Модернизация и математическое моделирование системы регулирования узла каталитической очистки газов агрегата производства неконцентрированной азотной кислоты

УДК 681.5

12 1 И.Н. Морозов , А.Е. Пророков , В.Н. Богатиков

МОДЕРНИЗАЦИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ УЗЛА КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ АГРЕГАТА ПРОИЗВОДСТВА НЕКОНЦЕНТРИРОВАННОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ

Аннотация

Описаны предложения по модернизации существующей системы регулирования узла каталитической очистки газов. Данная модернизация позволяет учитывать нечетко определенные управляющие параметры, которые оказывают взаимное влияние друг на друга, путем внедрения в качестве регулятора регулятор, построенный на аппарате нечеткой логики.

Ключевые слова:

система управления, нечеткая логика, математическое моделирование.

I.N. Morozov, A.E. Prorokov, V.N. Bogatkov MODERNIZATION AND MATHEMATICAL MODELLING OF SYSTEM OF REGULATION OF KNOT OF CATALYTIC CLEARING OF GASES OF THE UNIT OF MANUFACTURE OF NOT CONCENTRATED NITRIC ACID

Abstract

Offers on modernization of existing system of regulation of knot of catalytic clearing of gases are described. The given modernization allows to consider indistinctly certain operating parameters which make mutual impact against each other, by introduction as a regulator a regulator constructed on the device of the fuzzy logic.

Keywords:

control system, the fuzzy logic, mathematical modeling.

Введение

Для эффективного функционирования систем управления сложными технологическими процессами необходимо разрабатывать математические модели в целях обеспечения безопасной работы промышленных систем в различных производственно-технологических ситуациях. Наиболее подходящим математическим аппаратом, позволяющим решать задачи моделирования и управления такого рода объектов, является аппарат нечетких множеств.

Данная статья освещает подход к модернизации и математическому моделированию системы регулирования узла каталитической очистки газов.

Модель существующей системы регулирования

С точки зрения задачи управления в узле каталитической очистки газов имеются две регулируемые переменные: температура на выходе из реактора каталитической очистки (ТВЫХ); температура газа на входе в реактор каталитической очистки (ТВХ).

1 ИИММ КНЦ РАН

2 Новомосковский институт РХТУ им. Д.И. Менделеева

Управляющими факторами могут быть: подача топливной смеси ^ГВ) в камеру сгорания перед реактором (определяет температуру газов перед реактором); подача природного газа ^пг) в реактор (определяет количество восстановителя в реакторе очистки); подача добавочного воздуха ^дВ) в колонну абсорбции (определяет концентрацию кислорода перед реактором очистки, и, следовательно, степень конверсии природного газа в реакторе).

Подачу природного газа на реакцию и добавочного воздуха в колонну абсорбции, следует осуществлять в определенном соотношении. Это обычно достигается введением регулятора соотношения на этих потоках. Отсюда следует, что реально существуют лишь два независимых управляющих воздействия - подача топливной смеси в камеру сгорания реактора и подача природного газа и воздуха в определенном соотношении для получения восстановителя.

Таким образом, в задаче управления имеется две управляемых и две управляющих переменных, оказывающих друг на друга взаимное влияние.

Анализ свойств описанного объекта управления позволил сделать вывод, что температуру газов на выходе из реактора целесообразно стабилизировать с помощью изменения подачи топливной смеси в камеру сгорания реактора. Поддержание необходимой температуры газа на входе в реактор, позволяющее максимизировать разность температур газа на входе и выходе реактора, рационально осуществлять с помощью изменения количества подаваемого на реакцию природного газа и воздуха (рис.1) [1].

Рис.1. Структурная схема двухконтурной системы регулирования узла каталитической очистки газов

Моделирование существующей системы управления проводилось в среде МаАаЬ 7.0.1. (рис. 2).

Проверка адекватности модели выполнена с использованием

статистических данных работы узла каталитической очистки газов ОАО «Новомосковская акционерная компания «АЗОТ» Были исследованы

динамические режимы узла каталитической очистки действующего

производства и режимы, полученные с помощью данной модели. Исследование

проводилось в два этапа: на первом этапе генерировались входные параметры в виде сигнала, после чего на втором этапе проводилась обработка выходных параметров.

Рис. 2. Модель системы автоматического регулирования узла каталитической очистки газов в среде Matlab 7.0.1.

После обработки полученной информации для наилучшего представления были составлены функции распределения. На графиках (рис.3) представлены функции распределения входных и выходных параметров: «температура на входе в реактор каталитической очистки», «температура на выходе из реактора каталитической очистки».

Рис. 3. Функции распределения входных и выходных параметров

Математическое ожидание и дисперсия величины «температура на выходе из реактора каталитической очистки»: а). По экспериментальным данным: М(Х) = 1\Ъ , D(X) = 38,5; б). По результатам моделирования: М(Х) = 1\Ъ , ЩХ) = 43,5 .

Предложение по модернизации системы регулирования

Учитывая то, что существующая модель системы регулирования температурного режима узла каталитической очистки косвенно оценивает концентрацию вредных веществ на выходе реактора, предлагается произвести ее модернизацию. Выходными параметрами данной модели будут температура очищенных газов на выходе из реактора каталитической очистки T0uu и концентрация N0 и N02 Cno+no^ . На данные параметры накладываются

ограничения, связанные с санитарными нормами, конструктивными особенностями оборудования, а также с технологией ведения производства: CN0+N02 < 0.005%, 700°С < T0ut < 730°С. На основании проведенных в

действующем цехе экспериментов были получены кривые разгона по всем интересующим каналам рассматриваемой части технологической схемы. Их обработка позволила получить передаточные функции этих каналов.

Управляющими параметрами предлагаемой системы регулирования будут:

• расход природного газа GПГ;

• расход смеси газ-воздух GГВ .

В качестве возмущающих параметров предлагаемой системы регулирования можно выделить:

*

• концентрацию N0 и N02 на выходе из абсорбционной колонны Cno+no^ ;

• концентрацию O2 на выходе из абсорбционной колонны С0 ;

• температуру хвостовых газов на входе в реактор каталитической очистки T ;

• расход хвостовых газов на выходе из абсорбционной колонны GХГ .

Так как управляющие параметры оказывают взаимное влияние друг на друга, и данное влияние не представляется возможным в полной мере изучить, то в работе предлагается в качестве регулятора использовать регулятор, построенный на аппарате нечеткой логики (Fuzzy-регулятор). Структурная схема модернизированной системы регулирования узла каталитической очистки газов приведена на рис. 4.

Далее была проведена разработка нечеткого регулятора. Функцией данного регулятора является преобразование входных сигналов рассогласования в конечные значения управляющих величин:

• изменение расхода природного газа AGnr;

• изменение расхода смеси газ-воздух A.

Входные сигналы рассогласования получаются путем сравнения исходных (заданных величин) и величин, полученных с помощью введения обратных связей по управляющим и возмущающим параметрам или от модели управления технологическим процессом.

Рис. 4. Структурная схема модернизированной системы регулирования узла каталитической очистки газов

Рациональное управление будем находить, используя правила нечеткого логического вывода на основании базы знаний, сформированной по результатам экспертного опроса.

Таблица 1

Формализация лингвистической переменной «расход природного газа»

Область регламе- нтного состояния Терм- множе- ство Область определения терм-множества Функция принадлежности терммножества

Ві= «Низкий» [10; 14] 1, при 10 < 0ПГ < 12

і , /л о ^ Лг,^пРи 1^ -14 1 + ехр (4.8- \іпг -13^ ^ ига/ 1 "і ^ Ст ^1/1

[10; 18] В2= «Средний» [12; 16] і , ! л д Г п"5 Р -^ипг - 1 1 1 + ехр (-4.8- <7^-13

і , ґл д ^ 1«"’ ПРи " пг - 10 1 + ехр (4.8- <7^-15^

Вз= «Высокий» [14; 18] / ІІУ 1*1 1 1 V Т7Т^ 1 1_/ 1 + ехр (-4.8-<7^-15^ пг 1, при 16 <0ПГ <18

Первоначально введем лингвистические переменные: «изменение расхода природного газа», «изменение расхода смеси газ-воздух», «расход природного газа» и «расход смеси газ-воздух», определим их терм-множества и зададим функции принадлежности каждому терм-множеству лингвистической переменной. Пример для лингвистической переменной «расход природного газа» представлен в табл. 1 и на рис. 5.

№ а | & иг )

Рис. 5. Функции принадлежности терм-множеств лингвистической переменной «расход природного газа»

По решающей табл. 2, составленной на основе знаний экспертов, делается нечеткий логический вывод.

Таблица 2

Решающая таблица нечеткого логического вывода нечетких переменных «расход природного газа» и «расход смеси газ-воздух»

Расход природного газа Расход смеси газ-воздух

Низкий Средний Повышенный Высокий

Низкий Аь Bl Аі, Ві A2, В1 A3, В2

Средний Аь Bl АЬ В2 А2, В2 A3, В2

Повышенный Аь В2 А2, В2 A2, В3 А3, В3

Высокий вз Вз Аз Вз A3, В3

Таким образом, определяется значение нечетких переменных «расход природного газа» и «расход смеси газ-воздух». Блок-схема нечеткого регулятора приведена на рис. 6.

Нечеткий

логический

вывод

Рис. 6. Блок-схема нечеткого регулятора

Построим модель регулирования узла каталитической очистки газов в среде МайаЬ 7.0.1 (рис. 7).

Рис. 7. Модель регулирования узла каталитической очистки газов

в среде Matlab 7.0.1

В результате проведенного моделирования были получены графики, отображающие переходные процессы изменения температуры и концентрации нитрозных газов на выходе реактора (рис. 8).

Проверка адекватности модели, по аналогии, проводилась по статистическим данным работы узла каталитической очистки газов ОАО «Новомосковская акционерная компания «АЗОТ».

т Мо<1_у21а *

ВИ

Рис. 8. Графики изменения температуры и концентрации нитрозных газов на выходе реактора

После обработки полученной информации для наилучшего представления были составлены функции распределения. На графиках (рис. 9) представлены функции распределения выходных параметров: «концентрация нитрозных газов на выходе из реактора каталитической очистки», «температура на выходе из реактора каталитической очистки».

Также были рассчитаны математическое ожидание и дисперсия данных величин.

Входные параметры

расход природного газа

оПг

расход смеси газ-воздух

Огв

концентраця N0 и N02 на входе в реактор каталитической очистки С*

концентрация 02 на входе в реактор каталитической очистки

температура хвостовых газов на входе в реактор каталитической очистки Т

ТХГ

расход хвостовых газов на входе в реактор каталитической очистки

G,

ХГ

Модель

объекта

управления

Выходные параметры

£Э

J_____________I_____________I_____________L

700 705 710 715 720 725

I I I I I I I I I I I

0.0042 0.0044 0.0046 0.0048 0.0050 0.0052

концентрация

- результаты, полученные с помощью модели

- результаты с реального объекта

С

реактора

С

«U I А' С.-

Рис. 9. Проверка адекватности

Математическое ожидание и дисперсия величины «температура на выходе из реактора каталитической очистки»:

а) по экспериментальным данным: М(X ) = 713, D(X) = 38,5;

б) по результатам моделирования: М(Х) = 715,5 , IX X) = 19,75 . Сопоставляя экспериментальные данные и данные, полученные с

помощью моделирования, а также данные с действующей модели можно сделать вывод, что разработанная модель вполне адекватна.

Заключение

В статье было предложено провести модернизацию системы регулирования путем замены штатных регуляторов на нечеткий регулятор. Модернизированная система позволяет вести учет концентрации нитрозных газов (вредных для окружающей среды) на выходе из реактора каталитической очистки, в то время как существующая система регулирования лишь косвенно оценивает выбросы вредных газов в атмосферу. Результаты моделирования данной системы в динамических режимах работы подтвердили адекватность разработанной модели реальной системе регулирования технологическим процессом каталитической очистки газов.

Литература

1. Трифонов, А.Д. Разработка оптимальной энергосберегающей системы автоматического регулирования процесса каталитической очистки в агрегате неконцентрированной азотной кислоты: дис. ... кан. техн. наук: 05.13.07 / Трифонов Александр Дмитриевич. - М., МХТИ, 1983. - 167 с.

Сведения об авторах

Морозов Иван Николаевич

к.т.н., младший научный сотрудник. Учреждение Российской академии наук Институт информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН.

Россия, 184209, г. Апатиты Мурманской обл., ул. Ферсмана, д. 24A. e-mail: moroz.84@mail.ru

Ivan N. Morozov

Ph.D. (Tech. Sci.), junior researcher. Institution of Russian Academy of Sciences, Institute for Informatics and Mathematical Modeling of Technological Processes, Kola Science Center оf RAS, Russia, 184209, Apatity Murmansk region, Fersman St. 24А.

Пророков Анатолий Евгеньевич

к.т.н., заведующий кафедрой «Прикладная информатика» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Новомосковский институт (филиал) РХТУ им. Д.И. Менделеева».

Россия, 601370, г. Новомосковск Тульской обл., ул. Дружбы, д. 8. e-mail: Prorokov@nmosk.ru

Anatoly E. Prorokov

Ph.D. (Tech. Sci.), head of the chair «Applied informatics» of the Novomoskovsk Institute (Branch of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University).

Богатиков Валерий Николаевич

д.т.н. ведущий научный сотрудник. Учреждение Российской академии наук Институт информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН.

Россия, 184209, г. Апатиты Мурманской обл., ул. Ферсмана, д. 24A. e-mail: vnbgtk@iimm.kolasc.net.ru

Valery N. Bogatikov

Dr. of Sci. (Tech.) leading researcher. Institution of Russian Academy of Sciences, Institute for Informatics and Mathematical Modeling of Technological Processes, Kola Science Center оf RAS. Russia, 184209, Apatity Murmansk region, Fersman St. 24А.