Научная статья на тему 'Адаптивный алгоритм управления узлом десублимации гексафторида урана'

Адаптивный алгоритм управления узлом десублимации гексафторида урана Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

CC BY
201
54
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ДЕСУБЛИМАЦИЯ / АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ / ВРЕМЯ ЗАХОЛАЖИВАНИЯ / ГЕКСАФТОРИД УРАНА

Аннотация научной статьи по прочим технологиям, автор научной работы — Вильнина А. В., Ливенцов С. Н.

На основе математической модели разработан адаптивный алгоритм управления узлом десублимации. Алгоритм управления сводится к определению начала времени включения режима отпарки для соответствующей секции. Адаптация заключается в определении текущего значения степени десублимации по показаниям тензовесов, что позволяет повысить эффективность заполнения баллона готовым продуктом (гексафторидом урана).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по прочим технологиям , автор научной работы — Вильнина А. В., Ливенцов С. Н.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE ADAPTIVE ALGORITHM OF CONTROL OVER THE UNIT OF DESUBLIMATION OF URANIUM HEXAFLUORIDE

The adaptive algorithm of desublimation unit control is developed on the basis of the mathematical model. The algorithm of control is reduced to define the beginning of the steam mode activation time for a corresponding section. The adaptation consists in definition of the current value of desublimation degree under indications of tensovesses, which allows raising the efficiency of a cylinder filling by a finished product (uranium hexafluoride).

Текст научной работы на тему «Адаптивный алгоритм управления узлом десублимации гексафторида урана»

УДК 66.012-52

АДАПТИВНЫЙ АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ УЗЛОМ ДЕСУБЛИМАЦИИ ГЕКСАФТОРИДА УРАНА

А.В. Вильнина, С.Н. Ливенцов

Томский политехнический университет E-mail: anviv@mail.ru

На основе математической модели разработан адаптивный алгоритм управления узлом десублимации. Алгоритм управления сводится к определению начала времени включения режима отпарки для соответствующей секции. Адаптация заключается в определении текущего значения степени десублимации по показаниям тензовесов, что позволяет повысить эффективность заполнения баллона готовым продуктом (гексафторидом урана).

Сублиматное производство является одним из звеньев ядерно-топливного цикла, целевой продукт которого используется на этапе обогащения по изотопу 235и. Химико-технологическая схема данного производства состоит из трех функциональных узлов: фторирования, десублимации и улавливания ценных компонентов из хвостовых газов. Управление основными технологическими процессами выполнятся АСУ ТП, которое состоит из двух функциональных уровней, находящихся в иерархическом подчинении. Верхний уровень предназначен для поиска оптимальных уставок для систем управления отдельными стадиями, при которых критерий управления достигает экстремума. В подсистемах нижнего уровня реализован режим прямого цифрового управления отдельными стадиями, при котором средства вычислительной техники воздействуют непосредственно на исполнительные устройства аппаратов [1].

В процессе наладки модернизируемой системы управления на базе многофункционального контроллера возникла необходимость в разработке более сложных алгоритмов управления, в том числе адаптивных, с целью повышения производительности аппаратов, в частности, для узла десублимации.

Узел десублимации предназначен для выделения гексафторида урана из технологического газа посредством осаждения его в твердом виде на внешней поверхности трубчатки аппарата. Конструктивно технологические аппараты, из которых состоит узел десублимации, представляют собой теплообменник с трубками Фильда, заключенными в корпус и разбитыми на секции.

Нормальное протекание технологического процесса происходит при накоплении некоторой толщины слоя десублимата на внешней поверхности трубчатки за время захолаживания и последующего его сброса в сменную емкость (баллон) при включении режима отпарки. Толщина слоя определяет температуру поверхности теплообмена и соответственно - равновесную концентрацию При достижении равновесной концентрации скорость осаждения на внешней поверхности трубчатки и его возгонки равны [2]. Следовательно, если толщина слоя десу-блимата не оптимальна, то при малых ее значениях большая часть возгонится в момент теплового сброса. При большом значении снизится степень десублимации; может произойти забивка горловины аппарата при сбросе большого количества продукта.

Критерием управления процессом десублима-ции является величина степени десублимации. Целью управления технологическим процессом десу-блимации является стабилизация толщины слоя де-сублимата на заданном уровне, который обеспечивает оптимальное соотношение между достигаемой степенью десублимации и насыпной плотностью готового продукта в транспортных емкостях [1].

Основой действующего алгоритма является определение дополнительного времени захолажи-вания Д/ для (/'+1)-ой секции, которое необходимо для осаждения десублимата заданной толщины Н. Тогда управление технологическим процессом будет заключаться в определении времени начала от-парки (/'+1)-ой секции по формуле: г = г + Дг.+,,

НО1+, 001 ]+1'

где /00 - время окончания отпарки '-ой секции; Д^+1 - дополнительное время захолаживания для ''+1)-ой секции.

t, -t,.

Ч+i = ■

N

где 4. - текущее расчетное значение времени захолаживания; 4„¿д - минимальное значение времени захолаживания (/'+1)-ой секции; N - количество секций.

Алгоритм управления иллюстрируется временной диаграммой включения секций в режим отпарки (рис. 1).

Рассматриваемый технологический процесс является циклическим, при котором каждая секция трубчатки периодически находятся в режимах за-холаживания и отпарки, причем одновременно в режиме отпарки может находиться не более одной секции [2]. Поэтому продолжительность захолаживания '-ой секции не должна быть меньше минимального времени ¡3 Это необходимо для предотвращения включен'и+1я в отпарку одновременно нескольких секций, что может привести к забивке горловины аппарата и остановке производства.

Минимальное значение времени захолаживания определяется как сумма времен отпарок всех секций за исключением времени отпарки '-ой секции:

( М Л

г = У г - г ,

Зт„ ] ¿и 0] 0]'

V ]=1 у

где /0 - время отпарки '-ой секции.

N секции

7+1

'НО ]

»оо ]

^но 7+1 ^оо 7+1

Цикл отпарки

К—я

Цикл захолаживаиия 4

-> г

Рис. 1. Временная диаграмма включения секций в режим отпарки

Текущее значение времени захолаживания определяется как отношение текущего значения массы десублимата т,, осевшего на внешней поверхности трубчатки, к произведению текущего значения расхода продукта О,, и степени десубли-мации а;-1 поступившего в аппарат.

т.

оа-

где т1 - расчетное текущее значение массы десу-блимата осевшего на внешней поверхности трубчатки, кг; О! - текущее значение расхода продукта, кг/ч; цч - значение степени десублимации за предыдущий цикл работы секций.

Текущее значение массы десублимата можно определить по формуле:

т. = V р,

где V - расчетное значение объема, который занимает твердый осевший на внешней поверхности трубчатки, м3; р - плотность кг/м3.

Объем V можно определить, представив трубчатку с накопившимся на ней слоем десублимата толщиной Н как коаксиальный цилиндр с внешним радиусом Я, который равен сумме: Я=г+Н, где г -внутренний радиус трубчатки; Н - толщина слоя десублимата и длиной Ь, м.

Тогда текущее значение массы десублимата может быть получено по формуле:

т =п1эФФАад(2г+Кщдр,

где Нэд - заданное значение толщины слоя десублимата; Ьэ(№ - текущее значение эффективной длины трубчатки, м.

Под эффективной длиной трубчатки аппарата, работающего в переменном режиме (последова-

тельное включение режима отпарки и захолажива-ния), будем понимать длину труб эквивалентного аппарата, работающего постоянно в режиме захолаживания. Это обусловлено тем, что только в режиме захолаживания происходит осаждение продукта на внешней поверхности трубчатки.

Эффективная длина трубчатки определяется по формуле:

" ( , V ь,

ь

эфф.

7=1

где ¡0 - время отпарки у-ой секции, ч; Ьу - общая длина у-ой секции, м.

Текущее значение расхода гексафторида урана Оу определяется из стехиометрических расчетов материального баланса.

Введение в эксплуатацию нового контрольно-измерительного оборудования (тензовесов) позволяет реализовать контур адаптации для управления узлом десублимации. Адаптивное управление технологическим процессом реализуется через перерасчет степени десублимации по приращению веса продукта в баллоне, отнесенное к количеству продукта, поступившего в аппарат за время цикла.

АЖ, -! а 1 =—

где - приращение веса продукта в баллоне за предыдущий цикл по показаниям тензовесов, кг; АОч - расход продукта на входе аппарата за предыдущий цикл, кг/ч; ¡ц, - продолжительность ( ,-1) цикла, ч.

Таким образом, при определении степени десу-блимации используют показания тензовесов в моменты времени, соответствующие началу и концу ( ,-1) цикла. За время цикла принимается промежу-

ток времени, за которое все секции были один раз переведены в режим отпарки.

Структурная схема разработанного адаптивного алгоритма управления представлена на рис. 2. Анализ экспериментальных данных показал, что

степень десублимации а изменяется в диапазоне 0,65...0,80. Таким образом, использование в алгоритме управления экспериментального определенной степени десублимации позволяет учесть влияние таких внутренних возмущений, как температура хладоносителя,

Рис. 2. Структурная схема адаптивного алгоритма управления

m, т

8 -I

7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 -

0

- алгоритм без адаптации -адаптивный алгоритм

t, ч

0 50 100 150

Рис. 3. Временная зависимость наполнения баллона продуктом

газа, пара, наличие примесей в газе, залипание твердого на внешней поверхности трубчатки и т. п. на ход технологического процесса в целом. Это позволяет решить задачу адаптации, повысить качество управления и стабильность процесса десублимации.

Моделирование алгоритма управления осуществлялось в пакете БтиИпк МаНаЬ и заключалось в определении времени наполнения баллона при алгоритме управления с адаптацией и без. Поскольку изменение степени десублимации в алгоритме управления без адаптации не учитывается, то значение времени захолаживания остается постоянным независимо от количества сброшенного твердого При моделировании адаптивного алгоритма управления перерасчет степени десубли-мации позволял оценить реальное количество осевшего на внешней поверхности трубчатки с учетом влияния внутренних возмущений и скорректировать время захолаживания, при котором будет десублимироваться заданное количество ОТ6.

Результаты моделирования (рис. 3) показали, что в обоих случаях уменьшение степени десубли-мации приводит к увеличению времени наполнения баллона, но в отличие от алгоритма без адаптации время наполнения баллона при использовании

200

250

адаптивного алгоритма управления снижается

приблизительно на 5 %.

Выводы

1. Разработан алгоритм управления узлом десублимации гексафторида урана, суть которого заключается в определении времени включения секции в режим отпарки.

2. Введенный в алгоритм управления контур адаптации позволяет формировать управляющее воздействие с учетом действующих возмущений, которые влияют на степень десублимации.

3. На основе экспериментальных данных был определен диапазон изменения степени десу-блимации, который составил 0,65...0,80; получены результаты моделирования алгоритмов управления с контуром адаптации и без него.

4. Предложенный адаптивный алгоритм управления может быть применен на производствах, в которых используют процесс десублимации, для извлечения продукта из газовой смеси, на аппаратах, имеющих подобную конструкцию с периодическим принципом действия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Курин Н.П., Андреев Г.Г., Дядик В.Ф., Ливенцов С.Н., Ма-слов А.А., Онищук А.Н. АСУТП производств гексафторида урана // Известия Томского политехнического университета. -2002. - № 3 (спецвыпуск). - С. 398-402.

2. Горелик А.Г., Амитин А.В. Десублимация в химической промышленности. - М.: Химия, 1986. - 272 с.

Ключевые слова:

Десублимация, алгоритм управления, время захолаживания, гексафторид урана.

Поступила 07.12.2006г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.