Особенности информационной системы управления производством пара

В.Л. Чечулин,
 ст. преподаватель, chechulinvl@mail.rul
ПГНИУ, Пермь
Е.Н. Налдаева,
ПГНИУ, Пермь

Описан способ управления установкой промышленного производства пара, обслуживающий некоторое количество потребителей пара с переменной потребностью в паре. Способ управления использует подход, основанный на методе пространства состояний управления качеством химико-технологических процессов. Приведены качественные статистические диаграммы, соответствующие реализации управления данным процессом.

 

Describes how to manage the installation of industrial steam production, which serves a number of customers with varying demand pair in the pair. Control method uses an approach based on the method of state-space quality control of chemical and technological processes. We give good statistical diagrams corresponding to the implementation of the management of this process.

Введение

В химической промышленности, работающей с органическими веществами, пар является основным теплоносителем, поэтому практически любое предприятие, связанное с органическим синтезом, располагает установкой промышленного производства пара. Изменчивость паропотребления предприятием, связанная с особенностями технологических режимов отдельных производств требует управлением производства пара. Классические методы управления в данном случае не применимы из-за высокой и изменчивой инерционности управляемого объекта. Стабилизация производства пара на верхней границе потребления влечет выпуск лишнего пара в атмосферу, что означает непроизводительные расходы энергоресурсов. В рассматриваемой системе управления производством пара применяется модифицированный метод пространства состояний. Сумма энергопотока у установку, получаемого сгоранием газа, равняется теплопотерям и теплосодержанию насыщенного пара. Теплопотери относительно постоянны. Тогда по паропотреблению после накопительного ресивера пара рассчитывается теплосодержание потока пара и требуемое с учетом добавки постоянных теплопотерь тепловыделение при сгорании газа. Оптимальные состояния направления находятся на линейной траектории в пространстве состояний системы.

1. Постановка задачи управления

Для решения задачи управления требуется учесть, что теплопоток от сгорания газа тратится на теплопотери, которые относительно постоянны, и на нагрев воды, ее испарения и перегрев пара.

                                                     ,                                                 (1)

где - вычислимо по составу и расходу газа в установку,

- определимо по результатам измерений расхода давления и  температуры пара на выходе из установки, после ресивера,

- относительно постоянная величина, вычисляется как среднее разности

                                             ,                                         (2)

период усреднения равен примерно 8-24 часа.

В связи с изменением потребности в паре со стороны потребляющих пар цехов требуется оперативно изменить теплопоток в установку, чтобы он соответствовал текущей потребности в паре. Небольшие вариации потребления пара сглаживаются ресивером пара. Кроме этого, требуется изменить поток воды в установку.

2. Вычисление теплоты сгорания газа

Теплота сгорания газа вычисляется стандартным способом.

Общая формула процесса горения природного газа:

                                                                        (3)

Мера объемного потока воздуха (наименьшая граница), в зависимости от меры объемного потока природного газа, вычислима по формулам:

Объемный поток n-го компонента природного газа:

                                                         ,                                                     (4)

где- концентрация n-го углеводорода в природном газе.

Объемный поток кислорода, требуемый для полного сгорания n-го компонента газа:

                                                                                                   (5)

Суммарный объемный поток кислорода, требуемый для полного сжигания газа:

                                                              ,                                                          (6)

где m=5 — число учитываемых компонент природного газа.

Суммарный объемный поток кислорода, в пересчете на объемный поток воздуха:

                                                            ,                                                        (7)

где- концентрация кислорода в воздухе.

Итого, мера объемного потока воздуха, , для полного сжигания природного газа, в зависимости от меря потока газа , и состава газа, вычислима по формуле:

                                      ,                                  (8)

где— концентрация n-го углеводорода в природном газе,

m = 5 — число компонент природного газа,

— концентрация кислорода в воздухе,

 —   расход природного газа, измеряется расходомером.

Мера теплоты сгорания органических веществ вычислима по формуле:

                                          кДж/моль,                                      (9)

где n — число атомов кислорода, затрачиваемое при полном сгорании вещества,

m — число молей образующейся воды,

х — поправка (термичеcкая характеристика) в пределах гомологического ряда [1 c. 108], для природного газа х = 0.

С учётом формулы (1) предыдущая формула преобразуема к виду:

                       кВт,                (10)

где— теплота сгорания n-го компонента природного газа,

 — расход природного газа, измеряется расходомером,

 - объемная концентрация i-го компонента газа.

Требуемый поток газа в установку определяется решением обратной задачи.

3. Вычисление теплосодержания пара

Для вычисления теплопотока с паром принимаются следующие допущения. Сумма теплосодержания состоит из 3 слагаемых: теплота, необходимая для нагрева воды до температуры испарения ( 100 ); теплота, необходимая для испарения заданного количества воды; теплота, необходимая для нагрева пара до заданной температуры. При получении пара низкого давления эти допущения близки к реальности и позволяют вычислять теплосодержание пара относительно исходной температуры, принимаемой равной 20 , по упрощенным формулам, использующим нелинейную аппроксимацию теплоемкости пара в двухмерной области по давлению и температуре. Тогда теплосодержание пара вычисляется по формуле (11):

                                                 (11)

Средняя теплоемкость пара между начальной температурой и температурой конденсации приближенно вычисляется интегралом по траектории, указанной на рис. 1, по следующей формуле:

                                               , (12)

где  - берутся на траектории интегрирования c шагом :

рис. 1  Траектория интегрирования для вычисления теплоемкости пара  [3]

,                           (13)

где принимается равной 100 при атмосферном давлении ();

 - количество точек разбиения на траектории интегрирования (полагаем);

                                                                                       (14)

При получении пара высокого давления требуется коррекция в процедуре управления теплопотоком  по давлению пара, выходящего из ресивера.

рис. 2. Схема диаграммы управления

Заключение

Описанный способ управления работой установки по производству пара отличается содержательной простотой и позволяет решить задачу управления, не решаемую посредством второго, контроллерного, уровня АСУТП. Диаграмма управления с заштрихованной областью допустимых состояний управления (незначительное перепроизводство пара, допускающее стравливание излишних 1-2% пара, вместо 10-20% при отсутствии управления), приведена на рис. 2.

Литература

1.   Краткий справочник физико-химических величин, под ред. А. А. Равделя и А. М. Пономарёвой, изд 8-е, перераб., Л.:"Химия", Ленинградское отделение, 1983.—232 с.

2.   Чечулин В. Л., Резвухина М. П., Математическое описание информационно-технологических потоков производства стирола из этилбензола / Отчет НИР, номер гос. регистрации 01201159743 , Пермь, 2011. 146 с.

3.   Диаграмма состояний воды, http://ru.wikipedia.org/wiki/Вода