close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Моделирование и управление процессами получения компримирования пирогаза и охлаждения оборотной воды в производстве этилена

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Саввин Сергей Сергеевич
МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ
ПОЛУЧЕНИЯ, КОМПРИМИРОВАНИЯ ПИРОГАЗА
И ОХЛАЖДЕНИЯ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ
В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭТИЛЕНА
05.13.06
–
Автоматизация
и
управление
технологическими
процессами и производствами (промышленность)
05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации
(информационные технологии)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тамбов - 2016
1
Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет
инженерных технологий» (ФГБОУ ВО «ВГУИТ»)
Научные
руководители:
Заслуженный деятель науки РФ,
доктор технических наук, профессор
Битюков Виталий Ксенофонтович
(ФГБОУ ВО «ВГУИТ»)
Кандидат технических наук, доцент,
Арапов Денис Владимирович
(ФГБОУ ВО «ВГУИТ»)
Официальные
оппоненты:
Доктор
физико-математических
профессор
Семенов Михаил Евгеньевич
(ВУНЦ ВВС «ВВА»)
наук,
Кандидат технических наук, доцент
Скворцов Сергей Александрович
(ФГБОУ ВО «ТГТУ»)
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Воронежский
государственный университет» (г. Воронеж)
Защита состоится «2» марта 2017 г. в 13 час. 00 мин. на заседании
диссертационного совета Д 212.260.01 при ФГБОУ ВО «Тамбовский
государственный технический университет» по адресу: 392000, г. Тамбов,
ул. Советская, д.106, (Большой зал).
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовой
печатью учреждения, просим направлять по адресу 392000 г. Тамбов,
ул. Советская д.106 ФГБОУ ВО «ТГТУ», ученому секретарю диссертационного
совета Д 212.260.01.
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке и на официальном сайте
ФГБОУ ВО «ТГТУ» http://www.tstu.ru.
Автореферат разослан «___» _______________ 20___ г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.260.01
доктор технических наук, профессор
Чуриков А.А.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Низшие олефины, к числу которых относится этилен,
являются важнейшим видом сырья для получения большинства продуктов нефтехимии, основной задачей которой является снижение себестоимости и повышение надежности производства. Разработка методологии связного управления технологическими
процессами позволит снизить расходные нормы по сырью, электроэнергии и вспомогательным материалам, минимизировать риск возникновения аварийных режимов,
приводящих к сбросу ценных продуктов и опасных веществ в атмосферу, выходу из
строя основных агрегатов, дорогостоящему и длительному ремонту. Поэтому синтез
интегрированной системы сбора, обработки данных и оперативного управления стадиями получения низших олефинов, включающей математические модели основных технологических процессов, созданные на их основе алгоритмы управления и базы данных режимных параметров, является весьма актуальной задачей.
Диссертация выполнена по приоритетным направлениям развития научных
исследований в Воронежском государственном университете инженерных технологий в соответствии с госбюджетной НИР № 01.9.60 007315 «Разработка и совершенствование математических моделей, алгоритмов регулирования, средств и систем автоматического управления технологическими процессами».
Степень разработанности. Анализ научных работ в области моделирования и
автоматизации процессов получения низших олефинов таких известных ученых, как
Кафаров В.В., Жоров Ю.М., Магарил Р.З., Мухина Т.Н., Ямпольский Ю.В., Кондратьев
В.Н., Бодров В.И., Фроман Г., Дэнте М., Ранзи Э., Белохлав З., Кунзру Д. показал, что
на сегодняшний день создано качественное функциональное описание отдельных технологических стадий, но мало изучены механизмы взаимодействия между ними.
Цель работы. Разработка интегрированной системы сбора, обработки данных и оперативного управления стадиями получения, компримирования пирогаза
и охлаждения оборотной воды в производстве низших олефинов, обеспечивающей
повышение эффективности и безопасности технологического процесса в целом.
Для достижения указанной цели определены следующие задачи:
1. Выбор доминирующих процессов, влияющих на эффективность производства этилена, на основании теоретико-множественного анализа технологических
стадий его получения.
2. Разработка математической модели процесса термического разложения
углеводородов, учитывающей качественный и количественный состав входного
сырья и конструкционные особенности печи пиролиза.
3. Параметрическая идентификация разработанной модели процесса пиролиза на основании опытных данных.
4. Синтез математической модели процесса сжатия пирогаза в ступенях компрессора динамического действия, учитывающей его конструкционные особенности.
5. Разработка методов и алгоритмов защиты компрессора от негативных явлений помпажа и торможения.
6. Построение математической модели процесса охлаждения оборотной
воды, применяемой для поддержания заданной температуры пирогаза на входе в
ступени компрессора, и разработки на ее основе алгоритма управления водоблоком, обеспечивающего оптимальное распределение нагрузки между входящими в
него градирнями с принудительной тягой.
13
Научная новизна.
По специальности 05.13.06:
1. Разработаны математические модели технологических процессов пиролиза углеводородного сырья и компримирования пирогаза, отличающиеся введением зависимости температуры термического разложения углеводородов от конструкционных особенностей печи, расхода и содержания топливного газа, а также
использованием механизма, учитывающего различные типы регулирования расхода компрессоров, применяемых в производстве низших олефинов, при описании
процесса сжатия продуктов пиролиза (п. 4 паспорта научной специальности).
2. Синтезирован алгоритм функционирования противопомпажной системы защиты компрессора динамического действия (КДД), отличающийся введением заданного
запаса устойчивости (ЗЗУ) к аварийным режимам, предусматривающий его коррекцию
в зависимости от состава и физических свойств пирогаза, поступающего из узла пиролиза
производства низших олефинов (п. 10 паспорта научной специальности).
3. Разработан алгоритм оптимального распределения оборотной воды между
градирнями с принудительной тягой, предусматривающий корректировку задания
регулятора скорости вращения валов вентиляторов охладительных установок на
основании информации о температуре подаваемой воды, температуре и давлении
смазочного масла в редукторах и гидромуфтах двигателей, степени вибрации валов
вентиляторов и температуре их направляющих подшипников, температуре опорных подшипников валов электродвигателей, давлении и расходе холодной воды в
маслохолодильниках, перепаде давления масла на масляных фильтрах, силе электрического тока, проходящего через обмотки электродвигателей и уровне воды в
машинном зале градирен. (п. 5 и 6 паспорта научной специальности).
По специальности 05.13.01:
1. Предложен подход к моделированию связного управления стадиями производства этилена, основанный на применении теоретико-множественного анализа технологических процессов для выявления факторов, оказывающих доминирующее влияние на эффективность и безопасность сложной системы, позволивший сформировать ее обобщенную структуру на основании DFD технологии (п. 7, 8 паспорта научной специальности).
2. Разработан алгоритм структурной идентификации модели термического
разложения углеводородов, отличающийся корректировкой кинетической схемы
процесса при изменении параметров входного сырья, основанной на выборе значимых для выходов целевых компонентов пирогаза элементарных реакций из числа
возможных (п. 5, 6 паспорта научной специальности).
3. Разработана методика управления стадией компримирования углеводородной смеси, рассматриваемой в состоянии реального газа, включающая защиту
компрессора от помпажа и торможения потока пирогаза с учетом его объемного
состава (п. 11 паспорта научной специальности).
Объект диссертационного исследования - технологический процесс производства низших олефинов.
Предметом исследования являются математические модели, алгоритмы
управления технологическими стадиями производства и способы снижения аварийности процессов.
Теоретическая значимость. Предложена комплексная методика связного
управления наиболее значимыми технологическими этапами линии производства
24
этилена, выполнены прикладные исследования по установлению системных связей и
закономерностей функционирования между ними. На основе методов системного
анализа сформулированы задачи математического моделирования процессов получения и компримирования пирогаза, а также охлаждения оборотной воды.
Предложены методы и алгоритмы интеллектуальной поддержки при принятии управленческих решений в технических системах для оценки:
- состава пирогаза, с учетом качественных и количественных характеристик
входного потока сырья, конструкционных особенностей печи, термо- и гидродинамики процесса в условиях технологических ограничений на него;
- степени сжатия в ступенях пирогазового компрессора;
- охладительной способности градирни, учитывающей особенности движения
жидкости в оросителе и позволяющей определять температуру адиабатного насыщения воздуха методом «влажного» термометра без ее непосредственного измерения.
Разработаны оригинальные методы управления:
- системой защиты компрессора от явлений помпажа и торможения, позволяющей регулировать с заданным запасом устойчивости к аварийным режимам степень
сжатия газовой смеси, приведенной к паспортным условиям всасывания агрегата;
- скоростью вращения вала вентилятора с учетом температуры охлажденной воды,
температуры и давления смазочного масла в редукторе и гидромуфте, степени вибрации
вала вентилятора и температуры его направляющих подшипников, температуры опорных
подшипников вала электродвигателя, давления и расхода холодной воды в маслохолодильниках, перепада давления масла на масляных фильтрах, силы электрического тока, проходящего через обмотку электродвигателя, уровня воды в машинном зале градирни.
Практическая значимость работы. Разработанные алгоритмы, математические
модели, системы защиты и управления технологическими процессами прошли опытнопромышленную апробацию и используются при программном конфигурировании микропроцессорных контроллеров семейства ПАС на ЗАО НПП «Центравтоматика» в проектах систем антипомпажного управления компрессорами динамического действия на
базе ПЭВМ, а также используются в составе программных средств АСУТП на ПАО
«Нижнекамскнефтехим» для повышения эффективности технологических процессов.
Экономический эффект от внедрения разработок составляет 1,91 млн. руб. в год.
Достоверность результатов обусловлена строгим математическим обоснованием используемых методов, результатами математического моделирования, а
также сравнением с теоретическими данными, приведенными в литературе.
Методология и методы исследования. Использованы методы математического моделирования, идентификации систем, системного анализа, теории систем,
вычислительной математики, математической статистики, теории химической кинетики, термодинамики и гидродинамики, теории автоматического управления.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Структурная модель связной системы управления производством этилена
для решения задач имитационного моделирования процессов пиролиза, компримирования и охлаждения оборотной воды и выработки на их основе управляющих
воздействий для повышения эффективности защиты компрессора от помпажа и
торможения, а также распределения оборотной воды между градирнями.
35
2. Комплекс математических моделей, описывающих процессы пиролиза,
сжатия пирогаза в ступенях компрессора и охлаждения оборотной воды в градирне
с принудительной тягой.
3. Методы и алгоритмы обработки данных, позволяющие преобразовывать
информацию о входных составах потоков в информацию о состоянии технологических процессов.
4. Методы и алгоритмы управления стадиями компримирования пирогаза и
охлаждения оборотной воды.
Апробация работы. Разработанные теоретические и методические положения докладывались автором на научно-практических конференциях разного уровня
(Международной научно-практической конференции «Автоматический контроль и
автоматизация производственных процессов», 2015г., Республика Беларусь, г.
Минск; 64-й научно-технической конференции студентов и магистрантов, 2013 г.,
Республика Беларусь, г. Минск; XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-26», 2013г., г. Саратов;
XXII и XXIII Международном научно-практическом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматизации и обработки информации», 2013г. и
2014г., Республика Крым, г. Алушта; II Международной научно-практической конференции «Системный анализ и моделирование процессов управления качеством в
инновационном развитии агропромышленного комплекса», 2016 г., г. Воронеж).
Публикации. Основные положения, результаты и выводы диссертации опубликованы автором в 12 научных работах, в том числе в 4-х статьях в рецензируемых
научных изданиях и журналах, общим объемом 6,35 п.л., из них авторский вклад составляет 2,11 п.л. Предложенный способ управления процессом охлаждения оборотной воды в градирне с вентилятором защищен патентом РФ №2550126. Личный
вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, заключается в разработке кинетической схемы модели процесса пиролиза углеводородного сырья в крупнотоннажной печи, математического описания АСУ охлаждения оборотной воды в блоке
градирен, синтезе алгоритма функционирования системы защиты компрессора динамического действия от помпажа и торможения, создании программного обеспечения,
реализующего решение вышеназванных задач исследования.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов
после каждой главы, списка используемой литературы и приложений. Материал изложен
на 158 страницах, содержит 56 рисунков, 13 таблиц, список литературы из 127 источников.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснован выбор темы диссертационного исследования и раскрыта ее актуальность, сформулирована цель и поставлены задачи исследования,
определены объекты исследования, изложена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, дана краткая аннотация работы по главам.
Первая глава - «Системный анализ линии производства этилена» посвящена
системному исследованию крупнотоннажного производства этилена, как объекта
управления. Проведен теоретико-множественный анализ потоков данных между
основными узлами технологической линии, позволивший сформировать описывающую ее DFD-диаграмму, представленную на рисунке 1.
46
Рисунок 1 - Диаграмма DFD линии производства этилена
57
На основании разработанной схемы осуществлена декомпозиция технологической системы на отдельные подсистемы, с определением взаимосвязей между
ними. Анализ ее результатов позволил рассмотреть производство этилена, как единый процесс, связывающий узлы получения и компримирования пирогаза, а также
узел охлаждения оборотной воды, отобранные по критериям экономичности и безопасности производства в целом. Синтез моделей и алгоритмов перечисленных
процессов, баз данных участвующих в них компонентов и основного технологического оборудования, лег в основу интегрированной системы сбора, обработки данных и оперативного управления технологической линией производства этилена.
Во второй главе – «Анализ математического обеспечения АСУ пиролиза углеводородного сырья и синтез имитационной модели процесса» разработана математическая модель кинетики термического разложения углеводородного сырья,
описывающая радикально-цепной механизм элементарных стадий первичного распада групп компонентов и вторичные реакции образования продуктов пиролиза.
Сформирована пополняемая база данных кинетических параметров. Нелинейные
дифференциальные уравнения материального баланса, записанные на ее основе,
дополнены балансовыми уравнениями тепловой и механической энергии, учитывающими конструкционные особенности печи пиролиза:

= [∑(, ∙ () )] тр ()




  ∙ (, ) ∙  ∙ т () ∙ ( () − ()) − ∑=1 [(  ) ∙ ∆ (Т)]
=


2 ∙ ()2 + ∑=1
 ∙ ()

=
{ 
 ∙ () ∙ () ∙  () [
,
(1)
()
1 
∙  () + (
∙
+ θ(T))]

() 
 ∙ () ∙  () −  () ∙  2 ()
где  = 1. . N_k,  = 1. . _, N_k–количество участвующих реагентов, _–количество реакций в кинетической схеме, , –стехиометрический коэффициент k-ого
компонента i-ой реакции,  -мольный расход компонентов пирогаза (моль/с), –
текущий участок змеевика, () –скорость i-ой реакции (с-1 для реакций первого
порядка, м3/(моль∙с) для реакций второго порядка), тр ()–площадь змеевика в текущей точке (м2), –коэффициент неравномерности обогрева, (, )–коэффициент теплоотдачи от стенки змеевика к потоку (Дж/(с∙К∙м 2), () –теплоемкость
k-ого компонента реакционной смеси (Дж/(кг∙К)), ()2 –теплоемкость пара
(Дж/(кг∙К)), 2 –мольный расход пара (моль/с),  ()–температура стенки змеевика в текущей точке (К), ∆ (Т)–теплота образования k-ого компонента реакции
(Дж/кг), θ(T)–коэффициент гидравлического трения потока о стенки змеевика,
 ()– молекулярная масса пирогаза (кг/моль),  ()–массовая скорость пирогаза в текущей точке змеевика (кг/(с*м2)), V(F)–объем пирогаза (м3/кг).
В состав математического описания включена зависимость температуры
процесса от расхода и состава топливного газа, необходимая для расчета, в соответствии с уравнением лучистого теплообмена между потоком вещества и оболочкой, температуры стенки змеевика:
68

 2
) + 1,6 ∙ 10−8 ∙ ( ∙  − ) ,
(2)


где Tт –температура топки (К), –КПД топочной камеры,  -количество выделившегося радиантного тепла (Дж/с), Q T –приведенная низшая теплота сгорания топлива (Дж/кг), GT –расход топлива (кг/с).
В целях снижения размерности синтезированной модели процесса предложено, в зависимости от вида углеводородного сырья, осуществлять корректировку
кинетической схемы с учетом значимости продуктов каждой реакции.
Параметрическая идентификация рассматриваемого математического описания
проведена с помощью модифицированного генетического алгоритма, способного оперировать большим числом переменных и устойчивого к многоэкстремальным задачам, отличающегося введением кодировки по Грею, турнирной селекции, кроссовера с частичным случайным выбором аллелей и принципа элитизма при формировании новой популяции.
Результатами моделирования процесса пиролиза являются значения и профили концентраций компонентов, температуры и давления пирогаза по длине змеевика, примеры которых для этан-этиленовой смеси, рассмотренной в качестве сырья, приведены на рисунках 2, 3, 4, 5. Сравнение результатов моделирования с эксПрофили
концентраций
этана и1.этилена в зависимости от условий проведения процесса
периментом
приведено
в таблице
т = 275,599 + 0,468 ∙ ( ∙  −
Концентрация компонентов, масс. %
100
С2Н4 (G=12,5 т/ч; ТК=1093 К)
С2Н6 (G=12,5 т/ч; ТК=1093 К)
С2Н4 (G=12,5 т/ч; ТК=1103 К)
С2Н6 (G=12,5 т/ч; ТК=1103 К)
С2Н4 (G=12,5 т/ч; ТК=1080 К)
С2Н6 (G=12,5 т/ч; ТК=1080 К)
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
Длина, м
Рисунок 2 - Профили изменения основных продуктов пиролиза этан-этиленовой
Профили
изменения
температуры
по длине
змеевика при
расходе сырья 12,5 т/ч
смеси
в зависимости
от условий
протекания
процесса
Температура пирогаза, К
1200
1100
Конечная температура 1080 К
Конечная температура 1090 К
Конечная температура 1103 К
1000
900
0
10
20
Длина, м
30
40
Рисунок 3 - Профили изменения температуры пирогаза при расходе сырья 12,5 т/ч
79
Профили зависимости давления от температуры процесса при расходе сырья 12,5 т/ч
Давление, атм
2.14
2.12
2.1
Конечная температура 1080 К
Конечная температура 1090 К
Конечная температура 1103 К
2.08
2.06
2.04
0
10
20
30
40
Длина, м
концентраций
продуктов
пиролиза,
TK=1090
РисунокПрофиль
4 - Профили
изменения давления
пирогаза
приG=12,5
расходет/ч,
сырья
12,5 т/ч
Концентрация компонентов, масс. %
5
H2
CH4
C2H2
C2H4
C2H6
C3H4
C3H6
C3H8
C4H6
C4H8
C4H10
C5H10
4
3
2
1
0
0
10
20
30
40
Длина, м
Рисунок 5 - Профили изменения концентрации продуктов пиролиза по длине
змеевика при расходе сырья 12,5 т/ч и конечной температуре процесса 1090 К
Параметр
Продукт
Таблица 1
- Оценка
результатов математического
процесса пиролиза этан-этиленовой смеси
ЭкспериРасчетЗначения
Относительментальные знапараметная погрешные значечения
ров после ность по комния пара- парамет- идентифипонентам и
метров
ров
кации
параметрам
пирогаза (%)
Концентрация компонентов (%)
1
2
3
4
5
H2
2,75
3,11
3,62
31,64
CH4
3,76
3,18
3,94
4,79
C2H2
0,26
0,19
0,26
C2H4
49,95
42,71
49,37
1,16
C2H6
39,12
47,42
38,65
1,2
C3H4
0,04
0,04
0,04
C3H6
1,17
1,1
1,17
10
8
моделирования
Средняя
погрешность
(%)
Расход
топливного
газа
(т/ч)
6
7
3,73
1,15
1
C3H8
C4H6
C4H8
C4H10
C5H10
2
0,11
1,29
0,27
0,25
1,03
T
P
3
4
0,13
0,11
1,06
1,29
0,21
0,27
0,27
0,25
0,57
1,03
Температура пирогаза (К)
1093
1093,02
Давление пирогаза (Па)
202650
207716
5
-
6
7
3,73
1,15
0,01
2.5
Из представленных графиков видно, что с повышением температуры процесса происходит увеличение выхода этилена.
Полученный качественный и количественный состав пирогаза, является вектором входных параметров узла компримирования.
В третьей главе – «Разработка системы управления процессом компримирования пирогаза» Разработана математическая модель процесса компримирования
пирогаза включающая:
1. Аппроксимацию паспортных газодинамических характеристик (ПГДХ)
наиболее применяемых в нефтехимии компрессоров динамического действия (КДД):
1.1 ПГДХ компрессора с регулируемым приводом:
Р(, )наг = 1 + 2  + 3  + 4 2 + 5  2 + 6 3 + 7  3 + 8  +
(3)
+ 9 2  2 ,
1.2. ПГДХ компрессора с нерегулируемым приводом:
Р()наг = 1 + 2 0,5 + 3 2 + 4 3 + 5 4 + 6 5 + 7 6 + 8 7 + 9 8 +
+10 9 + 11  −1,5 ,
(4)
1.3 ПГДХ компрессора с входной регулирующей дроссельной заслонкой:
(, )наг = 1 + 2  ∙  ∙  3 ∙∙ + 4  ∙  5∙ + 6 ∙  ∙  7∙ +
(5)
11
12 ∙(∙)−1
(

∙
∙
)
∙

10
+8  ∙  ∙  9 ∙ +
,
15 ∙ 2 
−1
13 ∙  14∙(∙) +
16 − 2 
где Рнаг –давление нагнетания (Па), –число оборотов турбины (с-1) компрессора с регулируемым приводом, –угол открытия дроссельной заслонки, –объемный расход
пирогаза (кг/с), 1 - , 1 - , 1 - –коэффициенты полиномиальной зависимости.
2. Пересчет ПГДХ к паспортным условиям сжатия согласно сохранению подобия треугольников скоростей рабочего колеса ротора машины, в среднем по компрессору и в его характерных сечениях:
ппс
пс −1
пс 2 пс − 1  ∙ вс ∙  ∙ вс
пр = [(пс
− 1) ( ) (
)
+ 1]
,
(6)
из
 − 1 пс ∙ пс ∙ пс ∙ пс
где пр -приведенная к паспортным условиям всасывания текущая степень сжатия
пс , равная отношению абсолютных давлений нагнетания и всасывания; пс , из паспортное (или экспериментальное, использованное при испытаниях) и текущее
измеренное значение скорости вращения ротора компрессора (с -1); пс , -паспортное (или использованное при испытаниях) и расчетное текущее значение показателя изоэнтропы газа; пс , -паспортное (или использованное при испытаниях) и
−1
п 
11
9
расчетное текущее значение газовой постоянной (Дж/(кг∙К)); пс , вс -паспортное
(или использованное при испытаниях) и текущее значение абсолютной температуры газа на входе ступени компрессора (К); пс , вс -паспортное и расчетное текущее значение коэффициента сжимаемости газа на ходе ступени компрессора; ηп текущее значение политропного коэффициента полезного действия.
3. Уравнение состояния реальных газов Ли-Кеслера, используемое для углеводородных газов, и являющееся модифицированным уравнением БенедиктаВебба-Рубина, с применением трехпараметрической корреляции Питцера.
Синтезирован алгоритм функционирования противопомпажной системы
управления и защиты компрессора динамического действия, который отличается
введением заданного запаса устойчивости к аварийным режимам, корректируемого
при изменении состава и физических свойств сжимаемого газа.
На основании математического и алгоритмического описания сформирована
методика управления технологической стадией компримирования, схема взаимодействия элементов которой отображена на рисунке 6.
7
1
База паспортных
характеристик КДД
2
Синтез математической
модели паспортной
газодинамической
характеристики (ПГДХ)
База измеренных
значений
параметров КДД
8
3
4
5
6
Решение уравнений
состояния реальных газов
База данных свойств
индивидуальных
веществ
Комплекс уравнений для
описания состояния
реальных газов
9
Контроль и диагностика
состояния КДД
Интерактивная система
идентификации
и оптимизации
10
Математическое описание подобия процессов
сжатия газов
Синтез оптимального
решения по управлению
Рисунок 6 - Схема взаимодействия элементов
системы автоматизации управления турбокомпрессором
12
10
В четвертой главе – «Синтез системы управления процессом охлаждения
оборотной воды» синтезирована математическая модель процесса охлаждения оборотной воды, используемой для поддержания заданной температуры пирогаза на
входе в ступень компрессора, в градирне с принудительной тягой. Разработанное
описание позволяет определять температуру адиабатического насыщения воздуха
методом «влажного» термометра без ее непосредственного измерения при расчете
текущей охладительной характеристики агрегата, а также учитывать потребление
вентиляторным блоком электроэнергии.
Предложена схема управления градирней с принудительной тягой, представленная на рисунке 7, позволяющая повысить эффективность процесса охлаждения оборотной воды, за счет снижения его аварийности, с учетом параметров
работы привода вентилятора.
Рисунок 7 - Схема управления градирней с принудительной тягой
Разработан алгоритм реализации оптимальных управляющих воздействий
по расходу горячей воды и скорости вращения вала вентилятора, описывающий
вышеприведенную схему.
В пятой главе – «Визуализация, трансформация и анализ информации
на основе компьютерных методов обработки информации» сформирована структура комплексов технических средств информационных систем управления турбокомпрессором и водоблоком, основанная на предложенных математических моделях. Выполнена ее программная реализация на языке C# в среде MS Visual Studio
2010, послужившая основой SCADA системе синтезированной с помощью пакета
RSView32. Разработана схема организации потоков данных в системе управления
компрессорной установкой и водоблоком, реализовано автоматизированное рабочее место оператора.
13
11
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
На основании современных методов системного анализа, математического и
имитационного моделирования получены новые научные результаты, позволившие
решить задачу разработки интегрированной системы сбора, обработки данных и оперативного управления стадиями получения, компримирования пирогаза и охлаждения оборотной воды в производстве низших олефинов, обеспечивающей повышение
эффективности и безопасности технологического процесса в целом.
1. Проведен теоретико-множественный анализ линии производства этилена,
выявлены стадии, оказывающие доминирующее влияние на функциональную безопасность сложной системы, в качестве которых выступают технологические процессы пиролиза углеводородного сырья, сжатия пирогаза и охлаждения оборотной
воды блоком градирен. Установлена структура потоков данных выбранных этапов
и взаимосвязь между ними.
2. Разработана имитационная модель процесса пиролиза, основанная на анализе пополняемой базы кинетических данных и ее корректировки в соответствии с
критерием значимости конкретной реакции на выход компонентов пирогаза, при
изменении качественного и количественного состава сырья или конструкционных
параметров пиролизной печи. Его применение при рассмотрении термического разложения этан-этиленой смеси позволило снизить размерность модели с 167 химических реакций, включенных в кинетическую схему, до 58 существенно повысив
скорость вычислений.
3. Осуществлена параметрическая идентификация математической модели
процесса пиролиза с использованием генетического алгоритма, отличающегося
устойчивостью к локальным экстремумам, модифицированного с целью корректной работы в условиях многопараметрических жестких задач. Предложенный метод поиска отличается применением кодировки по Грею, турнирной селекции,
кроссовера с частичным случайным выбором аллелей, принципа элитизма для создания новой популяции. Погрешность математического описания по всем компонентам системы составила 3,73% отн., по основному продукту - этилену 1,15% отн.,
что соизмеримо с погрешностями существующих методов измерения.
4. Построена математическая модель процесса сжатия в ступенях компрессора динамического действия, с учетом конструкционных особенностей его управления, отличающаяся учетом газодинамических характеристик для определения с
высокой точностью (не более 1% отн.) погрешности точек помпажа и торможения
потока пирогаза и рассмотрением сжимаемой смеси в состоянии реального газа.
5. Разработана методика использования ПГДХ КДД для синтеза противопомпажной системы управления, отличающейся введением корректируемого в зависимости от состава и физических свойств пирогаза ЗЗУ к аварийным режимам, механизм функционирования которой, включает использование базы данных индивидуальных веществ, математической модели процесса сжатия, алгоритма противоаварийной защиты. Внедрение описанной системы позволило обеспечить запас
устойчивости к помпажу и торможению не менее 10% относительно опасных точек, что исключает риски возникновения аварийных ситуаций.
6. Разработан способ управления процессом охлаждения оборотной воды в
вентиляторных градирнях, учитывающий их конструкционные особенности и параметры работы электроприводов. Решена задача оптимального распределения
14
12
нагрузки между башенными охладителями с принудительной тягой, включающая
определение скорости вращения валов вентиляторов.
7. Создано алгоритмическое и программное обеспечение, реализующее
функции мониторинга, защиты и управления основными стадиями производства
этилена. Указанное обеспечение используется в составе программных средств
АСУТП на ПАО «Нижнекамскнефтехим» и ЗАО НПП «Центравтоматика», суммарный экономический эффект составил 1.91 млн. руб. в год.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ
ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ
1. Патент РФ №2550126, МПК F28С1 /00. «Способ управления охлаждением
оборотной воды в градирне с вентилятором», опубл. 10.05.2015 в Бюл. №15/Битюков В.К., Тихомиров С.Г., Арапов Д.В., Курицын В.А., Саввин С.С.
Публикации в рецензируемых научных изданиях и журналах
2. Тихомиров, С.Г. Система противопомпажного управления турбокомпрессором с регулирующей заслонкой на всасывании [Текст]/С.Г. Тихомиров, Д.В. Арапов, В.А. Курицын, С.С. Саввин//Научн.-техн. Журн. «Экспозиция нефть газ». Республика Башкортостан. - 2016- 1(47).- С. 50-52.
3. Битюков, В.К. Синтез антипомпажной системы управления компрессором динамического действия [Текст]/В.К. Битюков, С.Г. Тихомиров, О.В. Карманова, Д.В. Арапов, В.А. Курицын, С.С. Саввин//Научн.-техн. Журн. «Промышленное производство и
использование эластомеров». – М: ОБРАКАДЕМНАУКА. - 2015- Вып. 4.- С. 34-40.
4. Битюков, В.К. Моделирование процесса пиролиза прямогонного бензина
с использованием генетического алгоритма [Текст]/В.К. Битюков, С.Г. Тихомиров,
Д.В. Арапов, С.С. Саввин//Научн.-теоретич. Журн. «Вестник ВГУИТ». – Воронеж:
ВГУИТ. - 2015- Вып. 3(65).- С. 67-72.
5. Битюков, В.К. Математическая модель охлаждения оборотной воды в градирне с механической тягой [Текст]/В.К. Битюков, С.Г. Тихомиров, Д.В. Арапов,
С.С. Саввин//Научн.-теоретич. Журн. «Вестник ВГУИТ». – Воронеж:ВГУИТ. 2014- Вып. 1.- С. 51-55.
Публикации в специальных журналах, сборниках
Международных научно-практических конференций
6. Тихомиров, С.Г. Синтез системы управления линией получения, сжатия и
охлаждения пирогаза в производстве олеинов [Текст]/С.Г. Тихомиров, Д.В. Арапов,
С.С. Саввин//Матер. II междунар. Науч.-практ. конф. «Системный анализ и моделирование процессов управления качеством в инновационном развитии агропромышленного комплекса», Воронеж, 05 апреля 2016г. – Воронеж:ВГУИТ, 2016. -8-13.
7. Тихомиров, С.Г. Математическое обеспечение антипомпажной системы
управления компрессором динамического действия [Текст]/ С.Г. Тихомиров, Д.В.
Арапов, С.С. Саввин, Курицын В.А.//Материалы Междунар. Науч.-техн. Конф.
«Автоматический контроль и автоматизация производственных процессов»,
Минск, 22-24 октября 2015г. – М.:БГТУ, 2015. – С.121-124.
8. Битюков, В.К. Кинетическая модель пиролиза прямогонного бензина в
крупнотоннажной печи [Текст]/Битюков В.К., Тихомиров С.Г., Арапов Д.В., Саввин С.С//Матер. III междунар. Науч.-практ. интернет-конф. «Моделирование энергоинформационных процессов», Воронеж, 22-24 декабря 2014г. – Воронеж:ВГУИТ, 2015. -177-182.
15
13
9. Саввин, С.С. Математическое моделирование процесса пиролиза в крупнотоннажной печи для цели управления пирогазовым компрессором [Текст]/С.С.
Саввин//Материалы XXIII Междунар. Науч.-практ. семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 14-20
сентября 2014г. – Республика Крым: Алушта, 2014. – С.187-189.
10. Тихомиров, С.Г. Моделирование процесса сжатия реальных газов в компрессорах динамического действия для цели их защиты от помпажа и торможения
[Текст]/ С.Г. Тихомиров, С.С. Саввин//Материалы 64-й Междунар. Науч.-техн.
Конф. Студентов и магистрантов, Минск, 2013г. – М.:БГТУ, 2013. – Ч. 2. – С.-279.
11. Тихомиров, С.Г. Алгоритм функционирования системы защиты компрессора динамического действия от помпажа [Текст]/ С.Г. Тихомиров, Д.В. Арапов, С.С. Саввин, Курицын В.А.//Материалы XXVI Междунар. Науч.-техн. Конф.
«Математические методы в технике и технологиях ММТТ-26», Саратов, 2013г. –
Саратов: СГТУ, 2013. – С.80-82.
12. Саввин, С.С. Система управления защитой этиленового компрессора от
помпажа [Текст]/С.С. Саввин//Материалы XXII Междунар. Науч.-практ. семинара
«Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 18-24 сентября 2013г. – Республика Крым: Алушта, 2013. – С.96-97.
Подписано в печать 19.12.2016. Формат 60×84 1/16.
Усл. печ. л. 1,0.
Тираж 100 экз. Заказ № 146
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет
инженерных технологий» (ФГБОУ ВО «ВГУИТ»)
Отдел полиграфии ФГБОУ ВО «ВГУИТ»
Адрес университета и отдела полиграфии:
394036, Воронеж, пр. Революции, 19
16
14
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа