Введение к работе
Актуальность темы. Промышленные предприятия металлургической
отрасли представляют собой крупные производственные объекты. Характерными особенностями таких предприятий являются широкая занимаемая территория и обширные внешние и внутренние материальные и энергетические потоки. Средством обеспечения таких потоков служат транспортные системы различного назначения, которые связывают предприятие как с внешними поставщиками и потребителями, так и обеспечивают внутризаводской обмен продукцией и энергоносителями.
Характерной особенностью современного этапа развития промышленного производства в целом заключается в том, что с одной стороны возрастают объемы выпускаемой продукции, с другой стороны минимизируется накопление исходных материалов, обеспечивающих непрерывное производство и количество готовой продукции. Такие особенности диктуют жесткие требования к надежной работе транспортных систем и, в частности, к бесперебойному функционированию трубопроводных сетей.
Особую группу составляют трубопроводы, предназначенные для подачи криогенных субстанций или веществ, способных изменять свое агрегатное состояние под влиянием температуры окружающей среды, например, жидкий кислород, водород, азот, сжиженный природный газ. Одним из таких веществ является углекислота, которая способна переходить из газообразного состояния в жидкость и лед, при понижении температуры, или из жидкого состояния в газ при ее повышении, находясь под избыточным давлением.
Прогрессивным техническим новшеством, обеспечивающим рост эффективности и безопасности труда, является прокладка углекислотопроводов непосредственно к рабочим местам с устройством постов, на которых потребители разбирают жидкую углекислоту. В то же время, подача углекислоты в однофазном агрегатном состоянии под непосредственным воздействием окружающей среды сопряжена с техническими трудностями, вследствие высокой вероятности изменения фазового состояния вещества. При перекачке углекислоты на значительное расстояние необходимо учитывать теплообмен между транспортируемой жидкостью и окружающей средой, так как возможные фазовые превращения вещества ведут к остановке технологического процесса.
Строительство технологических трубопроводов для подачи жидкой углекислоты выдвигает на первый план задачу создания автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП), которая обеспечит непрерывную диагностику и автоматическое управление агрегатным состоянием углекислоты. Основное назначение АСУ ТП -обеспечение эффективного функционирования объекта управления путем автоматизированного выполнения функций управления. Функции АСУ ТП в
общем случае включают в себя следующие действия: прогнозирование; учет, контроль и анализ; регулирование.
Результатом применения АСУ ТП является, повышение качества конечного продукта, минимизация расходов сырья, снижение влияния «человеческого фактора», сокращение обслуживающего персонала и повышение безопасности технологического процесса.
В силу указанных причин актуальной является задача автоматизации контроля и управления агрегатным состоянием при передаче жидкой углекислоты на удаленное расстояние по технологическому трубопроводу.
Использование разработанной автоматизированной системы управления агрегатным состоянием углекислоты позволит:
обеспечить стабильное протекание транспортировки углекислоты, за счет непрерывного наблюдения агрегатного состояния и своевременного воздействия на процесс;
повысить производительность процесса заправки баллонов, за счет непрерывной подачи углекислоты по трубопроводу;
поднять уровень безопасности проведения работ, за счет исключения многократной перевозки баллонов-полуфабрикатов;
обеспечить технологический учет всей произведенной углекислоты и, отдельно, поданной потребителю;
обеспечить дистанционный контроль уровня углекислоты в стапельных баллонах и автоматическое или «ручное» управление наполнением;
обеспечить контроль давления в стапельных баллонах;
определять опасную концентрацию газа в хранилище углекислоты;
визуализировать технологический процесс при помощи мнемосхем различного уровня детализации;
вести архивные записи процесса транспортировки, хранения, подачи и учета углекислоты в виде таблиц, графиков и выводить архивные данные по требованию оператора за необходимый период времени, что позволяет усилить контроль над действиями оперативного персонала.
Цель диссертационной работы. Разработка методики прогнозирования, способа и алгоритма управления агрегатным состоянием жидкой углекислоты в технологических трубопроводах при нестационарных условиях на основе исследования тепловых и гидравлических процессов, протекающих при транспортировке.
В работе поставлены и решены задачи.
1. Разработка математической модели тепловых и гидравлических
процессов, происходящих при транспортировке жидкой углекислоты по
трубопроводу.
2. Обоснование оптимальных значений теплофизических и
гидравлических характеристик процесса при транспортировке жидкой
углекислоты по трубопроводу
Разработка методики прогнозирования и управления агрегатным состоянием углекислоты по косвенным характеристикам при изменении внешних условий во время транспортировки.
Разработка теоретически обоснованного способа формирования управляющего воздействия при изменении технологического режима подачи углекислоты.
Разработка автоматизированной системы контроля и управления технологическим процессом.
Методы исследования. В работе над диссертацией использовались фундаментальные и специальные теории: теплопередачи и молекулярной физики, гидравлика и гидродинамика, синтез оптимальных управляющих систем, методы построения АСУ ТП, электротехника и электроника, построение информационных каналов связи.
Научная новизна.
Разработана математическая модель тепловых процессов при транспортировке углекислоты, учитывающая агрегатное состояние и влияние гидравлических процессов, протекающих при транспортировке углекислоты по технологическому трубопроводу под влиянием условий окружающей среды.
Предложена методика прогнозирования, способ и алгоритм управления процессом стабилизации агрегатного состояния углекислоты в трубопроводе, основанный на контроле и управлении косвенными координатами процесса, определяющими фазовое состояние транспортируемого вещества.
Практическая ценность работы.
1. Разработан комплекс программно-аппаратных средств АСУ ТП
транспортировки жидкой углекислоты по трубопроводу.
2. Внедрена автоматизированная система управления
транспортировкой, хранением, подачей и учетом углекислоты, составной
частью которой является система управления агрегатным состоянием
углекислоты, на ОАО «Первоуральский Новотрубный завод»
(г. Первоуральск, Свердловской обл.).
Спроектирован и изготовлен стенд-тренажер для обучения технического персонала АСУ ТП навыкам работы с автоматизированной системой путем физического моделирования процесса перекачки жидкости по трубопроводу. В учебном процессе кафедры МСА стенд применяется для обучения студентов специальности «Автоматизация технологических процессов и производств».
Разработан комплект документации на автоматизированную систему контроля агрегатного состояния и управления процессом транспортировки жидкой углекислоты.
5. Разработан комплекс методических руководств по теоретической и практической подготовке обслуживающего персонала автоматизированной системы и студентов специальности АТПП.
На защиту выносится,
1. Математическая модель теплофизического состояния жидкой
углекислоты при транспортировании на удаленные расстояния.
2. Математическая модель гидродинамических процессов,
протекающих при транспортировке жидкой углекислоты по
технологическому трубопроводу.
3. Алгоритм контроля и управления процессом стабилизации
однофазного состояния при транспортировке жидкой углекислоты.
4. Автоматизированная система управления агрегатным состоянием
жидкой углекислоты при транспортировке по технологическому
трубопроводу.
Апробация работы. Основные результаты работы выносились на обсуждение научно-технической конференции ПГТУ в 2000 г., научно-практической конференции ПГТУ в 2003 г., 4-й Всероссийской конференции «Информация, инновации, инвестиции - 2003» в 2003 г.
Публикации. По тематике диссертации опубликовано 4 научно-технические статьи в сборниках научных трудов за 1999-2004 гг., 4 тезиса на Всероссийских и региональных конференциях, представлен отчет по НИР и комплект документации на ОАО «Первоуральский новотрубный завод», (г. Первоуральск Свердловской обл.).
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает введение, пять глав, заключение, список литературы и приложение, изложенные на 98 страницах. Содержит 8 рисунков, 6 таблиц. Библиографический список включает 97 наименований.
Внедрение результатов работы. По результатам выполненных
исследований спроектирована и смонтирована линия по транспортировке
жидкой углекислоты на расстояние 490 м для заправки огнетушителей на
ОАО «Первоуральский Новотрубный завод» (г. Первоуральск Свердловской
обл.), составной частью этой линии является автоматизированная система
управления агрегатным состоянием жидкой углекислоты. Разработанный
программно-технический комплекс используется в учебном процессе
кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации»
электротехнического факультета ПГТУ. Акты внедрения результатов диссертационной работы прилагаются.
Похожие диссертации на Управление агрегатным состоянием жидкой углекислоты в технологических трубопроводах
