автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Система управления процессом мембранной очистки оборотных промышленных вод металлургических предприятий

На правах рукописи

ПАВЛОВ Роман Дмитриевич

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ МЕМБРАННОЙ ОЧИСТКИ ОБОРОТНЫХ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ВОД МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ (НА ПРИМЕРЕ ЗАО «МЕТ АХИ М»)

Специальность 05.13.06 -Автоматизация и управление технологическими процессами и про изводствами (металлургия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 СЕН 2010

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2010

004608357

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Ведущая организация - ЗАО «Метахим».

Защита диссертации состоится 24 сентября 2010 г. в 16 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.2203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 23 августа 2010 г.

Шариков Юрий Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Харазов Виктор Григорьевич,

кандидат технических наук, доцент

Баркан Михаил Шмерович

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д-р техн. наук

В.Н.БРИЧКИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Одной из важных проблем гидрометаллургических технологий является уменьшение потребления воды и выбросов в окружающую среду, что может быть решено применением замкнутого водооборота. При этом наиболее трудоемкой задачей является очистка общесплавных промышленных вод, характеризующихся сложным набором загрязняющих веществ.

На большинстве предприятий системы очистки позволяют извлекать лишь взвешенные вещества методом отстаивания и часть растворенных компонентов методом реагентного осаждения, в некоторых системах очистки дополнительно используются сорбционные и ионообменные методы, позволяющие селективно извлекать определенные компоненты из раствора. Однако весь спектр растворенных веществ можно выделить только с использованием выпарки или мембранных методов. При этом выпарка является очень дорогостоящей операцией и применяется довольно редко. Большей универсальностью в отношении растворенных примесей обладают мембранные методы, эффективность работы которых значительным образом обеспечивается выбранной системой предварительной водоочистки и системой управления.

Огромный вклад в развитие и совершенствование мембранных технологий очистки внесли такие крупные специалисты как В. П. Дубяга, Ю. И. Дытнерский, С. Ф. Тимашев, Т. Брок и др. Хорошо известны работы С. И. Лазарева, Л. Л. Муравьева в области математического моделирования и алгоритмов управления процессами мембранного разделения.

Однако традиционные системы управления мембранными установками не учитывают ряд важных особенностей мембранного разделения: концентрационную поляризацию, изменение концентраций компонентов в промышленной воде и значительное время запаздывания. В большинстве случаев эти факторы не получают должной оценки, поэтому система управления нуждается в дальнейшем развитии.

Цель диссертационной работы - разработка технологических решений и синтез системы автоматического управления много-

ступенчатой мембранной установкой при многостадийной очистке промышленных вод сложного ионного состава.

Задачи исследований:

• Научно-технический анализ известных способов и технологий очистки промышленных вод сложного ионного состава металлургических предприятий;

• Исследование показателей промышленных вод ЗАО «Мета-хим» и выбор методов управления по рабочим характеристикам очистных сооружений;

Проведение экспериментальных исследований по разработке многостадийной очистки с использованием мембранных методов;

• Разработка математической модели процессов многостадийной очистки промышленных вод, ее идентификация и проверка на адекватность;

• Синтез системы автоматического управления мембранной установкой с использованием алгоритма управления по прогнозирующей модели.

Научная новизна работы.

1. Показано, что учет распределения полей концентраций реального многокомпонентного раствора в межмембранном пространстве, конвективного и диффузионного движения компонентов раствора и эффекта концентрационной поляризации в математической модели многоступенчатой мембранной установки позволяет дать адекватное описание рабочих показателей процесса очистки в зависимости от режимных параметров.

2. Установлено, что отклонение параметров мембранной очистки, вызванных эффектом концентрационной поляризации, изменением концентраций компонентов в растворе и большим временем запаздывания может быть компенсировано в соответствии с алгоритмом управления по прогнозирующей модели.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При построении системы автоматического управления многоступенчатой мембранной установкой рекомендуется использовать усовершенствованную математическую модель, позволяющую прогнозировать параметры мембранного разделения. При этом модель должна описывать распределение полей концен-

траций реального многокомпонентного раствора в межмембранном пространстве с учетом конвективного и диффузионного движения компонентов раствора и эффекта концентрационной поляризации.

2. Для реализации оптимальных режимов проведения процессов многоступенчатого мембранного разделения целесообразно использовать систему автоматического управления, основанную на алгоритме, который включает блок прогнозирования, рассчитывающий по линеаризованной модели объекта выходные параметры, и блок оптимизации, выбирающий наилучшие управляющие воздействия в соответствии с критерием оптимальности в области планирования, что позволяет улучшить качество управления по сравнению с классическим ПИД регулированием.

Практическое значение работы.

1. Предложен способ многостадийной очистки оборотных промышленных вод сложного ионного состава, включающий стадию мембранного разделения, что позволяет использовать данное решение для очистки промышленных растворов металлургических предприятий (подана заявка на патент РФ №2009147974).

2. Технологическая схема многостадийной очистки с использованием многоступенчатой мембранной установки включена в план реконструкции очистных сооружений ЗАО «Метахим».

3. Разработанная программа управления многоступенчатой мембранной установкой, обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики системы очистки и возможность ее реализации на профильных металлургических предприятиях.

Методика исследований. Работа выполнена с использованием комплекса методов, включающих системный анализ задачи; патентно-информационный анализ; теоретические, натурные и компьютерные методы изучения процессов очистки оборотных промышленных вод и управления этими процессами с применением стандартного и специального программного обеспечения.

В работе также использованы методы математического моделирования и статистического анализа.

Достоверность научных результатов обосновывается значительным объемом экспериментальных данных и их соответствием теории и практики очистки растворов химико-металлургических

предприятий, применением современных методов физико-химического анализа технологических продуктов, использованием адекватных математических моделей и статистических методов обработки данных с применением компьютерных технологий, а также проверкой полученных результатов на укрупненной пилотной установке.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 3-х международных научных специализированных конференциях: в СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова в 2008-2009 г.г. и в Германии в г. Фрайберг в 2009 г.; на 4-х научных конференциях студентов и молодых ученых в СПГГИ (УТ) им. Г. В. Плеханова в 2007-2010 г.г.; научных семинарах кафедры АТПП СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2007-2010 г.г.; на научно-технических советах по работе с аспирантами СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2007-2010 г.г.

По теме диссертации опубликованы 4 научные работы, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Личный вклад автора. Автор самостоятельно выполнил:

• Постановку задач и разработку общей методики исследований;

• Анализ современных методов очистки промышленных вод и существующих систем управления очистными сооружениями;

• Лабораторные экспериментальные исследования по очистке промышленных вод ЗАО «Метахим»;

• Математическое моделирование многостадийной очистки промышленных вод ЗАО «Метахим»;

• Синтез системы автоматического управления многоступенчатой мембранной установкой.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Содержит 176 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 124 наименований и приложения на 15 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены основные виды очистных сооружений для очистки промышленных вод металлургических пред-

6

приятий, проанализированы современные системы управления, методы контроля и управления.

Во второй главе проведены экспериментальные исследования по очистке усредненных общесплавных оборотных промышленных вод ЗАО «Метахим» на экспериментально-производственной базе ЗАО «БМТ», совместно с которым разработана технология по очистке этих вод.

Третья глава посвящена математическому моделированию процессов, входящих в разработанную технологию. Особое внимание уделено моделированию наименее изученного процесса - мембранного разделения. Рассчитана и проверена адекватность разработанной математической модели в соответствии с критерием Фишера.

В четвертой главе синтезируется система автоматического управления многоступенчатой мембранной установкой. В систему управления включены алгоритмы управления по прогнозирующей модели. Приведено сравнение регулятора, управляющего по прогнозирующей модели, и ПИД-регулятора.

ОБОСНОВАНИЕ ПЕРВОГО ЗАЩИЩАЕМОГО ПОЛОЖЕНИЯ

Финальной стадией многоступенчатой технологии очистки промышленных вод металлургических предприятий является мембранное разделение. Рассмотрим массоперенос при движении промышленной воды (многокомпонентного раствора) в плоском мембранном канале, образованном двумя соседними «витками» мембраны, в элементе рулонного типа (рис. 1).

У М\ < 1У(х)

1111III" ШШШШШШШ1ШШШ ШШ111111111111111

X

■ с„ и(х,у) ¡1 С(х,у)

-я

111111111 ШТиинп мишшшш шшшЬшпипиш

М2 <У(х) 1

Рис. 1. Схема массоперекоса в плоском межмембранном канале мембранного элемента рулонного типа где: М\, М1 - верхний и нижний «витки» мембраны; Ь

- длина мембранного элемента, м; Я - полувысота межмембранного канала, м; С(х,у) - поле концентрации растворенного компонента, моль/л; Щх,у), У(х) - продольная и поперечная скорости течения раствора, м/с.

Рассматривается массоперенос многокомпонентного раствора от центра межмембранного канала к мембранам. Примем следующие допущения:

- компоненты раствора переносятся независимо друг от друга;

- свойства мембраны учитываются коэффициентом задержания и удельным потоком растворителя;

- режим течения жидкости ламинарный Яе < 2300;

- диффузионное сопротивление фильтрата незначительно.

Математическая запись задачи:

ди 1дх + дУ/ду = Ъ, (1)

ди/& + иди1дх + Уди/ду = -р-1дР/дх+у(дги / дхг + д2и/ду1)] (2)

дУ/д1 + идУ/дх+УдУ/ду = -р~1дР/ду + у(д2У/дх2+д2У/ду2)-, (3)

ЭС„/д( + и ■ дС„/дх + У ■ дС„/ду = Д, ■ д2Сп/ду1. (4)

Граничные условия:

!У(х,+Д)=:0; £/(*,-/?) = 0; (5)

КЛ1 ■ С„(х,+К) ■ У(х,+К) = Ой • дС„(х,+Я)/ду, (6)

КП2-С„(х-Ю-У(х,-Я) = 0„-дС„(х-Ю/ду, (7)

где п - количество компонентов в растворе; Оп - коэффициент диффузии и-го компонента в растворе, м2/с; КПх{х),КПг{х) - истинные коэффициенты задержания «-го компонента для М\ и М1\ Сп -концентрация п-го компонента в растворе, моль/л.

Учитывая, что процесс ламинарный решение уравнений гидродинамики (1) - (3) принимают вид:

у-д2и/ду2=р~'-дР/дх. (9)

При граничных условиях (5) решение уравнения (9), где ¡1 = V • р - динамическая вязкость, будет:

и(х, К) = (2//)"' ■ (дР/дх)(Я2 - у2).

(10)

Далее определим расход раствора через канал как: ^ = Ь ]£/(*, Я) = -Ъ ](2ц)-\дРIдх)(1е - у2)(1у =

-Л -Я

= -(Ь/2м)(дР/дх))(Я2-у2№, -я

^ = -(2Ъ ■ В? / Ъц){дР I дх), (12)

где Ь - ширина межмембранного канала, м.

Удельный поток растворителя через мембрану за счет перепада давления У(х) = Ур, при этом:

У^к{Р-х) = к\р-1г-±Сп-11т-т\ (13)

V »=1 /

где Р - рабочее давление в межмембранном канале, Па; л -осмотическое давление раствора, Па; гг - изотонический коэффициент; Т - текущая температура, К; Ягп - универсальная газовая постоянная, Дж/(К-моль).

Тогда дифференциальное уравнение для изменения расхода в межмембранном канале: -Ех -й¥ -Ъ-2-У(х)с1х. Отсюда:

дГ/дх = -Ь-2У(х). (14)

Учитывая (12), при граничных условиях Р(0) = Рн и Р{Ь) = Р, где 3///К* = а, получим дифференциальное уравнение для перепада давления:

д2Р/дх2 + аР = 0. (15)

Решение данного дифференциального уравнения будет: Р(х) = -(Рн-зИ(4а(х-Ь))-Рк-зКл[ах))/5И(4аЬ)). (16)

Подставив найденные значения в уравнения для определения продольной (10) и поперечной скоростей (13) и обозначив

их,у) = (2цУ ■ (дР/дх)(Я2 -у2) и /г(х) = к-(р(х)-,■.■ ±С„ ■ ЯГП ■ г'

получим математическую модель мембранной фильтрации многокомпонентного раствора:

дС„/д( + Гх{х,у) ■ дСл/Ох + Г2(х) ■ дС„ !ду = йп- д2С„/ду2- (17)

Р(х) = ~(Ри ■ (х - Ь)) - Р • зк(^х))1 (18)

к,х • С„(Х,+Л)■ /¿х) = Оп ■ еСл{х,+Щ1ду; (19)

кпг ■ С„(х ,-Я) • у;(х) = Д, • 8Сп(х,-К)/ду. (20)

Для решения системы (17)-(20) применим конечно-разностный метод, уравнение (17) имеет в своей основе полное нелинейное параболическое уравнение Бюргерса для вязкого течения в частных производных и может быть решено явным методом Роуча, тогда:

[С,, = +А.) •А' • ~ 2 с;п)и+с;,,,, )/(д^)2 -

- - (л1 - яо2> (с;„к, - с;„)Н,,)/{2ц ■ Ах) -

С,-2С;„м+С^н)/(АуУ -

- (рм - р)^2 - ><о2)-(с;„„,, - с;„)М,)/(2^ • дх)-

- * • Г^ • ягл • г) • - с;л), /+1 )/ду, ир« >> е (о;+я);

/ ■ "=1 \ (21) =-(с1 • (х(1+о -1)) - ?;+1 • +1)) /

=—-:-т^-:-

1 -(Ау/В^).^ ■к\рм-12-±С{%у11гп -Т

= —----т^-;-=

с(л)(0,^)=с(л)0,

где / иу - индексы разностной сетки по первой пространственной переменной (*) и второй пространственной переменной (у); С(я)0 - начальная концентрация «-го компонента раствора, моль/л.

Промоделируем систему уравнений (21) в Ма11аЬ. Результаты моделирования приведены для ионов Иа* для мембранного элемента (РПпПес ЬРСЗ-ЬО) первой группы первой ступени мембранной установки (рисунки 2 - 4).

0.04 -

5 о -5 0 °'5

х 10 Ширина мембранного элемента, м Длина мембранного элемента, м

Рис. 2. Распределение фронта концентрации Ма' в межмембранном пространстве в элементе рулонного типа.

0.2 04 06 0,8 Длина мембранного элемента, м

0.04

0.035

0.03

0.025

0.4 0.6 0.8 1 Длина мембранного элемента, м

Рис. 3. Концентрация в фильтрате в Рис. 4. Концентрация Ыа+ в концентрате в зависимости от длины элемента. зависимости от длины элемента.

Проанализировав полученную информацию, нужно отметить, что концентрация ионов в фильтрате (рис. 3) и в концентрате (рис. 4) возрастает по мере движения потока внутри мембранного элемента. Также при приближении к поверхности мембраны концентрация возрастает (рис. 2), т.о. проявляется эффект концентрационной поляризации.

ОБОСНОВАНИЕ ВТОРОГО ЗАЩИЩАЕМОГО ПОЛОЖЕНИЯ

При синтезе системы управления всегда стоит задача создания такого управляющего устройства, при котором система удовлетворяла бы заданным требованиям к ее качеству. Использование управляющего устройства, реализующего алгоритм управления по прогнозирующей модели, позволяет предсказывать поведение объекта управления в будущем с учетом всех особенностей: запаздывания, измеряемых и не измеряемых возмущающих воздействий, зашумленности измеряемых параметров, входных и выходных ограничений и т. д.

На структурной схеме (рис. 5) представлен принцип построения системы управления на основе регулятора с прогнозирующей моделью.

Измеряемые возмущающие воздействия

Задание

Обратная связь

Блок

оптимизации

Прогнозирую-

щая модель

Управляющее воздействие

Объект управления

Выходы объекта

т~

Шум

Регулятор с прогнозирующей моделью

Неизмеряемые возмущающие воздействия

Рис. 5. Структура системы управления

Регулятор включает в себя прогнозирующую модель и блок оптимизации и работает следующим образом (рис. 6):

1. Оценка. Для того чтобы просчитать следующий шаг регулятору необходима информация, которая включает в себя истинное

значение контролируемой переменной ук и все внутренние переменные укц,—,у1,Р, которые влияют на поведение объекта управления в будущем. Чтобы получить эту информацию регулятор использует все прошлые и текущие измерения, и прогнозирующую модель.

2. Оптимизация. Значение задания, измеряемые возмущающие воздействия и ограничения определены для конечной области прогнозирования. Регуля-

Прошиое-

• Будущее •

Уm¡

Верхнее ограничение выхода объекта

Задание О

-----а —

- о

о о

v,„

О измеренный выход объекта О ожидаемый выход объекта

Нижнее ограничение выхода объекта

Область прогнозирования_

выхода объекта, Р

тор вычисляет значения шагов управляющих воздействий в области планирования, которые являются решениями задачи оптимизации с ограничениями.

Регулятор рассчитывает управляющие воздействия так, чтобы полученные значения соответствовали прогнозируемым значениям выходов объекта управления. Когда вычисления завершены, регулятор выдает управляющие воздействия на объект, который функционирует с ними до следующего шага. Затем

регулятор получает новые измеренные значения и полностью пересматривает свой расчет. Этот алгоритм постоянно повторяется.

Пересчет на каждом шаге имеет большое значение для качества управления, т.к. постоянно необходимо корректировать статические ошибки, реагировать на неожиданные возмущения, а также предвидеть потенциальные ограничения для минимизации нежела-

Верхнее ограничение упр. воздействия

О прошлое упр. воздействие > - о планируемое упр. воздействие

1 О -т о-п О - о-О—О—о-о---- Область планирования 1 упр.воздействия, М И Нижнее ограничение упр. воздействия

lili 111111111

-5 -4 -3 -2 -1 к 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Моменты дискретизации (шаги) Рис. 6. Принцип работы регулятора с прогнозирующей моделью

тельных последствий, учитывать запаздывания на выходе объекта управления и несимметричность отклика объекта на разнонаправленные изменения управляющих воздействий.

Прогнозирующая модель. Для прогнозирования и оптимизации в регуляторе используется линейная модель, которая состоит из модели объекта управления и модели возмущающих воздействий. При этом необходимо иметь лишь модель объекта управления, модель возмущающих воздействий задается в виде генератора белого шума.

Модель объекта управления представлена в виде линейной стационарной системы и описывается уравнениями:

где х(к) - пх -мерный вектор состояния объекта; п{к) - пи -мерный вектор управляющих воздействий; у(к) - иу -мерный вектор измеряемых возмущающих воздействий; (¡(к) - пг -мерный вектор не измеряемых возмущающих воздействий; ут{к) - вектор измеренных выходов объекта; уи (к) - вектор неизмеренных выходов объекта. Общий пу -мерный выходной вектор у(к), включающий

Не измеряемые возмущающие воздействия <3(к) моделируются как инвариантная во времени линейная система:

Система (23) обусловлена случайным Гауссовским шумом па{к) с нулевым средним и единичной ковариационной матрицей.

Прогнозирующая модель получена при линеаризации нелинейной динамической системы, такой как:

х{к +1) = Ах(к) + Вии(к) + ВХк) + В^{ку, У Л) = Стх{к) + Дту(к) + ОМ-, }>Хк) = СХк) + 0ту(к) + 0,и<1(к),

(22)

Уп,(к) и У,Хк) ■

(к + 0 = Ах* (к) + Вп11 (к); с1(к) = Схи (к) + (к).

(23)

*'=/(*, и, у,</); у = И(х,и,у,с{),

при номинальных значениях х-х0, и = и0, V = у0 , d = da. В уравнениях (24) х' означает либо производную по времени (непрерывная модель), либо последующий элемент х{к + \) (дискретная модель).

Оценка состояния. Значения х(к), х^(к)ис могут быть измерены, их прогнозы выдаются при оценке состояния (рис. 7).

Рис. 7. Структурная схема модели, используемой для оценки состояния

Предполагается, что измеряемый выходной вектор у„,(к) искажен измеряемым шумом т(к). Модель шума измерений является линейной стационарной системой, аналогичной (23), которая обусловлена белым Гауссовским шумом пт(к).

С целью обеспечения асимптотического отклонения выходных возмущающих воздействий общая модель дополнена моделью выходных возмущающих воздействий.

Состояние наблюдателя предназначено для оценки х(к),

хл(к), хт(к), где х(к) состояние модели объекта управления, х1,(к) - общее состояние модели входных и выходных возмущающих воздействий, хт(к) - состояние модели измеряемого шума. Оценка вычисляется из выходных измерений ут (к) при линейном состоянии наблюдателя. При вычислениях оценки состояний используется принцип фильтрации Калмана.

Задача оптимизации. Предположим, что имеются оценки состояния значений х(к), х11(к) на момент времени к. Действия алгоритма управления по прогнозирующей модели на момент времени к вычисляются в результате решения задачи оптимизации:

3 * {Ьи(к | к),...,Аи(т-1 + к | к),е) = тт\ рсег + £ £(* +' I кХ +

„ 2М (25)

+ ¿К»'■+:И *)- ф+ /+О)2+ £№,(«/(*+«I к)-и,„{к + })]

где} - компонент вектора; "(к + г | А:)" означает прогнозируемое значение для момента времени к + г, имеющееся на момент времени к, г{к) - текущее значение обратной связи, при условии:

"/т,„(0 - ^(0 2 «у(*+/1 к)<и^{ г)+¿к;тах(0;

Ди^оо - < Ли,(/с + /1 к)< АМут„(0+£^(0; (26)

О - ^ГЛО < У,(к + /+11 к)< у1т(о + сУ^а)-Ди(* + А|*) = 0; И = т,...,р-1, / = 0,...,р-1; £>0.

Для последовательности Аи(к\к),...,Аи(т- фиктив-

ной переменной а и и(к)-и(к-\) + Аи(к\к)* первым элементом оптимальной последовательности является Аи(к\к)*. Если значение обратной связи г не известно априори, то текущее значение г(к) используется для всей области прогнозирования г{к + ; + !) = г (к).

и^и^Ьи^М^У^'У)*» * являются нижними и верхними границами соответствующих переменных. , , ] -

неотрицательные коэффициенты веса соответствующих переменных. Ограничения и,Аи,у в неравенствах (26) ослаблены введением

фиктивной переменной £ > 0 . Коэффициент веса ре фиктивной переменной е предусматривает «штраф» за нарушение ограничений. Чем больше рс по отношению к коэффициентам веса входа и выхода, тем больше «штраф» за нарушение ограничений:

рс=105шах{^,<,у,<у.}. (27)

16

Вектор и^^Хк + 1) является заданием во входном векторе. Для вычисления и{к) фактически используется только Аг/(/с | /с). Остальные значения Аи(к + /1 к) отбрасываются, и новая задача оптимизации на следующем шаге к +1 решается на основе ут(к +1).

Алгоритм управления по прогнозирующей модели использует различные процедуры в зависимости от наличия ограничений. Если все границы бесконечны, то фиктивная переменная е удаляется, и задача в уравнениях (25) и (27) решается аналитически. В противном случае используется квадратичное программирование (КП). Если задача КП по каким-либо причинам становится невозможной, то используется второе значение из предыдущей оптимальной последовательности, т.е. и{к) = и(к -1) + А * и(к \ к -1).

Квадратичное программирование. Модель возмущающих воздействий в уравнениях (23) является блоком усиления (т.е. с1(к) = п^к) - белый Гауссовский шум). Обозначим:

,А<

а в, С О А

В,Е> В

С<-]р А,С] (28)

Тогда модель прогнозирования имеет вид:

х(к +1) = Ах{к) + Вии(к) + ВХк) + В^(к)\ у(к) = Сх(к) + Ог(к) + 0Л(к).

Запишем функцию оптимизации:

(29)

J(;,E) = peeг +

Дм(0) Аи(р-\) где

' »(0)

и(р-1)

Дм(0)

IV.

Ли(р-1)

>0) Яр)

К

г( 1)

Г(Р).

«( 0) и(р-1)

IV-

А О Ар)

мдамие (0)

ишйатЛр-^) \

г( 1)

г{р)

(30)

Наряду с ограничением е > 0 действуют также ограничения:

^1(1) Я1) ЛтхО) ~

УтЛР)- у(р) УпЛР)-

^1(0) и(0) «тах(0>- <»(0)

< <

«т■„(/'-О- О и(р-1) "шахСР-1)- СКЛР~ 1)

А«т;„(0)" ^С(О) Ди(0) -сСЛ 0)

Аи(р-1) -1)

Решение алгоритма. Рассмотренный алгоритм управления по прогнозирующей модели применен в системе автоматического управления мембранной установкой. Прогнозирующая модель регулятора формируется на основе модели объекта управления (1-й ступени мембранной установки), представленной в первом защищаемом положении. Задачей системы управления является стабилизация расхода фильтрата на выходе мембранной установки; управляющее воздействие - давление на входе в мембранную установку; не измеряемые возмущающие воздействия - расход промышленной воды и концентрация ее компонентов на входе в установку.

В нашем случае в задаче оптимизации имеются ограничения (предельно допустимые значения давления и скорость его изменения на входе в мембранную установку), поэтому оптимальная последовательность управляющих воздействий вычисляется при решении задачи квадратичного программирования (30) с линейными ограничениями (32).

Сравнение качества управления регулятора с прогнозирующей моделью и ПИД-регулятора для 1 -й ступени мембранной установки, включающей три последовательные группы мембранных элементов (рис. 8).

100 90 80

у

5 70

2 60 со а.

5 50

5

•в- 40

I 30

05

20 10 0

О 10 20 30 40 50 ЕО 70 80 90 100

Время,с

Рис. 8. Переходный процесс при использовании регулятора с прогнозирующей моделью и ПИД-регулятора

На представленной зависимости нужно отметить, что длительность переходного процесса и перерегулирование при использовании алгоритма управления по прогнозирующей модели на 70-80 % меньше, чем при ПИД регулировании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится новое решение актуальной для металлургической промышленности задачи - управление очистными сооружениями металлургических предприятий с использованием в производстве компонентов, извлекаемых при очистке. Основные результаты выполненных исследований: 1. Показано, что учет распределения полей концентраций реального многокомпонентного раствора в межмембранном пространстве, конвективного и диффузионного движения компонентов раствора и эффекта концентрационной поляризации в математической

-Т..... 1 -"" : Ре ■.....; -.......—■ 1 -..........-.....1---------- гулятор С _ , озирутощей -7 М/ ПИД Г"..........."'1

: проп

*и регулятор

I Г • /'

.......

я

1

/ ;

!

) : 1 1 1

модели многоступенчатой мембранной установки позволяет дать адекватное описание рабочих показателей процесса очистки в зависимости от режимных параметров.

2. Установлено, что отклонение параметров мембранной очистки, вызванных эффектом концентрационной поляризации, изменением концентраций компонентов в растворе и большим временем запаздывания может быть компенсировано в соответствии с алгоритмом управления по прогнозирующей модели.

3. Предложен способ многостадийной очистки оборотных промышленных вод сложного ионного состава, включающий стадию мембранного разделения, что позволяет использовать данное решение для очистки промышленных растворов металлургических предприятий (подана заявка на патент РФ №2009147974).

4. Технологическая схема многостадийной очистки с использованием многоступенчатой мембранной установки включена в план реконструкции очистных сооружений ЗАО «Метахим».

5. Разработанная программа управления многоступенчатой мембранной установкой, обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики системы очистки и возможность ее реализации на профильных металлургических предприятиях.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Павлов Р. Д., Steuersystem für die Abwasserreinigung von Eisenhüttenwerken mit Membranmethoden / Ю. M. Сищук // Freiberger Forschungshefte №60,2009 - c. 95-100.

2. Павлов Р. Д., Система управления очисткой сточных вод металлургических предприятий с использованием мембранных методов / Ю. В. Шариков // Записки Горного института, Т. 186, 2010 -с. 194-199.

3. Павлов Р. Д., Очистка оборотных вод металлургического производства с повышенным содержанием фосфатов / Ю. В. Шариков // Цветные металлы, №3, 2010 - с. 47 - 50.

4. Павлов Р. Д., Организация замкнутой системы водооборота на металлургических производствах с повышенным содержанием фосфатов в отработанной воде / Ю. В. Шариков // Записки Горного института, Т. 187, 2010 - с. 104-108.

20

РИЦСПГ'ГИ. 20.07.2010. 3.456 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург. 21-я линия, д.2

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Методы очистки ПВ.

1.1 Состав ПВ металлургических предприятий, характеристика основных загрязнений и методы очистки.

1.2 Механические методы очистки.

1.2.1 Тонкослойное отстаивание.

1.2.2 Фильтрация в зернистом,фильтре.

1.2.3 Фильтрация в фильтре тонкой очистки.

1.3 Химические методы очистки.

1.3.1 Нейтрализация.

1.3.2 Реагентное осаждение.

1.4 Физико-химические методы очистки.

1.4.1 Флокуляция.

1.4.2 Ионный обмен.

1.4.3 Мембранная очистка.

1.5 Обработка осадка.

1.5.1 Уплотнение осадка.

1.5.2 Обезвоживание осадка.

1.6 Схемы водоснабжения и водоотведения промышленных предприятий.

1.7 Выводы по главе.

Глава 2. Экспериментальные исследования по очистке оборотных

ПВ металлургических предприятий с повышенным содержанием фосфатов.

2.1 Обследование ЗАО «Метахим».

2.1.1 Анализ состава ПВ и ПДС.

2.1.2 Расчет необходимой производительности ОС.

2.2 Экспериментальные исследования по очистке оборотных ПВ ЗАО

Метахим».

2.2.1 Предварительная очистка.

2.2.2 Глубокая очистка.

2.3 Многоступенчатая технология очистки ПВ.

2.4 Выводы по главе.

Глава 3. Разработка модели ОУ.

3.1 Общие принципы построения моделей.

3.2 Среда моделирования МаЙаЬ.

3.3 Разработка ММ комплекса технологических процессов.

3.3.1 Взаимодействие исходной ПВ с Са(ОН)г.

3.3.2 Взаимодействие ПВ с ИаОН.

3.3.3 Взаимодействие ПВ с флокулянтом.

3.3.4 Отстаивание обработанной ПВ.

3.3.5 Фильтрация ПВ в зернистом фильтре.

3.3.6 Фильтрации ПВ в ионообменном фильтре.

3.3.7 Результаты моделирования узла предварительной очистки.

3.3.8 Смешение ПВ с фильтратом 2-й ступени ОО.

3.3.9 Нейтрализация ПВ добавлением Н2804.

3.3.10 Фильтрация ПВ в фильтре тонкой очистки.

3.3.11 Фильтрация ПВ в 1-й и 2-й ступенях ОО.

3.3.12 Результаты моделирования узла глубокой очистки.

3.4 Анализ и исследование разработанной ММ.

3.5 Выводы по главе.

Глава 4. Разработка системы управления.

4.1 Постановка задач управления.

4.2 Структура системы управления.

4.2.1 Общая структура управления ОС.

4.2.2 Структура системы управления мембранной установкой.

4.3 Синтез системы управления многоступенчатой мембранной установкой.

4.3.1 Принцип работы регулятора с прогнозирующей моделью.

4.3.2 Прогнозирующая модель.

4.3.3 Оценка состояния.

4.3.4 Задача оптимизации.

4.3.5 Квадратичное программирование.

4.3.6 Решение алгоритма управления по прогнозирующей модели.

4.4 Построение системы управления в MATLAB.

4.5 Выводы по главе.

Диссертационная работа выполнена:

• При сотрудничестве с ЗАО «Метахим» (бывший завод «Волховский алюминий», г. Волхов) - одним из крупнейших предприятий химической промышленности в России, производителем триполифосфата натрия, цемента, серной кислоты, сульфата алюминия и др., которое функционирует совместно с Волховским алюминиевым заводом (ВАЗ) были проанализированы источники промышленных вод (ПВ), усредненный состав ПВ, возможные технологические решения, разработаны требования по очищенной воде (приложение 1), требования к воде для цементного производства (приложение 2) и техническое задание на очистку ПВ ЗАО «Метахим» (приложение 3). Также принята к внедрению при реконструкции предложенная комбинированная многоступенчатая технология по очистке ПВ ЗАО «Метахим» (приложение

4).

• При сотрудничестве с ЗАО «БМТ» (Баромембранные технологии, г. Владимир) - одной из крупнейших и ведущих в России компаний по разработке, проектированию, изготовлению и внедрению оборудования водопод-готовки и очистки сточных вод с использованием мембранных нанотехноло-гий по следующим направлениям: очистка сточных вод предприятий металлургической, машиностроительной, легкой, пищевой, химической промышленности и др. На базе аттестованной аналитической лаборатории при сотрудничестве с высококвалифицированными специалистами компании ЗАО «БМТ» были проведены экспериментальные исследования по очистке ПВ ЗАО «Метахим», разработана комбинированная многоступенчатая технология очистки этой воды, рассчитана стоимость очистки 1 м3 ПВ для установки л общей производительностью 100 м /ч (приложение 5) и составлено технико-коммерческое предложение на очистные сооружения (ОС) «под ключ» (приложение 6). По разработанной технологии была подана заявка на патент (приложение 7);

• При сотрудничестве с ЗАО «Телрос» (департаментом «Системы управления», г. Санкт-Петербург) - одним из лидеров российского рынка производства и разработки телекоммуникационного оборудования, систем управления и программного обеспечения. На базе технических и программных средств автоматизации фирмы Siemens, предоставленных ЗАО «Телрос», и при сотрудничестве с высококвалифицированными специалистами сектора автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), была проведена разработка и отладка программного обеспечения (приложение 7) в рамках диссертационной работы для разработанной комбинированной многоступенчатой технологии очистки ПВ ЗАО «Метахим». По разработанному программному обеспечению была подана заявка на патент.

Актуальность работы

Одной из важных проблем гидрометаллургических технологий является уменьшение потребления воды и выбросов в окружающую среду, что может быть решено применением замкнутого водооборота. При этом наиболее трудоемкой задачей является очистка общесплавных промышленных вод, характеризующихся сложным набором загрязняющих веществ.

На большинстве предприятий системы очистки позволяют извлекать лишь взвешенные вещества методом отстаивания и часть растворенных компонентов методом реагентного осаждения, в некоторых системах очистки дополнительно используются сорбционные и ионообменные методы, позволяющие селективно извлекать определенные компоненты из раствора. Однако весь спектр растворенных веществ можно выделить только с использованием выпарки или мембранных методов. При этом выпарка является очень дорогостоящей операцией и применяется довольно редко. Большей универсальностью в отношении растворенных примесей обладают мембранные методы, эффективность работы которых значительным образом обеспечивается выбранной системой предварительной водоочистки и системой управления.

Огромный вклад в развитие и совершенствование мембранных технологий очистки внесли такие крупные специалисты как В. П. Дубяга, Ю. И.

Дытнерский, С. Ф. Тимашев, Т. Брок и др. Хорошо известны работы С. И. Лазарева, Л. Л. Муравьева в области математического моделирования и алгоритмов управления процессами мембранного разделения.

Однако традиционные системы управления мембранными установками не учитывают ряд важных особенностей мембранного разделения: концентрационную поляризацию, изменение концентраций компонентов в промышленной воде и значительное время запаздывания. В большинстве случаев эти факторы не получают должной оценки, поэтому система управления нуждается в дальнейшем развитии.

Цель диссертационной работы

Разработка технологических решений и синтез системы автоматического управления многоступенчатой мембранной установкой при многостадийной очистке промышленных вод сложного ионного состава.

Задачи исследования

• Научно-технический анализ известных способов и технологий очистки промышленных вод сложного ионного состава металлургических предприятий;

• Исследование показателей промышленных вод ЗАО «Метахим» и выбор методов управления по рабочим характеристикам очистных сооружений;

• Проведение экспериментальных исследований по разработке многостадийной очистки с использованием мембранных методов;

• Разработка математической модели процессов многостадийной очистки промышленных вод, ее идентификация и проверка на адекватность;

• Синтез системы автоматического управления мембранной установкой с использованием алгоритма управления по прогнозирующей модели.

Научная новизна работы

1. Показано, что учет распределения полей концентраций реального многокомпонентного раствора в межмембранном пространстве, конвективного и диффузионного движения компонентов раствора и эффекта концентрационной поляризации в математической модели многоступенчатой мембранной установки позволяет дать адекватное описание рабочих показателей процесса очистки в зависимости от режимных параметров.

2. Установлено, что отклонение параметров мембранной очистки, вызванных эффектом концентрационной поляризации, изменением концентраций компонентов в растворе и большим временем запаздывания может быть компенсировано в соответствии с алгоритмом управления по прогнозирующей модели.

Основные положения, выносимые на защиту

1. При построении системы автоматического управления многоступенчатой мембранной установкой рекомендуется использовать усовершенствованную математическую модель, позволяющую прогнозировать параметры мембранного разделения. При этом модель должна описывать распределение полей концентраций реального многокомпонентного раствора в межмембранном пространстве с учетом конвективного и диффузионного движения компонентов раствора и эффекта концентрационной поляризации.

2. Для реализации оптимальных режимов проведения процессов многоступенчатого мембранного разделения целесообразно использовать систему автоматического управления, основанную на алгоритме, который включает блок прогнозирования, рассчитывающий по линеаризованной модели объекта выходные параметры, и блок оптимизации, выбирающий наилучшие управляющие воздействия в соответствии с критерием оптимальности в области планирования, что позволяет улучшить качество управления по сравнению с классическим ПИД регулированием.

Практическое значение работы

1. Предложен способ многостадийной очистки оборотных промышленных вод сложного ионного состава, включающий стадию мембранного разделения, что позволяет использовать данное решение для очистки промышленных растворов металлургических предприятий (подана заявка на патент РФ №2009147974).

2. Технологическая схема многостадийной очистки с использованием многоступенчатой мембранной установки включена в план реконструкции очистных сооружений ЗАО «Метахим».

3. Разработанная программа управления многоступенчатой мембранной установкой, обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики системы очистки и возможность ее реализации на профильных металлургических предприятиях.

Методика исследований

Работа выполнена с использованием комплекса методов, включающих системный анализ задачи; патентно-информационный анализ; теоретические, натурные и компьютерные методы изучения процессов очистки оборотных промышленных вод и управления этими процессами с применением стандартного и специального программного обеспечения.

В работе также использованы методы математического моделирования и статистического анализа.

Достоверность научных результатов обосновывается значительным объемом экспериментальных данных и их соответствием теории и практики очистки растворов химико-металлургических предприятий, применением современных методов физико-химического анализа технологических продуктов, использованием адекватных математических моделей и статистических методов обработки данных с применением компьютерных технологий, а также проверкой полученных результатов на укрупненной пилотной установке.

Апробация работы

Содержание и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 3-х международных научных специализированных конференциях: в СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова в 2008-2009 г.г. и в Германии в г. Фрайберг в 2009 г.; на 4-х научных конференциях студентов и молодых ученых в СПГГИ (УТ) им. Г. В. Плеханова в 2007-2010 г.г.; научных семинарах кафедры АТПП СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2007-2010 г.г.; на научнотехнических советах по работе с аспирантами СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2007-2010 г.г.

По теме диссертации опубликованы 4 научные работы, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Личный вклад автора

Автор самостоятельно выполнил:

• Постановку задач и разработку общей методики исследований;

• Анализ современных методов очистки промышленных вод и существующих систем управления очистными сооружениями;

• Лабораторные экспериментальные исследования по очистке промышленных вод ЗАО «Метахим»;

• Математическое моделирование многостадийной очистки промышленных вод ЗАО «Метахим»;

• Синтез системы автоматического управления многоступенчатой мембранной установкой.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Содержит 176 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 124 наименований и приложения на 15 страницах.

Основные результаты выполненных исследований:

1. Показано, что учет распределения полей концентраций реального многокомпонентного раствора в межмембранном пространстве, конвективного и диффузионного движения компонентов раствора и эффекта концентрационной поляризации в математической модели многоступенчатой мембранной установки позволяет дать адекватное описание рабочих показателей процесса очистки в зависимости от режимных параметров.

2. Установлено, что отклонение параметров мембранной очистки, вызванных эффектом концентрационной поляризации, изменением концентраций компонентов в растворе и большим временем запаздывания может быть компенсировано в соответствии с алгоритмом управления по прогнозирующей модели.

3. Предложен способ многостадийной очистки оборотных промышленных вод сложного ионного состава, включающий стадию мембранного разделения, что позволяет использовать данное решение для очистки промышленных растворов металлургических предприятий (подана заявка на патент РФ №2009147974).

4. Технологическая схема многостадийной очистки с использованием многоступенчатой мембранной установки включена в план реконструкции очистных сооружений ЗАО «Метахим».

5. Разработанная программа управления многоступенчатой мембранной установкой, обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики системы очистки и возможность ее реализации на профильных металлургических предприятиях.

Заключение

Диссертационная работа представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится новое решение актуальной для металлургической промышленности задачи - управление многоступенчатой мембранной установкой, входящей в состав ОС металлургических предприятий.

1. Аксенов В. И., Ладыгичев М. Г., Ничкова И. И., Никулин В. А., Клайн С. Э., Аксенов Е. В., Водное хозяйство промышленных предприятий, справочное издание, книга 1: М.: Теплотехник, 2005 — 640 с.

2. Платэ Н.А., Мембранные технологии авангардное направление, информационно-аналитический журнал Мембраны, выпуск №1, 1999 - с. 410.

3. Иванов В. Г., Водоснабжение промышленных предприятий: СПб.: Наука, 2003 - 537 с.

4. Совет экономической взаимопомощи, ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР, Укрупненные нормы водопотребления и водоотведения для различных отраслей промышленности: М.: Стройиздат, 1978 — 590 с.

5. Алексеев JI. С., Контроль качества воды, учебник, 3-е изд., перераб. и доп.: М.: ИНФРА-М, 2004 - 154 с.

6. Яковлев С. В., Карелин Я. А., Жуков А. И., Колобанов С. К., Канализация, учебник для вузов, 5-е изд., перераб. и доп.: М.: Стройиздат, 1975 -632 с.

7. Хохрякова Е. А., Резник Я. Е., под ред. Беликова С. Е., Водоподготовка, справочник: М.: Аква-Терм, 2007 - 240 с.

8. Фрог Б. Н., Левченко А. П., Водоподготовка, учебное пособие для вузов: М.: МГУ, 1996 680 с.

9. Воронов Ю. В., Яковлев С. В., Водоотведение и очистка сточных вод, учебник для вузов: М.: Издательство Ассоциация строительных вузов, 2006 - 704 с.

10. Кульский Л. А., Булава М. Н., Гороновский И. Т., Смирнов П. И., Проектирование и расчет очистных сооружений водопроводов, 2-е изд., перераб. и доп.: Киев: Будивельник, 1972 - 424 с.

11. Карюхина Т. А., Чурбанова И. Н., Химия воды и микробиология, учебник для техникумов, 3-е изд., перераб. и доп.: М.: Стройиздат, 1995 -208 с.

12. Абрамов Н. Н., Водоснабжение, учебник для вузов: М.: Стройиздат, 1974-480 с.

13. Обыденкова С. В., Современные технологии очистки сточных вод, журнал Аква-терм, выпуск №5 (15), сентябрь 2003 — с. 37 39.

14. Малыгин Е. Н., Попов Н. С., Немтинов В. А., Егоров С. Я., Однолько В. Г., Информационный анализ и автоматизированное проектирование станций биохимической очистки, учебное пособие: Тамбов: ТГТУ, 2004-120 с.

15. Дытнерский Ю. И., Процессы и аппараты химической технологии, учебник для вузов, 2-е изд., часть 1: М.: Химия, 1995 - 400 с.

16. Гудков А. Г., Механическая очистка сточных вод, учебное пособие: -Вологда: ВоГТУ, 2003 152 с.

17. Пааль Л. Л., Кару X. А., Мельдер X. А., Справочник по очистке природных и сточных вод: М.: Высшая школа, 1994 - 336 с.

18. Когановский А. М., Клименко Н. А., Левченко Т. М., Марутовский Р. М., Рода И. Г., Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении: М.: Химия, 1983 - 288 с.

19. Малиновская Т. А., Корбинский И. А., Кирсанов О. С., Рейнфарт В. В., Разделение суспензий в химической промышленности: М.: Химия, 1983 - 264 с.

20. Солодянников В. В., Расчет и математическое моделирование процессов водоподготовки,: М.: Энергоатомиздат, 2003 - 311 с.

21. Громогласов А. А., Копылов А. С., Пильщиков А. П., Водоподготовка. Процессы и аппараты: М.: Энергоатомиздат, 1990 — 272 с.

22. Журба М. Г., Соколов Л. И., Говорова Ж. М., Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений, учебное пособие, 2-е изд., перераб. и доп., том 3: М.: АСВ, 2004-256 с.

23. ГОСТ 9179-77, Известь строительная. Технические условия, с изменениями от 30 марта 1989 г., дата введения в действие 01.01.1979.24,25