Содержание к диссертации
Введение
1. Водоподготовка в системной структуре производства электрической и тепловой энергии 11
1.1. Роль воды как системного элемента в производственном процессе тепловых электрических станций (ТЭС) 11
1.2. Методы промышленной водоподготовки 14
1.3. Предварительная очистка воды 20
1.4. Деминерализация воды 25
1.4.1. Основы ионного обмена в процессе водоподготовки .25
1.4.2. Способы осуществления ионного обмена 32
1.5. Структура и схемы ионообменных установок 44
1.6. Системно-технологическая характеристика установки переработки и утилизации стоков .53
1.7. Системные проблемы управления технологическими процессами ХВО 54
1.8. Выводы по разделу 1 57
2. Системный анализ химводоподготовки как объекта управления 59
2.1. Показатели качества ХВО и оценки коррозионно-накипных свойств
технологических потоков ВПУ 59
2.2. Управление ХВО с применением лабораторного химического анализа... 75
2.3. Потоки ВПУ в пространстве состояний .76
2.4. Выводы по разделу 2 86
3. Разработка и идентификация системно-структурной атематической модели ХВО функционально ориентированной на управление .87
3.1. Особенности идентификации ионообменных процессов ХВО 87
3.2. Управление с применением идентификатора качества потока 89
3.3. Общая характеристика функционально ориентированных математических моделей (ФОМ) 92
3.4. Априорные данные о состоянии потока .94 3.5. Модель водородного показателя рН. 97
3.5.1. Методика моделирования 102
3.6. Модель удельной электропроводности раствора % 106
3.7. Модель ионных пар 10
3.8. Моделирование химсостава потока 112
3.9. Выводы по разделу 3 121
4. Верификация функционально ориентированной математической модели потоков ХВО в эксплуатационных условиях 123
4.1. Экспериментальная установка 123
4.2. Верификация математической модели водородного показателя рЯпотока 125
4.3. Верификация математической модели электропроводности потока.. 129
4.4. Верификация математической модели химсостава пока ХВО 138
4.4.1. Верификация математической модели химсостава потока, построенной с применением метода Ньютона 138
4.4.2. Верификация математической модели химсостава тестовых растворов, построенной с применением метода С.Качмажа 141
4.4.3. Верификация математической модели произвольных растворов методом С.Качмажа 142
4.5. Выводы по разделу 4 145
5. Автоматизированная адаптивная система управления технологическим процессом водоподготовки в установке подпитки теплосети (ПТС) 147
5.1. Системно-технологическая характеристика установок подпитки теплосетей (ПТС) 147
5.2. Структура, функции и задачи АСУ ТП ХВО ПТС 152
5.3. Комплекс алгоритмов управления АСУ ТП ХВО ПТС 156
5.4. Адаптивная система автоматического управления подмесом исходной воды с идентификатором 160
5.4.1. Общая характеристика САУ подмесом исходной воды 160
5.4.2. Структура адаптивного идентификатора состояния 161
5.4.3. Поверхности отклика в процедурах идентификации 163
5.4.4. Синтез САУ подмесом исходной воды .168
5.4.5. Параметрический синтез ПИ-регулятора альтернансным методом 169
5.5. Выводы по разделу 5 176
Заключение .177
Список сокращений и условных обозначений 178
Библиографический список
- Основы ионного обмена в процессе водоподготовки
- Потоки ВПУ в пространстве состояний
- Модель удельной электропроводности раствора %
- Верификация математической модели химсостава потока, построенной с применением метода Ньютона
Введение к работе
Актуальность. В современной промышленности широко используют водные ресурсы, которые редко отвечают требованиям прямого применения. Содержащиеся в воде природные примеси удаляют на водоподготовительных установках (ВПУ) -комплексе технологических процессов, обеспечивающих качество воды, соответствующего техническим условиям, санитарным правилам и нормам. Это обуславливает важную роль ВПУ как подсистемы в системной структуре производства и потребления тепловой и электрической энергии. Снижение качества очищенной воды приводит к огромным затратам на восстановление не только основного энергопроизводящего оборудования но и технологических систем потребителя - теплообменных аппаратов, трубопроводов. Затраты на совершенствование ВПУ оказываются во много раз ниже затрат на ликвидацию последствий нарушений. Применение современных способов получения очищенной воды, предложенных в работах Л.М.Живиловой, С.Б.Коныгина, сдерживается нестабильностью и неопределенностью качества исходной воды, технологических режимов и конъюнктурных требований потребителя. Данной проблеме посвящены получившие широкое распространение работы Е.И.Пупырева по организации систем водопотребления и водоотведения.
Решение этой проблемы может базироваться на ее системном анализе с использованием системно-структурного математического моделирования и идентификации процессов водоподготовки с применением модели-идентификатора состояния в контуре системы управления ВПУ для её адаптации с целью эффективного управления в условиях неопределённости. Поэтому тема исследования, направленного на решение проблемы обеспечения высокого качества, применяемой в промышленности воды, на базе системно-структурированного моделирования процесса водоподготовки, является актуальной.
Цель работы. Обеспечение стабильно высокого качества очищенной воды путём адаптивного управления ВПУ с моделью-идентификатором состояния в контуре системы управления на основе системно-структурной идентификации ионообменных процессов.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
-
Разработана иерархическая системная структура водоподготовки.
-
Разработана система критериев качества ионообменных процессов при водоподго-товке.
-
Разработана функционально ориентированная на применение в системах управления в качестве идентификатора состояния математическая модель процессов ионного обмена при водоподготовке.
-
Разработаны методики идентификации математической модели процессов ионного обмена водоподготовки.
-
Проведена верификация математической модели ионного обмена ВПУ на экспериментальной опытно-промышленной основе.
-
Разработана автоматизированная система управления процессов водоподготовки в малоотходной установке подпитки теплосети крупной ТЭС, содержащая адаптивную систему управления качеством химочищенной воды с идентификатором состояния в контуре.
Методы исследования. Методы системного анализа, теория ионного обмена, физической химии и электрохимии, идентификации, автоматического управления, математической статистики и теории вероятностей.
Научная новизна.
-
Разработана и исследована системная структура процесса во до подготовки, отличающаяся от известных учётом и системным анализом внешних и внутренних факторов неопределенности энергопроизводства и энергопотребления, с целью научно обоснованного проектирования и управления водоподготовительными установками.
-
Разработана функционально ориентированная на применение в системах управления в качестве идентификатора состояния математическая модель ионообменной во-доподготовки, содержащая в своей структуре новые расчётные блоки математического моделирования водородного показателя, химсостава, электропроводности с учётом влияния ионных пар и проверки электронейтральности, отличающаяся от известных своим системным характером и ориентацией на использование в системах управления.
-
Предложен метод расчёта электропроводности многокомпонентных растворов как объектов идентификации. Метод отличается от известных учётом влияния на электропроводность ассоциатов и обеспечивает возможность его применения для идентификации химсостава водных растворов.
4. Впервые разработана методика идентификации химсостава многокомпонентных растворов в потоках ионообменной водоподготовки, позволяющая по непрерывным наблюдениям косвенных параметров с высокой достоверностью определять химсостав потока.
5.Разработана автоматизированная система управления процессом ВПУ участка подпитки теплосети ТЭС, содержащая в своём составе адаптивную систему автоматического управления качеством химочищеннои воды с моделью-идентификатором состояния в контуре, отличающуюся от известных обеспечением стабильного качества в условиях неопределённости и снижением затрат на собственные нужды.
Практическая значимость работы заключается: 1.В определении необходимого состава и структуры автоматизированных систем управления ВПУ на основе системного анализа процессов ионного обмена при водо-подготовке в промышленности вообще и в энергопроизводстве в особенности.
-
В обоснованной системной структуризации критериев качества водоподготовки и адекватной этим критериям структуре математических моделей ионного обмена, обеспечивающих достаточную точность и экономное использование вычислительных ресурсов как при автономном применении моделей в расчётной практике, так и при использовании их в составе идентификатора состояния в контуре адаптивных систем управления водоподготовительных установок.
-
В математических моделях водородного показателя рН, электропровоности, химсостава многокомпонентных растворов ионообменной водоподготовки и методах их идентификации по измерениям качественных параметров, обеспечивающих эффективный расчёт текущих и прогнозируемых показателей качества химочищеннои воды и других текущих технико-экономических показателей.
-
В применении разработанных математических моделей для создания малоотход-
5 ных технологий ВПУ на ТЭС с многократным использованием регенерирующих растворов.
5. В применении на ТЭС малоотходной автоматизированной системы управления процессом водоподготовки в установке подпитки теплосети, содержащей адаптивную систему управления качеством химочищенной воды с идентификатором состояния в контуре.
Практическая полезность подтверждается включением результатов исследования в научно-исследовательскую работу ФГБОУ ВПО Самарского государственного технического университета в рамках государственного задания по теме «Оптимизация и энергоэффективное управление энергоемкими инновационными технологиями промышленной теплоэнергетики» (номер гос.регистрации 01125738520), справкой № СФ 15162/2008 от 15.09 2008г. о внедрении в опытно-промышленную эксплуатацию на предприятии ОАО «Волжская ТГК», актом внедрения в учебный процесс ФГБОУ ВПО Самарского государственного технического университета.
На защиту выносятся. 1. Иерархическая системная структура водоподготовки, включающая согласованную структуру критериев качества воды и математических моделей ионного обмена при химводоподготовке.
-
Функционально ориентированная на применение в системах управления в качестве идентификатора состояния математическая модель ионного обмена при химводоподготовке.
-
Методики идентификации локальных математических моделей ионного обмена при химводоподготовке по косвенным измерениям, содержащие новый метод учёта влияния ионных пар при определении электропроводности многокомпонентных растворов.
4.Адаптивная система автоматического управления качеством химочищенной воды в малоотходной технологии химводоподготовки подпитки теплосети ТЭС с моделью-идентификатором состояния в контуре.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Наука и образование» в г.Коломбо (Шри-Ланка) 12-22 февраля 2010г., на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» в г. Новосибирск 04-07 декабря 2008г., на Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий» в г. Ялта Автономной Республике Крым 20-24 сентября 2012г., на VIII Международной научной конференции «Современные достижения в науке и образовании» в г.Париж (Франция) 28.04-05.05 2013г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 работ, в том числе 4 в рецензируемых изданиях из перечня рекомендованного ВАК. Получен патент на изобретение.
Личный вклад автора. В работах [1,3,8,10] диссертанту принадлежит: совместная постановка задачи, методы и алгоритмы системно-структурных представлений водоподготовки, критериев качества; разработка функционально-ориентированных моделей для использования в качестве идентификаторов. В остальных работах вклад диссертанта составляет равную долю с соавторами.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, вьшодов и списка литературы, включающего 188 наименований. Работа изложена наїбб страницах, содержит 75 рисунков и 34 таблицы.
Основы ионного обмена в процессе водоподготовки
Назначение тепловых электрических станций (ТЭС) - это надёжное и бесперебойное производство тепловой и электрической энергии, обеспечивающих развитие производственных и социальных сфер общества.
По своей структуре ТЭС являются совокупностью взаимосвязанных элементов, образующих целостное единство - систему. При этом ТЭС оказывают сильное техногенное влияние на природную среду [118, 129, 154]. Основные связи ТЭС можно представить схемой на рисунке 1.1.
В качестве теплоносителя и рабочего тела на ТЭС используется вода и её производные - пары и конденсаты, к параметрам которых предъявляются высокие требования для обеспечения надёжности и получения высоких технико-экономических показателей, зависящих от степени и химического состава загрязнений проточной части турбинных установок и теплообменных аппаратов [2, 127, 153].
Эти требования диктуются большими удельными тепловыми напряжениями поверхностей нагрева современных парогенераторов и термодинамической неустойчивостью системы «металл - вода» [2,74,98,119,126,127,150].
Наиболее жёсткие требования к параметрам качества технологических потоков предъявляются в технологиях с высокими и сверхвысокими параметрами. Питательная вода, пары и конденсаты практически не должны содержать каких-либо примесей. Концентрация растворённых веществ не должна превышать 0,1 мг/дм3,удельная электропроводность не более 0,5 мкСм/см, и водородный показатель рН должен быть в пределах 6,87,1 [119].
Ухудшение качества теплоносителя или рабочего тела приводит к образова 12 нию термобарьерных отложений, которые из-за низких теплопередающих свойств различных соединений, входящих в их состав, резко снижают эффективность работы теплообменного оборудования и приводят к значительному перерасходу топливных и водных ресурсов. Так увеличение отложений на экранных трубах на 1мм приводит к перерасходу топлива на 9%, увеличивает выбросы вредных веществ в атмосферу и сбросы солевых стоков в среднем на 10% и, следовательно, к повышению стоимости пара и электроэнергии [124, 125]. Кроме того, отложения резко снижают надёжность работы теплопередающих поверхностей. Толщина отложений в 1мм увеличивает температуру стенки экранных труб парогенератора на 100 120С при предельно-допустимой температуре 500-5500С для ст.20, 5700С -для стали 12Х1МФ, и 6100С - для стали 1Х18Н9Т. Контролируемыми являются также санитарные и экологические показатели. Вода, поступающая населению, должна быть безопасной в эпидемиологическом и паразитарном отношении, безвредной по химическому составу, иметь благоприятные органолептические свойства [62, 133]. Поэтому применение способов обработки воды теплосетей, снижающих санитарные и экологические показатели, не допустимо.
С целью контроля состояния теплопередающих поверхностей установлены нормативы предельно допустимых отложений [66,67,72,98,118,124,125,170,175]: - для барабанных котлов высокого давления (свыше 13,8 МПа) с локальными тепловыми потоками экранных поверхностей нагрева 450 кВт/м2 - 300,0 г/м2, - для других котлов при температуре греющего газа свыше 1200С - 500 г/м2, - при температуре греющего газа менее 1200С - 800 г/м2.
При достижении предельно-допустимых значений отложений проводят очистку поверхностей нагрева котлов с применением химических реагентов (кислот, щелочей, комплексообразователей). Однако следует учитывать, что при любой химической промывке идёт растворение конструкционного металла. Моющее средство считается безопасным, когда растворение металла составляет 0,25г/м2час, в то время как коррозия металла при выводе в резерв котла составляет 0,05 г/м2час. Правилами технической эксплуатации вводятся жёсткие требова 13
ния по ограничению не только качественных показателей теплоносителей, но и времени устранения нарушений [119].
Периодичность плановых промывок стремятся совмещать с периодом капитальных ремонтов. Тем не менее, при традиционных способах управления химическими режимами ТЭС, практически химические промывки осуществляют чаще, примерно через каждые 3 года эксплуатации и заменяют часть экранных труб. Кроме того, периодически осуществляются промывки проточных частей турбин – ориентировочно от 1 до 3 раз в год [119].
Важными задачами в обеспечении надёжности работы энергетического оборудования тепловых систем является оценка скорости образования отложений, состава отложений, скорости коррозии конструкционных материалов с целью повышения эффективности водно-химических режимов тепловых систем и своевременному проведению профилактических мероприятий. В настоящее время способы и методы профилактических мероприятий, определяют путём периодических вырезок и оценки состояния участков теплопередающих поверхностей и трубопроводов, химического состава отложений на них [2, 66, 67, 68, 74,75, 76, 77].
В этой связи совершенствование непрерывного контроля и управления количеством поступающих в тепловые системы примесей веществ, образующих отложения и повышающих коррозию, становится актуальной задачей.
Повышению эффективности водно-химических режимов тепловых систем посвящены работы по совершенствованию способов коррекционной обработки теплоносителей и разработке системы химико-технологического мониторинга (СХТМ). В развитие этих направлений в Российской Энергетике большой вклад внесли труды отечественных учёных Московского энергетического института (МЭИ), Всероссийского теплотехнического института (ВТИ) и Ивановского государственного энергетического университета (ИГЭУ) Т.Х. Моргуловой, Ю.М. Ко-стрикина, Н.Н. Манькиной, О.И. Мартыновой, В.Н. Воронова, П.Н. Назаренко, В.Ф. Очкова, Д.С. Сметанина, Б.М. Ларина, Е.Н. Бушуева, А.Ф. Богачёва, Т.В. Алексеевой, Б.С. Федосеева.
Основными источниками поступления в тепловые системы примесей являются добавочная и подпиточная вода. Исходной водой для получения добавочной и подпиточной воды ТЭС служит вода природных водоёмов, артезианских скважин, морей и океанов. Однако вода природных источников редко отвечает требованиям для прямого применения из-за содержания в ней разных примесей.
Природная вода - это сложная многокомпонентная гетерогенная система [4, 8,18, 20, 61, 131]. В её состав входят минеральные и органические вещества, раз личные микроорганизмы, вирусы, планктоны. Они образуют соединения разной степени дисперсности, находятся во взвешенном, коллоидно-pаствоpенном, диссоцииpованном состояниях и формируют истинно растворённые жидкие, твердые или газообразные фазы примесей.
Для приведения качества воды в соответствие с необходимыми требованиями применяется водоподготовка - комплекс технологических процессов удаления примесей [3, 9, 13, 15, 16, 29, 32, 46, 86, 94, 100, 103, 104, 114, 120, 126, 141, 151, 153, 162, 170, 172, 173].
Поэтому важными компонентами ТЭС являются водоподготовительные установки (ВПУ), производящие воду необходимого качества для компенсации потерь теплоносителей и рабочего тела тепловых схем. Эта задача ВПУ, определенная в результате декомпозиции основной цели ТЭС, достигается удалением содержащихся в исходной природной воде веществ.
Потоки ВПУ в пространстве состояний
В ряде схем декарбонизаторы устанавливают после Н-катионитных фильтров 1-й ступени. В первой ступени обес-соливания удаляются из очищаемой воды ионы большей сорбируемости. Это -двухвалентные катионы и анионы сильных кислот. Частично обессоленная вода собирается в баке декарбонизированной воды БДВ. Из БДВ вода насосами НДВ направляется в Н-катионитные фильтры 2-й ступени, а затем анионитные фильтры 2-й ступени. В фильтрах 2-й ступени удаляются все оставшиеся ионы после первой ступени обессоливания и ионы с меньшей сорбируемостью. Это - одновалентные катионы солей и анионы слабых кислот. Часто после фильтров второй ступени, когда требуется вода глубокой деминерализации, устанавливают третью ступень обессоливания или фильтры смешанного действия (ФСД). Обессоленная вода направляется в главный тепловой контур в качестве добавочной воды. Расход обессоленной воды регулируется потребностью тепловой схемы ТЭС. Производительность обессоливающей установки регулируется регулятором Р с помощью исполнительного клапана 1 по уровню в БДВ.
По схеме «Цепочка», показанной на рисунке 1.17. исходная вода, прошедшая предварительную очистку, поступает в предвключённый Н-катионитный фильтр, который загружают катионитом слабой кислотности. Затем вода проходит обработку в основном Н-катионитном фильтре 1-й ступени обессоливания. В катионитных фильтрах 1-й ступени используют катионит сильной кислотности. Из основного Н-катионитного фильтра 1-й ступени вода направляется в анионит-ный фильтр 1-й ступени обессоливания. В анионитном фильтре 1-й ступени применяется анионит слабой основности, в зависимости от содержания анионов слабых кислот иногда используют анионит средней основности. После анионитных фильтров 1-й ступени вода направляется в декарбонизатор для удаления образовавшейся углекислоты. В ряде схем декарбонизаторы устанавливают после Н-катионитных фильтров 1-й ступени. В первой ступени обессоливания удаляются из очищаемой воды ионы большей сорбируемости. Это - двухвалентные катионы и анионы сильных кислот. Частично обессоленная вода собирается в баке декар бонизированной воды БДВ. Из БДВ вода насосами НДВ направляется в Н-катионитный фильтр 2-й ступени, который загружают катионитом сильной кислотности. Затем вода проходит обработку в анионитном фильтре 2-й ступени, который загружают анионитом сильной основности. В фильтрах 2-й ступени удаляются все оставшиеся ионы после первой ступени обессоливания и ионы меньшей сорбируемости. Это - одновалентные катионы солей и анионы слабых кислот. Часто после фильтров второй ступени, когда требуется вода глубокой деминерализации, устанавливают третью ступень обессоливания или фильтры смешанного действия (ФСД). Обессоленная вода направляется в главный тепловой контур в качестве добавочной воды. Расход обессоленной воды регулируется потребностью тепловой схемы ТЭС. Производительность обессоливающей установки регулируется регулятором РП с помощью исполнительного клапана 6 по уровню в БДВ.
Отличительной особенностью схемы «цепочки» является то, что в каждой ступени деминерализации устанавливается один фильтр. Операции регенерации и отмывки катионитных и анионитных фильтров проводятся одновременно. При этом: один и тот же раствор кислоты последовательно проходит через Н-катионитный фильтр 2-й ступени, основной Н-катионитный фильтр и предвклю-чённый Н-катионитный фильтр; один и тот же раствор щёлочи последовательно проходит через анионитный фильтр 2-й ступени и анионитный фильтр первой ступени.
Такая схема позволяет: 1) осуществлять глубокую очистку ионитов вторых ступеней деминерализации, так как через фильтры второй ступени проходит вся масса реагента, необходимого для восстановления всего объёма одноимённого анионита. Такая схема с совместной регенерацией ионитов 1-й и 2-й ступеней деминерализации позволяет получить высокое качество очищенной воды; 2) применение предвключённого Н-катионитного фильтра с катионитом слабой кислотности позволяет расход кислоты сократить до стехиометрического. Число устанавливаемых «цепочек» определяется необходимой производительностью водоподготовительной установки с учётом времени, затрачиваемого на восстановление рабочих обменных ёмкостей поглощения и качества исходной воды. Останов «цепочки» для выполнения восстановительных операций рабочей обменной способности ионообменных материалов производится по росту электропроводности обессоленной воды или по команде оператора. В отличие от схемы с параллельным включением фильтров восстановление осуществляется всему объёму ионообменных материалов фильтров «цепочки» одновременно.
Все операции осуществляются по команде контроллера или оператора.
Основным недостатком схем с последовательным включением фильтров является необходимость поддержания постоянного соответствия рабочих обменных ёмкостей Н-катионитных и анионитных фильтров с тем, чтобы их время работы до выхода на восстановительные операции совпадало. Практически это требование недостижимо. Поэтому наблюдаются большие расходы реагентов и воды на собственные нужды.
Образующиеся отработавшие растворы всегда пересыщены относительно сульфата кальция. Поэтому весьма важно удалить раствор из фильтра до того, как начнется выпадение гипса из раствора.
Для количественной и качественной оценки состояния раствора и формирования осадка применяется математическая модель для определения ионных пар и свободных ионов (рисунок 3.6.). Для предотвращения выпадения гипса в объёме катионита концентрация сульфатов в растворе ограничивается величиной 208 мг-экв/дм3 при продолжительности пребывания его менее 20 минут в пределах ионообменного материала. Концентрация раствора серной кислоты при регенерации обычно составляет 0,7-0,8%.
Модель удельной электропроводности раствора %
В соответствии с поставленной задачей приступим к разработке конструктивных математических моделей, связывающих между собой для n-го потока вектор состояния Сп (2.31), вектор химического состава (Сг)п, вектор непрерывных наблюдений (CJn (2.33) и вектор качества (C)n потока (2.34).
С помощью этих моделей, содержащих идентифицируемые параметры, имеющих минимально допустимую сложность будем синтезировать общую ФОМ ХВО.
В основу ФОМ заложены: 1- индивидуальные свойства химических элементов: - свойства определяются концентрациями свободных ионов и комплексных соединений, причем каждому иону соответствует уравнение массового баланса (2.1), (2.2), связывающее суммарную концентрацию вещества в растворе с концентрацией ионов в активном состоянии;
- свойства определяются константами диссоциации, когда каждому комплексному соединению соответствует уравнение (уравнение Льюиса) [10, 101, 149]: где: активность химического соединения ; – коэффициент химического соединения, которые определяются по формуле (2.7); – концентрация химиче ского соединения в моль(ион)/дм3; - кроме того, каждый ион обладает определённой, присущей только ему одному мольной и эквивалентной электропроводностью [160]. 2- формальная зависимость рН от числа и соотношений компонентов, определяющих щелочно-кислотные свойства раствора 3 - закон аддитивности эквивалентных электропроводностей Кольрауша [5, 163], в соответствии с которым, в общем виде удельная электропроводность раствора является суммой электропроводностей отдельных компонентов (2.16).
Вклад в электропроводность раствора независимых переменных предполагается пропорциональным количественному (массовому) изменению со держания каждого несвязанного r-ого иона в растворе, т.к. каждый элемент элек тролита имеет определённое значение в конкретном растворе мольной и эквива лентной электропроводности, а также вполне определённые константы диссоциа ций с каждым ионом раствора. Поэтому изменение электропроводности для каждого компонента минерализации является кратной вполне определённой ве личине, что в итоге позволяет уточнить корректировку. Закон Кольрауша хорошо подтверждается экспериментально для растворов c высокой степенью разбавления, когда , где электропроводность при бесконечном разбавлении. Для растворов с низкой степенью разбавления, которыми являются большинство технологических потоков водоподготовительных установок, необходимо учитывать взаимодействие ионов, т.е. образование ассо-циатов ионов, катафоретические и релаксационные эффекты. Для учёта катафо-ретических и релаксационных эффектов при расчёте ионных пар в работе использовано уравнение электропроводности раствора Л.Онcагера [48]. Методика идентификации потока по непрерывно наблюдаемым водородному по 94 казателю pH и по электропроводности схематично изображена на рисунке
Априорные данные о состоянии потока Задача идентификации потока здесь ставится как определение неизвестных независимых компонент по известным измерениям =(pH, ), т.е. об ратная задача. Множество векторов состояния n-го потока (2.31) определяют в об щем случае N- мерное евклидово пространство:
Для эффективного решения задачи необходимо, чтобы в исходных данных была информация о допустимых или недопустимых концентрациях компонентов минерализации. Поэтому для сужения области поиска и исключения несущественных решений введём в рассмотрение область D, которая содержит характерные компоненты минерализации и их концентрации для исследуемого потока, но не содержит никаких других:
Область D является областью допустимого химического состава n-го потока. В результате для n-го потока формируются множество ограничений, представляющих собой возможные диапазоны изменения концентраций химических элементов и их соединений :
и множество функций структурной связи [159]: и по сути, задают допустимую область D на основе априорных сведений о рассматриваемом потоке. Она определяет возможное число химичес-ких элементов и диапазон изменения вектора наблюдений:
Тем самым, выделяется прямоугольный гиперпараллелепипед в гиперпро странстве состояний потока, ограниченный максимальными и минимальными значениями pH и , что сужает возможное множество решений. Значения иско мых концентраций компонентов минерализации (либо их приращений) находятся путём итераций из условия монотонной сходимости минимизируемого функцио нала невязки между измеряемыми pH, и расчетными pH и . Эти итерации повторяются последовательно и получаемая последовательность параметров схо дится к искомому решению. Алгоритм идентификации в качестве поисковой процедуры требует адек ватных начальных условий для своей сходимости. Поэтому начальный априорный вектор состояния потока ( , в котором вектор химического состава n-го потока должен принадлежать области D (3.16). Базовые концентрации и число компонентов минерализации принимаются на основе предварительных химико-аналитических исследований:
Верификация математической модели химсостава потока, построенной с применением метода Ньютона
Водоподготовка на ТЭС в основном сводится к подготовке добавочной воды, восполняющей потери пара и конденсата в пароводяном цикле ТЭС, потери производственного конденсата; обеспечению сторонних потребителей химочи-щенной водой и к подготовке подпиточной воды для систем теплоснабжения. Проблема автоматизации процесса ХВО, как установлено выше, является весьма актуальной, потому что в существенной степени является определяющей для обеспечения надёжной и экономичной работы основного энерго- и теплопроизво-дящего оборудования ТЭС и тепловых сетей. Оборудование для ХВО весьма громоздко, рассредоточено на большой площади химцеха и частично за его пределами, что затрудняет организацию эффективного управления процессом вручную. Технологический процесс водоподготовки относится к классу дискретно-непрерывных, а при высокой протяженности транспортных потоков, содержащих агрессивные компоненты, принятие оперативных решений без автоматизированного и рационального распределения информации затруднительно. Высокое содержание в стоках вредных для окружающей среды примесей требует непрерывного контроля качества стоков и организации их утилизации. Периодический и весьма трудоемкий процесс контроля основных качественных параметров технологического процесса путем химических лабораторных экспресс-анализов при невозможности прямого их измерения предполагает большое запаздывание в получении информации, высокую вероятность субъективных и объективных ошибок и, как следствие неоперативное вмешательство в технологический процесс, снижение качества и надежности ХВО.
Перечисленные обстоятельства подразумевают высокую ответственность принимаемых оперативным персоналом решений и требуют обеспечения средствами прогноза результатов путем имитационного моделирования. В состав ВПУ типовой ТЭС входят установки подпитки теплосети (ХВО ПТС), установки химического обессоливания (ХОУ) и установки переработки стоков, предназначенных для максимального сокращения стоков и солевых сбросов (см.раздел 2).
Для тепловых сетей, особенно для сетей с открытым водоразбором горячей воды, чаще всего применяется метод частичного умягчения на Н-катионитных фильтрах с последующим подмесом исходной воды к фильтрату Н-катионитных фильтров и декарбонизацией (рисунки 2.19. и 4.2.). Производительность таких установок превышает 2000 м3/час. Такие установки нашли широкое применение на ТЭС региона Средняя Волга, исходной водой которых служит вода городских водопроводных сетей, усреднённое качество которой приведено в таблице 5.1. рН при 200С в ед. рН рН 7,3 В этих ВПУ водопроводная вода из главного корпуса ТЭС, где подогрева ется до 200С, подаётся на блоки ХВО ПТС (рисунок 1.2). Каждый блок ХВО ПТС представляет собой группу параллельно включённых Н-катионитных фильтров, группу параллельно включённых буферных фильтров и декарбонизатора. Катио-нитные фильтры загружены ионообменным материалом (катионитом) слабой ки 149 слотности. К каждому блоку водопроводная вода подводится двумя потоками. Первый поток поступает во входной коллектор Н-катионитных фильтров, второй – на входной коллектор буферных фильтров для подмешивания к фильтрату Н-катионитных фильтров. Подмес позволяет значительно повысить эффективность процесса и сократить число Н-катионитных фильтров (см.п.2.2). Соотношение потоков (2.47) устанавливается для этих ВПУ по величине индекса карбонатного Ik (2.26) в соответствии с требованиями к качеству химочищенной воды (таблицах 5.2; 5.3.).
В Н-катионитных фильтрах происходит ионный обмен катионов кальция Са2+ и магния Mg2+ на эквивалентное количество ионов водорода Н+ согласно (2.43, 2.44). В узле смешения и буферных фильтрах происходит нейтрализация бикарбонат-ионов ионами водорода согласно (2.45) с образованием свободной угольной кислоты СО2. Из буферных фильтров вода поступает в декарбонизатор, через который пропускается вентилятором поток подогретого воздуха, в котором парциальное давление CO2 значительно ниже чем в воде, что согласно закону Генри, позволяет снизить концентрацию CO2 в воде ниже 5 мг/дм3. Химочищен-ная вода после декарбонизатора поступает в бак декарбонизированной воды (БДВ), из которых насосами подаётся в деаэраторы подпитки теплосети. Восстановительные операции Н-катионитных фильтров (взрыхление, регенерация и отмывка) осуществляются с использованием водопроводной воды или очищенных стоков после установки утилизации.
Разрабатываемая АСУ ТП ХВО должна отвечать следующим основным требованиям:
1. Ориентация на современные принятые в мировой практике тенденции автоматизации. В первую очередь это относится к архитектуре построения аппаратно-программного комплекса – система должна быть открытой для пополнения и замены технических средств, базирующихся на линиях контроллеров основных типов, принятых в мировой и отечественной практике, а также программного обеспечения, разрабатываемого основными фирмами-производителями.
2. Повышенная надежность и живучесть системы. Производственная, экономическая и экологическая ответственность технологического процесса ХВО обуславливает применение комплекса мер, обеспечивающих функционирование АСУ ТП, возможно, не в полном объеме при отказах аппаратуры и/или электроснабжения. Реализация этих мер обеспечена защитным исполнением технических средств, резервированием критических функций и устройств, дублированием энерговводов и применением аккумуляторного вспомогательного питания. Аналогичные меры обеспечиваются программной частью системы.
3. Распределение функций управления, контроля, диагностики и отображения информации. В силу распределенного дискретно-непрерывного характера производства, большого количества функционально однотипных групп оборудования, высокой вероятности необходимости принятия оперативных решений непосредственно на месте расположения оборудования только распределенная АСУ ТП может эффективно выполнять свои функции в качестве АСУ ТП ХВО. Кроме того, при этом удешевляется резервирование функций системы, повышается живучесть системы за счет подключения каждого из управляющих элементов системы к различным независимым каналам энергоснабжения, облегчается поэтапное ее внедрение. Распределенная АСУ ТП предполагает выполнение ряда функций с помощью контроллеров, обладающих необходимыми вычислительными, управляющими и отображающими ресурсами и соединенными в информационную сеть между собой и центральным диспетчерским пунктом.
4. Адаптивный идентификатор состояния в контуре АСУ ТП ХВО (см.п.3.2.), содержащий ФОМ, выполняет две основные функции: прогноз результатов действий оператора, технологических операций и совет для принятия адекватных оперативных решений и определение качественных характеристик технологического процесса по косвенным измерениям.
5. Развитые технические средства для управления и отображения информации; табло, мнемосхемы, промышленные терминалы, функциональная клавиатура.
6. Возможность скоростного сетевого обмена информацией по нескольким наиболее распространенным интерфейсам с АСУ верхнего уровня.
7. Качественная запорно-регулирующая арматура и информационно измерительная система. В силу агрессивного характера регулируемых и контро лируемых сред требования к качеству арматуры и датчиков особенно актуальны для ХВО. Не рассматривая здесь вопрос конструкции этих элементов, отметим однако, что программное обеспечение разработанной АСУ ТП содержит алгорит мы надежной идентификации состояния запорно-регулирующей арматуры и дат чиков информации.
8. Конструктивное исполнение. Конструкция системы обеспечивает ее надежную работу в широком диапазоне температуры окружающей среды, запыленности и агрессивной атмосферы, а также некачественного электропитания.
