Разработка модели и системы управления производительностью процесса выпаривания щелоков сульфат-целлюлозного производства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.03, кандидат технических наук Абдалла Исхаг Абдалла

• Абдалла Исхаг Абдалла
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Абдалла Исхаг Абдалла

Введение.

Основные обозначения

Глава 1. Литературный обзор и постановка задачи исследования.

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

1.1.1. Классификация выпарных аппаратов.

1.1.2. Технологические схемы выпарных установок.

1.1.3. Баковое хозяйство выпарных установок.

1.2. Математическое описание процессов выпаривания и математические

• модели выпарных установок.

1.2.1. Выпарные установки как объекты моделирования.

1.2.2. Статические модели выпарных установок.

1.2.3. Динамические модели выпарных установок.

1.3. Производственный контроль и системы автоматизации выпарных установок.

1.4. Оптимизация работы выпарных установок по техникоэкономическим критериям.

Выводы.

• Постановка задачи исследования.

Глава 2. Математические модели выпарных установок сульфатцеллюлозного производства.

2.1. Статические характеристики многоступенчатых выпарных установок.

2.2. Статическая модель смесителя.

2.3. Статистическая модель суперконцентратора.

2.4. Статическая модель поверхностного конденсатора.

2.5. Статическая модель выпарного аппарата.

2.6. Расчетные статические характеристики выпарной установки.

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

2.8. Экспериментальные динамические характеристики объекта.

2.9. Динамические свойства щелоковых ёмкостей.

Выводы.

Глава 3. Разработка функциональной структуры системы управления.

3.1. Назначение системы управления.

3.2. Принципы построения системы управления.

3.3. Описание системы управления.

3.4. Работа системы.

Выводы.

Глава 4. Математическая модель и имитационное моделирование системы управления.

4.1 Описание системы имитационного моделирования.

4.1.1 Математическая модель технологического объекта управления.

4.1.2. Математическое описание регуляторов.

4.1.3. Функции программы.

4.1.4. Проверка адекватности модели объекта.

4.2. Имитационное моделирование объекта и системы управления.

4.2.1. Анализ влияния предуплотнения щелока на характеристики объекта.

4.2.2. Алгоритмы работы подсистем управления.

4.2.3. Анализ качества работы системы управления производительностью.

Выводы.

Основные результаты работы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка модели и системы управления производительностью процесса выпаривания щелоков сульфат-целлюлозного производства»

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

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

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

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

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

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

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

- исследование передела выпарки как объекта управления;

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

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

В результате проведенной работы автором предлагается:

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

- усовершенствованная технологическая схема и способ управления процессом выпаривания.

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

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

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНА ЧЕНИЯ

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

Н - уровень, м, см

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины», Абдалла Исхаг Абдалла

Основные результаты работы.

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

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

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Абдалла Исхаг Абдалла, 2003 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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