автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Система управления процессом термического обезвреживания промышленных отходов

На правах рукописи

САЖИН Вадим Александрович

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Владимир 2009

003473532

Работа выполнена на кафедре "Автоматизация и информационные системы" Дзержинского политехнического института (филиала) ГОУ ВПО "Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е.Алексеева"

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Луконин Вадим Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Веселое Олег Вениаминович

кандидат технических наук Брусов Владимир Геннадьевич

Ведущая организация ФГУП ГосНИИ "Кристалл"

(г. Дзержинск)

Защита диссертации состоится "24" июня 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.01 Владимирского государственного университета по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ауд. 211/1

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.025.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Владимирский государственный университет".

Автореферат разослан "21" мая 2009 г.

Ученый секретарь ^ Д

диссертационного совета Д 212.025.01, Р.И.Макаров

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При существующих в химической промышленности технологиях переработки сырья наряду с полезными конечными продуктами, как известно, возникают и отходы производства в виде газов, жидкостей и пыли.

Как в нашей стране, так и за рубежом проводятся исследовательские работы по изысканию оптимальных методов обезвреживания сточных вод. Выбор метода обуславливается, прежде всего, химическим составом и физическим состоянием примесей. Для большой группы промышленных сточных вод применение механического, биохимического, физико-химических и других методов очистки зачастую не дает положительных результатов. Особенно затруднительна очистка сточных вод с большим набором и высокой концентрацией органических веществ. В этих случаях применяются термические методы обезвреживания, заключающиеся в окислении при повышенной температуре органических примесей с образованием нетоксических соединений.

Из термических методов обезвреживания промышленных стоков наиболее универсальным, надежным и эффективным является огневой метод. Для огневого обезвреживания сточных вод применяются шахтные, камерные, барабанные вращающиеся, циклонные печи, топки котельных агрегатов и другие. В настоящее время практически на всех крупных химических предприятиях имеются установки по сжиганию отходов.

Изучены труды в области автоматизации Балакирева B.C., Коростелева В.Ф., Кострова A.B., Макарова Р.И., Егорова И.Н., Воронова A.A., Кобзева, A.A., Бессекерского В.А., Веселова О.В. и других учёных. Однако вопросы автоматизации термического обезвреживания промышленных отходов с коррекцией системы управления по результатам многокомпонентного контроля параметров дымовых газов изучены недостаточно.

Учитывая это, следует считать задачу по разработке систем управления процессом термического обезвреживания промышленных отходов актуальной.

Целью диссертационной работы является повышение экологической безопасности окружающей среды и производственного персонала путем создания эффективной системы управления процесса сжигания промышленных отходов.

Для достижения поставленной цели сформированы и решены следующие задачи:

1. Выявлены типы топливосжигающих систем и приведена их классификация.

2. Предложена и исследована структура системы управления с двумя контурами коррекции по результатам анализа дымовых газов.

3. Разработаны и исследованы математические модели контуров коррекции.

4. Выполнена оптимизация температурного режим сжигания отходов, предложен и исследован обобщенный критерий оптимизации.

Методы исследования. В диссертации научные исследования основаны на методах математического моделирования, математической статистики, методов сеточной аппроксимации при широком использовании программно-математического инструментария.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Предложена двухконтурная система коррекции процесса сжигания промышленных отходов на основе высокочувствительного масс-спектрометрического контроля параметров дымовых газов, позволившая обеспечить экологичность, безопасность и экономичность процесса [а.с. № 2009118582 от 28.04.09].

2. Предложены математические модели контуров коррекции системы управления, позволившие минимизировать влияние экологически опасных компонентов с обеспечением минимума остаточного кислорода в дымовых газах.

3. Предложен алгоритм оптимизации системы управления, позволивший обеспечить минимальное превышение количества вредных выбросов при переходе системы в новый режим управления температурой процесса сжигания.

Практическая значимость и реализация результатов работы. В диссертационной работе разработана система управления процессом термического обезвреживания промышленных отходов с двухконтурной коррекцией по параметрам дымовых газов.

Разработанная система управления внедрена на ФГУП «НИИ Полимеров» (г. Дзержинска). Результаты данной работы могут быть использованы на многих предприятиях химической и нефтехимической отраслей.

Диссертационные материалы используются в учебном процессе в рамках дисциплины «Автоматизация процессов и производств» и «Интегрированные системы управления» Дзержинского политехнического института Нижегородского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на V Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (Н.Новгород, 2006г.), на VI Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (Москва, 2007г.), на VII Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (Москва, 2008г.), на XVIII Всероссийской научно-технической конференции (Нижний Новгород, 2008г.), на Международной конференции «Фундаментальные и прикладные исследования» (РАЕ, 2009г.), на VIII Международной научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (Москва, 2008г.), на Международной конференции «Математические методы в технике и технологии» (Псков, 2009), на Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» (Нижний Новгород, 2009г.).

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 24 печатных работ, в т.ч. 10 статей, из которых 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получено положительное решение о выдаче патента № 2009118582 от 28.04.09.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Результаты анализа процесса термического обезвреживания промышленных отходов как объекта управления, показавшие необходимость оптимизации температурного режима

2. Математические модели контуров коррекции системы управления процесса термического обезвреживания промышленных отходов, подтверждающие обоснованность направления по обеспечению экологической безопасности.

3. Результаты математического моделирования и оптимизации системы управления с выбором обобщенного критерия оптимизации.

4. Результаты исследования управляемости и наблюдаемости системы управления.

5. Обобщенная структура технических средств и программного обеспечения системы управления процессом обезвреживания промышленных отходов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 104 наименования, приложения. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и основные задачи исследования, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, обоснована их достоверность, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, даётся краткое содержание диссертационной работы, приведены научные международные конференции, на которых докладывались и обсуждались результаты работы.

В первой главе диссертационной работы выполнен анализ технологического процесса термического обезвреживания промышленных отходов, как объекта управления. Показано, что исследуемый технологический процесс является достаточно сложным объектом управления, которому характерны высокие уровни контролируемых и неконтролируемых возмущений.

Определён выходной качественный параметр - температура сжигания отходов (Тс). Получено адекватное, удобное для исследования, структурное представление технологического процесса, в котором нашла отражение вся совокупность выходных контролируемых и неконтролируемых воздействий, а вход и выход объекта сведены к нескольким векторам (рис. 1). На основе

тК„

Объект

т * 1Ш - управления

о2

К.

анализа состояния проблемы

автоматизации процесса обоснована актуальность создания эффективной САУ, адекватной технологическому процессу. Поставлена задача исследования технологического процесса как объекта управления с целью создания его математической модели для синтеза оптимальной системы управления и её анализа на основе учёта особенностей объекта управления.

Определён перечень решаемых задач для достижения поставленной

цели.

Во второй главе выполнен анализ систем управления процессом термического обезвреживания промышленных отходов и предложен многоконтурный вариант коррекции процесса управления по результатам выходного контроля потенциально опасных компонентов в дымовых газах (N0, СО, Б02 и др.) и остаточного кислорода (рис. 2).

Рис. 1. Объект управления и его базовые параметры

I___ J

Рис. 2. Многоконтурная система управления процессом обезвреживания промышленных отходов

Математическая модель процесса сжигания органических примесей может быть представлена как:

с1С Р

V = —- С • С - К • • С - • Со' • ехр(——) (1)

Л М, ' ' ' °2 У ИГ '

где / - номер компонента органических примесей в стоках, / = 1,2,..., т\ С, -концентрация /-го компонента; - количество /-го компонента, подаваемого на сжигание; М1 - молекулярная масса /-го компонента; (7 - выходной расход дымовых газов; к, - предэкспоненциальный множитель; СЦ - концентрация кислорода в зоне контроля; n¡ - показатель степени; Е/ - энергия активации горения /-го компонента.

В стационарном режиме работы установки содержание органических примесей в реакционном объеме и в выходящих дымовых газах можно определить из уравнения статики объекта:

в + У-к, - С'" -ехр(--'-)

, о, ^ КТ>

м,

или

С7 + у-к,-с:

• ехр(——)

н яг

(2)

(3)

При изменении состава обезвреживаемых отходов {Fi.Fi.....Р„, -

поступление вредных веществ на сжигание) устанавливается температура окисления органических примесей, при которой содержание примесей в печи сжигания и, следовательно, в дымовых газах не превышает установленные значения.

Вторым важнейшим фактором, который обеспечивается системой диагностики и управления, является экономичность процесса.

Задачу минимизации остаточного кислорода решает контур коррекции подачи воздуха в печь по содержанию кислорода в дымовых газах.

Первоначально задание регулятору подачи воздуха в печь устанавливается с использованием математической модели процесса окисления (баланс по кислороду):

у._

Л

2 М

лгл ч

~Г-1*,.СгС£-ех Р(--Ч (4)

К1

Здесь уо2 - содержание кислорода в атмосферном воздухе.

В стационарном режиме имеем следующее уравнение для определения необходимой подачи воздуха при допустимом содержании кислорода и органических примесей в дымовых газах:

М F Я"

- + С-С„1+Г-^-С<-С;-ех р(-А-)

воэд

у°>

2-

(5)

.мети

Корректировка задания осуществляется по фактическому содержанию кислорода в дымовых газах.

Математические модели связей между выходными и входными параметрами системы получены методами регрессионного анализа на основе имеющихся статистических данных.

В результате получены статические характеристики по нескольким каналам объекта управления.

Полученные уравнения регрессии составляют математическую модель статики системы очистки стоков производства.

Динамические характеристики по разным каналам управления в работе получены исходя из анализа математических моделей контуров коррекции.

В третьей главе выполнена Техническая задача оптимизации системы и разработан алгоритм оптимального управления процессом.

Поведение объекта управления описывает система дифференциальных уравнений:

йС. /•) йС: .... , _ ,,,

—=—'----'--№¡,1 = 1,2.....п (6)

л му V

_ ^возд ' Уо2 аСа2 ^ ^мет у1 цг (п\

Л Мо2У V ммепу й '

^Т _ Рвых ' ^пых -р | I ^мет ' ^мет ^ У. ' ^ ^возд ' Я возд 1 у

Л К' \ыхРем \V-ScmPc» У^смРсм У ■ Я«,Рем | " ,оч

„ V") , ^мет " Нмет | -^//20 ' НН20 V ' ^ см Рем ** СМ РСМ V ' 3см Рем

Это нелинейный стационарный объект управления.

Здесь: С,, Со2 , Т - переменные состояния системы, Х(1), / = 1, 2,..., п; Реозд, ^мет - управляющие воздействия, 1/(0, V, <? - проектные (конструкционные) параметры объекта,/?, Тю - возмущающие воздействия.

Задача оптимального управления - установить траекторию переходного процесса от Тнач до Ткон так, чтобы обеспечить минимальное превышение количества вредных выбросов при переходе системы в новый режим управления температурой.

При решении задачи следует учесть ограничения на управление, связанные с ограниченностью ресурсов:

возд тт — ^'возд — ^ возд тах,

и ограничения на траекторию переходного процесса:

С о 2 min — С02 — Со2 тах.

Заданы также граничные условия:

- начальное состояние системы (начало траектории управления), С,„0,,

Со2начг Тнач.

- конечное состояние задано требуемой температурой сжигания отходов Ткон и ограничениями на С>ко„ < С,"ор" и Со2кон < Со2"орм.

Оптимальное управление в данном случае есть выбор траектории изменения температуры, обеспечивающий min критерия оптимизации.

При определении параметров вместо дифференциальных уравнений, описывающих изменение концентраций органики и кислорода в реакционной смеси, можно использовать уравнения статики этих процессов. В этом случае поведение объекта управления описывается одним дифференциальным уравнением.

dj^___^вых ' seux 7" ф J ^мет 'SMem ^ X/^V 'si ^возО 's вон) (у ^

dt V-smxpa, {V-s^Pc V-sCMpCM V ■ sCAIpa ' ®

, Fметмет , Морг11И1 ' Wi FH20 ' НH2Q У ' scmPcm s см Рем У ' scmPcm

а другие переменные состояния (С/ и Со2) описываются уравнениями статики объекта управления:

С'=77-{С + ^Ь'=>>2,...,и (9)

м;

и GCo2 + 2-^- + vfWi - F"0'ld 'Го2 = 0 (10)

Ммет /=1 Мо2

Так как fVt = kt Q С0г" ехр(- E/RT) - существенно нелинейная функция переменных состояния объекта (здесь Щ - скорость реакции горения примесей), то после её линеаризации в окрестности начального состояния траектории переходного процесса разложением в ряд Фурье до члена ряда первой степени и необходимых алгебраических преобразований получим W-, как линейную функцию переменных состояния объекта: С„ С02 и Т.

f ■ • . Е

IV ~}гт Г 4. И,Г" Гт~' Г л. Г Ст 1 Т

"/ ~ I ^о2нач*-1 т '"^iнач^о2нач^о2 т нач^о2нач 2

Е:

iнач1^о2нач ^нач^"о2мач

RT

Л1нач _

(И)

¿,.ехр(-£,/ЛТ)

При этом вычислительные процедуры по поиску траектории оптимального переходного процесса будут существенно упрощены.

В качестве критерия оптимальности процесса управления могут быть выбраны различные технические, экологические или экономические показатели. Обоснование выбора критерия определяется конкретными условиями работы объекта управления, конкретными технико-экономическими условиями производства.

Целесообразно использовать комплексный показатель качества управления процессом в переходных режимах

Однако этот показатель одинаково не допускает отклонения от нормы в обе стороны. В нашем случае заданы односторонние ограничения на

переменные состояния системы. В виду этого использование критерия в таком виде не целесообразно.

В работе использован обобщенный критерий оптимизации в виде так называемой функции желательности, О. Перевод показателей в шкалу желательности производится с помощью преобразования: 4 = ехр{-ехр[6,/С, -Сшор*)]}, где коэффициенты Ь, определяются для каждого показателя по контрольным точкам шкалы желательности с учетом важности отдельных показателей, если это необходимо.

Обобщенная функция желательности, Д формируется как среднее геометрическое из частных показателей, с!,:

и критерий оптимизации записывается в виде:

(п Т1'"

Ь =|Пехр{-ехр[ь,(С,.-С,.ноя„)1| (12)

Как среднее геометрическое данный критерий имеет достаточно высокую чувствительность к изменениям каждого частного показателя, входящего в обобщенный показатель. Кроме этого данный обобщенный показатель характеризует состав дымовых газов в каждой точке переходного процесса.

Упреждая решение задачи оптимального управления, важно оценить управляемость и наблюдаемость системы, убедиться имеет ли решение поставленная задача и возможен ли в принципе перевод состояния системы обезвреживания отходов из точки Х<> в точку X,.

В случае синтеза оптимального управления для установки обезвреживания отходов производства акрилатов имеем:

Х(0 = (С/, С2, С3, С„2, Т) - вектор параметров состояния системы размерности равной 5, где С/ - концентрация а- оксиизобутирата в печи и в дымовых газах, С? - концентрация метакриловой кислоты (МАК), С} -концентрация метилметакрилата (ММА), Со2- содержание кислорода в печи и в дымовых газах, Т- температура в печи сжигания отходов;

Щ) = (Рмет, ) - вектор управления, причем координаты этого вектора: Ртт - подача топлива в печь и Реозд - подача воздуха в печь не являются независимыми, они связаны между собой - в простом случае линейной зависимостью: = Я Рмст, где Я - коэффициент избытка воздуха, подаваемого в печь.

Линеаризованную математическую модель объекта управления можно в общем виде записать как:

^¡р- = 4оС,(0+В|0со2(г) 4- О|0Г(0 + -5- + *|0 (13)

ш МХУ

^)=ЛоС2(0 + й20Со2(0 + 020Г(0 + -^- + Л20 (14)

т М->¥

= A30C3(t) + B30Co2(t) + D30T(t) + -Ь- + ¿зо (15)

dt M3V

dCol(t)

dt

= AiCl(t)+ A2C2(t) + A3C3(t) + Bo2Co2(t) + Do2T(t)-

p p # y

2 мет *eoid ' i oí

MMemV Mo2V 02 -T(t)- = Airq (t) + A2TC2(t) + A3TC3(t) + BTCo2(t) + DTm +

dt

'--1--:--t-Kj-

^ ■ s см Рем V ' sсм Рем

^мет ^мет ^возд^возд ^вх ^

(16)

(17)

Здесь коэффициенты перед параметрами в правой части системы уравнений есть величины действительные и постоянные, представляющие собой алгебраические комбинации ненулевых коэффициентов исходной не линеаризованной модели системы.

Вполне управляемой будет система, описываемая математической моделью:

= AXTC\(t) + A2TC2{t) + A3TC3{t) + BTCo2{t) + DTT{t) + F И F * T

гметп мет вид** воздвх ^ ^ ^ ' scmPcm V ' scmPcm

= AQ(0 + A2C2(t) + A3C3(t) + Bo2Co2(t) + Do7T(t) -

F F .y ^

— 2 мет ^ * возд 7o2 £

MMemv Mo2v 02

включающей два дифференциальных уравнения (тепловой баланс и баланс по кислороду) для расчета двух управляемых параметров состояния системы: температуры в печи сжигания (7) и содержание кислорода в печи и в дымовых газах (Сог), а также систему алгебраических уравнений для расчета зависимых параметров состояния системы: содержания а-оксиизобутирата (С;), метакриловой кислоты (С2) и метилметакрилата (С3) в дымовых газах:

С, (О—1/АЮ\ВЮСО2 (О + ДоДО+^р + Л

С2(0 = -М А2Л В20Со2(0 + D20T(t) + —+ к

M2V

20

(20)

С3(/) = -1/Л:

'30

В30Со2 (О + D}0T(t) + —2- + fc

M3F

30

В данной ситуации проблема управляемости формулируется следующим образом: управление 0(0 - (Ршп, способно перевести систему из

некоторого начального состояния Хо = (1°, С„2.) в любое заданное состояние ЛО = (Т', С0/,) в пределах установленных ограничений (в множестве допустимых управлений) за конечный промежуток времени (1п, I)).

Рассмотрим полученную выше управляемую систему с позиции наблюдаемости.

Для математической модели установки сжигания отходов производства акрилатов имеем:

А =

DT

Д

о2

В-р Во 2

н~

( и п мет с Т ° возд вх

В Vs см Рем VSCMPcm

-2 У02

[мтту Мо2У

'D\oIA\o B,0'Aio

D20/A20 ^20 ! ^20

yD30/A30 Взо^зоу

(21)

В данном случае вектор переменных состояния X(t) - (Г, C0¡), вектор управления U(t) = (FMem, Fm]á) и вектор наблюдения со - (С/, С2, Сз). После преобразований получим матрицу:

Дп / A¡q

[нт\АтНт

]-

'ю' В,а/Аи

^20 I ^20

В20/ A2q

Dio I ^зо 530 ^ ^зо

Sil Sl2 1,3

,u (22)

JI0'/,I0 ы20'л20 °30'л30 I 2. 2^22 £ 23 J

с размером (2 х 6). Ранг этой матрицы равен 2, rank [Нт\ АТНТ] = 2, т.е. имеем вполне наблюдаемую систему.

Следовательно, полученная вполне управляемая и наблюдаемая система пригодна для синтеза оптимального управления.

В случае оптимизации управления установкой сжигания органических отходов производства акрилатов задачу математического программирования можно сформулировать следующим образом:

Найти допустимое управление 1/(1), обеспечивающее минимум критерию оптимизации:

3 , I/я

(23)

при соответствующих ограничениях.

Для решения поставленной в таком виде задачи математического программирования можно применять стандартные приемы поиска экстремума.

Разработан общий алгоритм оптимизации процесса управления системой термического обезвреживания промышленных отходов.

На основе предложенной методики и алгоритма оптимизации приводится два варианта расчёта переходного процесса при возмущающем воздействии -подачи органических отходов на обезвреживании. Первый вариант - это расчёт необходимой температуры в печи и установка соответствующего задания ПИ-регулятору температуры. Второй вариант - реализация предлагаемого алгоритма оптимального управления температурой процесса. Для оценки качества управления в обоих вариантах использован обобщённый критерий качества - функция желательности. При изменении подачи органики на сжигание устанавливается расход топлива, соответствующий максимально допустимой температуре сжигания отходов и затем расход природного газа корректируется по мере достижения содержания органических отходов в дымовых газах нормативного значения. На рисунках 3, 4 показаны переходные процессы для обоих вариантов управления. Видно, что в случае оптимального управления время переходного процесса снижается.

-»-ОРГ +20%

-»-ОРГ+ЗО%

-л—ОРГ+40%

0,2 0,4 0,6 0,8 Время, час

Рис. 3. Динамика качества управления ПИ-регулятором

О 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 Время, час

Рис. 4. Динамика критерия качества оптимального управления

На рисунке 3 оказана динамика критерия качества при управлении температуры ПИ-регулятором, а на рисунке 4 представлена динамика качества управления при оптимальном управлении.

Как видно из приведённых графиков время переходного процесса снижается (в 8 - 10 раз). Это весомый результат, достигнутый за счёт оптимизации процесса термического обезвреживания отходов производства.

В четвёртой главе «Управление процессом термического обезвреживания отходов» приведён результат разработки системы управления процессом термического обезвреживания отходов, создан программно-технический комплекс на базе микропроцессорного контроллера Бтайс БМ-400, разработано программное обеспечение системы управления, включающее два уровня: уровень контроллера и уровень среды визуализации. В работе приводится также структура подсистем программного обеспечения.

Выполнен расчёт настроек регулятора.

Оптимальная система управления процессом термического обезвреживания промышленных отходов испытана на опытном заводе ФГУП «НИИ Полимеров им. В.А. Каргина» и передана для дальнейшей эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен анализ топливосжигающих установок для термического обезвреживания промышленных отходов, выявлены их области применения и проведена классификация установок.

2. Разработана система управления процессом обезвреживания отходов с двумя контурами коррекции системы управления по результатам анализа параметров дымовых газов, в том числе остаточного кислорода.

3. Разработаны математические модели контуров коррекции системы управления по результатам контроля параметров дымовых газов.

4. Разработан алгоритм постановки технической задачи оптимизации системы и сформулирован общий подход оптимизации системы управления установки обезвреживания отходов.

5. Решена задача оптимального управления переходным процессом изменения температуры в печи как основного параметра установки на основе анализа дифференциальных уравнений, характеризующих динамику процесса, и уравнений статики, учитывающие особенности процесса сжигания топлива.

6. На основе анализа различных критериев качества управления предложено использовать в качестве комбинированного критерия оптимизации обобщённую функцию желательности.

7. Разработан программно-технический комплекс и предложен алгоритм взаимодействия программного обеспечения микропроцессорного контроллера, станции оператора и аналитического блока.

8. Разработанная система управления процессом термического обезвреживания промышленных отходов испытана с положительным результатом на опытном производстве ФГУП «НИИ Полимеров им. В.А. Каргина». Концентрация опасных компонентов дымовых газов не превышает 110 мг/м3, концентрация остаточного кислорода составляет 15 мг/м3, что в два раза меньше критических значений этих компонентов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В

РАБОТАХ

В рецензируемых журналах из списка ВАК

1. Сажин В.А. Процесс термического обезвреживания сточных вод и жидких отходов как объект управления / В.А. Сажин, В.П. Луконин // Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика. 2008. №1. (доля соискателя -80 %).

2. Сажин В.А. Исследование статических характеристик установки по термическому обезвреживанию жидких органических отходов / В.А. Сажин, В.П. Луконин // Контроль и диагностика. 2008. №7. (доля соискателя - 80 %).

В трудах Международных и Всероссийских конференций, зачитываемых ВАК при защите диссертаций (Постановление Правительства РФ N¡227 от

20.04.06, п. 11)

3.Сажин В.А. Диагностика процесса термического обезвреживания сточных вод и жидких органических отходов / В.А. Сажин. - В кн.: Сборник докл. VI Международной конференции. - М., май 2007.

4. Сажин В.А. Диагностический многоконтурный комплекс по обезвреживанию промышленных отходов / В.А. Сажин. - В кн.: Сборник докл. VII Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика». Н.-Новгород. Март 2008.

5. Сажин В.П. Математическая модель контура коррекции системы управления процессом сжигания отходов и минимизация потенциально опасных компонентов / В.А. Сажин. - В кн.: Сборник докл. XVIII Всероссийской конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика». Н.-Новгород. Сентябрь 2008.

6. Сажин В.А. Исследование диагностического корректирующего контура системы управления процессом термического обезвреживания отходов / В.А. Сажин. - В кн.: Сборник докл. VIII Международной конференции «Неразрушающий контроль и диагностика». Москва. Март 2009.

7. Сажин В.А. Создание систем управления процессом обезвреживания отходов / В.А. Сажин. - В кн.: Сборник докл. Международной конференции «Фундаментальные и прикладные исследования. РАЕ». 2009.

8. Сажин В.А. Оптимизация систем управления процессом термического обезвреживания отходов / В.А. Сажин. - В кн.: Сборник докл. Международной конференции «Математические методы в технике и технологии». Псков. 2009.

9. Сажин В.А. Оптимизация информационной системы коррекции температуры в печи сжигания отходов / В.А. Сажин. - В кн.: Сборник докл. Международной конференции «Информационные системы и технологии». Н.Новгород. 2009.

10. Сажин В.А. Анализ управляемости и наблюдаемости системы управления обезвреживания отходов / В.А. Сажин - В кн.: Сборник докл. Международной конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века». Воронеж. 2009.

11. Сажин В.А. Сенсорные преобразователи для контроля влажности газов / В.А. Сажин // Будущее технической науки: Тезисы докладов III молодежной научно-технической конференции, Н. Новгород, 2004.

12. Сажин В.А. Автоматизация производства алкидного лака / В.А. Сажин // Будущее технической науки: Тезисы докладов IV молодежной научно-технической конференции, Н. Новгород, 2005.

13. Сажин В.А. Газоаналитические приборы оптимизации работы топливосжигающих установок / В.А. Сажин // Будущее технической науки: Тезисы докладов V молодежной научно-технической конференции, Н. Новгород, 2006.

14. Сажин В.А. Программные аспекты реализации алгоритмов управления процессом термического обезвреживания отходов / В.А. Сажин - Будущее технической науки: Тезисы докладов V молодежной научно-технической конференции, Н. Новгород. 2009.

15. Сажин В.А. Анализ управляемости и наблюдаемости системы термического обезвреживания производственных отходов / В.А. Сажин, В.П. Луконин - В кн.: Сборник докл. Международной конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века», Воронеж. 2009.

В других изданиях

16. Сажин В.А. Задачи оптимизации работы топливосжигающих установок и их систем управления / В.А. Сажин // Успехи современного естествознания. 2007. №1.

17. Сажин В.А. Обзор топливосжигающих установок / В.А. Сажин // Успехи современного естествознания. 2007. №1.

18. Сажин В.А. Выходной контроль топливосжигающих установок / В.А. Сажин // Фундаментальные исследования. 2007. №7.

19. Сажин В.А. Анализ статических характеристик системы управления процессом сжигания отходов // Успехи современного естествознания. 2008. №3.

20. Сажин В.А. Управление процессом термического обезвреживания сточных вод и жидких отходов / В.А. Сажин // Успехи современного естествознания. 2008. №3.

21. Сажин В.А. Математическая модель контура коррекции системы управления процессом сжигания отходов / В.А. Сажин, В.П. Луконин // Микропроцессорные контроллеры и АСУ. 2008. №10. С. 24-25.

22. Сажин В.А., Луконин В.П. Автоматизированный диагностический комплекс по обезвреживанию промышленных отходов / В.А. Сажин, В.П. Луконин // В мире измерений. 2009. №4.

23. Сажин В.А. Анализ отечественных и зарубежных топливосжигающих установок / В.А. Сажин, Луконин В.П. //Лифт. 2009. Ns 4.

24. Сажин В.А. Положительное решение о выдаче патента № 2009118582 от 28.04.09.

Подписано в печать 15.05.2009. Формат 60 х 84 11\(,. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 341.

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

Введение.

Глава А. Состояние проблемы автоматизации процесса термического обезвреживания жидких горючих отходов на промышленных предприятиях.

1.1 Обзор отечественных и зарубежных разработок в области управления топливосжигающими установками по обезвреживанию отходов производств.

1.2 Анализ технологического процесса термического обезвреживания промышленных отходов.

1.3 Процесс термического обезвреживания сточных вод и жидких отходов как объект управления.

1.4 Постановка задач исследования.

Выводы.

Глава 2. Синтез системы управления процессом обезвреживания промышленных стоков.

2.1 Анализ многоконтурной системы управления процессом обезвреживания стоков с коррекцией по возмущающим воздействиям.

2.2 Идентификация технологического процесса обезвреживания жидких отходов производства метакриловых мономеров.

2.3 Математическая модель контуров коррекции системы управления с обеспечением минимизации экологически опасных компонентов на выходе установки.

2.4 Математическая модель контуров коррекции системы управления при обеспечении минимизации остаточного кислорода в дымовых газах

Выводы.

Глава 3. Оптимизация автоматической системы управления процессом обезвреживания жидких органических отходов.

3.1 Общая постановка задачи оптимизации системы управления.

3.2 Обоснование выбора критерия качества управления.

3.3 Анализ управляемости и наблюдаемости системы.

3.4 Общее решение и алгоритм задачи оптимального управления.

Выводы.

Глава 4. Управление процессом термического обезвреживания промышленных отходов.

4.1 Разработка алгоритма системы управления.

4.1.1 Описание технологического процесса обезвреживания жидких горючих отходов и его особенностей.

4.1.2 Схема автоматизации процесса обезвреживания отходов и алгоритм управления.

4.1.3 Программно-технический комплекс.

4.1.4 Программные аспекты алгоритмов управления процессом термического обезвреживания отходов.

4.2 Расчёт настроек автоматического регулятора.

4.3 Перспективы развития систем управления процессом сжигания отходов.

При существующих в химической промышленности технологиях переработки сырья наряду с полезными конечными продуктами, как известно, вырабатываются и отходы производства в виде газов, жидкостей и пыли.

Как в нашей стране, так и за рубежом проводятся исследовательские работы по изысканию оптимальных методов обезвреживания сточных вод. Выбор метода обуславливается, прежде всего, химическим составом и физическим состоянием примесей. Для большой группы промышленных сточных вод применение механического, биохимического, физико-химических и других методов очистки зачастую не дает положительных результатов. Особенно затруднительна очистка сточных вод с большим набором и высокой концентрацией органических веществ.

Так, метилакрилат и акриловометиловый спирт (СН2=СНСООСН3) -легковоспламеняющаяся жидкость, обладающая наркотическими свойствами. У

Молярный вес 86,09, плотность 955 кг/м , температура кипения 80,5 °С. Предельно допустимая концентрация в воздухе производственных помещений 5 мг/м3. Опасными свойствами обладает также бутилакрилат и другие отходы химических предприятий.

В этих случаях применяются термические методы обезвреживания, заключающиеся в окислении при повышенной температуре органических примесей сточной воды с образованием нетоксических соединений С02, Н20, N2.

Из термических методов обезвреживания промышленных стоков наиболее универсальным, надежным и эффективным является огневой метод.

Для огневого обезвреживания сточных вод применяются шахтные, камерные, барабанные вращающиеся, циклонные печи, топки котельных агрегатов и другие.

На начальном этапе развития огневого метода специальные топочные устройства для обезвреживания сточных вод не разрабатывались. В настоящее время практически на всех крупных химических предприятиях имеются установки по сжиганию отходов.

Простейшим специальным устройством для огневого обезвреживания сточных вод является камерная печь, оборудованная горелочными устройствами для сжигания жидкого или газообразного топлива и форсунками для распыливания сточной воды. Сточная вода в распыленном состоянии вводится в высокотемпературные (более 1000° С) продукты горения органического топлива. При этом капли воды полностью испаряются, токсические органические примеси подвергаются термическому разложению и окислению за счет кислорода печной атмосферы, образуя продукты полного сгорания. Содержащиеся в сточной воде минеральные примеси образуют твердые или расплавленные частицы, которые улавливаются в пределах рабочей камеры и выводятся из нее в виде расплава или уносятся с дымовыми газами.

Возможность полного превращения токсических органических составляющих при высоких температурах в безвредные продукты полного ; горения обусловливает высокую надежность (санитарно-гигиеническую эффективность) огневого метода обезвреживания сточных вод. Эта возможность реализуется при обеспечении определенных режимных параметров процесса — температурного уровня в рабочей камере, удельной нагрузки объема, уровня турбулентности, дисперсности распыливания сточных вод и других.

В настоящей работе ставилось целью рассмотреть основные закономерности процесса огневого обезвреживания промышленных сточных вод и жидких горючих отходов в камерных печах, систематизировать и обобщить опыт огневого обезвреживания некоторых типов сточных вод, содержащих различные классы органических примесей, построить математическую модель объекта и на ее основе разработать систему автоматизации и управления процессом термообезвреживания жидких отходов для топливосжигающих установок с целью повышения эффективности ведения процесса, поскольку в условиях современной экологической ситуации проблема защиты окружающей среды тесно связана с проблемой оптимизации процесса горения.

Изучены труды в области автоматизации Балакирева B.C., Коростелева В.Ф., Кострова А.В., Макарова Р.И., Егорова И.Н., Воронова А.А., Кобзева, А.А., Бессекерского В.А., Веселова О.В. и других учёных. Однако вопросы автоматизации термического обезвреживания промышленных отходов с коррекцией системы управления по результатам многокомпонентного контроля параметров дымовых газов изучены недостаточно.

Учитывая эти факторы, следует считать задачу по разработке систем управления процессом термического обезвреживания отходов весьма актуальной.

Целью диссертационной работы является повышение экологической безопасности окружающей среды и производственного персонала путем создания эффективной системы управления процесса сжигания промышленных отходов.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Выявлены типы топливосжигающих систем и приведена их классификация.

2. Предложена и исследована структура системы управления с двумя контурами коррекции по результатам анализа дымовых газов.

3. Разработаны и исследованы математические модели контуров коррекции.

4. По результатам математических исследований получено уравнение линейной стационарной модели для задачи оптимизации процесса управления и предложен и исследован обобщенный критерий оптимизации.

Методы исследования. В диссертации научные исследования основаны на методах математического моделирования с системным подходом к анализу и оптимизации управления объектом при широком использовании программно-математического инструментария.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Предложена двухконтурная система коррекции процесса сжигания промышленных отходов на основе высокочувствительного масс-спектрометрического контроля параметров дымовых газов, позволившая обеспечить экологичность, безопасность и экономичность процесса [а.с. № 2009118582 от 09.04.09].

2. Предложены математические модели контуров коррекции системы управления, позволившие минимизировать влияние экологически опасных компонентов с обеспечением минимума остаточного кислорода в дымовых газах.

3. Предложен алгоритм оптимизации системы управления, позволивший обеспечить минимальное превышение количества вредных выбросов при переходе системы в новый режим управления температурой процесса сжигания.

4. Выявлены управляемость и наблюдаемость системы обезвреживания отходов, позволившие обеспечить оптимальное управление процессом.

Практическая значимость и реализация результатов работы. В диссертационной работе разработана система управления процессом термического обезвреживания промышленных отходов с двухконтурной коррекцией по параметрам дымовых газов.

Разработанная система управления внедрена на ФГУП «Нии полимеров». Результаты данной работы могут быть использованы на многих предприятиях химической и нефтехимической отраслей.

Диссертационные материалы используются в учебном процессе в рамках дисциплины «Автоматизация процессов и производств» и «Интегрированные системы управления» Дзержинского политехнического института Нижегородского государственного технического университета.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на V Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (Н.Новгород, 2006г.), на VI Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (Москва, 2007г.), на VII Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (Москва, 2008г.), на XVIII Всероссийской научно-технической конференции (Нижний Новгород, 2008г.), на Международной конференции «Фундаментальные и прикладные исследования» (РАЕ, 2009г.), на VIII Международной научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (Москва, 2008г.), на Международной конференции «Математические методы в технике и технологии» (Псков, 2009), на Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» (Нижний Новгород, 2009г.).

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 24 печатных работ, в т.ч. 10 статей, из которых 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получено положительное решение о выдаче патента № 2009118582 от 09.04.09.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Результаты анализа процесса термического обезвреживания промышленных отходов как объекта управления.

2. Математические модели контуров коррекции системы управления процесса термического обезвреживания промышленных отходов, подтверждающие обоснованность направления по обеспечению экологической безопасности.

3. Результаты математического моделирования оптимизации системы управления и выбора обобщенного критерия оптимизации.

4. Результаты исследования управляемости и наблюдаемости системы управления.

5. Обобщенная структура технических средств и программного обеспечении системы управления процессом обезвреживания промышленных отходов.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи диссертационной работы.

В первой главе «Состояние проблемы автоматизации процесса термического обезвреживания жидких горючих отходов на промышленных предприятиях» выполнен анализ и классификация топливосжигающих установок и уровень их автоматизации. Установлено, что в большинстве топливосжигающих установок отсутствуют подходы по оптимизации системы управления, основанной на математическом моделировании. Анализ показал необходимость создания двухконтурной системы коррекции по результатам анализа дымовых газов. В ходе работы установлена взаимосвязь основных входных, выходных и неконтролируемых параметров, сформулированы задачи исследования.

Вторая глава «Синтез системы управления процессом обезвреживания промышленных отходов» посвящена анализу многоконтурной системы управления процесса обезвреживания отходов и задаче идентификации технологического процесса термического обезвреживания промышленных отходов. Предложены и исследованы математические модели контуров коррекции системы управления с обеспечением минимизации экологически опасных компонентов и остаточного кислорода в дымовых газах.

Третья глава «Оптимизация автоматической системы управления процессом обезвреживания отходов». В процессе сжигания отходов изменение их количества происходит скачкообразно. При этом система должна изменить задание регулятору температуры в печи, чтобы обеспечить режим сжигания нового количества примесей до безопасного состава дымовых газов. Задача оптимального управления состоит в установлении траектории переходного процесса от Тнач до Ткоп так, чтобы обеспечить минимальное превышение количества вредных выбросов. В работе предложен обобщенный критерий оптимизации, который позволяет характеризовать состав дымовых газов в каждой точке переходного процесса. В главе дана оценка управляемости и наблюдаемости системы обезвреживания отходов.

Четвертая глава «Управление процессом термического обезвреживания промышленных отходов» посвящена разработке алгоритма системы управления, созданию системы автоматизации процесса и программно-технического комплекса. Выполнен анализ программного обеспечения системы управления. Выполнен расчёт настроек регулятора. Рассмотрены перспективы развития систем управления процессом сжигания отходов.

11

109 Выводы.

В решении задач по управлению сложными объектами важное значение приобретает вопросы оптимизации процесса управления.

В главе выполнен подробный анализ проблемы оптимизации процесса управления. Разработан алгоритм технической задачи оптимизации. На основе анализа системы дифференциальных уравнений, определяющих изменения концентрации компонентов в дымовых газах и температуры сжигания отходов, предложен теоретический подход к решению задачи оптимизации траектории переходного процесса с целью обеспечения минимального превышения количества вредных выбросов. Обоснован критерий оптимизации в виде обобщённой функции желательности.

Даны оценки управляемости и наблюдаемости системы, позволяющие поставить и решить задачу оптимальной системы управления. Разработан общий алгоритм оптимального управления системой термического обезвреживания промышленных отходов. Получены графические динамические характеристики, подтверждающие значительное снижение времени переходного процесса при управлении процессом сжигания отходов при обеспечении нормативных выбросов органических компонентов в атмосферу.

110

ГЛАВА 4.

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ

4.1 Разработка алгоритма системы управления

4.1.1 Описание технологического процесса^обезвреживания жидких горючих отходов и его особенностей

Технологический процесс обезвреживания промышленных сточных вод и жидких горючих отходов осуществляется в камерных печах за счет термического разложения органических отходов до углекислого газа и паров воды.

Основной технологической установкой является камерная печь, которая представляет собой прямоугольное сооружение, выполненное изнутри огнеупорным, а снаружи выложенное красным глиняным кирпичом. I

Внутреннее пространство печи разделено двумя вертикальными перегородками на три зоны. Печь имеет 4 отверстия для установочных форсунок, два отверстия для установки инжекционных горелок, смотровое отверстие и отверстие для установки приборов КИПиА, а также оборудована двумя предохранительными клапанами типа «хлопушка».

Промышленные сточные воды содержат: органические отходы (толуол, метанол, ацетон и синильная кислота, гидрохинон, метилметакрилат и др.), растворы солей органических и неорганических кислот (натриевые соли МАК, серной кислоты и др.). Растворы солей в процессе термической обработки образуют смесь солей натрия и выделяются в виде плава и пыли (сульфат, хлорид, карбонат натрия).

Термообзвреживание в камерных печах осуществляется по следующей схеме (рисунок 4.1): природный газ через расходчик, с расходом не более 600 мЗ/ч и давлением 0,025 - 0,050 МПа, поступает в сопло инжекторной г f > горелки, смешивается с атмосферным воздухом, всасываемым в зазор между регулирующей шайбой и диффузором смесителя, проходит пластины стабилизатора и сгорает в первой зоне печи. При достижении температуры 950 - 1100 °С во второй зоне печи сточные воды в количестве не более 1,8 м3/ч и жидкие горючие отходы в количестве не более 0,2 м'/ч подаются в пневматические или механические форсунки и распыляются под давлением 0,2-0,5 МПа.

Рисунок 4.1 - Схема термического обезвреживания промышленных отходов. 1-печь камерная; 2-скруббер; 3-насос центробежный; 4-дымосос.

Разряжение во второй зоне печи поддерживается в пределах 3-10 мм.вод.ст. Продукты горения природного газа, жидких горючих отходов, разложения органических примесей сточных вод, паров воды, проходя вторую и третью зоны печи, более полно смешиваются с горячим воздухом за счет создаваемых вертикальными перегородками вихревых потоков на пути дымовых газов и догорают.

Шлам, образующийся от разрушения кладки, и плав солей накапливаются на поду печи и при ее остановке удаляются из камеры.

Из третьей зоны домовые газы по металлической трубе, футерованной изнутри огнеупорным кирпичом, поступают в скруббер.

Скруббер- представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, выполненный из углеродистой стали и теплоизолированный снаружи.

Верхняя часть оборудована двумя ярусами коллекторов, имеющих по шесть форсунок распыления речной воды. Распыленная речная вода, орошая дымовые газы, охлаждает их до температуры 150-200 °С и частично очищает их от пыли неорганических солей. Удаление пыли из газового потока происходит за счет слипания мелких, смоченных водой частиц в крупные. Оседая» на, основании скруббера, они заполняют его солью и требуют периодического удаления.

Вода на орошение подается насосом поз. Н-10 из нижней части скруббера, предварительно заполненного ею. Охлажденные до температуры 150-200 С дымовые газы из скруббера дымососом выбрасываются через' дымовую трубу в атмосферу. Разрежение, создаваемое дымососом, должно быть не менее 15 мм.вод.ст.

При погасании пламени в печи, остановке дымососа и уменьшении разрежения после скруббера менее 15 мм.вод.ст. срабатывает блокировка: происходит прекращение подачи в печь природного газа, сточных вод и жидких горючих отходов.

Массовая концентрация примесей в отходящих дымовых газах после очистки определяется лаборантом аналитическим путем и должна составлять: о органические примеси - не более 300 мг/м , о

- неорганические примеси - не более 50 мг/м .

При термическом обезвреживании промышленных сточных вод и жидких горючих отходов необходимым условием является соблюдение технологического режима обезвреживания. .

Так, понижение температуры во второй зоне камерной печи ниже 900 °С приводит к неполному сжиганию органических и неорганических примесей, содержащихся в сточных водах и жидких горючих отходах.

Повышение температуры в печи более 1150 °С ведет к ускорению выгорания футеровки, ее быстрому разрушению и возможному получению термического ожога о раскаленный кожух печи.

Превышение расхода промышленных сточных вод на термообезвреживание в камерной печи более 1,8 м3/час, жидких горючих отходов более 0,2 м /час приводит к заливу пода печи отходами и «хлопкам» (взрывами газовоздушных смесей и плава солей за счет резкого охлаждения).

Изменение давления речной воды в нагнетательном трубопроводе насоса, температуры дымовых газов перед дымососом разрежения, создаваемого дымососом, приводит к ухудшению качества обезвреживания промышленных стоков и жидких горючих отходов.

4.1.2 Схема автоматизации процесса обезвреживания отходов и алгоритм системы управления

Анализ технологического процесса обезвреживания промышленных отходов выявляет его распределенность и взаимовлияние параметров различных объектов технологического процесса.

На рисунке 4.2 представлена функциональная схема автоматизации, разработанная с учетом сказанного.

Функциональная схема разработана на основании поставленных задач и с учетом требований к системе автоматизации процесса термического обезвреживания промышленных сточных вод, а также с учетом выбранных приборов и технических средств-автоматизации.

Система автоматизации процесса сжигания сточных вод для реализации поставленных целей должна выполнять следующие функции:

- сбор и первичная обработка информации;

Рисунок 4.2 - Схема автоматизации процесса сжигания жидких органических отходов

- программное управление, заключающееся в соблюдении последовательности технологических операций;

- регулирование технологических параметров;

- предоставление оператору информации о текущей стадии процесса и о текущих значениях технологических параметров;

- архивирование технологической информации;

- регистрация хода технологического процесса в форме периодически выдаваемых операционных листов;

- осуществление блокировок при возникновении аварийных ситуаций и некорректных действиях обслуживающего-персонала;

- аварийная и предупредительная световая и звуковая, сигнализация;

- регистрация действий обслуживающего персонала.

Для выполнения такого широкого спектра функций в проектируемой системе автоматизации целесообразно применить средства на уровне-АСУТП;

Автоматизированная система: управления таким технологическим процессом обязательно должна обеспечивать своевременный переход с одного этапа процесса на другой и изменение параметров процесса во времени.

Описание функциональной схемы приведено не для каждого измерительного или регулирующего канала в отдельности, а для групп однотипных каналов, поскольку принцип измерения и передачи показаний и регулирующих воздействий каналов в пределах одной группы одинаков.

Регулирование температуры сточных вод в емкостях поз. Е-1/5, Е-1/6 осуществляется следующим образом. САР температуры построена по каскадной схеме. Сигнал с температурных датчиков, установленных в емкостях, поступает на контроллер, который формирует управляющее воздействие. Выходной сигнал регулятора поступает на исполнительное устройство регулирующего клапана, который изменяет расход теплоносителя. В/ качестве регуляторов применены ПИ-регуляторы, поскольку требования к качеству регулирования температуры высоки и не допускают наличие статической ошибки, но при этом объект регулирования по рассматриваемому каналу имеет большую инерционность.

В качестве датчиков контроля давления в трубопроводе природного газа предлагается использовать датчики избыточного давления Метран-100-Ех-ДИ-1143 с пределом измерения 60 кПа.

В качестве датчиков контроля давления в насосах предлагается использовать датчики избыточного давления Метран-100-Ех-ДИ-1153 с пределом измерения 0.6 МПа.

В качестве датчиков, контроля разрежения в печи (поз. Х-18/1,2) и в трубопроводе дымовых газов предлагается использовать датчики для измерения разрежения Метран-100-ДВ-1210 с пределом измерения 0.16 кПа.

Серия интеллектуальных датчиков давления Метран-100 полностью заменяет множество исполнений датчиков Метран-22, -43, -44, -45,.Сапфир.

• Для измерения расхода воздуха предлагается' использовать вихреакустический расходомерМетран-300 ПР. Вихреакустический принцип действуя позволяет измерять расход с высокой»степенью точности.

Для измерения расхода природного газа предлагается использовать массовый расходомер SITRANS FI* Gardex. Выбор приборов обоснован необходимостью коммерческого учета природного газа и основным критерием выбора является высокая точность.

Регулирование уровня осуществляется современными лазерными датчиками уровня производства фирмы К—ТЕК (США) с выходными сигналами 4.20mA. Сигнал идет на аналоговый вход контроллера, и преобразуясь, используется для управления исполнительным механизмом регулирующего органа. При работе печей для сжигания отходов, должны быть ' строго соблюдены предельно допустимые нормы выбросов газов г и пыли в атмосферу, а выбросы вредных веществ должны постоянно контролироваться и фиксироваться.

При контроле и регулировании процесса сжигания сточных вод должны использоваться газоаналитические средства для определения концентрации свободного кислорода в газах от процесса сгорания и для определения концентраций двуокиси азота и двуокиси серы в промышленных газовых выбросах.

Исходя из поставленных задач автоматизации, газоанализатор должен иметь широкий спектр функций. Кроме того, желательно, чтобы газоанализатор удовлетворял следующим требованиям:

- высокая информативность;

- широкий диапазон измерений;

- точность и надежность.

Для контроля концентрации кислорода и опасных компонентов в дымовых газах предлагается применить газоанализатор ЭМГ производства ЗАО «Меттек» г. Санкт-Петербург. Газоанализатор относится к времяпролетным масс-спектрометрам, принцип действия которых основан на разделении ионов по массам в зависимости от, времени их пролета в бесполевом пространстве дрейфа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнен анализ топливосжигающих установок для. термического обезвреживания промышленных отходов, выявлены их области применения и проведена-классификация установок.

2. Разработка взаимосвязанных систем управления процессом обезвреживания отходов с двумя контурами коррекции системы управления по результатам анализа параметров дымовых газов, в том числе' остаточного кислорода.

3. В процессе идентификации технологического процесса сжигания' отходов получены статические объекты контроля по основным каналам управления.

4. Разработана математическая модель теплового баланса относительно-температуры и получены динамические характеристики по основным каналам управления, в том числе по каналу: температура в печи - содержание потенциально опасных компонентов в дымовых газах.

5. Разработан алгоритм постановки технической задачи оптимизации системы и сформулирован общий подход оптимизации системы управления установки обезвреживания отходов.

6. Решена задача оптимального управления переходным процессом изменения температуры в печи как основного параметра установки на основе анализа дифференциальных уравнений, характеризующих динамику процесса, и уравнений статики, учитывающие особенности процесса сжигания топлива.

7. На основе анализа различных критериев качества управления доказано, что при оптимизации переходного процесса, компенсирующего возмущающие воздействия, в. системе автоматического управления установки сжигания отходов целесообразно использовать в качестве комбинированного критерия оптимизации обобщённую функцию желательности.

8. Сформулирована и решена задача управляемости системы, заключающаяся в том, что управление способом перевести систему из некоторого начального состояния в любое заданное состояние в пределах установленных ограничений за конечный промежуток времени.

9. Исследована задача наблюдаемости системы на основе анализа рангов матриц и доказано, что ранг исследованной матрицы равен двум, что позволило сделать вывод о вполне наблюдаемой системе.

10. Предложено решение и разработан общий алгоритм оптимизации процесса управления системой.

11. Разработана функциональная схема системы управления установкой, программно-технический комплекс и предложен алгоритм взаимодействия программного обеспечения микропроцессорным контроллером, станции оператора и аналитического блока.

12. Разработана система управления процессом термического обезвреживания промышленных отходов, испытана с положительным результатом на опытном производстве ФГУП «НИИ Полимеров им. В.А. Каргина». Концентрация опасных компонентов дымовых газов не

3 3 превышает 110 мг/м , концентрация остаточного кислорода составляет 15 мг/м , что в два раза меньше пороговой величины опасных компонентов.

1. Чечеткин А.В. Теплотехника / А.В. Чечеткин, Н.А. Занемонец. М.: Высшая школа, 1986. - 344с.

2. Шурыгин А.П. Огневое обезвреживание промышленных сточных вод / А.П. Шурыгин, М.Н. Бернадинер. Киев: Техника, 1976. - 200с.

3. Шатилов О. Автоматизированная система контроля и регулирования вращающихся печей / О. Шатилов, А. Челпанов, С. Чуйков // Современные технологии автоматизации. 2002. №3. С. 20-27.

4. Антропов Д. Автоматизация процесса производства технического углерода / Д. Антропов, Т. Петров, В. Линник, С. Фролов // Современные технологии автоматизации. 2003. №4. С. 24-29.

5. Соловьев В.А. Проектирование АСУ водогрейных котлов на базе TRACE MODE / В.А. Соловьев, В.И. Суздорф, А.В. Поповский // Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика. 2002. №1. С. 75-77.

6. Основы горения углеводородных топлив. Перевод с английского / под ред. Л.Н. Хитрина, В.А. Попова. М.: ИЛ, I960. - 664 с.

7. Пламена и химическая кинетика. / перев. с англ. под ред. С.А. Гольденберга. М.: ИЛ, 1961. - 352 с.

8. Вильяме Ф.А. Теория горения. Перевод с английского / Ф.А. Вильяме. -М.: Наука, 1971. 615 с.

9. Бартльме Ф. Газодинамика горения. Перевод с немецкого / Ф. Бартльме; под ред. М.Е. Дейча. М.: Энергоиздат, 1981. - 280 с.

10. Проблемы кинетики элементарных химических реакций. / Отв. ред. Я.С. Лебедев. М.: Наука, 1973. - 210 с.

11. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. Перевод с английского / А. Лефевр; под ред. В.Е. Дорошенко.- М.: Мир, 1986. 568 с.

12. Панченков Г.М. Химическая кинетика и катализ: Учебное пособие для вузов / Г.М. Панченков. М.: Химия, 1985. - 592с.

13. Моррисон Органическая химия / Моррисон, Бойт М.: Мера, 1974.

14. Линчевский В.И. Топливо и его сжигание / В.И. Линчевский. М.: Металлургиздат, 1989.

15. Дроздов Н.П. Применение закона Коновалова для определения количества тепла, выделяющегося при обезвреживании сточных вод сжиганием / Н.П. Дроздов // Гидролизная и лесохимическая промышленность. 1965.

16. Карапетьянц М.Х. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ / М.Х. Карапетьянц, М.Л. Карапетьянц. М.: Химия, 1968. - 472с.

17. Киреев В.А. Методы практических расчетов в термодинамике химических реакций / В.А. Киреев. М.: Химия, 1970. - 520с.

18. Кнорре Г.Ф. Топочные процессы / Г.Ф. Кнорре. — М.: Госэнергоиздат, 1959.-365с.

19. Мае лов П.Г. Определение теплот сгорания азот- и кислородсодержащих органических соединений / П.Г. Маслов // Химическая промышленность. 1962. №3.

20. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ / В.Т. Монахов. М.: Химия, 1972. - 415с.

21. Справочник химика. ТI. — Л.: Химия, 1971. 1072 с.

22. Теплофизические свойства веществ. Справочник. М.: Госэнергоиздат, 1956. - 708 с.

23. Термодинамические свойства неорганических веществ. Справочник. -М.: Атомиздат, 1965. 460 с.

24. Основы автоматического управления / под ред. B.C. Пугачёва. М.: Наука, 1974

25. Чаки Ф. Современная теория управления / Ф. Чаки. М.: Мир, 1975

26. Лучко С.В. Расчёт дискретных систем автоматического управления с широтно-импульсной модуляцией / С.В. Лучко. М.: Министерство Обороны, 1984.27.