автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Разработка модели и системы управления производительностью процесса выпаривания щелоков сульфат-целлюлозного производства

На правах рукописи

Абдалла Исхаг Абдалла

Разработка модели и системы управления производительностью процесса выпаривания щелоков сульфат-целлюлозного производства.

.21.03 - технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2003

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном технологическом университете растительных полимеров.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: кандидат технических наук,

профессор Суслов В. А.

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: кандидат технических наук

Рижинашвили Г. В.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук,

профессор Пазухмна Г.А.; доктор технических наук, профессор Кондрашкова Г.А.

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ: ОАО "ВНИИБ

Защита диссертации состоится (^^(-¿ОА- 003 года на заседании диссертационного Совета Д 212.231.01 в Санкт-Петербургском государственном технологическом университете растительных полимеров (ул. Ивана Черных, д.4).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан года.

Ученый секретарь диссертационного Совета ¿¿/э/шк Швецов Ю.Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Современный уровень организации и управления производством на базе вычислительной техники выдвигает требования разработки новых подходов к управлению технологическими процессами, что предполагает прежде всего постановку задачи управления. В частности, при производстве сульфатной целлюлозы надежность работы всей технологической схемы в значительной степени определяется работой выпарных установок (ВУ). Анализ показывает, что помимо своей основной функциональной задачи - повышения концентрации технологических растворов, им также приходится выполнять роль буферных емкостей - стабилизаторов щелоковых запасов этого производства. Такая функция выпарных установок проистекает из их положения как первого звена в замкнутой цепи регенерации отработанных растворов. Вследствие этого любые колебания производительности варочного цеха отражаются непосредственно в виде колебаний по концентрации и количеству слабых щелоков, поступающих на выпарную установку. Поэтому передел выпарки как никакой другой снабжен большим количеством технологических емкостей для хранения щелоков. Как показывает анализ возмущений по расходу щелоков, компенсирующей емкости расходных баков недостаточно, вследствие чего происходит либо переполнение емкостей, приводящее к утечкам и переливам, либо падение уровня, вызывающее дополнительное загрязнение кипятильных трубок выпарных аппаратов, ведущее к сокращению межпромывочного периода работы. Кроме того, при осуществлении варки в котлах периодического действия выпарная установка является основным демпфирующим элементом, обеспечивающим взаимодействие аппаратов периодического действия в непрерывной технологической схеме.

Гибкая реакция передела выпарки на возмущения по нагрузке, поступающие со стороны варочно-промывного отдела, а также стабилизация работы ВУ при максимальных (минимальных) нагрузках позволяет вывести данный передел из разряда лимитирующих, что обеспечивает возможность увеличения производительности целлюлозы по варке.

Исходя из сказанного, задача управления ВУ в составе комплекса по производству целлюлозы определена следующим образом: компенсация низкочастотных возмущений по нагрузке, заключающаяся в обязательной переработке всех подаваемых щелоков, при поддержании в допустимых границах уровней в баках, и стабилизации целевого технологического параметра - концентрации упаренного щелока. Поставленная задача обладает более высоким приоритетом по сравнению с реализуемыми в настоящее время функциями локального управления отдельными параметрами процесса. Цель работы.

Исследование процесса выпаривания как технологического объекта управления, построение динамической математической модели процесса,

•'.'ЛОКАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

разработка принципов работы, структурной схемы системы и алгоритмов для реализации поставленной задачи управления производительностью выпарной установки. Оценка качества работы системы и способов управления. Задачи исследования.

Исходя из поставленной цели, в работе решаются следующие задачи:

1. Изучение специфики работы ВУ в установившихся и переходных режимах как элемента технологического комплекса по производству целлюлозы и используемых при этом алгоритмов ручного управления. Поставлены задачи управления, предложены принципы построения и структура системы автоматизированного управления. Предложена модернизация технологической I схемы процесса под новую структуру системы.

2. Обследование ВУ как объекта управления с получением необходимых статических и динамических характеристик экспериментальным и расчетным путем.

3. Разработка математического описания и математической модели объекта управления, получение упрощенных динамических характеристик по каналам управления и возмущения с оценкой адекватности полученных приближений.

4. Разработка системы имитационного моделирования. Оценка устойчивости технологической схемы объекта с учетом наличия положительных обратных связей. Выбор оптимальной структуры системы управления. Разработка и оценка качества.

Методы исследования.

Решение поставленной технологической задачи осуществляется методами теории автоматического управления и математического моделирования, применяются методы теории аппроксимации функций, математической статистики, методы и принципы проектирования системы. Научная новизна.

1. Впервые выполнена математическая постановка задачи управления работой передела выпарки сульфат-целлюлозного производства как интегрированного элемента технологического комплекса, обеспечивающего стабилизацию всей технологической схемы и повышение надежности ее работы.

2. Произведена специальная декомпозиция объекта управления на характерные элементы при разработке математической модели, обеспечивающей решение поставленной задачи.

3. Разработана структура системы автоматизированного управления производительностью следящего типа, реализующей принцип стабилизации запасов исходного сырья перед установкой при изменении производственной ситуации.

4. Предложены новые способы взаимосвязанного управления, параметрами процесса выпаривания, обеспечивающие стабилизацию основных параметров в переходных режимах изменения нагрузки.

Практическая значимость.

1. Предложены пути стабилизации работы выпарных установок сульфат-целлюлозного производства на базе частичного возврата полуупаренных

щелоков в циркуляционную схему на предуплотнение и исследовано влияние этого процесса на динамические характеристики установки.

2. Разработана методика получения математической модели передела выпарки для осуществления процесса имитационного моделирования.

3. Разработаны алгоритмы функционирования системы автоматизированного управления производительностью выпарной установки.

4. Разработан программный комплекс, позволяющий осуществлять имитационное моделирование любой практические реализуемой системы управления переделом выпаривания при наладочных работах и в качестве тренажера для операторов.

5. Модифицирована технологическая схема процесса в части возврата щелоков на предуплотнение.

Автор защищает:

1. Новую постановку задачи управления переделом выпаривания в процессе производства сульфатной целлюлозы.

2. Специальный способ декомпозиции объекта управления при составлении математической модели.

3. Структуру автоматизированной системы управления производительностью и новые способы управления некоторыми параметрами процесса выпаривания.

4. Модифицированную технологическую схему процесса выпаривания. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы. Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на:

1. Научно-практическая конференция «Современные технологии и оборудование энергосбережения в промышленности и коммунальном хозяйстве (Санкт-Петербург, 2001 г.)

2. Заседание секции промтеплоэнергетики Международной Энергетической Академии (С.-Петербург, СПб ГТУРП, 2002 г.)

3. Научно-практический семинар кафедры промтеплоэнергетики СПб ГТУРП -2003 г.

Реализация результатов.

1. Программный комплекс, позволяющий осуществлять имитационное моделирование, внедрен в учебный процесс СПбГТУРП на кафедре автоматизации теплоэнергетических процессов.

2. Разработанные способы и алгоритмы управления производительностью намечены к включению в состав программного обеспечение АСУ процессами выпаривания на предприятиях холдинга «Илим Палп» (ILIM PULP). Структура и объем диссертации.

Диссертация представлена на 145 страницах и состоит из введения, четырех глав, основных результатов, списка использованной литературы, содержащей 62 наименования; включает 5 таблиц, 58 рисунков, 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении на основании анализа работы выпарных установок и методов управления ими в переходных режимах сформулирована технологическая цель функционирования выпарных установок. Обосновывается актуальность темы, и намечаются пути реализации поставленной задачи управления.

В первой главе на базе обзора технической литературы осуществлена классификация современных схем выпаривания, типов выпарных аппаратов, методов и схем автоматического управления выпарными агрегатами и технико-экономических критериев их работы.

Передел выпарки является первым звеном в цикле регенерации химикатов и его функцией является переработка поступающих из варочно-промывного цеха низкоконцентрированных черных щелоков. Традиционно принимаемая роль выпарки в производственном процессе - подготовка черных щелоков к сжиганию в содорегенерационном котлоагрегате (СРК). Т. о. с точки зрения структуры производства ВУ ЦБП являются интегрированными звеньями сложного промышленного комплекса, (рис.1).

Кругооборот щелоков при производстве сульфатной целлюлозы

Рис.1.

Технологические показатели входного сырья и выходного продукта ВУ определяются требованиями смежных переделов и, как правило, не способствуют (даже противоречат) оптимальному режиму работы самой ВУ. В качестве критериев оптимизации работы ВУ чаще всего используются экономические - себестоимость или прибыль. Критерий «производительность» практически не используется.

Выпарной агрегат как объект математического описания представляет собой сложный комплекс гидродинамических и теплофизических процессов, поэтому математическое описание представляет систему нелинейных дифференциальных уравнений. Эти уравнения упрощаются и линеаризуются при синтезе систем управления, а динамические свойства ВУ аппроксимируются типовыми передаточными функциями.

Все выпарные установки укомплектованы необходимым количеством локальных систем стабилизации основных технологических параметров, а некоторые ВУ управляются с помощью вычислительных машин. Вычислительная техника дает возможность разрабатывать более сложные алгоритмы управления и реализующие их системы.

В настоящее время управление процессом выпаривания с помощью стандартного набора автономно функционирующих подсистем стабилизации дает удовлетворительные результаты при работе установки в точке номинального технологического режима. При выходе объекта на предельные режимы по производительности базовые параметры - уровни в баках щелока и концентрация раствора - выходят за допустимые пределы ввиду отсутствия или выхода на предел необходимых управляющих воздействия и алгоритма взаимосвязанного управления отдельными подсистемами.

На основании приведенного анализа поставлена задача по исследованию и разработке комбинированной системы управления производительностью выпарной установки.

Вторая глава посвящена разработке статической и динамической модели выпарных установок сульфат-целлюлозного производства как объекта управления.

В рамках поставленной задачи были выполнены следующие этапы: разработана статическая модель выпарной установки и получены статические характеристики ряда элементов ВУ (смесителя щелока, выпарной аппарат, суперконцентратор и поверхностный конденсатор) путем составления уравнения материального и теплового баланса. Расчетным путем с использованием программы «ТЕТРА» были получены статические характеристики по каналам управления (расход питательного щелока - концентрация упаренного раствора и давление греющего пара - концентрация упаренного раствора).

Осуществлено математическое описание и получена динамическая модель процесса выпаривания черного щелока для исследования динамических свойств объекта и моделирования системы управления. Динамическая модель выпарной установки представлена в виде системы дифференциальных уравнений шестого порядка. Объект в точке номинального рабочего режима представлен линейными уравнениями как апериодическое звено первого порядка с запаздыванием.

Для оценки динамических свойств на действующей выпарной установке экспериментальным путем получены _ разгонные характеристики по основным каналам, путем обработки которых получены численные значения параметров модели ВУ. Эксперименты проводились на Котласском ЦБК.

На рис.2 а, б показаны некоторые из графиков переходных характеристик, полученные экспериментальным путем. Из них видно, что выпарная установка является многоемкостным объектом с большой инерционностью и большим транспортным запаздыванием длительностью переходных процессов более часа.

При составлении математической модели передела выпарки учтены динамические свойства щелоковых емкостей как объектов с большой инерционностью. На основании анализа переходных и конструктивных характеристик показана возможность аппроксимации их динамики интегральным звеном с запаздыванием. В модели выпарной установки также учтены каналы возврата упаренного раствора на предуплотнения, т.е. представлена модель смесителя.

Переходная характеристика по каналу Давление греющего пара - плотность упаренного щелока.

т/м' Р

Переходная характеристика по каналу Расход питательного щелока — плотность упаренного

Третья глава посвящена разработке принципов построения системы, ее структурной схемы и формального алгоритма функционирования.

1. В соответствии с поставленной задачей управления разрабатываемая система должна позволять плавно изменять нагрузку в любую сторону при минимальных динамических отклонениях целевого параметра и сохранении других контролируемых параметров в заданных пределах.

2. Нагрузка на ВУ коррелируется с уровнями в баках питательного щелока, поэтому отклонение уровня является инициирующим сигналом для работы системы. Т. о. разрабатываемая система проектируется как система слежения.

3. Выход объекта на максимальную нагрузку по исходному сырью идентифицируется по выходу на максимально допустимое значение основного управляющего воздействия — давление греющего пара и уровня в баке питательного щелока. Предельные значения этих параметров являются признаками для переключения режимов работы системы.

1. Для регулирования уровня в баке полуупаренного щелока необходимо ввести дополнительный канал управления.

2. Оптимизация собственных экономических показателей процесса выпаривания система не производит.

Математические формулировки задачи управления нагрузкой имеет следующий вид: при максимальной нагрузке max Q

при Hj <= Himax> Нг <= НгмАХ» Р= Pmax, Dmin <= D2

при минимальной нагрузке min Q

при Hi > Н) щи, Нг = Н2ном5 Р < Pmax, 02 <= Оном

Функциональная схема системы управления представлена на рис. 3.

В состав системы управления производительностью входят следующие локальные подсистемы стабилизации: 1. Давление греющего пара. 2. Расход питательного щелока при входе на выпарную установку. 3. Расход полуупаренного щелока на головные выпарные аппараты. 4. Возврат части полуупаренного щелока в расходные баки. 5. Уровень в расходных баках. 6. Уровень в промежуточном баке полуупаренного щелока. Поставленная цепь управления производительностью достигается путем последовательного включения и выключения подсистем и их совместной или автономной работы.

Функциональная схема автоматизированной системы управления

производительностью

прочие сварочно щелока I I промывного Qu Di Qo Do т *

Р© 2-ая ступень

наСРК

возврат на уплотнение

Рис.3.

Система работает по принципу стабилизации уровня в расходных баках выпарки. При изменении уровня подсистема 2 изменяет расход питательного щелока на выпарные аппараты таким образом, чтобы компенсировать изменение уровня. Соответственно меняется уровень в баке полуупаренного и его отрабатывает система 3. Управляющее воздействие по давлению греющего пара компенсирует следующее за этим отклонение плотности щелока. При максимальной нагрузке давление будет максимально и фиксируется на верхний предел. В этом случае стабилизацию плотности берет на себя система 3 и уровень в баке полуупаренного щелока система 4.

Если уровень в расходном баке продолжает расти и достигает максимально доступной величины, передел выпарки прекращает прием щелоков от смежников, так как баки полные.

Система работает в обратном направлении: в этом случае при снижении производительности уменьшается уровень в баках, что приводит к увеличению концентрации и уменьшению давления пара. Если уровень в расходном баке продолжает понижаться, то выпарка переходит в режим работы "на себя", когда весь упаренный раствор возвращается в расходные баки - плотность упаренного щелока должна быть значительно меньше номинальной

В четвертой главе произведено имитационное моделирование и выбор оптимальной структуры системы управления.

Разработка и проверка качества предложенных алгоритмов управления осуществлялась путем моделирования изменений основных регулируемых параметров при различных производственных ситуациях и схемах взаимодействия локальных систем управления. Рассматривались переходные процессы концентраций щелока в смесителе, на выходе первой и второй ступеней выпарных аппаратов, а также изменения уровней в баках щелока. Для этого на базе математических моделей технологического объекта и ре1уляторов была разработана специальная программа имитационного моделирования. Принципиальная схема системы имитационного моделирования представлена на рис.4.

Принципиальная схема системы имитационного моделирования.

Рис.4.

ВУ как объект моделирования представлена состоящей из двух ступеней испарения: первой ступени (рис.3), состоящей из вакуумных выпарных

аппаратов № 4 и 5, и второй ступени, состоящей из головных аппаратов №1,2, 3. Первая и вторая ступени разделены промежуточным баком полуупаренного щелока, который является центральным элементом структуры разрабатываемой системы.

Динамические свойства объекта по каналам возмущения и управления для целей моделирования аппроксимированы дифференциальными уравнениями первого порядка с запаздывающим аргументом. Математическая модель процесса выпарки в отклонениях технологических переменных от номинального режима описывается нижеследующей системой дифференциальных уравнений: размерность переменных = время (0 = (мин), расходов (<3) = т(час)/концентрация (Б)% давления (Р) = атм/уровней (Н) = (см) «г^О^дло + смо + смо

О-(О = к1г »0,(1-0.5) + !^ »0^(1 -0.8) + (1-к1г -кгг)»0,(0

= 0.012 «чо^, (0-<3(1)) »«(»-1.5)

-+0,(0 = 1.05*0 О-1)-0.1»О 0-1)

А

о 0) = 0^0-1.5)

4

л

+ = (г-1) + 0.27*О 0-1)

(II

12*®2Й+о2(1) = 1.2»0](1-8)-0.28*д,0-8)

А

6.^М+Огр(0=ю*р(4)

ш

При моделировании использовались три варианта возмущений.

1-ый вариант: <г,о)=50*1(о

2-ой вариант: о,(г) = -2*1(0

, <},(0 = 1004(1) если 0<I£20

3-ий вариант: \ п

<2„(0 = 0 если ¡>20

Управления регуляторов. Математическое описание регуляторов.

АГ(0=Г(0-Г„(0

Х(1) = Х(! - Тс )+ К„ * [Д Г (+) -&Г(1 - Тс)\ + Кс * АГО) если |ДГ(?) Х(1) = Х{1 - Тс) если |ДУ(/)|5е

Численные значения коэффициентов модели взяты из экспериментальных данных (глава 2).

При разработке программ имитационного моделирования

дифференциальных уравнений объекта аппроксимированные разностными уравнениями в соответствие дискретным преобразователем Лапласа. При такой аппроксимации имеется точное совпадение решений дифференциального и разностного уравнений в дискретные моменты времени при ступенчатом входном воздействии. В остальных случаях ошибки аппроксимации зависят от дискретности квантования сигнала - не превышали 1% в результате Т=0,5 мин.

С помощью программы проведена проверка адекватности модели объекта по кривым переходного процесса. Отклонение показывает достаточную адекватность принятой модели ст2^ =0.026 %2.

В результате возврата полуупаренного и упаренного щелока для уплотнения питательного в технологическом объекте появляются положительные обратные связи, которые увеличивают инерционность и коэффициенты передачи всех каналов. Проведена оценка влияния степени возврата щелока на динамические характеристики процесса выпарки. Для этого на имитационной модели рассчитывались переходные функции каналов, т. е. реакции на единичное ступенчатое воздействие. Значения коэффициентов уплотнения изменялись с интервалом 0,025 в рабочем диапазоне kir = 0 * 0.375, k2r = 0-5-0.375.

Наибольшее влияние коэффициенты уплотнения щелока оказывают на характеристику канала «изменение расхода питательного щелока - изменение концентрации упаренного щелока». Для устранения влияния возврата щелока на параметры объекта управления целесообразно вводить автоматическое регулирование соотношения расхода питательного щелока и возвращаемого на предуплотнение.

Оценка качества работы системы управления производительностью выпарки осуществлялась по виду переходных процессов системы управления. Каждая типовая подсистема регулирования реализует дискретный ПИ-закон регулирования с зоной нечувствительности и ограничением регулирующего воздействия. Настройки АСР выбирались так, что при изменении задания соответствующего технологического параметра обеспечивался апериодический с максимальным быстродействием переходный процесс.

Поиск оптимальной структуры и алгоритма функционирования разрабатываемой системы управления производительностью осуществляется путем перебора различных физически реализуемых способов управления. Критерием работы системы являлось качество получаемых переходных процессов и степень отклонения базовых технологических параметров.

Путем поэтапного моделирования предложены технические решения, реализующие поставленную задачу управления. К ним относятся: усовершенствование схемы предуплотнения питательного щелока путем возврата части полуупаренного, с помощью чего достигается устройчивое

регулирование уровня в баке промежуточного щелока, а также управления целевым параметром в режиме максимальной производительности двумя управляющими воздействиями одновременно. Разработан алгоритм сквозного взаимосвязанного управления локальными подсистемами.

Моделирование показало, что при типовых возмущениях по нагрузке реализация разработанного алгоритма управления осуществляется удовлетворительно, без автоколебаний при перемене структуры. Вид переходных процессов — апериодический, отклонения базовых параметров находятся в допустимых пределах: по уровням в баках - до 0,2 м см, по концентрации упаренного раствора - до 0,4% а.с.в.

Наиболее показательные примеры переходных процессов системы регулирования показаны на рис. 5,6, 7.

Изменения концентрации упаренного щелока (02), давления пара (Р) и расхода полуупаренного щелока (02)

1,мин

1. Концентра*

2. Давление

3. Расход

Рис.5. Переходные процессы в АСР В2 Р, (?2 при ступенчатом увеличении расхода слабого щелока <Зо=50 [т/час]; качество АСР: Егтах £)/=- 0.39%.

г

Изменения концентрации упаренного щелока (02), давления пара (Р) и расхода полуупаренного щелока (02)

0,8 -

# 0,6 -

0,4 ■

0,2 -■

1 Оч

с щ -0,2 *

X о -0,4 -

-0,6 --

-0,8 -

.1 1

25 20 15 10 5

о

-5 -10 -15 -20 х -25

1. Концентрация.

2. Давление.

3. Расход.

I. мин

Рис. 6.Переходные процессы в АСР 02 Р, £>2 уменьшении концентрации слабого щелока Т>0=-2 [%' ЕгшахВ2=-0.21 %.

Изменения уровней в баках слабого (Н1) и полуупаренного щелока (Н2)

при ступенчатом ; качество АСР:

1 Уровень (Н1). 2. Уровень (Н2).

в м см" <° п ® ч-" ь ^ я !2 2

? п ш

1, мин

Рис. 7. Переходные процессы в АСР Н,-> 0 , АСР Н2 С?/г при ступенчатом увеличении расхода слабого щелока СЬ=50 [т/час]; качество АСР: ЕппахН1=16.7см, ЕгшахН2=16.7см.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ. 1. На основании анализа работы выпарной установки сульфат-целлюлозного производства и методов управления им в переходных режимах типовых производственных ситуаций сформулирована технологическая цель функционирования В У как составного элемента комплекса по производству целлюлозы и задача управления ВУ, реализующая поставленную цель. г 2. Выпарная установка целлюлозного производства исследована как объект

управления. Экспериментальными и расчетными методами получены \ статические и динамические характеристики ВУ. Выполнено математическое

описание динамики процесса выпаривания. Математическая модель объекта управления представлена дифференциальными уравнениями первого порядка с запаздывающим аргументом. Адекватность объекта оценена путем сравнения расчетных и экспериментальных переходных характеристик. При разработке модели использована методика, включающая специальную декомпозицию объекта - две ступени выпаривания, щелоковые емкости, контуры рециркуляции щелока.

3. Поставленная задача управления реализуется с помощью следящей системы, включающей ряд существующих, а также вновь предложенных локальных систем стабилизации, соединенных сквозной взаимной связью и взаимодействующих по определенному алгоритму. Сформулированы основные принципы построения системы управления производительностью ВУ. Разработана структура системы и алгоритмы ее функционирования.

4. Разработана система имитационного моделирования (СИМ), позволяющая моделировать любые структуры системы управления процессом выпаривания. Путем многовариантных расчетов с использованием СИМ найдена оптимальная структура системы управления производительностью, алгоритмов и настроечных параметров регуляторов для обеспечения качественного управления процессом.

5. Разработаны и проверены при моделировании новые способы управления уровнем в баке промежуточного щелока и концентрацией упаренного раствора. Моделирование показало, что разработанная система обеспечивает поставленную задачу управления производительностью.

6. С помощью системы имитационного моделирования определены границы устойчивости самого объекта управления в связи с введением в него дополнительного канала положительной связи. Даны рекомендации по кратности циркуляции, не нарушающей устойчивости объекта. Усовершенствована технологическая схема процесса в части возврата щелоков на предуплотнения для расширения возможности регулирования процесса.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

С>о, Ошш, Опмх, О., 01г, С?2г - отклонения расходов сварки, на входе и выходе смесителя, питательного на первый ступени, на второй ступени выпарки, возвращаемого на предуплотнение с 1-ой и 2-ой ступени выпарки.

Ьо, Цпь,, Ьщах, Б, Оь В2, Ощ,! - отклонения концентрации сварки, на входе и выходе смесителя, в 1-ой ступени, возвращаемого на предуплотнение с первой и второй ступени и со второй ступени выпарки.

Нь Н2 - отклонения уровня в баках слабого и полуупаренного щелока.

К)г, Кгг, W - коэффициент уплотнения щелока первой и второй ступеней, отклонения количества выпаренной влаги на первой ступени выпарки.

где У - регулируемый параметр; У^ - задание регулятора; X -управляющее воздействие; е - зона нечувствительности; Тс - дискретность управления; Ц,, к, - настройки пропорциональной и интегральной составляющей закона регулирования.

Публикации по теме диссертации.

1. Суслов В.А., Доронин В.А., Абдалла А.И. Многокорпусная выпарная установка как объект управления в целлюлозно-бумажном производстве и задачи ее оптимизации. // Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Межвуз. сб. науч. тр./ СПбГТУ РП. СПб., 2000. с. 161-165.

2. Абдалла И.А, Жукова Ю.С., Рижинашвили Г.В. Влияние возврата щелока на динамические характеристики выпарной установки. // Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Межвуз. сб. науч. тр./ СПб ТУ РП. СПб, 2002. с. 119-122.

3. Суслов В.А., Рижинашвили Г.В., Абдалла А.И. Схемы включения и статическая модель концентраторов выпарных установок. // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: Межвуз. сб. науч. тр./СПб ГТУ РП. СПб, 2002. с. 69-73.

Отзывы на автореферат с заверенными гербовой печатью подписями просим выслать по адресу: 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, 4; Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров, Ученый Совет_.

Соискателе (Абдалла И. А.)

Ол1а«1тои1одамр|асгрйф1мапапифа)ичасшнсяп(1тООО«КОП№,> пр. Спмк, д. а «А», ли (В1г|маммвк теифмс (812) 18Мв-20 &ЛМ0: МясЬфмй.мф'МЛМ

Введение.

Основные обозначения

Глава 1. Литературный обзор и постановка задачи исследования.

1.1. Выпарные установки целлюлозного производства и их роль в технологическом цикле.

1.1.1. Классификация выпарных аппаратов.

1.1.2. Технологические схемы выпарных установок.

1.1.3. Баковое хозяйство выпарных установок.

1.2. Математическое описание процессов выпаривания и математические

• модели выпарных установок.

1.2.1. Выпарные установки как объекты моделирования.

1.2.2. Статические модели выпарных установок.

1.2.3. Динамические модели выпарных установок.

1.3. Производственный контроль и системы автоматизации выпарных установок.

1.4. Оптимизация работы выпарных установок по техникоэкономическим критериям.

Выводы.

• Постановка задачи исследования.

Глава 2. Математические модели выпарных установок сульфатцеллюлозного производства.

2.1. Статические характеристики многоступенчатых выпарных установок.

2.2. Статическая модель смесителя.

2.3. Статистическая модель суперконцентратора.

2.4. Статическая модель поверхностного конденсатора.

2.5. Статическая модель выпарного аппарата.

2.6. Расчетные статические характеристики выпарной установки.

9 2.7.Математическое описание и динамическая модель выпарной установки сульфат-целлюлозного производства.

2.8. Экспериментальные динамические характеристики объекта.

2.9. Динамические свойства щелоковых ёмкостей.

Выводы.

Глава 3. Разработка функциональной структуры системы управления.

3.1. Назначение системы управления.

3.2. Принципы построения системы управления.

3.3. Описание системы управления.

3.4. Работа системы.

Выводы.

Глава 4. Математическая модель и имитационное моделирование системы управления.

4.1 Описание системы имитационного моделирования.

4.1.1 Математическая модель технологического объекта управления.

4.1.2. Математическое описание регуляторов.

4.1.3. Функции программы.

4.1.4. Проверка адекватности модели объекта.

4.2. Имитационное моделирование объекта и системы управления.

4.2.1. Анализ влияния предуплотнения щелока на характеристики объекта.

4.2.2. Алгоритмы работы подсистем управления.

4.2.3. Анализ качества работы системы управления производительностью.

Выводы.

Основные результаты работы.

Автоматизированные системы управления энерготехнологическими процессами являются универсальным техническим инструментом, позволяющим практически реализовать такие сложные задачи как оптимальное управление объектом на базе сформулированного технико-экономического критерия, и управление переходными режимами, пуском и остановкой. Осуществление возможно на базе тотального технологического контроля процессов и комплексного взаимосвязанного управления локальными системами автоматики.

Широкое внедрение вычислительной техники создает возможности постановки задач управления, основанных на системном подходе, то есть в представлении отдельных технологических переделов элементами единого производственного комплекса. При этом, если технологический комплекс производит один вид основной товарной продукции, то функциональные назначения отдельных элементов и критерии их работы могут быть пересмотрены и сформулированы иначе, исходя из наиболее приоритетной задачи - получения максимальной прибыли.

Таким образом, наметившаяся перспектива в области автоматизированного управления технологическими и энергетическими объектами диктует необходимость постановки и разработки качественно новых задач и алгоритмов, которые должны быть сформулированы, исходя из технологических реалий. Данная диссертационная работа выполнена в русле обозначенных тенденций.

Объектом исследования настоящей работы является технологический передел выпаривания производства сульфатной целлюлозы. Передел является важным звеном в цикле регенерации отработанных химикатов сульфатного производства. Выпарные установки предназначены для повышения концентрации промышленных щелоковых растворов до величины, при которой они могут быть использованы как топливо в содорегенерационных котельных агрегатах. В настоящее время на всех сульфатцеллюлозных предприятиях установлены вакуум-выпарные станции, состоящие из пяти или шести вертикальных длиннотрубных аппаратов пленочного типа, иногда оснащенных добавочной ступенью из концентраторов с падающей пленкой.

Технологическая роль ВУ определяется местом, занимаемым ею в производственном процессе, а именно, - она является первым звеном в цикле регенерации и промежуточным звеном в общем цикле производства целлюлозы. Исходя из прямого функционального назначения, ВУ должна обеспечить заданную величину целевого технологического параметра -концентрацию упаренного раствора, чего требуют действующие технологические регламенты. С другой стороны, в связи с её положением в технологической схеме, на выпарную установку поступает максимальный объем отработанных низкоконцентрированных щелочных растворов, подлежащих регенерации, из варочно-промывного и ряда других производственных цехов. Поэтому выпарной цех оснащен большим количеством ёмкостей для хранения щелоков, что позволяет временно форсировать или, напротив, ослаблять интенсивность работы отдельных переделов. Основным требованием к работе передела выпарки со стороны комплекса является безусловная переработка всех поступающих потоков для гарантированного обеспечения заданной производительности по целлюлозе.

Однако, в зависимости от ситуации на других переделах (прежде всего в варочном цехе) передел выпарки может либо аккумулировать в своих ёмкостях значительное количество оборотной щелочи, либо интенсифицировать её переработку. Таким образом, передел выпарки объективно играет роль «диспетчера» щелоковых потоков не только своего, но и соседних производств. Однако, как показывает практика, ручное управление запасами щелоков затруднено в связи с большой инерционностью ёмкостей. В результате имеет место, как нежелательное отклонение качества продукта, так и прямое переполнение или потеря уровня в ёмкостях, что недопустимо. Для медленно протекающих процессов, таких как накопление и изменение запасов в ёмкостях очевидна необходимость автоматизированного управления. В связи с изложенным цели настоящей работы сформулированы следующим образом:

- анализ роли данного технологического передела и формулировка цели его функционирования как одного из элементов замкнутой производственной схемы;

- исследование передела выпарки как объекта управления;

- разработка функциональной структуры и анализ автоматизированной системы управления, предназначенной для реализации поставленной цели управления в составе АСУТП.

Исследование объекта проведено аналитическим и экспериментальным методом. Разработка и анализ систем управления - методом имитационного моделирования.

В результате проведенной работы автором предлагается:

- новый взгляд на функциональное назначение передела выпарки в процессе производства сульфатной целлюлозы и соответствующую этому формулировку задачи управления ею.

- усовершенствованная технологическая схема и способ управления процессом выпаривания.

- структура системы управления ВУ в составе АСУТП, позволяющей реализовать гибкое изменение производительностей при изменении производственной ситуации.

- новая тактика управления выпарной установкой заключающаяся в постоянном изменении нагрузки установки для стабилизации щелоковых запасов на входе.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНА ЧЕНИЯ

Ь — концентрация, % ср - теплоемкость удельная, кДж/кг* град И - концентрация, весовые % Б - площадь поверхности теплообмена, м2 в - расход объемный, мЗ/час g - ускорение свободного падения, м/с2

Н - уровень, м, см

I - удельная энтальпия воды, раствора, кДж/кг к - коэффициенты влияния в уравнениях, настроечные коэффициенты Р - давление пара, кПа ^"расход тепла кДж/с или количество тепла, кДж С) - расход весовой кг/с, т/час q - теплосодержание греющего пара, конденсата, кДж/кг Т - постоянная времени объекта с, мин, лительность импульса I - время, с V - объем, мЗ

W - количество испаренной воды, кг/с, т/час

X - управляющее воздействие У - регулируемый параметр А - приращение параметра в - зона нечувствительности v - температура, град и - концентрация, г/л Ыа20 общ. р - плотность, кг/м3 х - время запаздывания, с ИНДЕКСЫ вх, вых - на входе, на выходе ном - номинальный рабочий режим зд - задание г - возврат потока СОКРАЩЕННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ВУ - выпарная установка МВУ - многокорпусная выпарная установка а.с.в. - абсолютно сухое вещество АСР - автоматическая система регулирования

Основные результаты работы.

1. На основании анализа работы выпарной установки сульфат-целлюлозного производства и методов управления ею в переходных режимах типовых производственных ситуаций сформирована технологическая цель функционирования ВУ как составного элемента комплекса по производству целлюлозы. С учетом возможности управления она заключается в обязательной переработке всех поступающих на передел выпаривания слабощелочных растворов путем гибкого изменения собственной производительности, адекватного возмущениям по объемам поступающих растворов со стороны их поставщиков - прежде всего от варочно-промывного отдела. При этом значение целевого технологического параметра - концентрации упаренного раствора -должно быть стабилизировано. Соответствующая постановка задачи сформулирована математически.

2. Выпарная установка целлюлозного производства исследована как объект управления. Экспериментальными и расчетными методами получены статические и динамические характеристики ВУ для использования в модели объекта количественных величин и зависимостей. Выполнено математическое описание динамики процесса выпаривания. Математическая модель объекта управления получена путем аппроксимации динамических характеристик по каналам управления и возмущения дифференциальными уравнениями первого порядка с запаздывающим аргументов. Адекватность объекта оценена путем сравнения расчетных и экспериментальных переходных характеристик. При разработке модели использована методика, включающая специальную декомпозицию объекта - две ступени выпаривания, щелоковые емкости, контуры рециркуляции щелока.

Указанная задача решается с помощью следящей системы управления нагрузкой (производительностью) ВУ, включающей ряд существующих, а также вновь предложенных локальных систем стабилизации отдельных параметров, соединенных сквозной взаимной связью и взаимодействующих по определенному алгоритму, реализуемому вычислительным комплексом в составе АСУ. Сформулированы основные принципы построения системы управления производительностью ВУ. Разработана структура системы и алгоритмы ее функционирования. Разработана система имитационного моделирования (СИМ), позволяющая моделировать любые структуры системы управления процессом выпаривания. Путем многовариантных расчетов с использованием СИМ найдена оптимальная структура системы управления производительностью алгоритмов и настроечных параметров регуляторов. Для обеспечения качественного управления процессом были разработаны и проверены при моделировании новые способы управления уровнем в баке промежуточного щелока и концентрацией упаренного раствора (одновременно двумя управляющими воздействиями). Моделирование показало, что предложенная система обеспечивает поставленную задачу управления производительностью, а именно:

- возмущения и нагрузки исходными растворами отрабатываются с минимальными динамическими отклонениями основных параметров (уровней в баках и концентрации);

- вид переходных процессов - апериодический, что соответствует технологическим требованиям;

- отсутствуют автоколебания при включении/выключении отдельных локальных подсистем в соответствии с общим алгоритмом управления.

С помощью системы имитационного моделирования определены границы устойчивости самого объекта управления в связи с введением в него дополнительного канала положительной обратной связи и даны рекомендации по крепости циркуляции не нарушающего устойчивости объекта. Модифицирована технологическая схема процесса в части возврата щелоков на предуплотнение для расширения возможности регулирования процесса.

Разработанная структура и алгоритмы системы управления предназначены для использования в программном обеспечении АСУ промышленными выпарными установками (приложение 1). Система имитационного моделирования используется в учебном процессе студентами факультета АСУТП университета для моделирования работы систем управления технологическими процессами (приложение 2).

1. Смоляницкий Б.З., Зайцев А.И. Регенерация сульфатных щелоков. М.: Лесная промышленность, 1987. - 309с.

2. Непенин Ю.Н. Технология целлюлозы. т.П. Производство сульфатной целлюлозы. М: Гослесбумиздат, 1963. - 935с.

3. Пудиков Г.Н. Пособие для выпарщика сульфатных щелоков. М.: Лесная промышленность. 1966,- 190с.

4. Прохоров Б.Н. Упаривание отработанных щелоков на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности. // Обзорная информация. ВНИИПИЭИлеспром. М, 1985. - 36с.

5. Рекламные материалы международной выставки "PupFor-98" С-Петербург. 1998.

6. Выпарные аппараты с падающей пленкой основа технического перевооружения целлюлозных заводов Японии. // Экспресс информация: Целлюлоза, бумага, картон. Зарубежный опыт, М.: 1987, №13, с. 11-20.

7. В. Burris, J Howe. Operational experiences of the first eight-effect tubular falling-film evaporator train // TAPPI Journal. 1987. - №.70. - p. 87-91.

8. Нурминен К. Техника падающей пленки Розенлев. Суперконцентратор черного щелока. // Материалы семинара ф. Rosenlew, г. Пори, Финляндия. -1986.

9. Вальберг Т. Международный симпозиум по регенерации. Стокгольм, 1991г. Перевод № 91-91, ВНИИБ, Л.1991. -16с.

10. Ю.Фрэнкс Р. Математическое моделирование в химической технологии. М.: Химия, 1971.-272с.

11. Вент Д.П. и др. Математическое моделирование динамических режимов четырехкорпусной выпарной установки // Труды МХТИ им. Менделеева. -М. 1975. - вып.85. - с.140-45.

12. Колач Т.А., Радун Д.В. Выпарные станции. М.: Маш.гиз, 1963. - 400с.

13. Мовсесян В.JI. Методические указания по расчету выпарных станций ИБП. -Л.: ЛТИЦБП, 1977.-33с.

14. И.Айнштейн В.Г., Захаров М.К. К расчету многокорпусных выпарных установок. Модели и алгоритмы. //Химическая промышленность. №2. -1999. -с.57-64.

15. Ладиев Р.Я. Метод прямого расчета многокорпусной выпарной установки. // Химическое машиностроение. 1966. - №3. - с. 118-126.

16. Ладиев Р.Я. Алгоритм управления многокорпусных выпарных установок. //Химическое машиностроение. 1968. - №5. - с. 155-161.

17. Aisholm О. Computer control at Billerud. // Pulp and paper magazine of Canada. 1970. - v. 71. - №5. - p.49-58.

18. Wetherhorn D. Analisis and optimiiization of multiple effect evaporators. // TAPPI. - 1973. - v. 56. -№6. - p.88-90.

19. Практическое применение цифрового компьютера в ЦБП. // Материалы семинара ф. "Межерекс" по автоматизации процессов ЦБП. ВНИИБ, Л. -1974.

20. Рижинашвили Г.В., Болотов A.A., Милин Е.М., Вайнруб ИЛ. Влияние на экономичность выпарных установок схемы подачи раствора и режимных параметров. // Цветные металлы. 1991. - №9. - с.24-27.

21. Таубман Е.И. Расчет и моделирование выпарных установок. М.: Химия, 1970.-216с.

22. Вьюков И.Е. Автоматизация технологических процессов целлюлозно-бумажной промышленности. М.: Лесная промышленность, 1983. - 384с.

23. Либерман И.Г. Анализ вакуум-выпарных установок как объектов автоматического регулирования. // Изв.вузов. Энергетика. 1964. - №12. -с.84-90.

24. Вьюков И.Е., Макаров В.Ф., Рижинашвили Г.В. Математическая модель выпарной станции сульфатцеллюлозного завода. // Труды института / ВНИИБЛ. 1969.- вып. 54. - с.30-41.

25. Белик В.Т., Федоткин И.М. Моделирование и оптимизация выпарных установок с пароотбором. Киев: 1974. - 130с.

26. Вьюков И.Е., Рижинашвили Г.В., Курбанова Р.Г. Моделирование работы выпарной станции в пусковом режиме. // Материалы 2-ой научно-технической конференции по автоматизации ЦБП. ВНИИБ, JI. 1970. -с.31-39.

27. Буйлов Г.П., Доронин В.А., Серебряков Н.П. Автоматика и автоматизация производственных процессов целлюлозно-бумажных производств. М.: "Экология", 1995. - 312с.

28. Рабочая документация ф.ЯозепЫас! Patenters по выпарным установкам картонно-бумажного производства Котласского ЦБК. Т.7,8 Automatic & Instrumentkonsult. -Коряжма, 1965.

29. Нобуо X. Контрольно-измерительные приборы, внедренные в производство бумажной массы. // Материалы семинара ф.Мицубиси, М., 1966.

30. Ломакин ИЛ., Радун Д.В., Левачев А.Г., Балашов Л.Н. Автоматизация хлорных производств. М.: Химия, 1967. - 280с.

31. Фетисов СЛ. Исследование бихроматного производства как объект автоматизации: Автореф. канд. дисс. канд.техн.наук. УПИ им. Свердлова, 1970. - 16 с.

32. Булгаков А.Б., Бидюк П.И., Кваско М.З. Микропроцессорная система оптимального управления процессом выпаривания. // Сб. Химическое машиностроение. 1988. - вып. 48. - с.93-96.

33. Таубман Е.И. Выпаривание. -М.: Химия, 1982. 328с.

34. Niemi. Haihduttamon ja peseman saatoprojekti. // Paperi ja puu. 1974. -v.56. -№7. - p.567-576.

35. Honeywell evaporator advanced control. Материалы выставки PupFor-2002 г., С-Петербург.

36. Либерман И.Г. .Автоматизация и оптимизация вакуум-выпарных установок. М.: Машиностроение, 1972. - 230с.

37. Хитров Б.В. Автоматическое управление выпарными станциями хлорных производств: Автореф. канд. дисс. . канд.техн.наук. МЭИ, М., 1973. -16 с.

38. Рижинашвили Г.В., Попов П.П., и др. Оптимальные режимы регенерации химикатов сульфатно-целлюлозного производства. // Бумажная промышленность. 1988. - №2. - с.13-15.

39. Перов В Л. Основы теории автоматического регулирования химико-технологических процессов. М.: Химия, 1970. - 352с.

40. Волков А.Д., Григорьев Г.П. Физические свойства щелоков целлюлозного производства. -М.: Лесная промышленность, 1970. 120с.

41. Доронин В.А., Кушков Н.Н., Федоров O.K. Теплотехнические измерения и автоматизация: основы динамики теплотехнических процессов. Учебное пособие. Л.: ЛТА, 1987. - 103с.

42. Доронин В.А., Яковлев И.И. Моделирование тепловых процессов ЦБП. Учеб. пособие. Л.: ЛТИЦБП, 1991. - 73с.

43. Наладка автоматических систем и устройств управления технологическими процессами. Справочное пособие под ред. Клюева А.С. М.: Энергия, 1977. -400с.

44. Федоткин И.М., Кравченко В.А., Саввич В.А. Оптимизация выпарного оборудования. Киев: Техника, 1985. - 150с.

45. Румшиский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. -М.: Наука, 1971.- 192с.

46. Суслов В.А. Основные процессы при выпаривании щелоков целлюлозного производства. Учебное пособие. С-Петербург: СПбГТУРП, 1998. - 90с.

47. Пууска О. Оптимизация управления процессом выпарки. // Материалы Metso Automation Projects Ltd. Pup For 2002. С.-Петербург.

48. Жукова Ю. С., Дахин М.М. Системы управления с УВМ в ЦБП: Учебное пособие. Л.: ЛТА, 1988г. - 72 с.

49. Селянинова Л. Н. Моделирование объектов и систем управления технологических процессов ЦБП: Учебное пособие. Л.: ЛТА, 1984. - 85 с.

50. Вьюков И. Е., Зорин И. Ф., Петров В. П. Математическое моделирование и управление технологическими процессами целлюлозно-бумажной промышленности. -М.: Лесная промышленность, 1975. 337 с.

51. Кондрашкова Г. А., Леонтьев В. Н., Шапоров О. М. Автоматизация технологических процессов целлюлозно-бумажных производств. — М.: Лесная промышленность, 1989. 326 с.

52. Кондрашкова Г. А. Технологические измерения и приборы в целлюлозно-бумажной промышленности: Учебник для вузов. М.: Лесная промышленность, 1981. - 375 с.

53. Дятлова Е. П., Сафонова М. Р. Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами ЦБП. Учебное пособие. -СПб.: СПбГТУ РП, 1999. 51 с.

54. Рей У. Методы управления технологических процессов. -М.: Мир, 1983. -355 с.

55. Изерман Р. Цифровые системы управления. М.: Мир, 1984. - 557 с.59.0стрем К., Виттенмарк Б. Системы управления с ЭВМ. М.: Мир, 1987. 479 с.бО.Цыпин Я. 3. Основы теории автоматических систем. М.: Наука, 1987. -556 с.

56. Solutions for Superior Results./ Материалы фирмы Honeywell, 2001. 62.Современные решения автоматизации./ Материалы фирмы Mesto automation. 2001.