Багатофункціональне математичне моделювання і оптимальне керування нестаціонарними процесами випарних установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

БАГАТОФУНКЦІОНАЛЬНЕ МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ І ОПТИМАЛЬНЕ КЕРУВАННЯ НЕСТАЦІОНАРНИМИ ПРОЦЕСАМИ ВИПАРНИХ УСТАНОВОК

Спеціальність 05.13.07- автоматизація технологічних процесів

ЖУЧЕНКО АНАТОЛІЙ ІВАНОВИЧ

Київ-2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України „Київський політехнічний інститут”, Міністерство освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Романенко

Віктор Демидович, Національний технічний

університет України „Київський політехнічний

інститут”, заст директора ННК „Інститут

прикладного системного аналізу”.

Офіційні опоненти:

заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Ладанюк Анатолій Петрович, Національний університет харчових технологій, завідувач кафедри „Автоматизації і комп'ютерно-інтегрованих технологій”;

доктор технічних наук, професор Демченко Владислав Олексійович, Одеський національний технічний університет, професор кафедри „Автоматизації теплоенергетичних процесів”;

доктор технічних наук, професор Шумилов Кирил Андрійович, НВК „Київський інститут автоматики”, головний науковий співробітник.

Провідна установа: Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”, кафедра „Автоматизації хіміко-технологічних систем і екологічного моніторингу”, Міністерство освіти і науки України.

Захист відбудеться 28 березня 2005 р. о 14 ³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.04 в Національному технічному університеті України „Київський політехнічний інститут” за адресою : 03056, Київ, просп. Перемоги, 37, корпус 18, ауд. 432.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут”, 03056, Київ, просп. Перемоги, 37.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

випарний установка тепловий вимірювальний

Актуальність теми. Випарні установки (ВУ) широко використовуються в різних галузях промисловості: хімічній, харчовій, металургійній, енергетичній, мікробіологічній та ін. У багатьох виробництвах названих галузей промисловості ці установки - основна ланка технологічного процесу, що визначає якість і вартість виготовленої продукції.

За останні роки при створенні новітніх технологій ВУ застосовують для вирішення нових технічних завдань: для очищення мінералізованих стічних вод, що має тепер особливе значення для вирішення екологічних проблем; для створення опріснювальних установок з метою розв'язання завдань водопостачання ряду районів України, у яких уже зараз відчувається нестача прісної води (Донбас, Крим, узбережжя Чорного та Азовського морів та ін.); для створення економічних систем вилучення цінних речовин з морських вод та інших солоних джерел, що має важливе значення для хімічної промисловості та кольорової металургії нашої країни.

Випарні установки споживають значну кількість енергоресурсів, а їх спорудження й експлуатація потребують значних капітальних і виробничих затрат. Тому велике значення мають проектування ВУ з високими техніко-економічними показниками, раціоналізація й оптимізація режимів їх роботи у процесі експлуатації.

Розв'язання цих завдань пов'язане із застосуванням сучасних комп'ютерних систем, впровадження яких потребує розроблення відповідного математичного забезпечення. Основа такого забезпечення - багатофункціональні математичні моделі і алгоритми оптимального керування ВУ, які можна використовувати як на етапі проектування ВУ, так і в умовах їх експлуатації у складі системи керування.

Таким чином, створення багатофункціонального математичного і алгоритмічного забезпечення комп'ютерних систем керування випарними установками, яке відповідає сучасним стандартам ресурсо- і енергозбереження, є актуальною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основою дисертаційної роботи є теоретичні і експериментальні дослідження, виконані під керівництвом і при безпосередній участі автора у відповідності до тематики науково-дослідних робіт Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”:

- „Розробка системи екологічного моніторингу технологічних процесів хімічної і біопромисловості в умовах зміни навантаження технологічного обладнання за якістю та обсягом сировини, а також збурень поставок енергоносіїв” ( Міністерство освіти і науки України, №1263-2004, № держ. реєстрації 0104U008933);

- „Розробка і дослідження теплообмінників-рекуператорів на основі теплових труб і термосифонів” (Міністерство освіти і науки України, № ДП/ 185-2003, № держ. реєстрації 0103U008051).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка математичних моделей багатофункціонального призначення і алгоритмів оптимального керування з урахуванням нестаціонарності процесу випарювання для створення комп'ютерних систем керування випарними установками, які відповідають сучасним стандартам ресурсо- і енергозбереження.

Досягнення поставленої мети передбачає розв'язання таких наступних задач:

1. Створення загальної концепції побудови оптимальних систем керування випарними установками, яка б враховували основні задачі керування ВУ у їх взаємозв'язку.

2. Розроблення адаптивних математичних моделей статики і динаміки теплових режимів роботи ВУ багатофункціонального призначення.

3. Розроблення загальних принципів і математичних моделей для урахування впливу режимів роботи супутнього технологічного обладнання, що працює разом з випарними установками, на теплові режими роботи останніх.

4. Проведення системного аналізу задач моделювання і керування випарними установками різних технологічних схем на множині критеріїв оптимального керування статичними і динамічними режимами їх роботи.

5. Розроблення способу і математичної моделі для урахування у системах керування нестаціонарних властивостей ВУ, обумовлених процесом накипоутворення на теплообмінних поверхнях випарних апаратів.

6. Синтез алгоритмів оптимального керування статичними режимами і циклічністю роботи ВУ з урахуванням нестаціонарності процесу випарювання.

7. Розроблення алгоритму оптимального проектування систем керування ВУ з урахуванням метрологічних похибок вимірювальних каналів.

8. Дослідження ефективності застосування розроблених математичних моделей і алгоритмів оптимального керування випарними установками.

Об'єктом дослідження у дисертаційній роботі є багатокорпусні випарні установки різного функціонального призначення.

Предметом дослідження є математичні моделі і алгоритми оптимального керування випарними установками з урахуванням нестаціонарності процесу випарювання.

Як методи дослідження у дисертаційній роботі використані методи системного аналізу при створені загальної концепції систем оптимального керування ВУ і дослідженні задач моделювання і керування випарними установками різних технологічних схем; методи математичного моделювання при побудові моделей статичних і динамічних режимів роботи випарних установок; методи імітаційного моделювання при дослідженні статичних і динамічних властивостей ВУ, а також при розробленні їх спрощеної моделі; методи математичної статистики при проведенні імітаційного моделювання з метою визначення адекватності моделей; методи оптимізації технологічних процесів при синтезі алгоритмів оптимального керування статичними режимами і циклічністю роботи ВУ, а також при дослідженні ефективності розроблених алгоритмів.

Наукова новизна одержаних результатів.

В дисертації вперше одержані такі нові наукові результати:

1. Створена нова концепція загальної системи оптимального керування випарними установками, що будується за ієрархічним принципом, яка враховує основні задачі керування ВУ у їх взаємозв'язку.

2. Розроблені нові математичні моделі динамічних режимів роботи випарних установок, на основі яких вперше проведено дослідження впливу технологічних схем установок (прямотечійна, протитечійна, установка мішаної течії) на динамічні властивості ВУ при дії одних і тих самих керувань і збурень.

3. Вперше створений комплекс математичних моделей статики теплових режимів випарних установок багатофункціонального призначення: для теплового розрахунку установок, для дослідження їх статичних характеристик, для використання в алгоритмі оптимального керування статичними режимами роботи ВУ, для розрахунку запропонованого критерія кількісного оцінювання процесу накипоутворення, для оцінювання економічної доцільності використання проміжного та попереднього підігрівання упарюваних розчинів у протитечійних випарних установках .

4. Вперше розроблений комплекс математичних моделей динаміки теплових режимів супутнього технологічного обладнання, що працює разом з ВУ, з метою урахування впливу теплових режимів цього обладнання на режими роботи випарних установок.

5. Вперше проведено системний аналіз задач моделювання і керування випарними установками різних технологічних схем на множині критеріїв оптимального керування статичними і динамічними режимами їх роботи.

6. Розроблений новий узагальнений алгоритм оптимального керування статичними режимами роботи ВУ, який з метою урахування нестаціонарності процесу випарювання, передбачає адаптацію математичної моделі, за якою здійснюється пошук оптимального технологічного режиму.

7. Вперше створений алгоритм оптимального проектування систем керування ВУ з урахуванням метрологічних похибок вимірювальних каналів.

8. Синтезований алгоритм оптимального керування циклічністю роботи ВУ, який передбачає не тільки традиційний розрахунок оптимальної тривалості робочого періоду, а й вперше дозволяє визначити оптимальні значення керувальних змінних, реалізація яких підвищує ефективність керування ВУ за інтегральними техніко-економічними показниками.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблені математичні моделі статики і динаміки теплових режимів випарних установок можуть бути використані для проведення проектних і повірочних розрахунків випарних установок, для дослідження їх статичних і динамічних характеристик, для оптимізації режимів роботи ВУ як на етапі проектування, так і в режимі нормальної експлуатації установок.

2. Запропонований критерій кількісного оцінювання процесу накипоутворення має загальний характер і може бути використаний для оцінювання стану теплообмінних поверхонь іншого технологічного обладнання, що працює в умовах накипоутворення.

3. На основі розроблених математичних моделей супутнього технологічного обладнання, що працює разом з ВУ, створене програмне забезпечення для розрахунку динамічних характеристик типових теплообмінних апаратів: прямо- і протитечійних теплообмінників типу “труба в трубі”, змійовикових теплообмінників, теплообмінників типу “проточна ємність”, а також трубопроводів.

4. Реалізація розроблених алгоритмів оптимального керування статичними режимами і циклічністю роботи ВУ у складі комп'ютерних систем керування покращує техніко-економічні показники випарних установок за рахунок оптимізації режимів їх роботи.

5. Застосування створеного алгоритму оптимального проектування систем керування ВУ з урахуванням метрологічних похибок вимірювальних каналів дозволяє не тільки визначити економічну доцільність розробки системи керування випарної установки на етапі її проектування, але і обрати той її варіант, при якому забезпечується найбільша економічна ефективність від її впровадження.

Даний алгоритм може бути використаний при проектуванні систем керування інших технологічних об`єктів.

6. Впровадження у ВАТ “УкрНДІхіммаш” математичних моделей випарних установок, алгоритмів керування ними і методики оцінювання економічної ефективності систем керування ВУ дозволило підвищити точність розрахунків теплових режимів випарних установок, визначити найбільш економічні з них, оцінити на етапі проектування доцільність застосування різних технічних засобів автоматизації і систем керування в цілому.

7. Впровадження систем автоматичного контролю і керування випарною установкою для випарювання трапної води на ДСП “Чорнобильська АЕС” дозволило на 3,7% зменшити споживання нагрівальної пари і на 2,4% збільшити середню продуктивність випарної установки.

8. Математичні моделі, алгоритми і системи оптимального керування випарними установками використовуються у курсах лекцій “Ідентифікація і моделювання технологічних об'єктів”, “Автоматизація типових технологічних процесів”, „Комп'ютерно-інтегровані технологічні комплекси”, які читаються студентам напрямку “Автоматизація і комп'ютерно-інтегровані технології” на кафедрі “Автоматизації хімічних виробництв” Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, а також при виконанні студентами курсових, дипломних і магістерських атестаційних робіт.

Особистий внесок здобувача. Автору особисто належать основні ідеї і розробки, направлені на створення багатофункціонального математичного і алгоритмічного забезпечення комп'ютерних систем керування випарними установками, яке відповідає сучасним стандартам ресурсо- і енергозбереження.

Автором особисто створена загальна концепція побудови оптимальних комп'ютерних систем керування випарними установками.

Особисто автором розроблені багатофункціональні адаптивні математичні моделі статичних і динамічних режимів роботи ВУ, а також супутнього технологічного обладнання, що працює разом з ВУ.

Автор синтезував нові алгоритми оптимального керування статичними режимами роботи ВУ з урахуванням нестаціонарності процесу випарювання, а також алгоритм оптимального проектування систем керування випарними установками з урахуванням метрологічних похибок вимірювальних каналів.

Разом з науковим консультантом докт. техн. наук, проф. Романенко В.Д. створені алгоритми оптимального керування циклічністю роботи випарних установок.

У дослідженнях математичних моделей типових теплообмінних і випарних апаратів, а також динамічних властивостей випарних установок разом з автором брали участь інж. Кубрак Н.А. і студенти Коморочкін К.Є. та Яблонський П.М.

Апробація результатів дисертації. Основні положення доповідались і обговорювались на: науково-технічному семінарі „ Оптимизация химико-технологических процессов” (Київ, 1986); науково-технічному школі-семінарі „Проблемы создания и внедрения экспертных систем искусственного интеллекта” (Київ, 1990); 6.Internationale Wissenschaftliche Konferenz “Anlagen - Automatisierung” (Лейпціг,1990); міжнародній науково-технічній конференції „Машиностроение и техносфера на рубеже ХХІ века” (Севастополь, 2000); ХІV-й міжнародній науковій конференції „Математические методы в технике и технологиях ММТТ-14” (Смоленськ, 2001); міжнародній науково-технічній конференції „Машиностроение и техносфера на рубеже ХХІ века” (Севастополь, 2001); міжнародній конференції з управління „Автоматика-2002” (Донецьк, 2002); ІХ-й міжнародній науково-технічній конференції „Машиностроение и техносфера ХХІ века” (Севастополь, 2002); ХV-й міжнародній науковій конференції „Математические методы в технике и технологиях ММТТ-15” (Тамбов, 2002); 15^th International Congress of Chemical and Process Engineering “CHISA 2002” (Прага-Чехія, 2002); XVI-й міжнародній науковій конференції „Математические методы в технике и технологиях ММТТ-16” (Ростов-на-Дону, 2003); 11-й міжнародній конференції по автоматичному управлінню „Автоматика-2004” (Київ, 2004).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 33 наукові праці, у тому числі 1 монографія, 25 статей у наукових журналах, 7 статей у збірниках наукових праць і конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел із 204 найменувань, 4 додатків на 50 сторінках. Повний обсяг дисертації становить 322 сторінки, у тому числі 74 рисунки і 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, указано на зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовані мета і задачі дослідження, визначені наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, наведені дані про особистий внесок здобувача, апробацію результатів дисертації і публікації.

У першому розділі проаналізовані фізичні процеси, які характеризують процес випарювання, особливості випарних установок з апаратами поверхневого типу, а також чинники, що визначають режими роботи ВУ з метою розробки у подальшому підходів до математичного моделювання і синтезу алгоритмів і систем оптимального керування.

Одним з визначальних чинників, який має суттєвий вплив на роботу ВУ, є процес накипоутворення, що протікає на теплообмінних поверхнях випарних апаратів. Цей процес призводить до того, що установка практично весь час працює у нестаціонарному режимі. У роботі сформульовано поняття нестаціонарності 1-го і 2-го роду.

Нестаціонарність 1-го роду обумовлює потребу побудови оптимального керування статичними режимами роботи ВУ.

При синтезі оптимального керування ВУ з урахуванням нестаціонарності 2-го роду необхідно розв'язати такі задачі: 1) розрахувати оптимальну тривалість робочого періоду у циклі роботи установки; 2) визначити оптимальні значення технологічних змінних, які забезпечують найкращі середньоциклові техніко-економічні показники роботи ВУ.

Яка б задача із вище згадуваних не розглядалася, кожна з них обумовлює ще одне завдання - необхідно забезпечити оптимальний перехід від попереднього режиму роботи до наступного.

Таким чином, при побудові загальної системи оптимального керування ВУ виникають такі основні задачі:

оптимальне керування циклічністю роботи установки;

оптимальне керування статичними тепловими режимами роботи ВУ;

забезпечення оптимального переходу від одного статичного режиму до іншого.

Очевидно, що найбільш ефективною системою керування ВУ буде така, яка враховує всі названі вище задачі у їх взаємозв'язку.

У роботі запропонована нова концепція побудови системи керування ВУ у вигляді ієрархічної структури, представленої на рис.1.

На нижньому ІІІ рівні системи керування розв'язується задача оптимального переходу від одного статичного теплового режиму до іншого. Цей перехід доцільно здійснювати, використовуючи квадратичний критерій якості:

 ,

де - вектори відхилень відповідно змінних стану та керувальних змінних від заданих значень;

, T_U - поточний час і час керування;

Q, R - додатньо визначені матриці, як правило, діагонального вигляду.

Для розв'язку цієї задачі необхідно мати математичну модель динамічних режимів роботи ВУ.

Задачею ІІ рівня ситеми керування ВУ є проектування оптимального технологічного режиму з урахуванням нестаціонарності процесу випарювання 1-го роду, а також діючих детермінованих та стохастичних збурень. Ця задача повинна розв'язуватись на основі математичної моделі статичних режимів роботи ВУ.

На І рівні системи керування розв'язуються задачі оптимального керування ВУ з урахуванням нестаціонарності 2-го роду, тобто задачі оптимізації циклічності роботи установки. Розв'язком цих задач має бути тривалість робочого періоду, а також оптимальні значення технологічних змінних, які використовуються як керувальні.

Дана концепція побудови системи оптимального керування ВУ передбачає розв'язок усіх задач керування установкою у їх взаємозв'язку.

Для створення системи оптимального керування ВУ згідно запропонованої концепції сформульовані завдання дослідження.

Другий розділ присвячений розробці математичної моделі динамічних режимів роботи ВУ і дослідженню на її основі динамічних властивостей випарних установок різних технологічних схем.

Математична модель динаміки теплових режимів ВУ будується за модульним принципом. Основним модулем цієї моделі є математична модель випарного апарата (ВА).

Для математичного опису динаміки ВА останній розглядається як такий, що умовно складається з 3-х теплових ємностей - нагрівальної камери, поверхні нагріву та парорідинного простору. Виходячи з цього, розроблена математична модель ВА, яка має такий вигляд:

(1)

де и, T_0, T₁ - температури стінки поверхні нагріву та пари у нагрівальній камері і в парорідинному просторі  відповідно, °C; P₀ - тиск пари у нагрівальній камері, Па; D₀ - витрата нагрівальної пари, кг/с; S₀ - витрата розчину на вході ВА, кг/с; ф - поточний час, с.

Коефіцієнти цієї моделі є функціями теплового режиму ВА, а отже, ця модель являє собою систему нелінійних диференціальних рівнянь.

З метою спрощення математичної моделі (1) було проведене дослідження залежності її коефіцієнтів від температурного режиму ВА. Проведене дослідження дало підставу стверджувати, що у робочому діапазоні зміни температур ВА математичний опис його теплового режиму можна подати системою диференціальних рівнянь (1) зі сталими коефіцієнтами.

У подальшому математична модель (1) була використана для дослідження динамічних властивостей випарного апарата.

Аналізуючи динаміку об'єктів керування, зазвичай розглядають не абсолютні значення технологічних змінних, а їх прирости. Ступінь відкриття регулювального клапана подачі нагрівальної пари, а отже, і коефіцієнт витрати пари о змінюється залежно від значення керувального сигналу м. У дисертаційній роботі запропонована методика визначення функціональної залежності о = о(м).

На основі системи рівнянь були досліджені динамічні властивості ВА як об'єкта керування.

Використовуючи математичну модель, вперше проведено дослідження, метою якого було з'ясувати питання як безпосередньо технологічна схема (прямотечійна, протитечійна, установка мішаної течії) впливає на динамічні властивості ВУ при дії одних і тих самих керувань і збурень. Об'єктом дослідження були 3-корпусні ВУ прямо-, проти- і мішаної течії з паровідбором після 1-го ВА.

Як свідчать отримані результати, для установок усіх типів у разі зміни керувального сигналу клапана подачі нагрівальної пари найбільші зміни теплового режиму відбуваються у 1-му корпусі установки. У 2-му корпусі всі температури змінюються менше, а тепловий режим 3-го корпусу взагалі практично не змінюється.

Збільшення паровідбору після 1-го корпусу ВУ у найбільшій мірі змінює тепловий режим тільки наступного ВА, залишаючи фактично без змін температури 3-го корпусу.

Зміни витрати і температури початкового розчину фактично впливають тільки на температурний режим того корпусу ВУ, куди цей розчин подається. Причому якщо зміна витрати викликає відчутні зміни температур цього корпусу, то зміни температури розчину практично не призводять до змін теплового режиму ВА..

На підставі проведених досліджень можна стверджувати, що найбільш „прогнозованими” є установки, які працюють за схемами прямо- і протитечії. Випарні установки мішаної течії найбільш „незручні”, оскільки важко передбачити, які керувальні змінні або збурення будуть мати найбільший вплив на зміни теплового режиму установки і в якому саме корпусі, бо це залежить від конкретної схеми ВУ.

У третьому розділі розроблені математичні моделі статичних режимів роботи випарних установок. Ці моделі мають різне функціональне призначення.

Перш за все, створена математична модель, призначена для пошуку по ній оптимального статичного режиму роботи ВУ. Як і раніше при побудові моделі динаміки, при розробці математичної моделі статики теплових режимів роботи ВУ використовувався модульний принцип. Основним модулем математичної моделі статики ВУ є випарний апарат.

При математичному моделюванні статики ВУ випарний апарат розглядався як такий, що складається з двох теплових ємностей: нагрівальної камери та парорідинного простору.

Використовуючи апроксимуючі вирази, наведені у дисертаційній роботі, і алгебричні перетворення дістаємо таку систему рівнянь, що описує статичний режим i-го ВА (i = 1, 2, …, n) прямотечійних ВУ:

Системи рівнянь, що математично описують теплові режими i-го ВА (i = 1, 2, ..., n) для протитечійних та ВУ мішаної течії , наведені у дисертації.

Продуктивність ВУ дорівнює сумі витрат води, випареної у кожному ВА:

У разі потреби витрату нагрівальної пари на ВУ можна розраховувати за формулою :

,

де - коефіцієнти з апроксимації, наведеної у дисертаційній роботі.

Математичну модель (4) статичного теплового режиму ВУ можна використовувати для різних цілей: теплового розрахунку установки, дослідження її статичних характеристик, пошуку оптимального технологічного режиму, тощо.

Специфічні особливості застосування математичної моделі ВУ для пошуку оптимального технологічного режиму, а також проведене у дисертаційній роботі дослідження параметричної чутливості математичної моделі (4) дає підстави стверджувати, що у багатьох випадках у системах оптимального керування статичними режимами доцільно використовувати таку спрощену математичну модель прямотечійних ВУ:

(5)

де .

У дисертації наведені відповідні рівняння для протитечійних та ВУ мішаної течії.

З метою дослідження правомочності використання спрощеної моделі (5) для пошуку оптимального технологічного режиму ВУ було проведено імітаційне моделювання. У результаті моделювання було доведено, що оптимальні технологічні режими, розраховані за допомогою спрощеної та початкової математичних моделей, відрізняються один від одного статистично незначуще.

На режим роботи ВУ суттєво впливає стан теплообмінних поверхонь ВА. Цей стан змінюється у процесі експлуатації установки у результаті накипоутворення, що відбувається на теплообмінних поверхнях ВА та призводить до монотонного зниження продуктивності ВУ і, з рештою, до її зупинки для чищення і промивання. Натепер не існує технічних засобів, які б дозволяли виміряти стан теплообмінних поверхонь ВА у процесі експлуатації ВУ, тим більше, що не сформульовано кількісні показники оцінювання їх стану. Це не дозволяє дослідити вплив цього чинника на режими роботи ВУ, врахувати його у системі керування установками, спрогнозувати оптимальну циклічність їх роботи.

У дисертаційній роботі для кількісного оцінювання поточного стану теплообмінних поверхонь ВА пропонується використовувати комплексні показники k_іF_і (і = 1, 2, ..., n; k_і , F_і - коефіцієнт теплопередачі і площа поверхні теплообміну і-го ВА).

Розрахунок комплексних показників k_і F_і веться у такому порядку. Спочатку треба визначити витрати випареної води W_і (і = 1, 2, ..., n) у кожному корпусі ВУ.

Коефіцієнти випаровування у корпусах ВУ розраховують згідно з формулою

де - температура вторинної пари в і-му ВА, єС (для 1-го корпусу ВУ - температура в нагрівальній камері, єС);  - температура розчину на виході з і-го ВА. Коефіцієнти мають сталі значення, а коефіцієнт .

Коефіцієнт самовипаровування:

Для 1-го корпусу ВУ t_i-₁ = t₀ (t₀ - температура розчину на вході у ВУ, єС). Далі визначаються шукані (і = 1, 2, ..., n) з такої системи:



У дисертаційній роботі наведені відповідні системи рівнянь для випадків проти- і мішаної течії.

Один із способів збільшення продуктивності ВУ, що працюють за схемою протитечії, - установлення попередніх і проміжних підігрівників упарюваного розчину. У цьому разі розчин підігрівають до температури кипіння у ВА конденсатом нагрівальної пари цього ВА. Отже, збільшення продуктивності ВУ досягається за рахунок її внутрішніх ресурсів без залучення додаткових джерел енергії. Проте виготовлення і монтаж підігрівників потребує певних капітальних затрат. У цьому зв'язку постає завдання оцінювання економічної доцільності встановлення проміжних підігрівників. Щоб розв'язати цю задачу, належить перш за все кількісно визначити, на скільки зростає продуктивність ВУ за наявності підігрівників. У роботі розроблена математична модель ВУ, використання якої дозволяє розрахувати відносне збільшення продуктивності ВУ, зумовлене встановленням проміжних підігрівників:

де n - кількість корпусів у ВУ; в_i - коефіцієнт самовипаровування; ,  - концентрація абсолютно сухих речовин розчину відповідно початкового та упареного.

Для спрощеного визначення у дисертаційній роботі запропоновані спеціальні номограми.

Обчисливши , розраховуються річний економічний ефект застосування проміжних підігрівників упарюваного розчину та термін окупності капітальних вкладень, потрібних для встановлення підігрівників.

Залежно від очікуваного економічного ефекту та терміну окупності капітальних вкладень робимо висновок щодо доцільності застосування проміжного підігрівання розчину на цій ВУ.

У четвертому розділі представлені математичні моделі теплових режимів супутнього технологічного обладнання, що працює разом з ВУ.

Показано, що випарну установку, якщо її розглядати як сукупність тільки ВА, з'єднаних певним чином, не можна розглядати як повний технологічний об'єкт керування. Перш за все тому, що ВА з'єднуються між собою за допомогою технологічних трубопроводів, динаміка теплового режиму яких має бути врахована під час дослідження ВУ в цілому. Крім того, для функціонування ВУ потрібний вузол конденсації пари з ВА, останнього за ходом пари. Для конденсації найчастіше застосовують барометричний конденсатор. Для ВУ високої продуктивності, що складаються з п'яти і більше корпусів, до вузла конденсації можуть входити поверхневий і барометричний конденсатори, послідовно з'єднані між собою. Режим роботи вузла конденсації пари впливає на тепловий режим роботи усієї установки.

До складу ВУ можуть включатися попередні та проміжні підігрівники упарюваного розчину. Зміна теплового режиму цих підігрівників також впливає на роботу ВУ.

Випарні апарати, з'єднані технологічними трубопроводами, вузол конденсації та підігрівники упарюваного розчину разом утворюють окремий технологічний об'єкт - випарну установку. При моделюванні ВУ, а також у системах керування ними потрібно використовувати математичні моделі всіх названих вище елементів.

Крім того, слід ураховувати, що ВУ, як правило, є однією із стадій загального виробництва. У зв'язку з цим екстрапара ВУ може спрямовуватися не тільки на „власні” потреби, наприклад, для попереднього і проміжного підігрівання упарюваного розчину, а й на інші технологічні ділянки виробництва. У цьому разі режим роботи споживачів екстрапари з інших ділянок виробництва також буде впливати на роботу ВУ. Тому цей вплив теж потрібно ураховувати при аналізі і синтезі систем керування випарними установками. Для цього треба розробити відповідні моделі теплового режиму споживачів екстрапари ВУ. Враховуючи їх різноманітність на різних ділянках навіть одного виробництва, а також різних виробництв, і з метою розробки загального методологічного підходу до моделювання теплових режимів роботи ВУ, у дисертаційній роботі всі споживачі екстрапари розглядалися як еквівалентні теплообмінники.

У зв'язку із сказаним вище у дисертації розроблені неперервні і дискретні математичні моделі типових теплообмінників: прямо- і протитечійних типу “труба в трубі”, змійовикових, типу “проточна ємність”, а також динамічні моделі трубопроводів і барометричного конденсатора.

На основі розроблених математичних моделей створено програмне забезпечення для розрахунку і побудови динамічних характеристик типових теплообмінних апаратів.

П'ятий розділ присвячений синтезу оптимального керування статичними режимами роботи ВУ з урахуванням нестаціонарності процесу випарювання 1-го роду. При синтезі оптимального керування будь-яким технологічним об'єктом, у тому числі ВУ, основними питаннями з позицій системного підходу є:

формулювання критерію керування;

формування загальної задачі керування;

визначення реальних керувальних змінних, за допомогою яких визначений за моделлю оптимальний технологічний режим буде реалізований;

побудова математичної моделі, за якою даний критерій буде розраховуватись.

У зв'язку з цим у дисертаційній роботі вперше проведено системний аналіз задач моделювання і керування випарними установками різних технологічних схем.

Багатоманітність типів ВУ, їх призначень і умов експлуатації зумовлює можливість застосування цілого ряду техніко-економічних показників як критеріїв керування статичними режимами їх роботи. Зазвичай використовуються такі показники: продуктивність ВУ за випареною водою, питома собівартість процесу випарювання, змінна складова питомої собівартості ведення процесу випарювання, питома собівартість упареного розчину, прибуток виробництва упареного розчину та якість упареного розчину.

Як керувальні змінні ВУ доцільно використовувати сигнали регуляторів, що керують витратами нагрівальної пари ₀ і паровідборів _i (i =1, 2, ...,m; m - кількість паровідборів).

Якщо для даного статичного режиму роботи ВУ кінцева концентрація упареного розчину задана, то це означає, що фактично задана продуктивність ВУ за випареною водою, бо, як випливає з матеріального балансу по абсолютно сухим речовинам,

, (6)

де S₀ , - відповідно витрата і концентрація розчину, що подається на упарювання.

У цьому випадку для установок без паровідбору або при їх фіксованості як керувальну змінну фактично можна використовувати тільки витрату нагрівальної пари.

У випадку, коли паровідбори є і можуть мати довільне значення, їх витрати разом з витратою нагрівальної пари мають розглядатися як змінні, що оптимізуються. Оптимальні значення цих витрат повинні розраховуватися за математичною моделлю процесу з використанням процедури оптимального пошуку. При цьому доцільно витрати нагрівальної пари підтримувати на мінімально потрібному рівні, що покращить економічні показники ВУ. Тоді задачу оптимального пошуку можна сформулювати як задачу нелінійного програмування:

, (7)

де І - критерій оптимізації; - поточне і задане значення продуктивності ВУ за випареною водою, кг/с; - поточне, мінімальне і максимальне значення сигналу відповідного регулятора (при мова йде про паропровід нагрівальної пари).

Коли перед ВУ ставиться задача забезпечення максимальної продуктивності установки незалежно від значень інших техніко-економічних показників (якість готового продукту, питомі енерго- і трудовитрати та ін.) або за їх обмежень, при відсутності або фіксованості паровідборів задача керування має досить простий вигляд:

, (8)

де - максимально доцільна витрата охолоджувальної води на вузол конденсації вторинної пари, кг/с.

Для схем ВУ з паровідбором задача керування установкою дещо ускладнюється, бо з'являються додаткові можливості за рахунок оптимального вибору значень паровідборів. У цьому випадку задачу керування теж можна представити як задачу нелінійного програмування

. (9)

При цьому треба звернути увагу на доцільність підтримання мінімально можливої витрати нагрівальної пари для покращення економічних показників роботи ВУ. У разі відомих обмежень на ці показники вони мають враховуватись при формулюванні задачі (9).

При синтезі системи керування ВУ за критерієм питомої собівартості процесу випарювання має сенс розглядати тільки змінну складову С цього критерію.

В умовах відсутності паровідбору з ВУ або його фіксованості, якщо нема ніяких обмежень на концентрацію кінцевого продукту, задача керування установкою формулюється таким чином:

(10)

Як правило, при випарюванні будь-яких розчинів існують вимоги до концентрації кінцевого продукту. Це означає, що продуктивність ВУ за випареною водою повинна мати певне значення, яке розраховується з рівняння (6).

При відсутності паровідборів або їх фіксованості задача мінімізації питомої собівартості процесу фактично трансформується у задачу забезпечення заданої продуктивності ВУ, що розглядалася вище. Це зумовлюється тим, що не можна за рахунок однієї керувальної змінної розв'язати дві задачі - забезпечити мінімальне С і задане . Це означає, що для даного типу ВУ з урахуванням обмежень на концентрацію упареного продукту задача мінімізації собівартості процесу випарювання не може бути розв'язаною.

Для схем ВУ з паровідбором при відсутності обмежень на концентрацію упареного продукту задача керування практично повторює вираз (10), який має бути доповнений додатковими обмеженнями , а також у разі необхідності обмежень на економічні показники процесу.

При необхідності забезпечення заданого значення концентрації упареного продукту задача керування матиме такий вигляд:

(11)

де - задане значення продуктивності ВУ, що обчислюється за формулою (6).

Для розв'язання задач (7), (9-11) доцільно скористатися моделлю, яка наведена у третьому розділі дисертації.

У дисертаційній роботі показано, що недоцільно використовувати такі показники як питому собівартість упареного розчину і питомий прибуток процесу випарювання як критерії керування статичними режимами роботи ВУ. Незалежно від вибраного критерію оптимальності у загальному вигляді задача оптимального керування статичним режимом роботи ВУ може бути записана так:



де X - вибраний критерій оптимальності.

Для розв'язання цієї задачі з урахуванням нестаціонарності процесу випарювання 1-го роду у дисертації розроблений узагальнений алгоритм, який будується на адаптації математичної моделі у залежності від інтенсивності процесу накипоутворення, що протікає на теплообмінних поверхнях випарних апаратів.

У роботі розглянуті питання потрібної періодичності функціонування запропонованого алгоритму, а також зупинки пошукових процедур, передбачених цим алгоритмом.

Основним показником економічної ефективності системи керування (СК) випарними установками є річний економічний ефект від її впровадження Створення системи керування вважається економічно доцільним заходом, якщо розрахунковий коефіцієнт ефективності E_P виявиться не менше нормативного для даної галузі коефіцієнта Е_но :

E_P Е_но .

Метрологічні похибки каналів вимірювання мають вплив як на річну економію, що є, у свою чергу, однією із змінних складових річного економічного ефекту, так і на іншу його змінну складову - капіталовкладення. Причому зменшення метрологічних похибок шляхом вибору комплексу технічних засобів (КТЗ) СК більш високого класу точності, з одного боку, збільшує річну економію, а значить, підвищує економічний ефект від впровадження СК, а, з іншого боку, призводить до підвищення капіталовкладень на створення СК, що, в свою чергу, зменшує величину річного економічного ефекту.

Таким чином, при проектуванні систем керування ВУ виникає оптимальна задача: необхідно створити СК ВУ, характеристики точності якої (мається на увазі характеристики КТЗ і вибраної математичної моделі) і відповідні капіталовкладення забезпечують отримання максимального економічного ефекту від впровадження СК.

Для розв'язання даної задачі розроблений спеціальний алгоритм, застосування якого дозволяє не тільки визначити економічну доцільність розробки системи керування випарної установки на етапі її проектування, але і обрати той її варіант, при якому забезпечується найбільша економічна ефективність від її впровадження.

У шостому розділі створені алгоритми оптимального керування циклічністю роботи випарних установок з урахуванням нестаціонарності процесу випарювання 2-го роду.

Аналіз існуючих методів керування циклічністю роботи випарних установок показав, що залишається актуальною задачею розробка ефективних алгоритмів оптимального керування циклічністю роботи ВУ, які б надавали можливість: а) визначати оптимальний момент зупинки установки для проведення чищення і промивання при умові забезпечення оптимальності статичних режимів роботи ВУ; б) активно впливати на керувальні змінні ВУ з метою забезпечення найкращих інтегральних техніко-економічних показників роботи установки.

Створення оптимальної системи керування циклічністю роботи ВУ передбачає формулювання критеріїв оптимальності та аналіз умов їх застосування для різних технологічних схем.

Як критерії керування циклічністю роботи ВУ використовують такі середньоциклові показники: продуктивність за випареною водою, собівартість процесу випарювання, собівартість упареного розчину, прибуток виробництва. Середньоциклова продуктивность за випареною водою розраховується за формулою:

, (12)

де - поточна продуктивність ВА за випареною водою; T - час, потрібний для чищення і промивання; T_р - тривалість робочого періоду у циклі роботи ВУ.

При заданій кінцевій концентрації упареного розчину, а, значить, і заданій продуктивності ВУ за випареною водою, для установок без паровідбору (або з фіксованими паровідборами) задача оптимального керування циклічністю роботи ВУ полягає у визначенні оптимального робочого періоду T_р до зупинки установки на чищення і промивання (при цьому вважаємо час T чищення і промивання сталою величиною).

Якщо ВУ має паровідбори, то задача оптимізації циклічності роботи установки полягає у визначенні таких витрат нагрівальної пари, паровідборів і тривалості робочого періоду T_р у циклі роботи ВУ, які забезпечують максимізацію середньоциклової продуктивності за умови W₀= (W₀,- відповідно поточна і задана продуктивність ВУ).

Якщо обмежень на концентрацію упареного розчину не існує, то ця задача як для установок з паровідборами, так і без них, фактично повторює попередню, але без обмежень на сталість поточної продуктивності.

Як критерій керування циклічністю роботи ВУ доцільно розглядати тільки змінну складову середньоциклової собівартості процесу випарювання:

, (13)

де - експлуатаційні витрати у циклі роботи установки.

Для установок без паровідбору (або з фіксованими паровідборами) при заданій кінцевій концентрації упареного розчину задача оптимального керування циклічністю роботи ВУ зводиться до визначення оптимального робочого часу T_р.

При відсутності обмежень на концентрацію упареного розчину незалежно від схеми установки розв'язок задачі оптимального керування циклічністю роботи ВУ ускладнюється у зв'язку з необхідністю використання пошукових процедур відносно всіх можливих керувальних змінних, включаючи і T_р .

Змінна складова середньоциклової собівартості готового продукту, обчислюється за виразом:

, (14)

де S_к - витрата упареного розчину; V₀ - вартість одиниці витрати розчину, що подається на упарювання.

Аналіз цього показника свідчить, що як критерій керування циклічністю роботи ВУ його доцільно використовувати для визначення оптимальної циклічності роботи ВУ тільки у випадках, коли, по-перше, є обмеження на концентрацію упареного розчину і, по-друге, на протязі робочого циклу мають місце зміни вартості розчину, що подається на упарювання, чи є значні коливання витрат або початкової концентрації упарюваного розчину.

Змінна складова середньоциклового прибутку виробництва упареного розчину визначається формулою

(15)

Цей критерій може бути використаний для розв'язку задачі визначення оптимальної циклічності роботи ВУ тільки тоді, коли існують обмеження на концентрацію упареного розчину.

Доцільність у застосуванні цього критерію виникає при умові суттєвих змін на протязі одного циклу роботи установки таких величин як вартості упарюваного і упареного розчинів, концентрації та витрат розчину, що подається на упарювання.

При розв'язанні задачі оптимального керування циклічністю роботи ВУ узагальнений середньоцикловий критерій оптимальності буде мати вигляд

, (16)

що відповідає критеріям (12) і (15), або

, (17)

що відповідає критеріям (13) і (14) (Х ( ) - поточне значення).

Задача оптимального керування полягає у знаходженні таких керувальних змінних, до яких належать витрата нагрівальної пари, витрати паровідборів (i = 1,2,...,m; m<n; n -кількість корпусів ВУ) і час роботи установки T_р до зупинки на чищення і промивання, при яких критерій (16) (або (17)) досягає екстремального значення.

Для реалізації оптимального керування на основі розглянутих критеріїв розроблені пасивний і активний алгоритми.

Пасивний алгоритм керування циклічністю роботи ВУ визначає оптимальну тривалість робочого періоду T_р у циклі роботи установки без впливу на поточні технологічні змінні.

Активний алгоритм оптимальної циклічності роботи ВУ визначає не тільки оптимальну тривалість T_р робочого періоду у циклі роботи установки, а й оптимальні значення технологічних змінних, таких як витрати нагрівальної пари D₀ та паровідборів E_i (i=1,2,…,m), що забезпечують екстремальне значення вибраного критерія керування.

У сьомому розділі створені системи автоматичного контролю і керування випарними установками, що діють на основі розроблених у дисертації математичних моделей і алгоритмів, а також проведене дослідження їх ефективності.

У відповідності до концепції побудови загальної системи керування випарними установками розроблені такі системи автоматичного контролю і керування ВУ:

- система автоматичного контролю стану теплообмінних поверхонь випарних апаратів;

- система стабілізації заданої продуктивності за випареною водою для установок з паровідборами і без них;

- система керування, що забезпечує максимальну продуктивність ВУ за випареною водою;

- система керування, що забезпечує мінімальну собівартість процесу випарювання;

- система оптимізації тривалості цикла роботи випарних установок;

- система оптимального керування циклічністю роботи випарних установок за інтегральними техніко-економічними показниками.

Розроблені у дисертаційній роботі математичні моделі, алгоритми і системи керування ВУ потребують дослідження, метою якого є перевірка ефективності їх використання.

Це дослідження проводилось для прямоточної 5-ти корпусної ВУ з двома паровідборами після 1-го і 2-го корпусів. Установка призначена для упарювання післядріжджової бражки від 2% до 30% абсолютно сухих речовин у виробництві кормових дріжджів.

Дослідження проводилось на протязі одного циклу роботи ВУ. Мета дослідження - перевірка ефективності алгоритмів оптимального керування статичними режимами і циклічності роботи ВУ.

Дослідження ефективності алгоритму оптимального керування статичними режимами роботи ВУ проводилось наступним чином. Для кожного режиму роботи фіксувалися значення вхідних технологічних змінних, до яких належали: температура і витрата нагрівальної пари; температура, концентрація і витрата розчину, що подається на упарювання; температури вторинної пари по корпусам ВУ; температури розчину на виході кожного ВА; витрати пари у відбір; витрата упареного розчину.

Після цього розраховувалось поточне значення продуктивності ВУ за випареною водою. Враховуючи, що досліджувана ВУ оснащена системою керування рівнів по корпусам установки, продуктивність обчислювалась за виразом

,

де S₀, S_k - витрати розчину на вході і виході ВУ.

Після цього розраховувалось поточне значення C змінної складової процесу випарювання (цей показник розглядався як критерій оптимальності статичного режиму роботи ВУ) за формулою

,

де a₁, D₀ - вартість одиниці витрати і сама витрата нагрівальної пари.

Далі, застосовуючи алгоритм оптимального керування статичними режимами ВУ, визначалося оптимальне значення C_opt критерія оптимальності.

Собівартість процесу випарювання на протязі циклу зростає. Це пояснюється тим, що в умовах монотонного зниження поточної продуктивності ВУ за випареною водою, обумовленого накипоутворенням на теплообмінних поверхнях ВА, діюча на ВУ система керування кінцевою концентрацією упареного розчину прагнула компенсувати це зниження за рахунок збільшення витрат нагрівальної пари, що й призвело до підвищення собівартості процесу випарювання.

Як випливає з результатів проведеного дослідження, за рахунок оптимізації статичного режиму вдається знизити змінну складову собівартості процесу випарювання у середньому на 4,2%, що свідчить про ефективність запропонованого алгоритму керування.

Процес накипоутворення викликає монотонне зниження продуктивності установки і призводить до того, що середньоциклова продуктивність має екстремум - максимум. При цьому максимум визначався за поточною продуктивністю установки. Розглядувана ВУ була зупинена після 58 діб роботи, тобто не в оптимальний момент часу.

При застосуванні пасивного алгоритму керування циклічністю ВУ, тобто, якщо оптимальна тривалість робочого періоду визначається не по поточній, а по максимально можливій для даного режиму продуктивності ВУ, установку треба було б зупинити після 72 діб роботи, тобто ВУ була зупинена передчасно, причому втрати середньоциклової продуктивності становлять біля 1,5%.

У разі використання активного алгоритму керування циклічністю роботи ВУ установку треба було б зупиняти після 82 діб роботи, це на 24 доби більше, ніж фактично пропрацювала ВУ. При цьому середньоциклова продуктивність установки на 3,8% вища. Це можна пояснити тим, що активний алгоритм забезпечує менш “жорсткий” температурний режим роботи усієї ВУ, що робить процес накипоутворення менш інтенсивним.

Проведене дослідження підтверджує ефективність використання запропонованих алгоритмів у системах оптимального керування статичними режимами і циклічністю роботи ВУ.

ВИСНОВКИ

1. У результаті проведених теоретичних і експериментальних досліджень створено багатофункціональне математичне і алгоритмічне забезпечення комп'ютерних систем оптимального керування випарними установками, яке відповідає сучасним стандартам ресурсо- і енергозбереження.

...