Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Развитие исследований в области тепло массопереноса в процессах сушки и применения микропроцессорных комплексов на теплоэнергетических установках 12
1.1. Математические модели теплоэнергетических процессов 13
1.2. Задачи микропроцессорных комплексов теплоэнергетических установок 30
1.3. Требования к функциональности микропроцессорных комплексов теплоэнергетических установок 35
1.4. Особенности применения микропроцессорных комплексов теплоэнергетических установок 42
Выводы 53
Глава 2. Моделирование процесса сушки биопродуктов 54
2.1. Выбор рационального способа сушки биоактивных продуктов 54
2.2. Математическое моделирование процесса импульсной сушки 67
Выводы 78
Глава 3. Оптимизация режимов блока сушки биопродуктов 79
3.1. Постановка задачи оптимального управления процессом сушки 80
3.2. Оптимальное аппаратурное оформление блока сушки и режимы его работы 85
Выводы 90
Глава 4. Автоматизация блока сушки биопродуктов 91
4.1. Система симуляции теплоэнергетических процессов 91
4.2. Структура микропроцессорного комплекса сушильной установки 99
Выводы 108
Глава 5. Промышленная реализация энергосберегающих микропроцессорных комплексов 109
5.1. Исследование, разработка и внедрение микропроцессорных комплексовна базеАМК-1 110
5.2. Автоматизированная система коммерческого учета теплоносителей Набережночелнинской ТЭЦ 117
5.3. Распределенная система контроля технологического процесса переработки высокосернистой нефти 125
5.4. Автоматизация процесса производства технического углерода 130
5.5. Автоматизированная система управления брагоректификационной установкой 139
Выводы 146
Заключение 147
Библиография 150
Приложение 165
- Математические модели теплоэнергетических процессов
- Выбор рационального способа сушки биоактивных продуктов
- Система симуляции теплоэнергетических процессов
- Автоматизация процесса производства технического углерода
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке энергосберегающих технологий и оптимизации режимов эксплуатации теплоэнергетического оборудования
Актуальность работы. К числу приоритетов сегодняшней жизни относятся проблемы повышения эффективности использования топлива и энергии. В связи с этим проблема повышения эффективности функционирования промышленного тепломассообменного оборудования и теплоэнергетических систем весьма актуальна Как показывает опыт промышленной эксплуатации, на сушку и централизованное теплоснабжение расходуется соответственно 12% и 25% всего добываемого и вырабатываемого в стране топлива Поэтому для сушильных и теплогенерирующих установок (таких, как паровые и водогрейные котлы) вопросы энергосбережения и оптимизации режимов эксплуатации оборудования имеют первостепенную значимость
В процессах сушки продуктов удаляемой влагой обычно является вода, однако часто в разных отраслях промышленности высушивается большое количество биологически активных, термо- и ксеронеустойчивых, дорогостоящих, токсичных, окисляющихся в потоке воздуха и пожароопасных продуктов, из которых необходимо удалять органические растворители и их смеси в условиях вакуума Перспективные методы сушки с использованием вакуума, такие как осциллирующие и комбинированные, не имеют достаточно развитой теории, а имеющиеся решения задач взаимосвязанного тепло- и массопереноса не всегда применимы к реальным процессам Развитие теории тепломассобмена в приложении к сушке является актуальной проблемой, тк. нестационарный и неизотермический характер протекающих процессов порождает сложные нелинейные математические модели, особенно при учете реальных свойств удаляемых растворителей и их смесей Разработка адекватных математических моделей процессов тепломассопереноса на примере вакуум-осцилирующей сушки позволит провести оптимизацию режимов и добиться энергосберегающего эффекта в работе сушильных и других теплоэнергетических установок
Кроме того, большое количество энергии теряется из-за неэффективного
управления энергетическим оборудованием Применение современных
микропроцессорных комплексов (МК) на базе передовых управляющих средств -программируемых микроконтроллеров позволяет существенно оптимизировать параметры и режимы тепловых технологических процессов Микропроцессорные комплексы имеют высокую надежность, что дает возможность улучшить эксплуатационные и технико-экономические характеристики теплоэнергетических объектов Эти мероприятия в конечном итоге также обеспечивают экономию энергетических ресурсов и улучшение качества выпускаемой продукции Оптимизация алгоритмов, проектирование и разработка микрокомпьютерных систем для автоматического управления теплоэнергетическими процессами и установками также являются сложными техническими задачами, для которых не всегда применимы универсальные методы решения
Поэтому проблема интенсификации процессов удаления из лабильных продуктов органических растворителей и их смесей путем вакуумной сушки и ее модификаций, разработка математических моделей теплоэнергетических процессов и методов их решения, обоснование выбора энергосберегающих технологических режимов, оптимального аппаратурного оформления и управления, являются важными научно-техническими задачами
Объектом исследования в данной работе являются технологические процессы сушки, а также тешюпотребляющие и теплогенерирующие -теплоэнергетические установки, управляемые с помощью микропроцессорных комплексов.
Цель диссертационной работы - разработать и обосновать энергосберегающие режимы работы теплоэнергетических установок для получения оптимальной, с точки зрения соотношения «стоимость - качество», конструкции микропроцессорного комплекса применимой для тешюпотребляющих и теплогенерирующих установок
Задачи исследований:
Моделирование и исследование тепломассообменных процессов сушки
биоактивных продуктов.
Оптимизация алгоритмов управления сушильными и теплогенерирующими
установками
Разработка конструкции микропроцессорного комплекса, обеспечивающего оптимальные энергосберегающие режимы работы технологического оборудования с обеспечением достаточной надежности его эксплуатации
Создание методики симуляции, с применением микропроцессорных комплексов, позволяющей проводить достоверное моделирование теплоэнергетических процессов и тестировать алгоритмы управления теплоэнергетических установок следующих типов сушильная, котельная, реакторная, ректификационная
Промышленное апробирование разработанной методики и микропроцессорных комплексов с оценкой экономической эффективности их внедрения
Научная новизна:
Разработана математическая модель и функциональная схема импульсной сушильной установки для процесса сушки комкующихся, термо- и ксеролабильных биопродуктов комбинированным сбросом давления и вакуума (КСДВ) На основе методов математического моделирования проведен анализ работы блока сушки биопродуктов с целью его последующей оптимизации и автоматизации
Установлен механизм тепло- и влагопереноса в рамках внутренней, внешней и балансовой задач для импульсной сушки комбинированным сбросом давления и вакуума при удалении из дисперсных продуктов реальных бинарных жидких смесей
Разработан и реализован алгоритм управления импульсной сушильной установкой. Разработанный алгоритм позволяет оптимизировать процесс сушки и существенно снизить потребление энергоресурсов в процессе производства биопродуктов, обеспечивает низкую себестоимость при сохранении качественных характеристик, предъявляемых к производимой продукции
Практическая ценность.
Разработаны энергосберегающая технология сушки биоактивных продуктов и конструкция микропроцессорного комплекса теплоэнергетической установки, в которой реализован полный комплекс энергосберегающих функций Конструкция отличается от существующих аналогов низкой стоимостью при обеспечении высоких эксплуатационных характеристик
В результате системного анализа типовых компоновок теплоэнергетических установок разработана структура технического обеспечения микропроцессорного комплекса, которая учитывает разбиение объекта на технологические потоки и обеспечивает бесперебойную работу системы в случае выхода из строя отдельных компонентов комплекса технических средств Задача решается путем взаимного резервирования микропроцессорных комплексов параллельно работающих установок
По разработанным моделям сконструированы микропроцессорные комплексы, которые внедрены и эффективно эксплуатируются в различных сферах производства
Установка для симуляции теплоэнергетических процессов, протекающих в сушильных и котельных установках, внедрена в учебный процесс кафедры «Теплоэнергетика» Казанского государственного архитектурно-строительного университета (КГАСУ)
Методы исследования: В работе применены методы математического моделирования тешгомассообменных процессов, классические алгоритмы оптимизации (принцип максимума Понтрягина) и перспективные современные методы, основанные на теории нейронных сетей и нечетких множеств
На защиту выносятся:
Математическая модель процесса сушки биопродуктов
Решение задачи оптимизации алгоритма управления импульсной сушильной установкой методом комплексного сброса давления и вакуума
Методика симуляции теплоэнергетических установок с применением микропроцессорных комплексов
Конструкция МК теплоэнергетических установок
Результаты промышленной эксплуатации внедренных энергосберегающих технологий и микропроцессорных комплексов
Личный вклад автора в работу. Результаты работы получены автором лично под научно-методическим руководством д.т н , профессора Садыкова Р.А
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах и выставках:
- IV Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика
РАН В.Е Алемасова «Проблемы тепломассобмена и гидродинамики в
энергомашиностроении Казань. 2004.
V Международный симпозиум «Ресурсоэффективность и энергосбережение». Казань 2004.
Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» Казань 2005
Inter-American Drying Conference«IADC - 2005». Montreal 2005
2nd International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics «ІСШСО-2005» Barcelona 2005.
XI Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ. С Пб 2005
3rd International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics «ICINCO-2006» Setubal Portugal 2006
- Национальная конференция по теплоэнергетике «НКТЭ-2006» Казань. 2006
Практические результаты работы представлялись на
- ежегодных выставках «Энергетика и энергосбережение» г Казань. 2001-2006 г.г,
в 2003 г удостоены золотой медали, «Энерго-ресурсосбережение» г Ханты-
Мансийск 2004 г, «Нефть Газ Химия 2003» г Ижевск
- ежегодных научно-технических конференциях Казанского государственного
энергетического университета, Казанского государственного технологического
университета, Исследовательского центра проблем энергетики Каз НЦ РАН и
КГАСУ 2003-2007 г г
Работа выполнялась в рамках проекта среднесрочного плана фундаментальных исследований по Приоритетным направлениям развития науки и техники в Российской Федерации на 2007-2009 годы, ( № Пр-843) Направления 211 Тепло-массообмен, гидро-, газо- и плазмодинамика, 2 16 Энергосбережение и энергоэффективные технологии Повышение эффективности комплексного использования природных топлив; 2 4 5. Сложные технические системы и информационно-управляющие комплексы; по ряду коммерческих контрактов, по гранту компании Phoenix Contact (Германия) в конкурсе «Xplore, New-Automation Award 2005», по гранту Всемирного Банка Реконструкции и Развития в конкурсе «Инновации для устойчивого развития Республики Татарстан, 2006-2007» а также в соответствии с Республиканской Программой «Энергосбережение в Республике Татарстан на 2000-2005 г г »
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 1 монография
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения Общий объем диссертации - 164 страниц, в том числе 53 рисунков, расположенных по тексту, а также список литературы, включающий 144 наименования
Математические модели теплоэнергетических процессов
При решении задач ММ ТЭП требуется рассмотреть как общие вопросы тепломассопереноса, так и задачи, связанные непосредственно с проблемами моделирования процессов и агрегатов, присущих энергетическим установкам.
К общим вопросам стоит отнести вопросы устойчивого и неустойчивого состояния равновесия термодинамических систем [82,106] и вопросы тепломассопереноса.
Тепловой баланс для тела объемом V с внутренними источниками теплоты, через поверхность которого F отводится теплота в окружающую среду (рис. 1.1), записывается в форме нелинейного дифференциального уравнения относительно переменной состояния — температуры объекта Т : а(Т- Tf)F
При формулировании этого уравнения предполагается, что внутри тела имеется равномерное распределение температуры благодаря хорошему перемешиванию или высокой теплопроводности вещества.
Используя в качестве масштабов для температуры и времени соответственно величины TR = E/R и То = рсТв/qvm, перепишем дифференциальное уравнение (1.1) в безразмерном виде: d
Далее мы рассмотрим вопрос об устойчивости или неустойчивости таких состояний и о том, как зависит положение этих особых точек от управляющих параметров (A, Wj). Диаграмма на рис. 1.2 связывает положение равновесных точек W (или dW) со значениями управляющих параметров А и IV/. Поэтому результаты анализа можно выразить следующим образом. Если параметр А находится между минимумом и максимумом (т. е. между критическими точками), то имеется три точки равновесия — две устойчивые и одна неустойчивая между ними (например, горизонтальная линия Асг = 0,205 пересекает кривую Wf= 0,15 в трех точках). В противном случае имеется только одна точка равновесия. Полезность этого элементарного анализа особых точек состоит в том, что по значениям управляющих параметров можно качественно предсказать поведение системы, т. е. ответить на следующие вопросы: к какому равновесному состоянию будет стремиться система, эволюционирующая из заданного начального состояния
- сколько всего имеется точек равновесия для рассматриваемой системы?
- какие из них являются устойчивыми и какие неустойчивыми, т. е. в действительности нереализуемыми?
На практике главным будет вопрос о том, имеются ли среди точек равновесия опасные состояния, попадания в область притяжения к которым следует избегать?
Одной из малоисследованных задач при рассмотрении вопросов тепломассопереноса является оптимизация процесса сушки БП с учетом состава удаляемой жидкой фазы. В ряде работ [58,59,95,117,118] рассматривается вакуумная сушка без теплоподвода - сушка понижением давления (СПД), когда испарение многокомпонентной жидкой смеси (МЖС) происходит за счёт охлаждения материала. Ряд зависимостей вида U(T), U(P), X (U) для различных видов смесей получены в [139] (в дальнейшем X и У обозначают векторы молярных составов фаз). В наиболее общем виде для реальной МЖС система ОДУ расчёта этих функций содержится в [142], авторы интегрируют её методом Милна 4-го порядка точности. Длительность СПД зависит от интенсивности откачки паров. В [141,143] совместная работа системы сушилка - вакуумный насос при удалении бинарных реальных смесей описывается с помощью баланса массы паров в свободном объёме V сушилки: M +p„QP+V r=0, (1.3) где: U - удельное массосодержание влаги, рп- плотность napoB,Qp - быстрота откачки ротационного вакуумного насоса .В [96] работа системы сушилка -конденсатор при удалении идеальных МЖС анализируется с позиций расхода хладоагента . В связи с резким увеличением "расхода холода" при низких давлениях сделан вывод о целесообразности применения осциллирующего режима с промежуточным подогревом продукта. Формулы для температуры конденсации и состава образующегося конденсата реальной бинарной смеси получены в [143] при исследовании работы сушилки с конденсатором.
Из разработанной в [140] ММ стационарного испарения бинарной смеси из материала в инертный газ в адиабатных условиях следует, что коэффициенты переноса для компонентов отличаются от таковых при испарении индивидуальной жидкости. При анализе конвективной сушки с комбинированным кондуктивно-конвективным теплоподводом [144] перенос в парогазовой среде описан уравнениями Максвелла-Стефана, бинарная смесь предполагается идеальной, температура - одинаковой во всех точках материала, теплоподвод описывается с помощью коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи. Для системы уравнений диффузий в парогазовой среде ставятся условия первого рода на внешней границе пограничного слоя и на поверхности материала, где предполагается парожидкостное равновесие и отсутствие потока воздуха. Используются константы равновесия, модифицированные функциями, зависящими от содержания компонентов в материале и определяющими его сорбционную способность. Полученная система балансовых уравнений и уравнений диффузий решается по шагам с итеративными процедурами на каждом шаге. Отмечается, что моделирование сорбционных свойств продуктов по отношению к МЖС разрастается в отдельную проблему.
В работе [143] предлагается для аппроксимации кривых кинетики удаления компонентов МЖС во втором периоде кондуктивной вакуумной сушки (удаление связанной влаги) использовать экспоненты, с введением относительных коэффициентов сушки каждого компонента. Предполагается, что первый период сушки кончается одновременно для всех компонентов, а также анализируются и такие варианты процесса, в которых удаление одного из компонентов идет в первом периоде, а другого - уже во втором, и другие случаи. Основные результаты состоят в записи и решении с помощью итерационных методов уравнений для времени сушки до заданного содержания одного из компонентов или всей смеси. В данных работах рассмотрено удаление бинарной смеси во втором периоде; на основании теплового баланса определена зависимость температуры материала от времени.
Эти работы посвящены анализу частных режимов сушки при различных ограничениях на виды удаляемых смесей. Результативен подход к расчету состава удаляемой паровой фазы на основе равновесия жидкость-пар для вакуумной сушки, для конвективной сушки этот состав определяется процессами диффузий в пограничном слое сушильного агента. Более детальный анализ процесса необходимо проводить на основе исследования внутреннего тепломассопереноса.
В [142] предложены две математические модели - внутреннего тепломассопереноса в процессе вакуум- кондуктивной сушки с перемешиванием в изобарных условиях при удалении бинарных смесей, отличающиеся видом рассматриваемых жидкостей - это идеальные смеси и смеси взаимонерастворимых компонентов. В обеих моделях процесс рассматривается в рамках кратковременного контакта влажного тела с плоской греющей стенкой постоянной температуры, решаются нелинейные одномерные задачи для уравнения теплопроводности в полупространстве. Начальные распределения температуры и влагосодержания предполагаются равномерными. Рассматривается перенос влаги только в виде пара, используются законы парожидкостного равновесия.
Результаты расчета полей температур в [95] используются для определения коэффициентов теплопередачи, причем влияние состава смеси выражено явно. Актуальность изучения зависимости тепловых потоков от состава МЖС связана с тем, что даже в случае кипения интенсивность теплоотдачи зависит от состава МЖС, а при парообразовании в пористых телах процесс становится еще более сложным. В обоих случаях играет роль тот факт, что состав образующихся паров не соответствует в смысле равновесия интегральному составу жидкой фазы.
На основе анализа исследований можно сделать вывод, что гипотеза локального равновесия является мощным инструментом исследования тепломассопереноса в процессах сушки продуктов с МЖС. В теории сушки эта гипотеза используется практически всегда, так же как и в близких задачах многофазной фильтрации.
Анализ литературы по проблемам тепломассопереноса при удаления МЖС в процессе сушки приводит к выводам, что применение общей теории многокомпонентного переноса к расчетам процессов сушки затруднительно, поскольку даже в случае течения однофазной смеси решение системы уравнений переноса наталкивается на непреодолимые математические трудности. Задача математического моделирования здесь чрезвычайно сложна как в силу многообразия влияющих на процесс эффектов, так и в силу математической сложности возникающих задач.
Выбор рационального способа сушки биоактивных продуктов
С целью выяснения применимости используемых в промышленности сушильных аппаратов к задаче сушки БП предварительно был проведен соответствующий анализ этих аппаратов по методике НИИХИММАШа [66,97], разработанной на основе статистических данных. Суть методики заключается в идентификации продукта с помощью 11 показателей его свойств как объекта сушки и в суммировании баллов для каждого типа распространенных сушилок (25 типов) по соответствующим столбцам таблицы. Если среди баллов встречается 0, возможность применения сушилки не рассматривается, 5 - она рекомендуется к применению, 3 - применение допустимо с некоторыми доработками или соответствующей подготовкой продукта. Несмотря на высокую, «разрешающую способность» такой идентификации продуктов (34560 вариантов), её «химическая» направленность не позволяет достаточно точно отразить свойства материалов биологического происхождения. В частности, никак не представлены требования к конечному влагосодержанию и стерильности. В то же время имеющиеся границы достаточно широки, и БП нельзя отнести к единственному из этих вариантов. Например, ограничения, используемые при решении задач оптимизации на температуру материала Т Гтах [30,46-48] и температуру греющего агентаГ Грртах, могут быть равны для ряда БП 60 - 65 С, а в идентификационной таблице имеются лишь два значения - 50 и 100 С. Поэтому анализ по данной методике для различных вариантов идентификации БП, в частности, АК, проведен на компьютере с помощью программы, которая упорядочивает типы сушилок по убыванию суммы баллов, а также подсчитывает произведение баллов с целью выявления противопоказаний к применению [103].
Для всей совокупности рассмотренных вариантов идентификации подсчитывалась сумма мест для каждого типа сушилок в соответствующих упорядоченных рядах и строился результирующий ряд сушилок в порядке возрастания этой суммы.
Применительно к кристаллическим АК в порядке убывания суммы баллов аппараты располагаются в следующей последовательности: 1 - роторные камерные, 2 - полочные вакуумные, 3 - роторные барабанные, 4 - струйные, 5 -роторные барабанные вакуумные, 6 - псевдоожиженного слоя, 7 - вихревого слоя с измельчением, 8 - со встречными закрученными потоками, 9 -псевдоожиженного слоя периодического действия, 10 - фонтанирования, 11 -циклонные комбинированные, 12 - спиральные, 13 - барабанные вращающиеся вакуумные. Остальные сушилки имеют противопоказания во всех рассмотренных случаях.
Единственной сушилкой, не имеющей противопоказаний ко всему спектру АК, является полочная вакуумная, которая и применяется в настоящее время при производстве малых партий (100 - 600 кг/год) АК. Процесс сушки проводят при температуре греющих поверхностей 60-65 С и остаточном давлении 20-30 кПа. Время сушки составляет 42-72 часа, в течение которого вакуумные шкафы несколько раз разгерметизируются для ручного перемешивания и разрушения образующихся агломератов. Согласно регламенту производства до 5 % конечного продукта не соответствует нормативу по дисперсности и приравнивается к браку. С увеличением масштабов производства этот способ сушки становится неприемлемым как из-за низкой производительности, так и в силу необходимости применения ручного труда.
Основными факторами, ограничивающими возможность применения рассматриваемых способов сушки, являются: склонность к когезии, склонность к пылеобразованию, исходный дисперсный состав материала.
Проведенный анализ устанавливает направления, по которым следует вести разработку оптимальной технологии сушки АК: применение вакуума и перемешивания, активных гидродинамических режимов, обеспечение эффективного пылеулова, борьба с комкованием продукта, упорядочивание дисперсного состава в начале процесса сушки. Для исследования различных способов сушки БП и определения параметров ММ была изготовлена комплексная экспериментальная установка (рис. 2.1).
Установка состоит из корпуса, снабжённого рубашкой и смотровым окном; загрузочного и разгрузочного устройства; разрушающих элементов различной формы, закрепленных в каркасе фильтра, с возможностью перемещения. Высушиваемый материал помещается на металлическую сетку, обтянутую стеклотканью. Выгрузка продукта производится пневматически в бункер, снабженный клапаном. Реализация различных способов и режимов сушки осуществляется с помощью быстродействующих вакуумных клапанов с электроприводами (К1 - Кб).
Регулирование расхода воздуха проводят с помощью клапана К1, измерение - по перепаду давления. Температура материала, воздуха на входе и выходе из установки измеряется с помощью термометров сопротивления типа ТСП-ЮОП. Регулирование температуры осуществляется управляющим модулем. Пробы отбираются с помощью вакуумного пробоотборника [15]. Давление в подслоевом, надслоевом пространстве и в ресивере измеряется мановакуумметрами. В камере сушки возможно создание вакуума с помощью системы вакуумирования, состоящей из насоса, конденсатора и сборника. Относительная влажность выходящего воздуха контролируется психрометром. Рассмотрим работу установки в различных режимах.
Сушка в псевдоожиженном и фильтрующем слоях. Греющий агент после подогрева в электрокалорифере при открытых клапанах Kl, К2 подается в подслоевое пространство и через линию выхода и открытый К2 уходит из сушилки в атмосферу. Наиболее мелкие сухие частицы АК оседают в фильтре. В качестве пылеулавливающего устройства использовали тканевой фильтр из стеклоткани, его применение объясняется малым размером кристаллов АК (10 мкм). В этом случае широко используемые в промышленности циклонные пылеуловители неэффективны, так как минимальный размер частиц равен 8-25 мкм, а тканевые фильтры обеспечивают улавливание частиц размером до 0,1 мкм.
При малых расходах воздуха реализуется фильтрующий слой, при расходе 20-35 м3/час - псевдоожиженный слой. Сушка в плотнопродуваемом слое. В этом режиме линия подачи греющего агента подстыковывается к клапану К2, а психрометр устанавливается у К1. Работа всех устройств идентична предыдущему способу.
Сушка понижением давления (СПД). При СПД клапаны К1, К2, К4, К5, Кб закрыты, КЗ - открыт. В начале процесса и по мере необходимости работает вакуумный насос, уходящие из сушильной камеры пары конденсируются в конденсаторе-холодильнике и стекают в сборник.
Импульсный подброс слоя [16,29,30]. При наличии вакуума в сушилке можно улучшить дисперсную структуру материала путем импульсного подброса слоя. Для этого при закрытых клапанах К2 - К5 открываются клапана К1, Кб. Входящий в установку воздух заставляет продукт совершать поршневое движение вверх. Слой ударяется о разрушающие элементы, интенсивно перемешивается, происходит разрушение комков.
Очистка фильтра. При открывании клапана К2 и закрытых К1, КЗ - Кб входящий в установку воздух очищает фильтр от осевшей пыли.
Импульсный сброс давления. В целях разрушения агломератов и сокращения продолжительности СПД осуществляется импульсный сброс давления в сушилке, при этом паровоздушная смесь поступает через К4 в вакуумный ресивер, который предварительно разрежен до необходимого давления.
Импульсный сброс давления наиболее эффективен в начале сушки, перед первым вакуумированием, при наличии в материале большого количества несвязанной жидкости.
Необходимо отметить, что в литературе известен способ сушки перегретым паром (когда Р Ргтм) - сбросом давления до Р = Ратм [65]. Этот способ применяется в ряде отраслей промышленности для интенсификации технологических процессов сушки, дробления и помола, улучшения физико-механических свойств материалов. Так, при сушке со сбросом давления скорость сушки на порядок, а иногда и на два порядка и более превосходит скорость высокотемпературной конвективной сушки. Вместе с тем, в зависимости от длительности сброса давления существенно улучшаются или ухудшаются прочностные характеристики материала. Физической основой различных приложений сброса давления является максимальное использование эффекта интенсивного молярного переноса пара и его движущей силы -нерелаксируемого градиента общего давления.
Система симуляции теплоэнергетических процессов
Система симуляции теплоэнергетических процессов (рис.4.1) представляет собой программно-технический комплекс, предназначенный для выполнения следующих функций:
- Проверка адекватности ММ теплоэнергетических процессов;
- Тестирование и отладка работоспособности МК ТЭУ в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации;
- Ознакомление со спецификой теплоэнергетических процессов, обучение персонала работе с МК ТЭУ.
Разработанная методика в отличие от существующих аналогов позволяет симулировать ТЭП не только на программном уровне, но и с учетом влияния аппаратной составляющей МК. При моделировании ТЭУ объект разбивается на функциональные блоки, представляющие конструктивные элементы: клапаны, вентилятор, дымосос, ресивер, барабан и др. Моделирование производится в системе LabView, математический аппарат программируется в системе MATLAB (рис.4.2).
В качестве примера можно привести описание процессов, происходящих в барабане котла. Расчеты баланса воды и водяного пара производятся при помощи функций пакета программ "WaterSteamPro". Все уравнения и зависимости отдельных блоков описываются в виде MATLAB-скриптов. Данные скрипты импортируются в LabView через MATLAB Script Node, где обрабатываются и исполняются. Блок барабана котла описывается функциями пакета программ "WaterSteamPro"; в LabView создаются отдельные функции путем подключения библиотеки "OKAWSP6.DLL". В библиотеке "OKAWSP6.DLL" содержится непосредственно код, ответственный за вычисление свойств воды и водяного пара.
Библиотека является стандартной динамически линкуемой библиотекой Windows (Dynamic link library) и поэтому может использоваться во всех программах, «умеющих» обращаться к DLL. LabView принимает исходные данные и отправляет обработанные через ЦАП-АЦП плат сбора данных фирмы ICP DAS (PI0-DA8 и РЮ-D48). Электрические аналоговые и дискретные сигналы (DI, DO, AI) с ЦАП плат сбора данных (от компьютерной модели) подаются на входы системы управления, а управляющие сигналы подаются с выходов системы управления на АЦП плат сбора данных.
Уровень интерфейса оператора - программа InTouch. Обмен данными с системой управления происходит через интерфейс RS-485. В качестве оценки работоспособности разработанной системы симуляции были проведены исследования применения ПИД и нечетких (фаззи) регуляторов в микропроцессорных комплексах теплоэнергетических установок.
Значительная часть теплоэнергетических процессов обладает большой нестационарностью, инерционностью и неопределенностью, что приводит к необходимости поиска новых методов регулирования смоделированных процессов для обеспечения максимальной эффективности применения МК ТЭУ. Для определения эффективности работы были выбраны наиболее применяемые в настоящее время методы: ПИД и фаззи регуляторы.
Анализ ПИД и фаззи регуляторов проводился в системе MATLAB, в составе которого содержится пакет программ по PID и fuzzy -логике.
Была смоделирована схема одноконтурной системы автоматического регулирования с аналоговым ПИД-регулятором в обратной связи в одном случае и ПИ-подобным fuzzy-регулятором в другом (рис. 4.3).
Проведено сравнение динамики изменения переходных процессов для модели с аналоговым регулятором и модели с fuzzy-регулятором в зависимости от времени задержки объекта управления.
Объект управления представляет собой последовательное соединение типовых звеньев автоматики: апериодического звена первого порядка и звена чистого запаздывания.
При помощи инструментов графического интерфейса пользователя (GUI) пакета "Fuzzy Logic Toolbox" была создана нечёткая система, реализующая типовой аналоговый ПИ-регулятор. С помощью пакета "Fuzzy Logic Toolbox" можно строить нечеткие системы двух типов - Мамдани и Сугэно. Была выбрана система типа Мамдани. Командой fuzzy в окне MATLAB с помощью Редактора фази-инференционной системы (Fuzzy Inference System Editor), был выбран тип системы - Мамдани и заданы два входа - для пропорциональной и интегральной составляющих, которые названы: входные переменные xl и х2, и выходная - у.
Для лингвистического описания каждой переменной были выбраны семь гауссовых термов (NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB) (рис.4.4). Лингвистические правила для фаззи ПИ-регулятора представлены в таблице 4.1. Термы выходной переменной лучше выбирать непересекающимися (выбраны треугольные термы для выходной переменной). Это повышает чёткость регулирования. В этом же окне заданы диапазоны изменения переменных. Параметры Fuzzy-регулятора: XI: [-0.35, 0.35], Х2: [-1.2,1.2], Y: [-1.5,1.5]
Рассмотрен частный случай объекта с большой постоянной времени (временем согласования): t=9,63 с. Т.о., относительно постоянной времени выбранный объект - инерционный. t0=4,15c. - собственное время запаздывания, tH=9,63c.
Автоматизация процесса производства технического углерода
МК производства технического углерода разработан по заказу ОАО "Нижнекамский завод технического углерода" (НКТУ), г. Нижнекамск. В данном случае технический углерод (ТУ) получают путем термического разложения тяжелых предельных углеводородов при малом доступе воздуха в специализированных печах. Продукт образуется в виде саже-газовой смеси, из которой сажа извлекается путем улавливания при помощи специальных фильтров. Целями внедрения МК получения ТУ на НКТУ являлись:
- стабилизация эксплуатационных показателей технологического оборудования и режимных параметров технологических процессов;
- получение в реальном времени информации о ходе технологических процессов;
- диагностирование и предупреждение возникновения аварийных ситуаций;
- согласование нагрузок на технологическом оборудовании с учетом периодического режима работы основных стадий производства;
- выбор рациональных технологических режимов в условиях сложного много связанного регулирования;
- замена ручной обработки документооборота машинной.
Объектом автоматизации является реакторное отделение цеха № 1 НКТУ, содержащее восемь цилиндрических реакторов, разбитых на четыре технологических потока по марке выпускаемого ТУ. Первый и второй потоки включают в себя по два реактора типа PC-105/2000, третий и четвертый потоки - по два реактора типа РС-50/3500. На каждом из потоков работает только один из реакторов, другой находится в резерве.
Реактор (рис.5.9) представляет собой цилиндрическую печь с наружным диаметром около двух метров. Изнутри печь выложена огнеупорным кирпичом таким образом, что образуется круглая в сечении рабочая зона диаметром приблизительно 300 мм. В передней торцевой части печи расположены форсунки для подачи газа и воздуха на горение. Рабочая зона делится на четыре части. Первая, прилегающая к передней торцевой части реактора, зона горения.
В этой зоне происходит сжигание природного газа для создания и поддержания необходимой температуры в реакторе. Вторая зона, зона реакции, расположена сразу после зоны горения. В этой зоне происходит собственно разложение углеводородного сырья. Сырье (пиролизная смола) впрыскивается в эту зону через четыре сырьевые форсунки, расположенные радиально по бокам реактора. Третья и четвертая зона - соответственно зона предзакалки и зона закалки. В этих зонах формируется структура сажевых зерен, влияющая на свойства технического углерода. Процесс формирования зерен зависит от температурного режима в этих зонах, который поддерживается путем впрыска воды через водяные форсунки, установленные по бокам реактора. В задней торцевой части реактора находится труба, по которой аэрозоль технического углерода движется в холодильник-ороситель, где охлаждается путем впрыска воды и поступает в отделение улавливания. Таким образом, каждая технологическая установка имеет ряд регулируемых параметров: расход газа, расход сырья, расход воздуха высокого давления, расход химически очищенной воды. Регулируя эти параметры, необходимо поддерживать требуемый температурный режим во всех зонах реактора и холодильника оросителя.
Структура КТС. Разработанная структура технического обеспечения МК 1-4 потоков НКТУ [2] (рис.5.10) учитывает разбиение объекта автоматизации на технологические потоки и построена по принципу максимального их разделения так, чтобы выход из строя компонентов комплекса технических средств МК одного потока не влиял на работу других потоков. МК 1-4 потоков НКТУ включает в себя следующие уровни:
- уровень датчиков и исполнительных механизмов;
- уровень устройств ввода-вывода;
- уровень управляющих станций;
- уровень взаимодействия системы управления с оператором (интерфейсный уровень).
НКТУ реализован на устройствах сбора данных и управления ADAM-5000/TCP (Advantech) с промышленной шиной Ethernet, укомплектованных следующими модулями ввода-вывода серии ADAM-5000.
В разработанной структурной схеме показано применение следующего алгоритма резервирования компонентов ПТК:
На каждый поток приходится по три контроллера ввода/вывода: основной управляющий, резервирующий и модуль сбора общецеховых параметров. Основной управляющий контроллер обеспечивает управление реакторами потока. Резервный контроллер включается в работу при отказе основного модуля и полностью берет на себя управление технологическими установками. Резервирование основного контроллера осуществляется путем автоматической механической коммутации каналов ввода/вывода на резервный контроллер, причем удалось обеспечить безударный переход на резервное оборудование без потери управления технологической установкой. Контроллер сбора общецеховых параметров обеспечивает получение параметров общих для двух соседних (идентичных) потоков. В случае выхода из строя контроллера сбора общецеховых параметров на одном из потоков, получение общецеховых параметров обеспечивает аналогичный контроллер соседнего потока.
На уровне управляющих станций реализуется логика управления технологическим объектом, в соответствии с которой производится обработка и анализ поступающей с устройств ввода-вывода информации и генерация управляющих воздействий по заданным алгоритмам регулирования. Управляющие станции являются центральным «мозгом» системы, здесь производятся расчеты нормированных расходов, вычисляются управляющие воздействия по ПИД-алгоритмам, осуществляется автоматический перевод технологического оборудования из одного режима в другой, реализуется логика противоаварийной защиты и т.п.
В проекте реализовано резервирование управляющих станций. Так как технологические установки первого и второго, а также третьего и четвертого потоков полностью идентичны, управляющие станции идентичных потоков взаимно резервируют друг друга. Так, например, при отказе станции первого потока управление первым потоком возьмет на себя станция второго потока.
Уровень управляющих станций МК 1-4 потоков НКТУ реализован на базе процессорной платы РСА-6178 (Advantech) с процессором Intel Pentium III 550 MHz. Плата имеет интегрированный сетевой адаптер стандарта Ethernet. Плата устанавливается в низкопрофильное промышленное шасси IPC-602 (Advantech). Плата РСА-6178 в комплекте с необходимым периферийным оборудованием (ОЗУ и НЖМД) представляет собой мощную и современную промышленную станцию управления.
Уровень взаимодействия системы управления с оператором реализует интерфейс оператора, т.е. снабжает оператора-технолога оперативной информацией о протекании технологического процесса, обеспечивает прием от оператора управляющих директив и передачу их управляющим станциям. На уровне взаимодействия системы управления с оператором реализуются также функции накопления и отображения архивной исторической информации.
В качестве рабочих станций операторов-технологов используются персональные компьютеры PC-архитектуры стандартного исполнения с сетевым интерфейсом Ethernet. Рабочие станции операторов для защиты от внешних неблагоприятных условий эксплуатации (сажевая пыль) размещены в специальных пультах с подпором воздухом и укомплектованы защищенными промышленными клавиатурами с манипуляторами DT-810 фирмы Texas Industrial Peripherals.
С целью обеспечения непрерывности управления технологическим процессом в случае отказа ЭВМ для каждого из потоков установлено по две совершенно идентичных рабочих станции операторов, функционирующих независимо друг от друга.
КТС МК 1-4 потоков НКТУ объединен локальной вычислительной сетью (ЛВС) стандарта Ethernet с использованием сетевых концентраторов, что обеспечивает требуемую скорость передачи данных и возможность наращивания системы. Топология сети - звездообразная.
Структура ЛВС проектировалась таким образом, чтобы обеспечить требуемые надежность и скорость передачи информации. Операторские станции подключены к разным ветвям ЛВС, а связь с управляющими станциями потоков возможна по двум маршрутам, что обеспечивает устойчивость системы к нарушениям каналов связи, кроме того, подобная структура обеспечивает возможность диагностирования состояния средств и физических каналов передачи данных по ЛВС. Для передачи информации применяется экранированный кабель типа «витая пара» S-FTP.
