ] обеспечивается путем изменения уставки по расходу пульпы (с учетом диапазона 117 допустимых значений [ G„HH ; G„aKC ]) в соответствии с алгоритмом (см. рис. 3.19), выполняющимся каждый цикл работы управляющей ЭВМ. В "ручном" режиме (шаг 3 на рис. 3.19) значение G транслируется на САР расхода пульпы без изменения (обеспечивается лишь принадлежность уставки диапазону г /-і мин /-і макс Пч допустимых значении [ (л п ; Gп ]). В "автоматическом" режиме (при равенстве текущего значения уставки по давлению пульпы максимально допустимому значению) с помощью таймера tynop осуществляется подсчет времени, в течение которого значение U n непрерывно (постоянно) находится вне диапазона допустимых значений [ и ид ; И ид ] (шаги 4-6). Если значение tynoP превысит заранее заданную величину ТО (шаг 7), то осуществляется сброс (обнуление) таймера tyn0p (шаг 8) и изменение уставки по расходу пульпы на заданную величину AG „ад (шаги 9-11). Если и д меньше и ид чт0 соответствует значительному запасу по регулированию расхода пара, то уставка по расходу пульпы повышается. В противном случае (т.е. при и д больше и ыц ) _ уставка по расходу пульпы снижается. На завершающем этапе (шаги 12-16) обеспечивается принадлежность уставки диапазону допустимых значений [G„HH ;G„aKC ] Если возможность влиять на ситуацию с запасом регулирования по расходу пара путем корректировки уставки по расходу пульпы исчерпана (т.е. Оп вышла на ограничение G„HH снизу), то производится корректировка уставки по давлению пульпы в батарее Рзад (см. рис. 3.20).
Влияние величины отношения времени запаздывания к постоянной времени объекта на качество переходных процессов
Рассмотрим влияние погрешности оценки параметров объекта, возникающей, например, из-за наличия шумов в сигнале от объекта управления, на качество переходных процессов в замкнутой системе. В качестве исходных данных взяты значения из табл. 4.1.
Параметры ПИ-регулятора рассчитаем в соответствии с вариантом 2 (см. табл. 4.5) на основе значений, полученных методом интегральной оценки, а моделирование будем проводить на объекте первого порядка с исходными параметрами (К б=1, Тб= Юс, Т б= 5с). Результаты моделирования представлены в табл. 4.7, а переходные процессы
(эксперименты №1, №6 и №7, без отображения шумовой составляющей сигнала объекта управления) приведены на рис. 4.10.
Из табл. 4.7 и рис. 4.10 видно, что даже при существенных погрешностях оценки параметров объекта (например, в эксперименте №6) значения показателей качества переходных процессов в замкнутой системе меняются незначительно и удовлетворяют требованиям п.4.2.1 (т.е. параметры переходных процессов остаются в допустимы пределах даже при наличии погрешности оценки параметров объекта). Таким образом, для получения желаемых показателей качества регулирования высокая точность идентификации объекта не требуется.
Следовательно, рассматриваемая методика построения адаптивного ПИ-регулятора применима и при наличии шумов в сигналах от объекта управления и не требует коррекции в случае наличия небольших погрешностей оценки параметров объекта.
. Переходные процессы при различных погрешностях оценки параметров объекта
Примечание. Следует отметить, при минимальном времени регулирования и перерегулировании в эксперименте №7 (см. рис. 4.106) переходный процесс в замкнутой системе не является апериодическим, как в экспериментах №1 и №6. Это объясняется тем, что из-за влияния шумов на этапе идентификации объекта (см. эксперимент №7 в табл. 4.1) бьшо получено незначительно завышенное значение постоянной времени объекта (10.625с вместо 10с) и заниженное значение времени запаздывания (4.703с вместо 5с). В результате этого при расчете параметров ПИ-регулятора (см. табл. 4.5) бьшо получено завышенное значение коэффициента пропорциональности К , что и привело к незначительному снижению запаса устойчивости замкнутой системы.
Работа с объектом более высокого (второго) порядка
Рассмотрим работоспособность варианта 2 (см. табл. 4.5) выбора параметров ПИ-регулятора при работе с объектами более высокого (второго) порядка без колебательности. Коэффициенты ПИ-регулятора рассчитаем на основе параметров "эквивалентных" объектов первого порядка, полученных методом интегральной оценки (см. табл. 4.2), а моделирование будем проводить на соответствующих объектах второго порядка. Результаты моделирования представлены в табл. 4.8, а примеры переходных процессов (из экспериментов №5 и №8) приведены на рис. 4.11.
Рис. 4.11. Переходные процессы при работе с объектом второго порядка Анализируя результаты моделирования, можно отметить, что качество переходных процессов во всех экспериментах с объектами второго порядка соответствует требованиям п.4.2.1. Максимальное перерегулирование («3%) было получено в экспериментах №6-11 (см. табл. 4.8), в которых имеют место наиболее значительные погрешности метода интегральной оценки при работе с объектом второго порядка (см. рис. 4.6). Следует отметить, что как и в случае с объектом первого порядка, погрешность интегральной оценки параметров объекта второго порядка (см. табл. 4.4), возникающая из-за наличия шумов, лишь незначительно ухудшает показатели качества переходных процессов в замкнутой системе (см. табл. 4.9).
