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

УДК 66.012-52

АДАПТИВНЫЙ АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ УЗЛОМ ДЕСУБЛИМАЦИИ ГЕКСАФТОРИДА УРАНА

А.В. Вильнина, С.Н. Ливенцов

Томский политехнический университет E-mail: [email protected]

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.

=Е

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.