Комп'ютерно-інтегрована технологія вторинної конденсації виробництва аміаку в умовах невизначеності

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 – Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2020. Комп’ютерно-інтегрована технологія – це управління технологічними процесами або організаційно-технічними комплексами з використанням комп’ютерної та мікропроцесорної техніки. Як правило комп’ютерно-інтегрована технологія використовується для складних технологічних систем, якою і є виробництво аміаку взагалі і зокрема вторинна конденсація. Об’єктом дослідження є процес управління теплообмінними і гідромеханічними системами вилучення продукційного аміаку, які відбуваються у технологічному комплексі вторинної конденсації агрегатів синтезу. Предметом дослідження є комп’ютерно-інтегрована технологія комплексу вторинної конденсації в умовах невизначеності, зокрема математичні моделі, методи та алгоритми ідентифікації, системи програмного керування технологічним комплексом. У дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача підвищення економічної ефективності виробництва аміаку шляхом створення оптимальної структури та комп’ютерно-інтегрованої системи програмного керування технологічного комплексу вторинної конденсації з урахуванням його поведінки, який функціонує в умовах невизначеності. Вирішення здійснене за допомогою сучасних положень системного підходу, теорії ймовірності, багатомірного статистичного аналізу, теорії ідентифікації, математичного моделювання та автоматизованого управління. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведена наукова новизна та сформульоване практичне значення отриманих результатів. В першому розділі здійснений аналітичний огляд особливостей апаратурно-технологічного оформлення та умов функціонування технологічного комплексу вторинної конденсації з визначенням критерію економічної ефективності, який враховує такі статті витрат як електроенергія і природний газ. Аналізом цього критерію доведена необхідність розв’язання задачі підвищення економічності виробництва аміаку з використанням системного підходу, а саме за рахунок створення оптимальної структури та мінімізації температурного режиму випарника технологічного комплексу вторинної конденсації. За результатами аналізу випарників як об’єктів управління встановлені координати векторів зовнішніх збурень, керувань, стану та визначена загальна технічна структура системи управління. Проведено огляд невизначеностей стосовно комплексу вторинної конденсації, обґрунтовано вибір моделі щодо чисельної оцінки параметричної невизначеності гідромеханічних та теплообмінних процесів. Проведений огляд дозволив обрати напрямки досліджень та поставити задачі дисертаційної роботи. У другому розділі наведені інформаційна система отримання експериментальних даних та методика досліджень комплексу вторинної конденсації в промислових умовах. Розроблені математичне та алгоритмічне забезпечення для формування інформаційного масиву ідентифікатора системи управління та отримані дані щодо проектних та фактичних показників невизначеностей, що характеризують ефективність гідромеханічних та теплообмінних процесів. Виконано дисперсійний та регресійний аналіз з перевірки статистичних гіпотез щодо стаціонарності, відтворюваності та нормальності закону розподілу та здійснена формалізація стохастичних моделей невизначеностей. Шляхом математичного моделювання конденсаційної колони проведена апробація моделей на їх адекватність та визначена оптимальна структура технологічного комплексу вторинної конденсації. Доведена економічність цієї структури у порівнянні з існуючою. Результати досліджень дозволили отримати ряд наукових та практичних результатів: − показані можливості створення алгоритмічної бази формування інформаційних масивів ідентифікаторів систем управління складних металоємних промислових технологічних об’єктів з надмірною інерційністю; − вперше на підставі розробленого алгоритму розрахунку невизначеності температури вторинної конденсації-сепарації створена математична модель конденсаційної колони, яка на відміну від відомих аналогів враховує процеси конденсації і випаровування рідкого аміаку відповідно у прямому та зворотному потоках циркуляційного газу; − отримала розвиток теорія закономірностей впливу процесу конденсації у газових сумішах на ефективність процесу теплообміну за наявності інертів та надмірно високого тиску; − отримали подальший розвиток підходи до побудови математичних моделей в умовах алгоритмічної та параметричної невизначеностей та формалізації задач структурної оптимізації складних технологічних комплексів обмежуючись стаціонарністю; − створена та запатентована оптимальна структура технологічного комплексу вторинної конденсації виробництв аміаку підвищеної енергоефективності. В третьому розділі представлені результати досліджень щодо чисельної оцінки невизначеностей показників ефективності процесу теплообміну у випарниках комплексу вторинної конденсації. Сформульована задача та наведені результати досліджень впливу керуючої дії витрати флегми на ефективність теплообмінних процесів випарника, а отже і на його температурний режим. Створені математичні та комп’ютерні моделі мінімізації температурного режиму випарника. Здійснено синтез автоматичної системи регулювання процесом дренування флегми з визначенням критерію якості регулювання, структури, алгоритму та параметрів налаштування регулятора. Дослідження щодо розділу дозволили одержати наступні результати: − вперше за результатами експериментальних досліджень встановлений взаємозв’язок невизначеностей конденсаційного термічного опору в апаратах технологічного комплексу і концентрації аміаку у циркуляційному газі на їх входах; − отримані з використанням стохастичного підходу рівняння для чисельної оцінки взаємопов’язаних невизначеностей довели можливість їх застосування для математичного моделювання технологічного комплексу; − подальший розвиток отримали дослідження щодо залежності температурного режиму охолодження циркуляційного газу у випарниках, і зокрема енергоефективності виробництва аміаку, від керуючої дії витрати флегми, зміна величини екстремуму якої в умовах дії зовнішніх збурень обумовлена за певного температурного напору критичним режимом бульбашкового кипіння холодоагенту; − доведена можливість застосування ПІ регулятора з предиктором Сміта для такого об’єкта з великим транспортним запізненням як трубопровід з встановленими на ньому виконавчим пристроєм і витратоміром для визначення витрати флегми із забезпеченням досить незначної статичної похибки регулювання в досить низькому діапазоні змін постійної часу об’єкта; − розроблено та запатентовано спосіб оптимального управління процесом дренування флегми з випарників комплексу вторинної конденсації. Четвертий розділ присвячений розробці функціональної структури, алгоритмів оперативної корекції технологічних режимів комплексу вторинної конденсації, застосуванню апаратно-програмного забезпечення та результатам впровадження. Розглянута функціональна структура у складі ідентифікатора з математичною моделлю, обчислювача оптимального управління і регуляторів витрати основного і допоміжних. Наведено алгоритм формування уставок допоміжних регуляторів підсистемою корекції (підтримки прийняття рішень) в режимі супервізорного управління. Представлено апаратно-програмне забезпечення, реалізоване на базі SCADA-системи ZENON та наведено результати техніко-економічної ефективності від впровадження. За результатами досліджень представлених у цьому розділі отримані наступні результати: − розроблена функціональна схема комп’ютерно-інтегрованої технології комплексу вторинної конденсації з ідентифікатором, обчислювачем оптимального управління для основного контуру витрати флегми і допоміжних контурів регулювання витрати для корекції уставок, а також програмне забезпечення ідентифікаторів з обчислювачем та блок людино-машинного інтерфейсу; − розроблено алгоритм та програмне забезпечення підсистеми підтримки прийняття рішень для обчислення уставок допоміжних регуляторів витрати холодоагенту у високотемпературний випарник, моноетаноламінового розчину до парогенератора пароежекторної холодильної установки; − реалізована технологія управління на базі SCADA-системи ZENON для ведення бази даних реального часу з технологічною інформацією та передача даних на збереження і обробку в сторонні бази даних і програми; − розроблено структурно-логічну схему існуючої системи управління із запропонованою підсистемою корекції, практична реалізація рішень у якій здійснюється додатковим апаратно-програмним забезпеченням на базі програмованого логічного контролера VIPA та SCADA-системи Zenon. Інтеграція нових технічних рішень щодо системи управління реалізована за допомогою ОРС-технології; − розроблено мнемосхему для людино-машинного інтерфейсу, що забезпечує оператору технологічного комплексу можливість відслідковувати технологічні параметри існуючої системи керування та здійснювати безпосередній вплив через підсистему корекції; − виконані розрахунки очікуваної техніко-економічної ефективності від впровадження результатів досліджень та створеної комп’ютерно-інтегрованої технології комплексу вторинної конденсації для діючих в Україні типових агрегатів синтезу аміаку серії АМ-1360.Thesis for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 151 - Automation and computer-integrated systems. - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2020. Computer-integrated technology is the control of technological processes or organizational and technical complexes using computer and microprocessor technology. As a rule, computer-integrated technology is used for complex technological systems, which is the production of ammonia in general and, in particular, secondary condensation. The object of research is the process of control of heat exchange and hydromechanical systems for the extraction of production ammonia, which occur in the technological complex of secondary condensation of synthesis units. The subject of research is the computer-integrated technology of the secondary condensation complex under conditions of uncertainty, in particular, mathematical models, methods and identification algorithms, software control systems for the technological complex. In the thesis, the scientific and practical problem of increasing the economic efficiency of ammonia production by creating an optimal structure and a computerintegrated program control system for a secondary condensation complex, taking into account its behavior, which functions under uncertainty, has been solved. The solution is implemented using the modern provisions of the systems approach, probability theory, multivariate statistical analysis, identification theory, mathematical modeling and automated control. The introduction substantiates the relevance of the research tasks, shows the relationship of work with scientific programs, plans, themes, provides scientific novelty and formulates the practical significance of the results. The first section provides an analytical review of the features of the hardware and technological design and the conditions for the functioning of the secondary condensation complex with the definition of the criterion of economic efficiency, which takes into account such items of expenses as electricity and natural gas. The analysis of this criterion proved the need to solve the problem of increasing the efficiency of ammonia production using a systematic approach, namely, by creating an optimal structure and minimizing the temperature regime of the evaporator of the secondary condensation complex. Based on the results of the analysis of evaporators as control objects, the coordinates of the vectors of external disturbances, controls, state are established and the general technical structure of the control system is determined. An overview of the uncertainties regarding the secondary condensation complex is carried out, the choice of a model for the numerical estimation of the parametric uncertainty of hydromechanical and heat exchange processes is justified. The review makes it possible to choose areas of research and set the objectives of the thesis. In the second section, an information system for obtaining experimental data and a methodology for investigating the secondary condensation complex in industrial conditions are presented. The mathematical and algorithmic support for the formation of the information array of the identifier of the control system is developed and the data on the design and actual indicators of uncertainties, characterizing the efficiency of hydromechanical and heat exchange processes is obtained. The analysis of variance and regression is carried out to test statistical hypotheses regarding the stationarity, reproducibility and normality of the distribution law, and the formalization of stochastic models of uncertainties is carried out. By means of mathematical modeling of the condensation column, the models are tested for their adequacy and the optimal structure of the secondary condensation complex is determined. The efficiency of this structure is proved in comparison with the existing one. The research results makes it possible to obtain a number of scientific and practical results: - the possibilities of creating an algorithmic base for the formation of information arrays of identifiers of control systems of complex metal-intensive industrial technological objects with excessive inertia are shown; - for the first time, on the basis of the developed algorithm for calculating the uncertainty of the secondary condensation-separation temperature, a mathematical model of the condensation column is created, in contrast to the known analogs, it takes into account the processes of condensation and evaporation of liquid ammonia, respectively, in the forward and reverse flows of the circulating gas; - the theory of the laws of the effect of the condensation process in gas mixtures on the efficiency of the heat exchange process in the presence of inertial and excessively high pressure are developed; - the approaches to the construction of mathematical models under the conditions of algorithmic and parametric uncertainty and the formalization of problems of structural optimization of complex technological complexes are further developed, limiting themselves to stationarity; - the optimal structure of the secondary condensation complex for ammonia production with increased energy efficiency is created and patented. The third section presents the results of studies on the numerical assessment of the uncertainties of the efficiency indicators of the heat transfer process in the evaporators of the secondary condensation complex. The problem is formulated and the results of studies of the influence of the control action of the reflux rate on the efficiency of the heat exchange processes of the evaporator and, consequently, on its temperature regime are presented. Mathematical and computer models for minimizing the temperature regime of the evaporator are created. The synthesis of an automatic control system for the phlegm drainage process is carried out, with the definition of the quality criterion for regulation, structure, algorithm and settings of the controller. Research in the section yielded the following results: - for the first time, based on the results of experimental studies, a relationship is established between the uncertainties of the condensation thermal resistance in the apparatus of the complex and the concentration of ammonia in the circulating gas at their inputs; - the equation obtained using the stochastic approach for the numerical assessment of interrelated uncertainties prove the possibility of their application for mathematical modeling of the complex; - further development is gained in studies on the dependence of the temperature regime of cooling the circulating gas in evaporators, and in particular the energy efficiency of ammonia production, on the control action of the reflux flow rate, the change in the value of the extremum of which under the influence of external disturbances is determined by a certain temperature head by the critical mode of bubble boiling of the refrigerant; - the possibility of using a PI controller with a Smith predictor for such an object with a large transport lag as a pipeline with an actuator and a flow meter installed on it for determining the reflux flow rate is proved with a sufficiently insignificant static regulation error in a sufficiently low range of changes in the object's time constant; - the method for optimal control of the reflux drainage process from the evaporators of the secondary condensation complex is developed and patented. The fourth section is devoted to the development of the functional structure, algorithms for operational correction of technological modes of the secondary condensation complex, the use of hardware and software and the results of implementation. The functional structure of the identifier with a mathematical model, an optimal control calculator and main and auxiliary flow controllers is considered. An algorithm for forming the settings of auxiliary regulators by the correction (decision support) subsystem in the supervisory control mode is presented. Hardware and software implemented on the basis of ZENON SCADA system are presented and the results of technical and economic efficiency from implementation are presented. Based on the research results presented in this section, the following results are obtained: - a functional diagram of the computer-integrated technology of the secondary condensation complex with an identifier, a computer for optimal control for the main circuit of the reflux flow rate and auxiliary circuits for regulating the flow rate for adjusting the settings, as well as the software of identifiers with a computer and a block of the human-machine interface is developed; - an algorithm and software are developed for the decision support subsystem for calculating the settings of the auxiliary regulators of the refrigerant flow into the high-temperature evaporator, monoethanolamine solution to the steam generator of the steam jet refrigeration plant; - control technology is implemented based on the ZENON SCADA system for maintaining a real-time database with technological information and transferring data for storage and processing to third-party databases and programs; - a structural and logical diagram of the existing control system with the proposed correction subsystem is developed, the practical implementation of solutions in which is carried out by additional hardware and software based on the VIPA programmable logic controller and Zenon SCADA system. Integration of new technical solutions for the control system is implemented using OPC technology; - a mnemonic diagram is developed for the human-machine interface, which provides the operator of the complex with the ability to monitor the technological parameters of the existing control system and directly influence through the correction subsystem - calculations of the expected technical and economic efficiency from the implementation of the research results and the created computer-integrated technology of the secondary condensation complex for the typical ammonia synthesis units of the AM-1360 series operating in Ukraine are performed.