Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор и постановка задачи исследования 8
1.1. Выпарные установки целлюлозного производства и их роль в технологическом цикле 8
1.1.1. Классификация выпарных аппаратов 10
1.1.2. Технологические схемы выпарных установок 19
1.1.3. Баковое хозяйство выпарных установок 27
1.2. Математическое описание процессов выпаривания и математические модели выпарных установок 28
1.2.1. Выпарные установки как объекты моделирования 28
1.2.2. Статические модели выпарных установок 30
1.2.3. Динамические модели выпарных установок 32
1.3. Производственный контроль и системы автоматизации выпарных установок 36
1.4. Оптимизация работы выпарных установок по технико-экономическим критериям 45
Выводы 50
Постановка задачи исследования 52
Глава 2. Математические модели выпарных установок сульфат-целлюлозного производства . 54
2.1.Статические характеристики многоступенчатых выпарных установок 54
2.2. Статическая модель смесителя 55
2.3. Статистическая модель суперконцентратора 60
2.4. Статическая модель поверхностного конденсатора 61
2.5. Статическая модель выпарного аппарата 63
2.6. Расчетные статические характеристики выпарной установки 65
2.7.Математическое описание и динамическая модель выпарной установки сульфат-целлюлозного производства 70
2.8. Экспериментальные динамические характеристики объекта 76
2.9. Динамические свойства щелоковых ёмкостей 80
Выводы 81
Глава 3. Разработка функциональной структуры системы управления 82
3.1. Назначение системы управления 82
3.2. Принципы построения системы управления 84
3.3. Описание системы управления 85
3.4. Работа системы 87
Выводы 89
Глава 4. Математическая модель и имитационное моделирование системы управления 91
4.1 Описание системы имитационного моделирования 91
4.1 Л Математическая модель технологического объекта управления . 92
4.1.2. Математическое описание регуляторов 98
4.1.3. Функции программы 99
4Л .4. Проверка адекватности модели объекта 102
4.2. Имитационное моделирование объекта и системы управления 107
4.2.1. Анализ влияния предуплотнения щелока на характеристики объекта 107
4.2.2. Алгоритмы работы подсистем управления 111
4.2.3. Анализ качества работы системы управления производительностью 114
Выводы 133
Основные результаты работы 135
Список использованной литературы
- Технологические схемы выпарных установок
- Статистическая модель суперконцентратора
- Принципы построения системы управления
- Математическая модель технологического объекта управления
Введение к работе
Автоматизированные системы управления энерготехнологическими процессами являются универсальным техническим инструментом, позволяющим практически реализовать такие сложные задачи как оптимальное управление объектом на базе сформулированного технико-экономического критерия, и управление переходными режимами, пуском и остановкой. Осуществление возможно на базе тотального технологического контроля процессов и комплексного взаимосвязанного управления локальными системами автоматики.
Широкое внедрение вычислительной техники создает возможности постановки задач управления, основанных на системном подходе, то есть в представлении отдельных технологических переделов элементами единого производственного комплекса. При этом, если технологический комплекс производит один вид основной товарной продукции, то функциональные назначения отдельных элементов и критерии их работы могут быть пересмотрены и сформулированы иначе, исходя из наиболее приоритетной задачи - получения максимальной прибыли.
Таким образом, наметившаяся перспектива в области автоматизированного управления технологическими и энергетическими объектами диктует необходимость постановки и разработки качественно новых задач и алгоритмов, которые должны быть сформулированы, исходя из технологических реалий. Данная диссертационная работа выполнена в русле обозначенных тенденций.
Объектом исследования настоящей работы является технологический передел выпаривания производства сульфатной целлюлозы. Передел является важным звеном в цикле регенерации отработанных химикатов сульфатного производства. Выпарные установки предназначены для повышения концентрации промышленных щелоковых растворов до величины, при которой они могут быть использованы как топливо в содорегенерационных
котельных агрегатах. В настоящее время на всех сульфатцеллюлозных предприятиях установлены вакуум-выпарные станции, состоящие из пяти или шести вертикальных длиннотрубных аппаратов пленочного типа, иногда оснащенных добавочной ступенью из концентраторов с падающей пленкой.
Технологическая роль ВУ определяется местом, занимаемым ею в производственном процессе, а именно, - она является первым звеном в цикле регенерации и промежуточным звеном в общем цикле производства целлюлозы. Исходя из прямого функционального назначения, ВУ должна обеспечить заданную величину целевого технологического параметра — концентрацию упаренного раствора, чего требуют действующие технологические регламенты. С другой стороны, в связи с её положением в технологической схеме, на выпарную установку поступает максимальный объем отработанных низкоконцентрированных щелочных растворов, подлежащих регенерации, из варочно-промывного и ряда других производственных цехов. Поэтому выпарной цех оснащен большим количеством ёмкостей для хранения щелоков, что позволяет временно форсировать или, напротив, ослаблять интенсивность работы отдельных переделов. Основным требованием к работе передела выпарки со стороны комплекса является безусловная переработка всех поступающих потоков для гарантированного обеспечения заданной производительности по целлюлозе.
Однако, в зависимости от ситуации на других переделах (прежде всего в варочном цехе) передел выпарки может либо аккумулировать в своих ёмкостях значительное количество оборотной щелочи, либо интенсифицировать её переработку. Таким образом, передел выпарки объективно играет роль «диспетчера» щелоковых потоков не только своего, но и соседних производств. Однако, как показывает практика, ручное управление запасами щелоков затруднено в связи с большой инерционностью ёмкостей. В результате имеет место, как нежелательное отклонение качества продукта, так и прямое переполнение или потеря уровня в ёмкостях, что
недопустимо. Для медленно протекающих процессов, таких как накопление и изменение запасов в ёмкостях очевидна необходимость автоматизированного управления. В связи с изложенным цели настоящей работы сформулированы следующим образом:
анализ роли данного технологического передела и формулировка цели его функционирования как одного из элементов замкнутой производственной схемы;
исследование передела выпарки как объекта управления;
разработка функциональной структуры и анализ автоматизированной системы управления, предназначенной для реализации поставленной цели управления в составе АСУТП.
Исследование объекта проведено аналитическим и экспериментальным методом. Разработка и анализ систем управления - методом имитационного моделирования.
В результате проведенной работы автором предлагается:
новый взгляд на функциональное назначение передела выпарки в процессе производства сульфатной целлюлозы и соответствующую этому формулировку задачи управления ею.
усовершенствованная технологическая схема и способ управления процессом выпаривания.
структура системы управления ВУ в составе АСУТП, позволяющей реализовать гибкое изменение производительностей при изменении производственной ситуации.
новая тактика управления выпарной установкой заключающаяся в постоянном изменении нагрузки установки для стабилизации щелоковых запасов на входе.
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНА ЧЕНИЯ
b — концентрация, %
ер - теплоемкость удельная,
кДж/кг*град D - концентрация, весовые % F - площадь поверхности
теплообмена, м2 G - расход объемный, мЗ/час g - ускорение свободного падения,
м/с2 Н - уровень, м, см I - удельная энтальпия воды,
раствора, кДж/кг к - коэффициенты влияния в
уравнениях, настроечные
коэффициенты Р - давление пара, кПа
б ~~ расход тепла кДж/с или
количество тепла, кДж Q - расход весовой кг/с, т/час q - теплосодержание греющего
пара, конденсата, кДж/кг Т - постоянная времени объекта с,
мин, лительность импульса t — время, с V - объем, мЗ W - количество испаренной воды,
кг/с, т/час
X - управляющее воздействие Y - регулируемый параметр А - приращение параметра є - зона нечувствительности v - температура, град и - концентрация, г/л NajO общ. р - плотность, кг/м3 т - время запаздывания, с ИНДЕКСЫ
вх, вых - на входе, на выходе ном - номинальный рабочий режим зд - задание г - возврат потока СОКРАЩЕННЫЕ ОБОЗНА ЧЕНИЯ ВУ - выпарная установка МВУ - многокорпусная выпарная установка
а.с.в. - абсолютно сухое вещество АСР - автоматическая система регулирования
Технологические схемы выпарных установок
В ЦБП применяются различные схемы последовательности упаривания щелоков: - Прямоток, отличающийся минимальным расходом электроэнергии. Противоток, имеющий повышенную производительность за счет подогревателей щелока при повышенном расходе электроэнергии. - Смешанный ток, имеющий промежуточные показатели по расходу электроэнергии [2].
В многокорпусных выпарных установках смешанный ток осуществляется в нескольких вариантах. Кроме того, технологические схемы выпарных установок характеризуются различными количествами корпусов и различными кратностями упаривания щелока.
Большинство выпарных установок в отрасли работают по схемам пяти- и шестикратного испарения. При пятикратном испарении щелока в нормальных условиях расходуется 0,24 т пара на 1т испаренной воды, а при шестикратном испарении 0,20 т пара на 1т испаренной воды. На рисунке 1.7 показана технологическая схема выпарной установки сульфат целлюлозного производства Сегежского целлюлозно-бумажного комбината (ЦБК), состоящей из аппаратов с поднимающейся пленкой.
Выпарная станция «Розенлев-Свенсон», производительностью 150т/ч по выпариваемой воде. Суммарная поверхность нагрева всех корпусов 9500мг. Станция состоит из 6-ти корпусов - питание осуществляется по проти воточной схеме. Черный щелок с содержанием 20% а.с.в. в количестве 181,5т/ч подается насосами в выпарной корпус№5. Упаренный в корпусе №5 до содержания а.с.в. 22,8%. Черный щелок самотеком поступает в корпус № 6, где его сухость доводится до 27,2%.
Из корпуса №6 черный щелок насосами подается в промежуточный бак полуупаренного щелока, в котором происходит дополнительное выделение и съем сульфатного мыла. Из бака полуупаренного щелок насосами подается в корпуса №4, где упаривается до содержания а.с.в. 32,3%- Через подогреватель щелок откачивается в корпуса №3, где концентрация повышается до 39,6%. Из корпуса №3 черный щелок насосами, также минуя подогреватель, откачивается в корпус №2. Упаренный до содержания а.с.в 43,2% черный щелок насосами, минуя подогреватель, подается в сдвоенный корпус №1 А-В, выходящий из него черный щелок поступает в самоиспаритель и откачивается насосами в бак плотного щелока, далее в СРК.
Часть плотного щелока подается в баки питательного щелока для укрепления щелока, поступающего из варочно-промывного цеха.
Соковый пар корпуса №1 А-В поступает в кипятильник корпуса №2 и т.д. Соковый пар корпуса №6 конденсируется в поверхностном конденсаторе.
Пары вскипания полу сгущенного щелока из бака-расширителя поступают в сепаратор корпуса №3. Пары вскипания конденсата свежего пара корпуса №1 А-В подаются в кипятильники корпусов №2, 3, 4. Неконденсирующиеся газы корпусов №1 А-В отводятся в атмосферу.
Неконденсирующиеся газы корпусов №2 - 6 собираются в коллектор и поступают в поверхностный конденсатор, а затем, отдав основную часть тепла, поступают на вакуум-насос.
Конденсат свежего пара корпуса №1 А-В откачивается насосами в котельную ТЭС.
Грязный конденсат проходит последовательно кипятильники выпарных корпусов от второго до шестого - отдает часть тепла выпариваемому щелоку и с температурой около 70 градусов Цельсия Технологическая схема выпарной установки сульфат целлюлозного производства Сегежского ЦБК, состоящей из аппаратов с поднимающейся пленкой
Для снижения потерь щелочи в конструкции выпарной станции предусмотрено улавливание капелек щелока из соковых паров.
На рисунке 1.8 показана шестиступенчатая выпарная станция с интегрированной стриппинг-колонкой, и с испарителями, действующими по принципу тонкослойной свободно падающей пленки [5]. Характерной особенностью этой противоточной схемы является предварительная подача питательного щелока через систему самоиспарителей для более эффективного использования паров перегретого щелока. Другой характерной особенностью является использование в качестве заключительной ступени выпаривания трехступенчатого концентратора также ламельного типа. Такая двухстадийная схема получает в настоящее время широкое применение на российских предприятиях.
Испаритель, работающий по принципу тонкослойной свободно падающей пленки, не имеет особых потерь в давлении циркулирующего раствора даже при концентрациях до 65-70%. Это означает, что расход электроэнергии на прокачивание раствора незначителен.
В данной схеме используется разделение конденсатов. Пар конденсируется во внутренней части ламелей, и ввод пара осуществлен снизу. Эта противоточная внутренняя очистка конденсата дает в результате 90% от чистого потока вторичного конденсата, содержащего только 15% от полного БПК и может быть непосредственно использован в процессе. Таким образом, только остаток, т. е. 10% ОВ от вторичного конденсата, который содержит 85% ОВ полного БПК, требует дальнейшей обработки в очистительной колонне.
Статистическая модель суперконцентратора
С точки зрения структуры производства выпарные установки ЦБП являются интегрированными звеньями сложного промышленного комплекса. Технологические показатели входного сырья и выходного продукта ВУ определяются требованиями смежных переделов и, как правило, не способствуют (даже противоречат) оптимальному режиму работы самой ВУ. Нагрузка ВУ по объёму перерабатываемого продукта (слабого черного щелока) и, соответственно, производительность ВУ по испаренной воде определяется интенсивностью работы варочных агрегатов производства товарной целлюлозы. Поэтому она является величиной, задаваемой извне, и меняется в зависимости от производственной ситуации. Требования стабильности работы всего комплекса диктуют необходимость гибкой реакции каждого из его элементов на любое из случайных изменений ситуации путем изменения режима работы. Для выпарных установок это является основным требованием [37, 50], т.к., являясь первым звеном в цикле регенерации, они принимают на себя весь исходный объем предназначенного к переработке щелока.
Компенсирующей ёмкости расходных баков зачастую недостаточно, вследствие чего происходит либо их переполнение, либо падение уровня, сопровождающееся поступлением в аппараты сульфатного мыла и прочих загрязнителей поверхностей нагрева.
Вследствие приведенного анализа положения ВУ в схеме производства целлюлозы задача управления ВУ определена следующим образом: компенсация возмущений по нагрузке исходным сырьем, заключающаяся в обязательной переработке всех подаваемых щелоков при поддержании в допустимых границах уровней в баках и при стабилизации целевого технологического параметра - концентрации упаренного щелока.
Настоящая диссертация посвящена исследованию и разработке комбинированной системы управления производительностью, реализующей поставленную задачу управления выпарной установкой в составе АСУ производством целлюлозы.
Решение сформулированной задачи осуществлялось выполнением следующих исследовательских работ:
1. Изучение специфики работы ВУ в переходных режимах и используемых при этом алгоритмов ручного управления процессом с последующим предложением принципов построения и структуры системы автоматизированного управления и необходимых изменений в технологической схеме.
2. Обследование ВУ как объекта управления с получением необходимых статических и динамических характеристик экспериментальным или расчетным путем.
3. Разработка математического описания и математической модели объекта управления. Получение упрощенных динамических характеристик по каналам управления и возмущения с оценкой адекватности полученных приближений.
4. Моделирование устойчивости объекта управления и работы системы с помощью разработанной системы имитационного моделирования. Выбор оптимальной структуры, оценка качества переходных процессов и устойчивости объекта.
Статические характеристики выпарной установки представляют собой зависимость между выходными (зависимыми) и входными величинами (регулирующими и возмущающими воздействиями). [41] Выходные величины выпарной установки: температура (давление) вторичных паров в аппаратах, концентрация раствора на выходе, уровень в аппаратах.
Регулирующие воздействия - это количество пара, подаваемого в первый аппарат, расход раствора на входе установки, расход воды в конденсаторе и др.
Схема технологической взаимосвязи между входными и выходными параметрами выпарной установки представлена на рис.2.1. Взаимосвязь входных, выходных и управляющих параметров статической
Определение статических характеристик является задачей построения траекторий, которую описывает вектор выходных (зависимых) переменных при изменении вектора входных (независимых) переменных. Эта задача может интерпретироваться также как определение чувствительности вектора выходных переменных к вектору входных.
Функция dy/dx - характеризует указанную чувствительность и определяет статические свойства объекта. Она зависит от параметров объекта, например от коэффициентов теплопередачи в аппаратах. Зависимость - — от dx этих параметров в свою очередь, характеризует чувствительность статических характеристик к различным параметрам объекта [35].
Принципиальная технологическая схема расчёта выпаривания чёрного щелока как объекта управления изображена на рис.2.2
Смеситель щелока представляет собой устройство (бак), где смешиваются два потока щелока - поток слабого щелока, идущего от промывной установки с концентрацией (12-20%) абсолютно сухого вещества (а.с.в.) и поток крепкого щелока после первого корпуса (или концентратора), для укрепления слабого щелока.
Математическая модель смесителя строится на основании уравнений: теплового и материального баланса следующим образом (рис.2.2.)
Принципы построения системы управления
Система работает по принципу стабилизации уровня в расходных баках выпарки. При изменении уровня подсистема 2 по ПИ - закону изменяет расход питательного щелока на выпарные аппараты таким образом, чтобы компенсировать изменение уровня. Соответственно меняется уровень в баке полуупаренного и его отрабатывает система 3 тоже по ПИ - закону. Управляющее воздействие по давлению греющего пара компенсирует следующее за этим отклонение плотности щелока. Если возмущение по нагрузке велико, основное управляющее воздействие - давление греющего пара - выходит на верхний технологический предел и фиксируется на нем. В этом случае функции стабилизации выходной плотности берет на себя система 3, а уровень в баке полуупаренного щелока регулирует система 4. Если уровень в расходном баке продолжает расти и достигает максимально допустимой величины, передел выпарки прекращает прием щелоков от смежников, так как управление на пределе, а баки полные.
В обратном направлении система работает следующим образом.
Снижение уровня щелока в расходном баке приводит к понижению расхода на выпарную установку в целом (система 2), а также уровня в баке полуупаренного щелока. Система 4 отключается программно (по признаку) одновременно с переключением задания системы 3 на уровень. Система регулирования плотности паром (система 1) включается автоматически, так как в этой ситуации плотность возрастает и необходимо снижение давления пара.
Если поступление щелока на передел выпарки мало или не происходит совсем, подача на аппараты уменьшается пропорционально уровню в расходном баке.
Уровень в баке полуупаренного щелока остается неизменным, так как система 3 функционирует. Поэтому, чтобы плотность упаренного раствора не возрастала, система 1 будет понижать давление греющего пара. Снижение нагрузки выпарки по исходному раствору может происходить до определенного предела. Для длиннотрубных аппаратов с поднимающейся пленкой - это не более 20% от номинала, чтобы аппараты не остались без раствора [3]. После выхода на нижний предел нагрузка стабилизируется при соответствующем давлении пара. Если уровень в расходном баке и далее продолжает понижаться, то выпарка переходит в режим работы «на себя», когда весь упаренный раствор возвращается в расходный бак, а не в содорегенерационный отдел. Функцией системы в этом случае является установление необходимого задания по плотности упаренного, которая должна быть значительно меньше номинальной, и отработать это задание с помощью системы 1.
1. Управление переделом выпарки целесообразно осуществлять на основании рассмотрения его как элемента промышленного комплекса по производству целлюлозы. Исходя из этого по-новому сформулирована задача управления указанным переделом, заключающаяся в обеспечении производительности в соответствии с заданным объемом производства основной продукции.
2. Сформулированы принципы построения системы управления, реализующей поставленную задачу.
3. Разработана функциональная структура системы автоматизированного управления производительностью, охватывающей сквозной связью шесть независимых локальных систем стабилизации.
4. Под новую структуру системы предложена усовершенствованная технологическая схема возврата щелока на предуплотнение.
Разработка и проверка качества предложенных алгоритмов управления осуществлялась путем моделирования изменений основных регулируемых параметров при различных производственных ситуациях и различных схемах взаимодействия локальных систем управления. Рассматривались переходные процессы концентраций щелока в смесителе, на выходе первой и второй ступеней выпарных аппаратов, а также изменения уровней в баках щелока.
Для этого на базе математических моделей технологического объекта и регуляторов была разработана специальная программа имитационного моделирования [58. 59. 60].
Кроме того с помощью программы удалось исследовать влияние степени возврата щелока на динамические характеристики ВУ как объекта управления.
В качестве объекта рассматривалась типовая ВУ на примере установок Котласского ЦБК с предлагаемыми системами управления, изображенными на рис 3.2.
Принципиальная схема системы имитационного моделирования процессов управления выпарной установкой представлена на рис.4.1.
Математическая модель технологического объекта управления
1. На основании анализа работы выпарной установки сульфат-целлюлозного производства и методов управления ею в переходных режимах типовых производственных ситуаций сформирована технологическая цель функционирования ВУ как составного элемента комплекса по производству целлюлозы. С учетом возможности управления она заключается в обязательной переработке всех поступающих на передел выпаривания слабощелочных растворов путем гибкого изменения собственной производительности, адекватного возмущениям по объемам поступающих растворов со стороны их поставщиков - прежде всего от варочно-промывного отдела. При этом значение целевого технологического параметра - концентрации упаренного раствора -должно быть стабилизировано. Соответствующая постановка задачи сформулирована математически.
2. Выпарная установка целлюлозного производства исследована как объект управления. Экспериментальными и расчетными методами получены статические и динамические характеристики ВУ для использования в модели объекта количественных величин и зависимостей. Выполнено математическое описание динамики процесса выпаривания. Математическая модель объекта управления получена путем аппроксимации динамических характеристик по каналам управления и возмущения дифференциальными уравнениями первого порядка с запаздывающим аргументов. Адекватность объекта оценена путем сравнения расчетных и экспериментальных переходных характеристик. При разработке модели использована методика, включающая специальную декомпозицию объекта - две ступени выпаривания, щелоковые емкости, контуры рециркуляции щелока.
Указанная задача решается с помощью следящей системы управления нагрузкой (производительностью) ВУ, включающей ряд существующих, а также вновь предложенных локальных систем стабилизации отдельных параметров, соединенных сквозной взаимной связью и взаимодействующих по определенному алгоритму, реализуемому вычислительным комплексом в составе АСУ. Сформулированы основные принципы построения системы управления производительностью ВУ. Разработана структура системы и алгоритмы ее функционирования. Разработана система имитационного моделирования (СИМ), позволяющая моделировать любые структуры системы управления процессом выпаривания. Путем много вариантных расчетов с использованием СИМ найдена оптимальная структура системы управления производительностью алгоритмов и настроечных параметров регуляторов. Для обеспечения качественного управления процессом были разработаны и проверены при моделировании новые способы управления уровнем в баке промежуточного щелока и концентрацией упаренного раствора (одновременно двумя управляющими воздействиями). Моделирование показало, что предложенная система обеспечивает поставленную задачу управления производительностью, а именно: - возмущения и нагрузки исходными растворами отрабатываются с минимальными динамическими отклонениями основных параметров (уровней в баках и концентрации); - вид переходных процессов - апериодический, что соответствует технологическим требованиям; - отсутствуют автоколебания при включении/выключении отдельных локальных подсистем в соответствии с общим алгоритмом управления.
С помощью системы имитационного моделирования определены границы устойчивости самого объекта управления в связи с введением в него дополнительного канала положительной обратной связи и даны рекомендации по крепости циркуляции не нарушающего устойчивости объекта. Модифицирована технологическая схема процесса в части возврата щелоков на предуплотнение для расширения возможности регулирования процесса. 6. Разработанная структура и алгоритмы системы управления предназначены для использования в программном обеспечении АСУ промышленными выпарными установками (приложение 1). Система имитационного моделирования используется в учебном процессе студентами факультета АСУТП университета для моделирования работы систем управления технологическими процессами (приложение 2).
