CC BY
13
УДК 681.5
Санаева Г.Н., Пророков А.Е., Кириллов И.Е., Богатиков В.Н.
ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ПИРОЛИЗА НА ОСНОВЕ КУСОЧНО-ЛИНЕЙНОЙ МОДЕЛИ
Санаева Галина Николаевна, старший преподаватель кафедры вычислительной техники и информационных технологий, e-mail: gsanaeva@nirhtu.ru;
Пророков Анатолий Евгеньевич, к.т.н., доцент, заведующий кафедрой вычислительной техники и информационных технологий;
Новомосковский институт РХТУ имени Д.И. Менделеева, Новомосковск, Россия 301665, Тульская область, г. Новомосковск, ул. Дружбы, д. 8
Кириллов Иван Евгеньевич, к.т.н., доцент кафедры физики, биологии и инженерных технологий, Апатитский филиал Мурманского Арктического Государственного Университета, Апатиты, Россия; Богатиков Валерий Николаевич, д.т.н., профессор, профессор кафедры информационных систем, Тверской государственный технический университет, Тверь, Россия
В работе представлены варианты систем управления процессом получения ацетилена окислительным пиролизом природного газа с использованием кусочно-линейной модели с учётом центра безопасности. В результате имитационного моделирования установлено, что наилучшее качество регулирования процессом обеспечивается двухуровневой системой управления с МРС-регулятором.
Ключевые слова: ацетилен, окислительный пиролиз, моделирование, центр безопасности, система управления.
CONSTRUCTION OF A CONTROL SYSTEM FOR THE PROCESS OF OXIDATIVE PYROLYSIS BASED ON A PIECEWISE LINEAR MODEL
Sanaeva G.N., Prorokov A.E., Kirillov I.E.*, Bogatikov V.N.** D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Novomoskovsk, Russia * Apatity Branch of Murmansk State Technical University, Apatity, Russia ** Tver State Technical University , Tver, Russia
The paper presents variants of control systems for the process of acetylene production by oxidative pyrolysis of natural gas using a piecewise linear model with consideration of the safety center. As a result of simulation, it was established that the best quality control of the process is provided by a two-level control system with an MPC-regulator.
Keywords: acetylene, oxidizing pyrolysis, modeling, safety center, control system.
Для производства ацетилена окислительным ацетилен (7-8% об.) и водород (разложение метана)
пиролизом природного газа предварительно [1]. При этом образуется большое количество
подогретые в подогревателе природный газ и побочных продуктов реакций, например,
кислород поступают в реактор окислительного углекислый газ, угарный газ, пирогенетическая влага.
пиролиза, состоящий из смесителя, горелочного Реакция получения ацетилена при высоких
блока, реакционной зоны и зоны «закалки». В зоне температурах обратима. Чтобы избежать обратной
смешения происходит физическое перемешивание реакции, в нижней части реактора понижают
струй предварительно подогретых природного газа и температуру до 60-80°С введением холодной воды
кислорода с целью получения метано-кислородной («закалка» газа пиролиза).
смеси. В зоне реакции происходит разложение На процесс окислительного пиролиза
(окислительный пиролиз) метана при его горении с накладываются ограничения, обусловленные
получением большого количества побочных обеспечением технологической безопасности [1,2]: продуктов. Высокая температура в реакторе (1400- - максимально допустимая температура
1500°С), необходимая для разложения метана с распределительной решетки реактора
образованием ацетилена, достигается в результате окислительного пиролиза для предупреждения
сжигания части природного газа. преждевременного воспламенения смеси или
В реакционной зоне согласно химизму процесса: проскока пламени из реакционной камеры в
СН4 + 02 ^ СО + Н2О + Н2, смеситель:
СН4 + 202 ~ СО2 + 2Н2О, Греш < Трешмах, (Треш"" = 710°С);
2СН4 ^ С2Н2 + 3Н2, - концентрации кислорода и метана на выходе из
С2Н2 ^ 2С + Н2 реактора: получение ацетилена происходит следующим С02 < С02мах, (С02мах = 0,8% (об.)); образом: часть поступающего метана сгорает c ССН4 < ССН4мах, (С02мах = 9% (об.)); выделением тепла, поднимая температуру в реакторе, - минимальный расход воды на «закалку»
(окисление метана), а другая часть разлагается на продуктов реакции:
Ов < Ов мт, (Ов мт = 10 м3/с).
Для каждого из этапов окислительного пиролиза (подогрев, перемешивание, окислительный пиролиз, «закалка» газа пиролиза) составлено математическое описание, включающее в себя уравнения материальных и тепловых балансов [2]. В результате имитационного моделирования средствами системы Simulink пакета МайаЬ установлено, что на количество ацетилена в газе пиролиза влияют температура предварительного подогрева исходных компонентов для реакции и соотношение их расходов.
На основании полученной математической модели с использованием метода разделения состояний для определения области безопасности процесса окислительного пиролиза и организации контроля его состояния с использованием методов кусочно-линейной аппроксимации получена система линейных ограничений. При этом
функционирование процесса окислительного пиролиза рассматривается в виде
последовательности смены его состояний на некотором интервале времени. Состояние системы в каждый момент времени t из этого интервала определяется набором параметров процесса. Область номинальных режимов (область работоспособного состояния) процесса определяется совокупностями технологических, конструктивных параметров и параметров управления. На технологический процесс накладываются
ограничения его рабочего функционирования, выход за которые означает переход процесса во внештатную ситуацию. Таким образом, эти ограничения определяют на множестве всех состояний процесса и-мерную область, в которой процесс не выходит во внештатные ситуации -область всех работоспособных состояний процесса [3-5]. При этом для определения параметров, соответствующих точке наиболее безопасного состояния процесса (центра безопасности), решается задача нелинейного программирования для определения координат точки, максимально удаленной от границ области безопасности, определяемых ограничениями кусочно-линейной модели [3]. Полученная кусочно-линейная модель позволяет при изменении значения какого-либо входного параметра осуществлять перерасчет остальных входных параметров при стабилизации значений выходных параметров в области центра технологической безопасности. Например, при изменении расхода метана, подаваемого в реактор окислительного пиролиза, производится перерасчет расхода кислорода на реакцию и природного газа на горелку подогревателя, а также расхода воды на «закалку» газа пиролиза с целью поддержания параметров выходного потока в требуемом диапазоне.
Из анализа полученных данных следует, что для системы управления (СУ) рассматриваемым процессом наиболее важными параметрами являются расход природного газа на горелку подогревателя, расходы и температуры метана и
кислорода на входе в реактор, расход воды на «закалку» газа пиролиза. При этом установлено, что параметры выходного технологического потока можно только контролировать, а управление ими осуществляется только за счет изменения значений входных технологических параметров. Основной задачей СУ в данном случае является обеспечение требуемого состава газа пиролиза на выходе из реактора при условии обеспечения технологической безопасности процесса.
Для реализации целей управления в качестве объекта управления принята последовательность двух соединенных аппаратов: подогревателя исходных компонентов и реактора окислительного пиролиза.
Для определения оптимального способа управления процессом окислительного пиролиза синтезированы следующие варианты схем СУ:
- локальное регулирование технологических параметров, обеспечивающих оптимальную физико-химическую обстановку в реакторе;
- регулирование технологических параметров с учетом характеристик получаемого газа пиролиза;
- двухуровневое регулирование с расчетом заданий для локальных контуров с использованием МРС-регулятора.
Для синтезированных схем проведено имитационное моделирование с целью исследования динамических характеристик качества
регулирования, обеспечиваемого каждой из схем.
Система, обеспечивающая наилучшие показатели качества управления, является двухуровневой СУ процессом (рис.1), на первом уровне которой осуществляется регулирование подачи природного газа и кислорода на входе в подогреватель (П) регуляторами Р1 и Р2 и их температур регуляторами Р3 и Р4 на выходе из подогревателя изменением расхода природного газа на горелку подогревателя, а также расхода воды на «закалку» газа пиролиза регулятором Р5 в зависимости от содержания в нём ацетилена на выходе из реактора (Р). На втором уровне осуществляется расчет заданий для регуляторов первого уровня с целью поддержания процесса окислительного пиролиза в области стабильной работы, т.е. обеспечение нахождения его значимых параметров в центре области, обеспечивающей максимальный выход результирующего продукта (ацетилена) при соблюдении требований технологической безопасности. Управляющими параметрами СУ являются расходы природного газа и кислорода (бСн4 и б^), расход воды на «закалку» газа пиролиза (бв). В качестве возмущающих параметров выделяются
концентрации С2Н2, 02 и СН4 на выходе из реактора (СС2Н2, СО2, ССН4), температура газа пиролиза на выходе из реактора (Тгп).
Значения величин расходов исходных компонентов перед реактором и воды на «закалку» газа пиролиза, которые являются заданиями для регуляторов соответствующих потоков, являются результатом решения задачи нелинейного
программирования. Задания на локальные системы управления определяются на основе отклонения текущих значений параметров процесса (переменных состояния) от желаемых значений. Оценка отклонения вычисляется как степень нечёткого равенства между желаемыми значениями параметров и текущими значениями параметров (в работе эта оценка названа индексом технологической безопасности) [6].
Рис. 1. Система управления процессом окислительного пиролиза природного газа
Для определения индекса безопасности химико-технологического процесса (ХТП) в качестве типовой нечеткой ситуации необходимо определить нечеткую ситуацию, которая характеризует центр безопасности; обозначим эту ситуацию 50 . Для определения индекса безопасности для текущего состояния процесса необходимо сравнить на
нечеткое равенство входную нечеткую ситуацию 5 с нечеткой ситуацией, которая характеризует центр безопасности 50 . При этом степень нечеткого
равенства: 1п(~*)~ = V (~*,~0) & (~0,~*) и покажет
величину, определенную как индекс безопасности ХТП [7].
Степень включения ситуации ~ в ситуацию ~,
обозначается v(~■), и определяется выражением:
~ ~ &
' ) = т^ (Ц*. (Ур X Ц . (Ур)).
Ур е У
Величина V (ця (ур), ця (у )) является степенью
■,
включения нечеткого множества ц5 (ур) в нечеткое
множество ц _ (ур) и определяется согласно
,
методике, изложенной в [5-7].
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ «Исследование рисков при управлении динамическими процессами в
слабоструктурированных и плохо формализуемых средах», проект № 17-07-01368.
Список литературы
1. Антонов В.Н., Лапидус А.С. Производство ацетилена. М.: Химия, 1970. 416 с.
2. Санаева Г.Н., Пророков А.Е., Богатиков В.Н. Исследование динамических свойств процесса окислительного пиролиза // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21, № 7. С. 67-77.
3. Санаева Г.Н., Пророков А.Е., Богатиков В.Н. Разработка модели процесса производства ацетилена с использованием методов кусочно-линейной аппроксимации // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Т. 1, № 12. С. 24-35.
4. Санаева Г.Н., Пророков А.Е., Богатиков В.Н. Синтез структуры системы управления технологической безопасностью производства ацетилена на основе вычисления центра безопасности // Современные сложные системы управления: HTCS'2017: мат-лы XII междунар. науч.-практ. конф. (Липецк, 2017). Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2017. Т. 2. С. 169-173.
5. Мелихов А.Н., Бернштейн Л.С., Коровин С.Я. Ситуационные советующие системы с нечеткой логикой М.: Наука, 1990. 272 с.
6. Палюх Б.В., Богатиков В.Н., Олейник А.Г., Алексеев В.А., Пророков А.Е. Новые технологии диагностики состояний и управления безопасностью промышленных процессов. Тверь: Тверской государственный технический университет, 2012. 60 с.
7. Методические рекомендации по оценке ущерба от аварий на опасных производственных объектах (РД 03-496-02). Серия 03. Выпуск 19. 3-е изд., испр. и доп. М.: Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2010. 40 с.
