Помощь студентам в учебе
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ПРОИЗВОДСТВА ГЕКСАФТОРИДА УРАНА
|
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Синтез структуры автоматизированной системы управления технологическими
процессами протекающими в двух технологических линиях производства гексафторида урана 16
1.1 Состояние отрасли 16
1.2 Технология получения гексафторида урана 17
1.3 Хронология эволюции автоматизированного управления технологическими процессами производства гексафторида урана СЗ АО «СХК» 21
1.4 Разработка требований к автоматизации процессов производства
гексафторида урана 24
1.5 Патентные исследования 33
1.6 Разработка структуры автоматизированной системы управления
технологическими процессами производства гексафторида урана 34
1.7 Выводы по главе 39
2 Автоматизированная система согласования загрузок твердофазных
компонентов в аппараты двух технологических линий 42
2.1 Разработка динамической математической модели производства
гексафторида урана 43
2.1.1 Разработка модели горизонтальной части аппарата улавливания .. 45
2.1.2 Процедура транспортировки полупродукта из аппарата первой
ступени улавливания в бункер загрузки ПР 54
2.2 Система автоматической стабилизации суммарного количества
полупродукта в бункере загрузки ПР и камерных питателях аппарата ПСУ 55
2.3 Система автоматической стабилизации суммарного количества
полупродукта накапливаемого в транспортных контейнерах 64
2.4 Система автоматической стабилизации отношения массовых расходов
ТФУ и ЗОУ 67
2.5 Анализ качества работы автоматизированной системы согласования загрузок твердофазных компонентов в аппараты двух технологических линий... 69
2.6 Выводы по главе 71
3 Системы автоматической стабилизации коэффициентов стехиометрического
избытка оксидов урана над ценными фторсодержащими компонентами в аппаратах первых ступеней улавливания 73
3.1 Исследование процесса улавливания фторсодержащих компонентов 73
3.2 Обзор существующих моделей аппаратов улавливания 74
3.3 Разработка модели аппарата улавливания 77
3.3.1 Выбор структуры модели аппарата улавливания 78
3.3.2 Г идродинамика технологического процесса улавливания 81
3.3.3 Кинетика технологического процесса улавливания ценных
компонентов на закиси-окиси урана 87
3.3.4 Тепловые процессы 92
3.3.4.1 Теплообмен взвеси и технологического газа 94
3.3.4.2 Тепловой эффект химических реакций улавливания 95
3.3.4.3 Теплообмен со смежными ячейками 97
3.3.4.4 Теплообмен с контурами охлаждения и нагрева 97
3.3.5 Проверка адекватности математической модели аппарата
улавливания 101
3.4 Синтез системы автоматической стабилизации коэффициента
стехиометрического избытка 103
3.4.1 Алгоритм функционирования системы автоматической
стабилизации коэффициента стехиометрического избытка 105
3.4.2 Параметрический синтез регулятора системы автоматической
стабилизации коэффициента стехиометрического избытка 107
3.5 Анализ эффективности системы автоматической стабилизации
коэффициента стехиометрического избытка 110
3.6 Выводы по главе 113
4 Система автоматического управления пламенным реактором 116
4.1 Оценка качества работы исходной САУ пламенным реактором 116
4.2 Идентификация технологического объекта в замкнутом контуре
управления 119
4.2.1 Аналитическое доказательство идентифицируемости
технологического объекта в замкнутом контуре управления 121
4.2.2 Идентификация по ступенчатому изменению управляющего
воздействия 125
4.3 Алгоритм адаптации параметров модели ПР 130
4.3.1 Идентификация ПР по производственным данным 130
4.3.2 Алгоритм расчета динамических характеристик модели ПР 133
4.3.2.1 Динамическая математическая модель ПР 134
4.3.2.2 Составление аналитических зависимостей динамических
характеристик модели ПР от измеряемых технологических переменных 138
4.3.3 Алгоритм адаптации коэффициента передачи модели ПР к изменению физико-механических характеристик полупродукта 142
4.4 Контур компенсации влияния нестабильности расхода технического фтора
на концентрацию фтора 145
4.5 Контур стабилизации концентрации фтора на выходе ПР 148
4.6 Производственные испытания системы автоматического управления
пламенным реактором 150
4.7 Выводы по главе 156
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 159
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 166
ПРИЛОЖЕНИЕ А Акт внедрения на СХК 177
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Акт внедрения в учебный процесс 180
ПРИЛОЖЕНИЕ В Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 181
1 Синтез структуры автоматизированной системы управления технологическими
процессами протекающими в двух технологических линиях производства гексафторида урана 16
1.1 Состояние отрасли 16
1.2 Технология получения гексафторида урана 17
1.3 Хронология эволюции автоматизированного управления технологическими процессами производства гексафторида урана СЗ АО «СХК» 21
1.4 Разработка требований к автоматизации процессов производства
гексафторида урана 24
1.5 Патентные исследования 33
1.6 Разработка структуры автоматизированной системы управления
технологическими процессами производства гексафторида урана 34
1.7 Выводы по главе 39
2 Автоматизированная система согласования загрузок твердофазных
компонентов в аппараты двух технологических линий 42
2.1 Разработка динамической математической модели производства
гексафторида урана 43
2.1.1 Разработка модели горизонтальной части аппарата улавливания .. 45
2.1.2 Процедура транспортировки полупродукта из аппарата первой
ступени улавливания в бункер загрузки ПР 54
2.2 Система автоматической стабилизации суммарного количества
полупродукта в бункере загрузки ПР и камерных питателях аппарата ПСУ 55
2.3 Система автоматической стабилизации суммарного количества
полупродукта накапливаемого в транспортных контейнерах 64
2.4 Система автоматической стабилизации отношения массовых расходов
ТФУ и ЗОУ 67
2.5 Анализ качества работы автоматизированной системы согласования загрузок твердофазных компонентов в аппараты двух технологических линий... 69
2.6 Выводы по главе 71
3 Системы автоматической стабилизации коэффициентов стехиометрического
избытка оксидов урана над ценными фторсодержащими компонентами в аппаратах первых ступеней улавливания 73
3.1 Исследование процесса улавливания фторсодержащих компонентов 73
3.2 Обзор существующих моделей аппаратов улавливания 74
3.3 Разработка модели аппарата улавливания 77
3.3.1 Выбор структуры модели аппарата улавливания 78
3.3.2 Г идродинамика технологического процесса улавливания 81
3.3.3 Кинетика технологического процесса улавливания ценных
компонентов на закиси-окиси урана 87
3.3.4 Тепловые процессы 92
3.3.4.1 Теплообмен взвеси и технологического газа 94
3.3.4.2 Тепловой эффект химических реакций улавливания 95
3.3.4.3 Теплообмен со смежными ячейками 97
3.3.4.4 Теплообмен с контурами охлаждения и нагрева 97
3.3.5 Проверка адекватности математической модели аппарата
улавливания 101
3.4 Синтез системы автоматической стабилизации коэффициента
стехиометрического избытка 103
3.4.1 Алгоритм функционирования системы автоматической
стабилизации коэффициента стехиометрического избытка 105
3.4.2 Параметрический синтез регулятора системы автоматической
стабилизации коэффициента стехиометрического избытка 107
3.5 Анализ эффективности системы автоматической стабилизации
коэффициента стехиометрического избытка 110
3.6 Выводы по главе 113
4 Система автоматического управления пламенным реактором 116
4.1 Оценка качества работы исходной САУ пламенным реактором 116
4.2 Идентификация технологического объекта в замкнутом контуре
управления 119
4.2.1 Аналитическое доказательство идентифицируемости
технологического объекта в замкнутом контуре управления 121
4.2.2 Идентификация по ступенчатому изменению управляющего
воздействия 125
4.3 Алгоритм адаптации параметров модели ПР 130
4.3.1 Идентификация ПР по производственным данным 130
4.3.2 Алгоритм расчета динамических характеристик модели ПР 133
4.3.2.1 Динамическая математическая модель ПР 134
4.3.2.2 Составление аналитических зависимостей динамических
характеристик модели ПР от измеряемых технологических переменных 138
4.3.3 Алгоритм адаптации коэффициента передачи модели ПР к изменению физико-механических характеристик полупродукта 142
4.4 Контур компенсации влияния нестабильности расхода технического фтора
на концентрацию фтора 145
4.5 Контур стабилизации концентрации фтора на выходе ПР 148
4.6 Производственные испытания системы автоматического управления
пламенным реактором 150
4.7 Выводы по главе 156
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 159
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 166
ПРИЛОЖЕНИЕ А Акт внедрения на СХК 177
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Акт внедрения в учебный процесс 180
ПРИЛОЖЕНИЕ В Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 181
Задачи управления и оптимизации технологических процессов (ТП), производств ядерного топливного цикла (ЯТЦ) имеют важное народнохозяйственное значение, поскольку их решение способствует ускоренному развитию атомной энергетики и согласуется с политикой Правительства Российской Федерации.
Решение этих проблем позволяет повысить эффективность, и как следствие производительность, ТП производства ядерного топлива для АЭС, а также улучшить их показатели по безопасности и экологичности.
Требование эффективного и надежного управления ТП производств ЯТЦ обосновано следующими факторами:
- высокой степенью загрязнения окружающей среды в случае возникновения аварийных ситуаций;
- высокой стоимостью используемой сырьевой базы и эксплуатационных затрат в производствах;
- опасностью и тяжелыми условиями труда для обслуживающего
персонала, вызванными повышенной реакционной способностью,
радиоактивностью и высокой токсичностью используемых продуктов (фтористый водород, фтор, оксиды урана (ОУ), гексафторид урана (ГФУ), серная кислота и др.);
- негативными последствиями для экономики и обороноспособности страны при снижении количества или качества выпускаемой продукции.
В технологии производства ядерного топлива гексафторид урана (ГФУ) занимает значимое место, так как через это соединение до настоящего времени проходит практически весь уран, используемый в энергетических и транспортных реакторах [1]. Решение задачи разработки новых способов автоматизированного управления ТП производства гексафторида урана (ПГУ) создаст значительный задел в решении основных проблем эффективного и надежного управления ТП ЯТЦ.
В Российской Федерации (РФ) существует два предприятия производящих ГФУ в промышленных масштабах: АО «Ангарский электролизный химический комбинат» (АЭХК) и АО «Сибирский химический комбинат» (СХК). С 2014 года АЭХК прекратил производство ГФУ, что привело к требованию увеличения производительности сублиматного завода (СЗ) СХК. В результате в 2014 году на СЗ СХК введена дополнительная технологическая линия, включающая стадии фторирования, десублимации ГФУ и улавливания ценных компонентов на ОУ, позволившая на одной производственной площадке одновременно перерабатывать тетрафторид урана (ТФУ) и закись-окись урана (ЗОУ) в варьируемых оперативно-технологическим персоналом пропорциях. Помимо этого, на обеих технологических линиях были введены в эксплуатацию дополнительные аппараты улавливания (АУ), позволившие перераспределять накапливаемый во вторых ступенях улавливания (ВСУ) полупродукт между пламенными реакторами двух технологических линий.
Действующая технологическая схема ПГУ на СЗ СХК предполагает 8 точек ввода твердофазных продуктов, что существенно усложняет задачу оперативнотехнологическому персоналу по управлению массовыми расходами твердофазных продуктов подаваемых в аппараты фторирования и улавливания двух технологических линий, для обеспечения:
- согласованности величин загрузок твердофазных компонентов в аппараты фторирования и улавливания, при которых сохраняется регламентный режим работы аппаратов и исключается накопление промежуточных продуктов;
- минимизации потерь ценных компонентов в аппаратах первой и второй ступеней улавливания.
Особенностью технологической схемы действующего ПГУ на СЗ СХК является комбинированный способ транспортировки полупродукта между аппаратами, включающий контейнерный способ и автоматизированную систему импульсного пневмотранспорта. В связи с этим задача синтеза автоматизированной системы управления (АСУ) комплексом аппаратов фторирования и улавливания ПГУ на СХК является уникальной для РФ.
Использование опыта зарубежных исследований не представляется возможным, что объясняется существенными отличиями в используемых технологиях и наличием информационного барьера, вызванного требованием к нераспространению ядерных технологий. Поэтому задача проведения собственных исследований является актуальной.
Используемые в настоящее время в отечественной и зарубежной промышленности технологии получения ГФУ являются отработанными и отвечают технико-экономическому уровню развития современной атомной промышленности [1, 2, 3]. За более чем 50-ти летнюю историю развития
техническая и аппаратурная база ПГУ достигла такого уровня, при котором эффективность производственного процесса лимитируется качеством управления этим процессом. Поэтому крайне важной становится задача оптимального управления ТП ПГУ, решить которую без развитой АСУ данным технологическим процессом невозможно.
В федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» (ТПУ) на кафедре «Электроника и автоматика физических установок» (ЭАФУ) с 1974 года ведутся работы по созданию и совершенствованию алгоритмического и программного обеспечения АСУ ТП ПГУ СЗ СХК. В 1980 году введена в промышленную эксплуатацию одноконтурная система автоматического управления пламенным реактором (САУ ПР), обеспечивающая стабилизацию концентрации фтора на выходе аппарата путем изменения количества загружаемого полупродукта. В 1987 году введена в промышленную эксплуатацию АСУ первой и второй ступенями десублимации. В 2009 году разработана АСУ комплексом аппаратов фторирования и улавливания ПГУ, которая прошла производственные испытания, однако, не была принята в постоянную эксплуатацию. Причиной послужило расхождение с течением времени рассчитываемого и требуемого управляющих воздействий на шнек загрузки аппарата улавливания, ввиду нестабильности используемых в алгоритме управления коэффициентов, характеризующих работу технологических узлов.
В новых производственных условиях статические и динамические характеристики узла фторирования, как объекта управления, существенно изменились, это привело к снижению динамической точности САУ ПР, что актуализировало задачу модернизации существующей САУ ПР.
Таким образом, известные на сегодняшний день системы управления, функционирующие на предприятиях, производящих ГФУ, не обеспечивают эффективное автоматизированное управление ТП действующего на СЗ СХК ПГУ.
Актуальность темы представляемой работы определяется:
- отсутствием автоматизированной системы согласования загрузок твердофазных компонентов в аппараты двух взаимозависимых технологических линий ПГУ, что существенно усложняет работу оперативно-технологического персонала;
- необходимостью обеспечения максимального улавливания ценных компонентов (F2, UF6, HF) из хвостового технологического газа двух технологических линий на ЗОУ;
- необходимостью повышения динамической точности САУ ПР двух технологических линий ПГУ;
Целью работы является повышение эффективности ПГУ, одновременно перерабатывающего ЗОУ и ТФУ. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- анализ действующего на СЗ СХК ПГУ с целью структурного синтеза АСУ ТП, протекающими в двух технологических линиях производства;
- разработка автоматизированной системы согласования загрузок твердофазных компонентов в аппараты двух технологических линий ПГУ;
- разработка систем автоматической стабилизации коэффициентов стехиометрического избытка ОУ над ценными улавливаемыми компонентами в аппаратах ВСУ двух технологических линий;
- модернизация САУ ПР с целью повышения ее динамической точности.
Для достижения сформулированной цели и решения поставленных задач в работе использовались методы теории автоматического управления,
10 математического моделирования, теории адаптивных систем управления и натурные испытания на производстве. При разработке алгоритма функционирования АСУ ПГУ использовался программный модуль, разработанный в ходе диссертационной работы, а также программный комплекс Matlab.
Научная новизна работы заключается в том, что:
- разработан алгоритм функционирования АСУ ТП ПГУ, обеспечивающий согласованную работу аппаратов фторирования и первой ступени улавливания (ПСУ). Предлагаемый алгоритм функционирования, в отличие от существующих, предполагает стабилизацию на требуемом уровне суммарного количества полупродукта в бункере загрузки ПР и камерных питателях аппарата ПСУ;
- разработана математическая модель АУ ПГУ, позволяющая синтезировать и испытывать алгоритмы управления действующими аппаратам производства. Отличительной особенностью данной модели от существующих является учет в описании кинетики процессов улавливания основных физических параметров, характеризующих состояние взвеси и технологического газа в реакционном пространстве;
- разработан алгоритм активной идентификации параметров модели технологического объекта с самовыравниванием в замкнутом контуре управления, отличающийся от известных алгоритмов способом нахождения стартовых значений, оптимизируемых параметров модели.
Разработанный алгоритм активной идентификации параметров модели технологического объекта с самовыравниванием в замкнутом контуре управления может быть использован в составе адаптивных систем управления технологическими процессами с изменяющимися во времени параметрами.
Разработанная математическая модель АУ ПГУ, адекватно описывающая технологические процессы в противоточных аппаратах, может быть использована при синтезе алгоритмов управления действующими аппаратами производств химической промышленности.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты способствуют повышению эффективности действующего ПГУ на СЗ СХК. Разработанный программный модуль используется технологическим персоналом СЗ с целью определения оптимальных величин массовых расходов газообразных и твердофазных продуктов в аппараты производства, что подтверждено актом внедрения результатов диссертационных исследований представленном в приложении А. Результаты разработки и исследования автоматизированной системы согласования загрузок твердофазных компонентов в аппараты двух технологических линий использованы в проектной документации «Создание нового конверсионного производства в ОАО «СХК»». Разработанные алгоритмы вошедшие в состав САУ ПР приняты в промышленную эксплуатацию приказом по СЗ от 30.04.2014, что подтверждается актом внедрения представленном в приложении А.
Внедрение модернизированной САУ ПР на СЗ СХК, позволило снизить количество урансодержащих оборотов, требующих дополнительной переработки, сократить количество внеплановых остановок технологического оборудования, повысить качество управления всем производственным комплексом, а также увеличить межремонтный пробег аппаратов фторирования, десублимации и двух ступеней улавливания. Экономический эффект от внедрения системы составил 7,3 млн. руб. в год.
Выполняемые работы были поддержаны:
- грантом Федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г. по теме «Разработка новых технологий автоматизированного управления и оптимизации ТП производств ядерного топливного цикла»;
- хоздоговорной НИР между ТПУ и СХК № 01С/09 от 01.08.09. на выполнение НИР «Создание автоматизированной системы управления комплексом аппаратов фторирования и улавливания производства гексафторида урана;
- хоздоговорной НИР между ТПУ и СХК № 0-325/11 от 01.09.2011 г. на выполнение НИР «Совершенствование системы автоматизированного управления схемой производства ГФУ на СЗ СХК»;
- хоздоговорной НИР между ТПУ и СХК № 12-464/14У от 12.11.2012 г. на выполнение НИР «Реконструкция АСУ ТП производства гексафторида урана»;
- хоздоговорной НИР между ТПУ и СХК № 0-36/13 от 19.09.13 на выполнение НИР «Совершенствование системы управления производством ГФУ при работе двух технологических линий и разного вида сырья на сублиматном заводе ОАО «СХК»».
Результаты работы также внедрены в учебный процесс на кафедре ЭАФУ ТПУ, что подтверждается актом внедрения, представленном в приложении Б.
Основные положения, выносимые на защиту:
- автоматизированная система согласования загрузок твердофазных компонентов в аппараты двух технологических линий, обеспечивающая коррекцию режимов работы взаимозависимых аппаратов фторирования и улавливания;
- динамическая пространственно-распределенная модель АУ ценных компонентов (F2, UF6, HF) на ОУ, с помощью которой были синтезированы и испытаны алгоритмы управления ТП в действующих на СЗ СХК аппаратах ПГУ ;
- системы автоматической стабилизации коэффициентов
стехиометрического избытка ОУ над ценными улавливаемыми компонентами в аппаратах ВСУ двух технологических линий ПГУ, обеспечившие максимальное улавливание ценных компонентов (F2, UF6, HF) на ОУ;
- САУ ПР, обеспечивающая стабилизацию концентрации фтора на выходе ПР за счет адаптации параметров настройки регулятора и компенсации влияния основного возмущения.
Автор диссертации принимал непосредственное участие в общей постановке задач, в проведении аналитического обзора и патентных исследований по теме диссертации, разработке и исследовании математических моделей, проведении экспериментальных исследований, анализе, интерпретации и
13 обобщении полученных результатов, составлении отчетных документов, написании статей, докладов, формулировании научных положений, выносимых на защиту, и выводов, а также во внедрении результатов исследований в производство. Личный вклад автора диссертации в получение результатов приведенных исследований и разработок составляет не менее 70 %.
Достоверность результатов подтверждается доказательством адекватности разработанных математических моделей (с помощью общепринятых методов и методик установлено, что полученные математические модели описывают исследуемые процессы с погрешностью менее 12 %), а также успешными испытаниями в условиях действующего производства разработанных комплексов алгоритмов и программ. Часть результатов работы используется в учебных курсах, преподаваемых для студентов специальности «Электроника и автоматика физических установок»: «статистические методы контроля и управления», «теория автоматического управления» и «средства автоматизации и приборы контроля химического производства».
Основные положения и результаты диссертационных исследований были представлены в докладах на следующих конференциях:
- Международная научная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения профессора А. А. Воробьева «Становление и развитие научных исследований в высшей школе», г. Томск, 2009 г.;
- V Международная научно-практическая конференция «Физикотехнические проблемы атомной энергетики и промышленности», г. Томск, 2010 г.;
- I Всероссийская научно-практическая конференция молодых атомщиков Сибири «Ядерная энергетика: технология, безопасность, экология, экономика, управление», г. Томск, 2010 г;
- XV, XVI, XVII, XIX, XX Международные научно-практические конференции «Современные техника и технологии», г. Томск, с 2009, 2010, 2011, 2013, 2014 г. г.;
- отраслевая научно-практическая конференция «Школа молодых атомщиков Сибири. Перспективные направления развития атомной отрасли», г. Томск, 2011 г.;
- VI Международная научно-практическая конференция «Физикотехнические проблемы атомной науки, энергетики и промышленности», г. Томск, 2014 г.;
- V Международная научно-практическая конференция «школа-
конференция молодых атомщиков Сибири», г. Томск, 2014 г;
- научно-технические советы СЗ СХК, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014 г.г.
По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе: 6 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК; 2 статьи в зарубежном издании; 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ; 1 отчет о НИР с государственной регистрацией; 14 тезисов докладов на Российских и Международных конференциях.
В первой главе диссертационной работы проводится анализ состояния ПГУ в России и мире, рассматриваются применяемые технологии. Исследуются структура и особенности эксплуатации действующего ПГУ на СЗ СХК, для которого разрабатывается алгоритм функционирования АСУ основными ТП. Глава завершается описанием структурной схемы АСУ ТП ПГУ. Во второй главе разрабатывается динамическая математическая модель ПГУ, описывающая количественно движение твердофазных и газообразных продуктов по аппаратам двух технологических линий. С помощью модели ПГУ синтезированы и исследованы САУ аппаратами первой и второй ступеней улавливания обеих технологических линий. В третьей главе описывается процесс разработки динамической пространственно-распределенной модели АУ, учитывающей влияние гидродинамики, кинетики и теплообменных процессов , протекающих в аппарате на процесс улавливания F2, UF6, HF. Используя модель АУ, разрабатываются и исследуются системы автоматической стабилизации коэффициентов стехиометрического избытка ОУ над улавливаемыми компонентами в обеих технологических линиях. В четвертой главе описывается предложенный алгоритм активной идентификации параметров модели технологического объекта с самовыравниванием в замкнутом контуре управления, а также приводится его апробация на производственных данных. Разрабатывается адаптивная комбинированная САУ ПР, построенная на принципах стабилизации и компенсации. Глава завершается описанием экспериментальных исследований на СЗ СХК модернизированной САУ ПР, производится анализ полученных результатов. В заключение диссертационной работы приведена общая характеристика и основные выводы по результатам проведенных
Решение этих проблем позволяет повысить эффективность, и как следствие производительность, ТП производства ядерного топлива для АЭС, а также улучшить их показатели по безопасности и экологичности.
Требование эффективного и надежного управления ТП производств ЯТЦ обосновано следующими факторами:
- высокой степенью загрязнения окружающей среды в случае возникновения аварийных ситуаций;
- высокой стоимостью используемой сырьевой базы и эксплуатационных затрат в производствах;
- опасностью и тяжелыми условиями труда для обслуживающего
персонала, вызванными повышенной реакционной способностью,
радиоактивностью и высокой токсичностью используемых продуктов (фтористый водород, фтор, оксиды урана (ОУ), гексафторид урана (ГФУ), серная кислота и др.);
- негативными последствиями для экономики и обороноспособности страны при снижении количества или качества выпускаемой продукции.
В технологии производства ядерного топлива гексафторид урана (ГФУ) занимает значимое место, так как через это соединение до настоящего времени проходит практически весь уран, используемый в энергетических и транспортных реакторах [1]. Решение задачи разработки новых способов автоматизированного управления ТП производства гексафторида урана (ПГУ) создаст значительный задел в решении основных проблем эффективного и надежного управления ТП ЯТЦ.
В Российской Федерации (РФ) существует два предприятия производящих ГФУ в промышленных масштабах: АО «Ангарский электролизный химический комбинат» (АЭХК) и АО «Сибирский химический комбинат» (СХК). С 2014 года АЭХК прекратил производство ГФУ, что привело к требованию увеличения производительности сублиматного завода (СЗ) СХК. В результате в 2014 году на СЗ СХК введена дополнительная технологическая линия, включающая стадии фторирования, десублимации ГФУ и улавливания ценных компонентов на ОУ, позволившая на одной производственной площадке одновременно перерабатывать тетрафторид урана (ТФУ) и закись-окись урана (ЗОУ) в варьируемых оперативно-технологическим персоналом пропорциях. Помимо этого, на обеих технологических линиях были введены в эксплуатацию дополнительные аппараты улавливания (АУ), позволившие перераспределять накапливаемый во вторых ступенях улавливания (ВСУ) полупродукт между пламенными реакторами двух технологических линий.
Действующая технологическая схема ПГУ на СЗ СХК предполагает 8 точек ввода твердофазных продуктов, что существенно усложняет задачу оперативнотехнологическому персоналу по управлению массовыми расходами твердофазных продуктов подаваемых в аппараты фторирования и улавливания двух технологических линий, для обеспечения:
- согласованности величин загрузок твердофазных компонентов в аппараты фторирования и улавливания, при которых сохраняется регламентный режим работы аппаратов и исключается накопление промежуточных продуктов;
- минимизации потерь ценных компонентов в аппаратах первой и второй ступеней улавливания.
Особенностью технологической схемы действующего ПГУ на СЗ СХК является комбинированный способ транспортировки полупродукта между аппаратами, включающий контейнерный способ и автоматизированную систему импульсного пневмотранспорта. В связи с этим задача синтеза автоматизированной системы управления (АСУ) комплексом аппаратов фторирования и улавливания ПГУ на СХК является уникальной для РФ.
Использование опыта зарубежных исследований не представляется возможным, что объясняется существенными отличиями в используемых технологиях и наличием информационного барьера, вызванного требованием к нераспространению ядерных технологий. Поэтому задача проведения собственных исследований является актуальной.
Используемые в настоящее время в отечественной и зарубежной промышленности технологии получения ГФУ являются отработанными и отвечают технико-экономическому уровню развития современной атомной промышленности [1, 2, 3]. За более чем 50-ти летнюю историю развития
техническая и аппаратурная база ПГУ достигла такого уровня, при котором эффективность производственного процесса лимитируется качеством управления этим процессом. Поэтому крайне важной становится задача оптимального управления ТП ПГУ, решить которую без развитой АСУ данным технологическим процессом невозможно.
В федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» (ТПУ) на кафедре «Электроника и автоматика физических установок» (ЭАФУ) с 1974 года ведутся работы по созданию и совершенствованию алгоритмического и программного обеспечения АСУ ТП ПГУ СЗ СХК. В 1980 году введена в промышленную эксплуатацию одноконтурная система автоматического управления пламенным реактором (САУ ПР), обеспечивающая стабилизацию концентрации фтора на выходе аппарата путем изменения количества загружаемого полупродукта. В 1987 году введена в промышленную эксплуатацию АСУ первой и второй ступенями десублимации. В 2009 году разработана АСУ комплексом аппаратов фторирования и улавливания ПГУ, которая прошла производственные испытания, однако, не была принята в постоянную эксплуатацию. Причиной послужило расхождение с течением времени рассчитываемого и требуемого управляющих воздействий на шнек загрузки аппарата улавливания, ввиду нестабильности используемых в алгоритме управления коэффициентов, характеризующих работу технологических узлов.
В новых производственных условиях статические и динамические характеристики узла фторирования, как объекта управления, существенно изменились, это привело к снижению динамической точности САУ ПР, что актуализировало задачу модернизации существующей САУ ПР.
Таким образом, известные на сегодняшний день системы управления, функционирующие на предприятиях, производящих ГФУ, не обеспечивают эффективное автоматизированное управление ТП действующего на СЗ СХК ПГУ.
Актуальность темы представляемой работы определяется:
- отсутствием автоматизированной системы согласования загрузок твердофазных компонентов в аппараты двух взаимозависимых технологических линий ПГУ, что существенно усложняет работу оперативно-технологического персонала;
- необходимостью обеспечения максимального улавливания ценных компонентов (F2, UF6, HF) из хвостового технологического газа двух технологических линий на ЗОУ;
- необходимостью повышения динамической точности САУ ПР двух технологических линий ПГУ;
Целью работы является повышение эффективности ПГУ, одновременно перерабатывающего ЗОУ и ТФУ. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- анализ действующего на СЗ СХК ПГУ с целью структурного синтеза АСУ ТП, протекающими в двух технологических линиях производства;
- разработка автоматизированной системы согласования загрузок твердофазных компонентов в аппараты двух технологических линий ПГУ;
- разработка систем автоматической стабилизации коэффициентов стехиометрического избытка ОУ над ценными улавливаемыми компонентами в аппаратах ВСУ двух технологических линий;
- модернизация САУ ПР с целью повышения ее динамической точности.
Для достижения сформулированной цели и решения поставленных задач в работе использовались методы теории автоматического управления,
10 математического моделирования, теории адаптивных систем управления и натурные испытания на производстве. При разработке алгоритма функционирования АСУ ПГУ использовался программный модуль, разработанный в ходе диссертационной работы, а также программный комплекс Matlab.
Научная новизна работы заключается в том, что:
- разработан алгоритм функционирования АСУ ТП ПГУ, обеспечивающий согласованную работу аппаратов фторирования и первой ступени улавливания (ПСУ). Предлагаемый алгоритм функционирования, в отличие от существующих, предполагает стабилизацию на требуемом уровне суммарного количества полупродукта в бункере загрузки ПР и камерных питателях аппарата ПСУ;
- разработана математическая модель АУ ПГУ, позволяющая синтезировать и испытывать алгоритмы управления действующими аппаратам производства. Отличительной особенностью данной модели от существующих является учет в описании кинетики процессов улавливания основных физических параметров, характеризующих состояние взвеси и технологического газа в реакционном пространстве;
- разработан алгоритм активной идентификации параметров модели технологического объекта с самовыравниванием в замкнутом контуре управления, отличающийся от известных алгоритмов способом нахождения стартовых значений, оптимизируемых параметров модели.
Разработанный алгоритм активной идентификации параметров модели технологического объекта с самовыравниванием в замкнутом контуре управления может быть использован в составе адаптивных систем управления технологическими процессами с изменяющимися во времени параметрами.
Разработанная математическая модель АУ ПГУ, адекватно описывающая технологические процессы в противоточных аппаратах, может быть использована при синтезе алгоритмов управления действующими аппаратами производств химической промышленности.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты способствуют повышению эффективности действующего ПГУ на СЗ СХК. Разработанный программный модуль используется технологическим персоналом СЗ с целью определения оптимальных величин массовых расходов газообразных и твердофазных продуктов в аппараты производства, что подтверждено актом внедрения результатов диссертационных исследований представленном в приложении А. Результаты разработки и исследования автоматизированной системы согласования загрузок твердофазных компонентов в аппараты двух технологических линий использованы в проектной документации «Создание нового конверсионного производства в ОАО «СХК»». Разработанные алгоритмы вошедшие в состав САУ ПР приняты в промышленную эксплуатацию приказом по СЗ от 30.04.2014, что подтверждается актом внедрения представленном в приложении А.
Внедрение модернизированной САУ ПР на СЗ СХК, позволило снизить количество урансодержащих оборотов, требующих дополнительной переработки, сократить количество внеплановых остановок технологического оборудования, повысить качество управления всем производственным комплексом, а также увеличить межремонтный пробег аппаратов фторирования, десублимации и двух ступеней улавливания. Экономический эффект от внедрения системы составил 7,3 млн. руб. в год.
Выполняемые работы были поддержаны:
- грантом Федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г. по теме «Разработка новых технологий автоматизированного управления и оптимизации ТП производств ядерного топливного цикла»;
- хоздоговорной НИР между ТПУ и СХК № 01С/09 от 01.08.09. на выполнение НИР «Создание автоматизированной системы управления комплексом аппаратов фторирования и улавливания производства гексафторида урана;
- хоздоговорной НИР между ТПУ и СХК № 0-325/11 от 01.09.2011 г. на выполнение НИР «Совершенствование системы автоматизированного управления схемой производства ГФУ на СЗ СХК»;
- хоздоговорной НИР между ТПУ и СХК № 12-464/14У от 12.11.2012 г. на выполнение НИР «Реконструкция АСУ ТП производства гексафторида урана»;
- хоздоговорной НИР между ТПУ и СХК № 0-36/13 от 19.09.13 на выполнение НИР «Совершенствование системы управления производством ГФУ при работе двух технологических линий и разного вида сырья на сублиматном заводе ОАО «СХК»».
Результаты работы также внедрены в учебный процесс на кафедре ЭАФУ ТПУ, что подтверждается актом внедрения, представленном в приложении Б.
Основные положения, выносимые на защиту:
- автоматизированная система согласования загрузок твердофазных компонентов в аппараты двух технологических линий, обеспечивающая коррекцию режимов работы взаимозависимых аппаратов фторирования и улавливания;
- динамическая пространственно-распределенная модель АУ ценных компонентов (F2, UF6, HF) на ОУ, с помощью которой были синтезированы и испытаны алгоритмы управления ТП в действующих на СЗ СХК аппаратах ПГУ ;
- системы автоматической стабилизации коэффициентов
стехиометрического избытка ОУ над ценными улавливаемыми компонентами в аппаратах ВСУ двух технологических линий ПГУ, обеспечившие максимальное улавливание ценных компонентов (F2, UF6, HF) на ОУ;
- САУ ПР, обеспечивающая стабилизацию концентрации фтора на выходе ПР за счет адаптации параметров настройки регулятора и компенсации влияния основного возмущения.
Автор диссертации принимал непосредственное участие в общей постановке задач, в проведении аналитического обзора и патентных исследований по теме диссертации, разработке и исследовании математических моделей, проведении экспериментальных исследований, анализе, интерпретации и
13 обобщении полученных результатов, составлении отчетных документов, написании статей, докладов, формулировании научных положений, выносимых на защиту, и выводов, а также во внедрении результатов исследований в производство. Личный вклад автора диссертации в получение результатов приведенных исследований и разработок составляет не менее 70 %.
Достоверность результатов подтверждается доказательством адекватности разработанных математических моделей (с помощью общепринятых методов и методик установлено, что полученные математические модели описывают исследуемые процессы с погрешностью менее 12 %), а также успешными испытаниями в условиях действующего производства разработанных комплексов алгоритмов и программ. Часть результатов работы используется в учебных курсах, преподаваемых для студентов специальности «Электроника и автоматика физических установок»: «статистические методы контроля и управления», «теория автоматического управления» и «средства автоматизации и приборы контроля химического производства».
Основные положения и результаты диссертационных исследований были представлены в докладах на следующих конференциях:
- Международная научная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения профессора А. А. Воробьева «Становление и развитие научных исследований в высшей школе», г. Томск, 2009 г.;
- V Международная научно-практическая конференция «Физикотехнические проблемы атомной энергетики и промышленности», г. Томск, 2010 г.;
- I Всероссийская научно-практическая конференция молодых атомщиков Сибири «Ядерная энергетика: технология, безопасность, экология, экономика, управление», г. Томск, 2010 г;
- XV, XVI, XVII, XIX, XX Международные научно-практические конференции «Современные техника и технологии», г. Томск, с 2009, 2010, 2011, 2013, 2014 г. г.;
- отраслевая научно-практическая конференция «Школа молодых атомщиков Сибири. Перспективные направления развития атомной отрасли», г. Томск, 2011 г.;
- VI Международная научно-практическая конференция «Физикотехнические проблемы атомной науки, энергетики и промышленности», г. Томск, 2014 г.;
- V Международная научно-практическая конференция «школа-
конференция молодых атомщиков Сибири», г. Томск, 2014 г;
- научно-технические советы СЗ СХК, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014 г.г.
По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе: 6 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК; 2 статьи в зарубежном издании; 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ; 1 отчет о НИР с государственной регистрацией; 14 тезисов докладов на Российских и Международных конференциях.
В первой главе диссертационной работы проводится анализ состояния ПГУ в России и мире, рассматриваются применяемые технологии. Исследуются структура и особенности эксплуатации действующего ПГУ на СЗ СХК, для которого разрабатывается алгоритм функционирования АСУ основными ТП. Глава завершается описанием структурной схемы АСУ ТП ПГУ. Во второй главе разрабатывается динамическая математическая модель ПГУ, описывающая количественно движение твердофазных и газообразных продуктов по аппаратам двух технологических линий. С помощью модели ПГУ синтезированы и исследованы САУ аппаратами первой и второй ступеней улавливания обеих технологических линий. В третьей главе описывается процесс разработки динамической пространственно-распределенной модели АУ, учитывающей влияние гидродинамики, кинетики и теплообменных процессов , протекающих в аппарате на процесс улавливания F2, UF6, HF. Используя модель АУ, разрабатываются и исследуются системы автоматической стабилизации коэффициентов стехиометрического избытка ОУ над улавливаемыми компонентами в обеих технологических линиях. В четвертой главе описывается предложенный алгоритм активной идентификации параметров модели технологического объекта с самовыравниванием в замкнутом контуре управления, а также приводится его апробация на производственных данных. Разрабатывается адаптивная комбинированная САУ ПР, построенная на принципах стабилизации и компенсации. Глава завершается описанием экспериментальных исследований на СЗ СХК модернизированной САУ ПР, производится анализ полученных результатов. В заключение диссертационной работы приведена общая характеристика и основные выводы по результатам проведенных
Настоящая работа содержит результаты исследований возможности повышения эффективности действующего на СЗ СХК производства гексафторида урана за счет совершенствования АСУ протекающими в нем технологическими процессами.
Действующее ПГУ на СХК состоит из двух взаимозависимых технологических линий (оксидная и тетрафторидная), каждая из которых включает аппараты фторирования, десублимации и улавливания. Ввод в технологическую схему исходного твердофазного сырья (ТФУ, ЗОУ, полупродукт) осуществляется через шнеки загрузки аппаратов первой и второй ступеней улавливания двух технологических линий, а технический фтор распределяется между аппаратами фторирования автономной АСУ. Взаимозависимость технологических линий выражается в том, что выгружаемый из аппаратов ВСУ полупродукт распределяется между двумя технологическими линиями контейнерным способом.
Использование в настоящее время системы импульсного пневмотранспорта для непрерывной передачи полупродукта из аппарата ПСУ в ПР, а также взаимозависимость технологических линий стали основными причинами того, что существующая АСУ ТП ПГУ не обеспечивает требуемого качества управления.
Используя ранее составленные сотрудниками кафедры ЭАФУ ТПУ модели ПР, ДС и АУ, нами была разработана статическая модель ПГУ, описывающая поведение оксидной и тетрафторидной технологических линий. Для проведения исследований модель ПГУ была реализована в среде Microsoft Visual Studio 2012, результатом чего послужил оптимизирующий программный модуль ПГУ «ОПМ ПГУ». Проверка адекватности «ОПМ ПГУ» подтвердила достоверность получаемых на нем результатов, отклонение результатов расчетов, произведенных на «ОПМ ПГУ», от экспериментальных данных не превысило 6 %.
Посредством экспериментальных исследований на «ОПМ ПГУ» был разработан алгоритм функционирования АСУ ТП ПГУ, заключающийся в выполнении следующих целей: стабилизации суммарного количества
полупродукта, одновременно находящегося в бункере загрузки ПР и камерных питателях аппарата ПСУ каждой из двух технологических линий; стабилизации суммарного количества полупродукта, накапливаемого в транспортных контейнерах; стабилизации отношения массовых расходов ТФУ и ЗОУ; стабилизации коэффициентов стехиометрического избытка ОУ над улавливаемыми компонентами в аппарате ВСУ каждой из двух технологических линий; стабилизации концентрации фтора на выходе ПР двух технологических линий.
Достижение сформулированных целей локальными САУ позволит решить задачу автоматизации расчета управляющих воздействий на шнеки загрузки ПР и аппаратов первой и второй ступеней улавливания двух технологических линий действующего на СХК ПГУ, обеспечивая при этом их согласованную работу.
Разработана динамическая математическая модель ПГУ, состоящего из двух технологических линий. Модель ПГУ описывает системы импульсного пневмотранспорта, исполнительные и регулирующие органы, автоматическое переключение загрузи полупродукта в бункеры, дискретность пневмотранспортной передачи полупродукта из узла выгрузки аппарата ПСУ в бункер загрузки ПР, динамику перемещения полупродукта по ГЧ АУ, а также учитывает инерционность и запаздывание контролируемых технологических переменных.
Адекватность составляющих динамической модели ПГУ, кроме модели ГЧ АУ, доказана в предыдущих работах. Достоверность результатов моделирования ГЧ производилась путем сопоставления количества выгружаемого из АУ в камерные питатели полупродукта, рассчитанного на модели, и реальных производственных данных весоизмерительных устройств на интервалах времени, где происходило опустошение наполненной и наполнение опустошенной ГЧ АУ. Относительные отклонения времен от момента прекращения загрузки
161 полупродукта в АУ до опустошения ГЧ и от момента начала загрузки полупродукта в АУ до отклика весоизмерительных устройств камерных питателей рассчитанных на модели и реальных производственных данных составили 6 % и 12 % соответственно.
Используя динамическую модель ПГУ, была синтезирована автоматизированная система согласования загрузок твердофазных компонентов в аппараты двух технологических линий действующего на СЗ СХК ПГУ, включившая в свой состав три локальные САУ. Результатом работы первой САУ являются управляющие воздействия на шнеки загрузки аппаратов ПСУ двух технологических линий, в результате чего стабилизируется требуемое суммарное количество полупродукта, накапливаемого в бункере загрузки ПР и камерных питателях аппарата ПСУ каждой из двух технологических линий. Вторая САУ обеспечивает стабилизацию на требуемом уровне суммарного количества полупродукта, накопленного в транспортных контейнерах, за счет коррекции управляющих воздействий на шнеки загрузки аппаратов ВСУ обеих линий. Третья САУ, построенная по принципу программного управления, обеспечивает требуемое отношение массовых расходов ТФУ и ЗОУ в аппараты ПГУ за счет коррекции управляющего воздействия на шнек загрузки аппарата ПСУ тетрафторидной линии.
Исследование разработанной автоматизированной системы согласования загрузок твердофазных компонентов в аппараты двух технологических линий производилось путем проведения вычислительных экспериментальных исследований в программном комплексе Matlab с использованием динамической модели ПГУ. Анализ результатов исследований подтвердил, что поставленная перед автоматизированной системой согласования загрузок задача, удержания в допустимом диапазоне управляемых переменных, в условиях близких к производственным, выполняется. Максимальные динамические ошибки регулирования приведенные к допустимым диапазонам не превысили 20 %.
Для синтеза систем автоматической стабилизации стехиометрических коэффициентов избытка ОУ над ценными улавливаемыми в аппаратах ВСУ двух
пространственно-распределенная модель АУ.
Кинетика процессов улавливания ценных компонентов на ЗОУ описана законом действующих масс в кинетической форме, что позволило учесть влияние термо- и гидродинамических режимов работы АУ на скорость протекания химических реакций улавливания. Погрешность адекватности разработанной кинетической составляющей модели АУ данным, полученным на лабораторной установке, составила менее 10 %.
Исследование термодинамики химических реакций улавливания позволило выявить функциональную зависимость тепловых эффектов реакций от температуры реакционной зоны и состава газа, поступающего на улавливание.
Разработанная модель АУ имеет ячеечную структуру, позволившую учесть противоточный характер движения взвеси и газа, позонное охлаждение и нагрев корпуса реактора, переменную по высоте реторты скорость газа и взвеси, возможность изменения граничных и начальных условий, соответствующих целям моделирования.
Проверка адекватности модели АУ действующей установке проводилась путем расчета приведенных среднеквадратических отклонений, рассчитываемых по модели и измеренных на аппарате ВСУ температур реакционной зоны на высотах установки термопар. Приведенные к средним значениям температур, каждой из контролируемых зон, погрешности адекватности, рассчитанные на пяти интервалах времени, не превысили 5 %, что является достаточным для ее использования при синтезе алгоритмов управления аппаратами ВСУ.
Путем экспериментальных исследований на модели АУ были выявлены зависимости температур реакционной зоны АУ от массового расхода фтора на его входе, на основе которых были разработаны системы автоматической стабилизации коэффициентов стехиометрического избытка ОУ над ценными улавливаемыми компонентами обеих линий. Проведенные в программном комплексе Matlab исследования доказали, что в случае нестабильности массового расхода фтора на входе АУ, использование предлагаемых систем управления
163
существенно снижает отклонение коэффициентов избытка от требуемых
значений: в оксидном аппарате ВСУ на 53 %; а в тетрафторидном аппарате ВСУ
на 72 %. Достигнутый результат свидетельствует о повышении эффективности
улавливания ценных компонентов из хвостового газа и целесообразности
внедрения систем автоматической стабилизации коэффициентов
стехиометрического избытка ОУ над ценными улавливаемыми компонентами хвостового газа на СЗ СХК.
В результате проведенных исследований были сформулированы требования к динамической точности САУ ПР, заключающиеся в удержании среднего квадратического отклонения концентрации фтора на выходе ПР в процессе нормальной эксплуатации на производстве в диапазоне от 0 до 2 % об. Оценка качества управления исходной САУ ПР на пяти различных интервалах времени подтвердила ее несоответствие предъявляемым требованиям.
Анализ производственных данных, характеризующих технические и технологические особенности ПГУ на СЗ СХК, выявил причины недостаточного качества САУ ТП протекающими в ПР, основными из которых являются: нестабильность расхода технического фтора на входе ПР; нестабильность состава и физических характеристик фторируемого полупродукта.
Для минимизации влияния выявленных причин на стабильность концентрации фтора на выходе ПР модернизирована САУ ПР, которая представляет собой комбинированную адаптивную САУ, реализованную на принципах обратной связи и компенсации основного возмущения.
Алгоритм расчета коэффициента передачи модели ПР разработан на основе его статической модели. Особенностью алгоритма является учет изменения градуировочного коэффициента, перерасчет которого производится по результатам прямых измерений концентрации фтора на выходе ПР, частоты вращения шнека загрузки ПР и расхода технического фтора на входе ПР.
Задача адаптации динамических свойств ПР решалась путем разработки метода активной идентификации в замкнутом контуре управления. Разработанный метод идентификации позволяет по реакции объекта управления в
164 замкнутом контуре на ступенчатое изменение управляющего воздействия, рассчитывать параметры модели, представляющей собой инерционное звено первого порядка с запаздыванием. Вычислительные экспериментальные исследования разработанного алгоритма идентификации в программном комплексе Matlab доказали его применимость в диапазоне изменения отношения времени запаздывания к постоянной времени модели ТОУ от 0 до 4. Погрешность идентификации не превысила 4 %.
Исследования по идентификации параметров модели ПР, с помощью разработанного алгоритма, выявили ограниченность его использования на действующем производстве, по причине необходимости выбора благоприятного момента времени для его запуска, что требует дополнительных исследований.
Адаптация динамических свойств ПР реализована с помощью составленных регрессионных моделей, описывающих зависимость постоянной времени и времени запаздывания модели ПР от измеряемых на производстве величин: частоты вращения шнека загрузки ПР, расхода технического фтора на входе ПР и концентрации фтора на выходе ПР.
Разработанный способ компенсации основного возмущающего воздействия, в отличие от классического, обеспечивает расчет корректирующего управляющего воздействия на шнек загрузки ПР по пропорциональному закону регулирования на основании рассогласования текущих измеренного и сглаженного величин расхода технического фтора. Использование предложенного контура компенсации в составе САУ ПР позволило повысить качество управления в 2 раза по сравнению с ранее используемым.
Анализ результатов проведенных экспериментальных исследований САУ ПР выявил соответствие обеспечиваемого ей качества управления предъявляемым требованиям. Использование модернизированной САУ ПР позволило: в 2 раза сократить среднее квадратическое отклонение концентрации фтора на выходе ПР; в 10 раз уменьшить статическую ошибку регулирования; в 13 раз сократить количество переходов на ручной режим управления; в 4 раза сократить количество ручных вмешательств оперативно-технологического персонала в
165
управление шнеком загрузки ПР. По результатам опытной эксплуатации
разработанные алгоритмы управления ПР, вошедшие в состав
модернизированной САУ ПР, были приняты в промышленную эксплуатацию на СЗ СХК, что подтверждается актом внедрения.
Внедрение модернизированной САУ ПР на СЗ СХК, позволило снизить количество урансодержащих оборотов требующих дополнительной переработки, сократить количество внеплановых остановок технологического оборудования, повысить качество управления всем производственным комплексом, а также увеличить межремонтный пробег аппаратов фторирования, десублимации и двух ступеней улавливания. Экономический эффект от внедрения системы составил 7,3 млн. руб. в год.
Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре ЭАФУ ТПУ, что подтверждается актом внедрения. Предложенный «Способ активной идентификации технологических объектов в замкнутом контуре управления» включен в раздел «Методы построения динамических моделей промышленных объектов» и в методические указания к 2-м лабораторным работам по учебному курсу «Статистические методы контроля и управления», а также в раздел «Методы математического описания элементов и систем автоматического управления» по курсам «Теория автоматического управления» и «Средства автоматизации и приборы контроля химического производства».
Результаты разработки и исследования автоматизированной системы согласования загрузок твердофазных компонентов в аппараты двух технологических линий использованы в проектной документации «Создание нового конверсионного производства в ОАО «СХК»» и рекомендованы к производственным испытаниям на СЗ СХК.
Действующее ПГУ на СХК состоит из двух взаимозависимых технологических линий (оксидная и тетрафторидная), каждая из которых включает аппараты фторирования, десублимации и улавливания. Ввод в технологическую схему исходного твердофазного сырья (ТФУ, ЗОУ, полупродукт) осуществляется через шнеки загрузки аппаратов первой и второй ступеней улавливания двух технологических линий, а технический фтор распределяется между аппаратами фторирования автономной АСУ. Взаимозависимость технологических линий выражается в том, что выгружаемый из аппаратов ВСУ полупродукт распределяется между двумя технологическими линиями контейнерным способом.
Использование в настоящее время системы импульсного пневмотранспорта для непрерывной передачи полупродукта из аппарата ПСУ в ПР, а также взаимозависимость технологических линий стали основными причинами того, что существующая АСУ ТП ПГУ не обеспечивает требуемого качества управления.
Используя ранее составленные сотрудниками кафедры ЭАФУ ТПУ модели ПР, ДС и АУ, нами была разработана статическая модель ПГУ, описывающая поведение оксидной и тетрафторидной технологических линий. Для проведения исследований модель ПГУ была реализована в среде Microsoft Visual Studio 2012, результатом чего послужил оптимизирующий программный модуль ПГУ «ОПМ ПГУ». Проверка адекватности «ОПМ ПГУ» подтвердила достоверность получаемых на нем результатов, отклонение результатов расчетов, произведенных на «ОПМ ПГУ», от экспериментальных данных не превысило 6 %.
Посредством экспериментальных исследований на «ОПМ ПГУ» был разработан алгоритм функционирования АСУ ТП ПГУ, заключающийся в выполнении следующих целей: стабилизации суммарного количества
полупродукта, одновременно находящегося в бункере загрузки ПР и камерных питателях аппарата ПСУ каждой из двух технологических линий; стабилизации суммарного количества полупродукта, накапливаемого в транспортных контейнерах; стабилизации отношения массовых расходов ТФУ и ЗОУ; стабилизации коэффициентов стехиометрического избытка ОУ над улавливаемыми компонентами в аппарате ВСУ каждой из двух технологических линий; стабилизации концентрации фтора на выходе ПР двух технологических линий.
Достижение сформулированных целей локальными САУ позволит решить задачу автоматизации расчета управляющих воздействий на шнеки загрузки ПР и аппаратов первой и второй ступеней улавливания двух технологических линий действующего на СХК ПГУ, обеспечивая при этом их согласованную работу.
Разработана динамическая математическая модель ПГУ, состоящего из двух технологических линий. Модель ПГУ описывает системы импульсного пневмотранспорта, исполнительные и регулирующие органы, автоматическое переключение загрузи полупродукта в бункеры, дискретность пневмотранспортной передачи полупродукта из узла выгрузки аппарата ПСУ в бункер загрузки ПР, динамику перемещения полупродукта по ГЧ АУ, а также учитывает инерционность и запаздывание контролируемых технологических переменных.
Адекватность составляющих динамической модели ПГУ, кроме модели ГЧ АУ, доказана в предыдущих работах. Достоверность результатов моделирования ГЧ производилась путем сопоставления количества выгружаемого из АУ в камерные питатели полупродукта, рассчитанного на модели, и реальных производственных данных весоизмерительных устройств на интервалах времени, где происходило опустошение наполненной и наполнение опустошенной ГЧ АУ. Относительные отклонения времен от момента прекращения загрузки
161 полупродукта в АУ до опустошения ГЧ и от момента начала загрузки полупродукта в АУ до отклика весоизмерительных устройств камерных питателей рассчитанных на модели и реальных производственных данных составили 6 % и 12 % соответственно.
Используя динамическую модель ПГУ, была синтезирована автоматизированная система согласования загрузок твердофазных компонентов в аппараты двух технологических линий действующего на СЗ СХК ПГУ, включившая в свой состав три локальные САУ. Результатом работы первой САУ являются управляющие воздействия на шнеки загрузки аппаратов ПСУ двух технологических линий, в результате чего стабилизируется требуемое суммарное количество полупродукта, накапливаемого в бункере загрузки ПР и камерных питателях аппарата ПСУ каждой из двух технологических линий. Вторая САУ обеспечивает стабилизацию на требуемом уровне суммарного количества полупродукта, накопленного в транспортных контейнерах, за счет коррекции управляющих воздействий на шнеки загрузки аппаратов ВСУ обеих линий. Третья САУ, построенная по принципу программного управления, обеспечивает требуемое отношение массовых расходов ТФУ и ЗОУ в аппараты ПГУ за счет коррекции управляющего воздействия на шнек загрузки аппарата ПСУ тетрафторидной линии.
Исследование разработанной автоматизированной системы согласования загрузок твердофазных компонентов в аппараты двух технологических линий производилось путем проведения вычислительных экспериментальных исследований в программном комплексе Matlab с использованием динамической модели ПГУ. Анализ результатов исследований подтвердил, что поставленная перед автоматизированной системой согласования загрузок задача, удержания в допустимом диапазоне управляемых переменных, в условиях близких к производственным, выполняется. Максимальные динамические ошибки регулирования приведенные к допустимым диапазонам не превысили 20 %.
Для синтеза систем автоматической стабилизации стехиометрических коэффициентов избытка ОУ над ценными улавливаемыми в аппаратах ВСУ двух
пространственно-распределенная модель АУ.
Кинетика процессов улавливания ценных компонентов на ЗОУ описана законом действующих масс в кинетической форме, что позволило учесть влияние термо- и гидродинамических режимов работы АУ на скорость протекания химических реакций улавливания. Погрешность адекватности разработанной кинетической составляющей модели АУ данным, полученным на лабораторной установке, составила менее 10 %.
Исследование термодинамики химических реакций улавливания позволило выявить функциональную зависимость тепловых эффектов реакций от температуры реакционной зоны и состава газа, поступающего на улавливание.
Разработанная модель АУ имеет ячеечную структуру, позволившую учесть противоточный характер движения взвеси и газа, позонное охлаждение и нагрев корпуса реактора, переменную по высоте реторты скорость газа и взвеси, возможность изменения граничных и начальных условий, соответствующих целям моделирования.
Проверка адекватности модели АУ действующей установке проводилась путем расчета приведенных среднеквадратических отклонений, рассчитываемых по модели и измеренных на аппарате ВСУ температур реакционной зоны на высотах установки термопар. Приведенные к средним значениям температур, каждой из контролируемых зон, погрешности адекватности, рассчитанные на пяти интервалах времени, не превысили 5 %, что является достаточным для ее использования при синтезе алгоритмов управления аппаратами ВСУ.
Путем экспериментальных исследований на модели АУ были выявлены зависимости температур реакционной зоны АУ от массового расхода фтора на его входе, на основе которых были разработаны системы автоматической стабилизации коэффициентов стехиометрического избытка ОУ над ценными улавливаемыми компонентами обеих линий. Проведенные в программном комплексе Matlab исследования доказали, что в случае нестабильности массового расхода фтора на входе АУ, использование предлагаемых систем управления
163
существенно снижает отклонение коэффициентов избытка от требуемых
значений: в оксидном аппарате ВСУ на 53 %; а в тетрафторидном аппарате ВСУ
на 72 %. Достигнутый результат свидетельствует о повышении эффективности
улавливания ценных компонентов из хвостового газа и целесообразности
внедрения систем автоматической стабилизации коэффициентов
стехиометрического избытка ОУ над ценными улавливаемыми компонентами хвостового газа на СЗ СХК.
В результате проведенных исследований были сформулированы требования к динамической точности САУ ПР, заключающиеся в удержании среднего квадратического отклонения концентрации фтора на выходе ПР в процессе нормальной эксплуатации на производстве в диапазоне от 0 до 2 % об. Оценка качества управления исходной САУ ПР на пяти различных интервалах времени подтвердила ее несоответствие предъявляемым требованиям.
Анализ производственных данных, характеризующих технические и технологические особенности ПГУ на СЗ СХК, выявил причины недостаточного качества САУ ТП протекающими в ПР, основными из которых являются: нестабильность расхода технического фтора на входе ПР; нестабильность состава и физических характеристик фторируемого полупродукта.
Для минимизации влияния выявленных причин на стабильность концентрации фтора на выходе ПР модернизирована САУ ПР, которая представляет собой комбинированную адаптивную САУ, реализованную на принципах обратной связи и компенсации основного возмущения.
Алгоритм расчета коэффициента передачи модели ПР разработан на основе его статической модели. Особенностью алгоритма является учет изменения градуировочного коэффициента, перерасчет которого производится по результатам прямых измерений концентрации фтора на выходе ПР, частоты вращения шнека загрузки ПР и расхода технического фтора на входе ПР.
Задача адаптации динамических свойств ПР решалась путем разработки метода активной идентификации в замкнутом контуре управления. Разработанный метод идентификации позволяет по реакции объекта управления в
164 замкнутом контуре на ступенчатое изменение управляющего воздействия, рассчитывать параметры модели, представляющей собой инерционное звено первого порядка с запаздыванием. Вычислительные экспериментальные исследования разработанного алгоритма идентификации в программном комплексе Matlab доказали его применимость в диапазоне изменения отношения времени запаздывания к постоянной времени модели ТОУ от 0 до 4. Погрешность идентификации не превысила 4 %.
Исследования по идентификации параметров модели ПР, с помощью разработанного алгоритма, выявили ограниченность его использования на действующем производстве, по причине необходимости выбора благоприятного момента времени для его запуска, что требует дополнительных исследований.
Адаптация динамических свойств ПР реализована с помощью составленных регрессионных моделей, описывающих зависимость постоянной времени и времени запаздывания модели ПР от измеряемых на производстве величин: частоты вращения шнека загрузки ПР, расхода технического фтора на входе ПР и концентрации фтора на выходе ПР.
Разработанный способ компенсации основного возмущающего воздействия, в отличие от классического, обеспечивает расчет корректирующего управляющего воздействия на шнек загрузки ПР по пропорциональному закону регулирования на основании рассогласования текущих измеренного и сглаженного величин расхода технического фтора. Использование предложенного контура компенсации в составе САУ ПР позволило повысить качество управления в 2 раза по сравнению с ранее используемым.
Анализ результатов проведенных экспериментальных исследований САУ ПР выявил соответствие обеспечиваемого ей качества управления предъявляемым требованиям. Использование модернизированной САУ ПР позволило: в 2 раза сократить среднее квадратическое отклонение концентрации фтора на выходе ПР; в 10 раз уменьшить статическую ошибку регулирования; в 13 раз сократить количество переходов на ручной режим управления; в 4 раза сократить количество ручных вмешательств оперативно-технологического персонала в
165
управление шнеком загрузки ПР. По результатам опытной эксплуатации
разработанные алгоритмы управления ПР, вошедшие в состав
модернизированной САУ ПР, были приняты в промышленную эксплуатацию на СЗ СХК, что подтверждается актом внедрения.
Внедрение модернизированной САУ ПР на СЗ СХК, позволило снизить количество урансодержащих оборотов требующих дополнительной переработки, сократить количество внеплановых остановок технологического оборудования, повысить качество управления всем производственным комплексом, а также увеличить межремонтный пробег аппаратов фторирования, десублимации и двух ступеней улавливания. Экономический эффект от внедрения системы составил 7,3 млн. руб. в год.
Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре ЭАФУ ТПУ, что подтверждается актом внедрения. Предложенный «Способ активной идентификации технологических объектов в замкнутом контуре управления» включен в раздел «Методы построения динамических моделей промышленных объектов» и в методические указания к 2-м лабораторным работам по учебному курсу «Статистические методы контроля и управления», а также в раздел «Методы математического описания элементов и систем автоматического управления» по курсам «Теория автоматического управления» и «Средства автоматизации и приборы контроля химического производства».
Результаты разработки и исследования автоматизированной системы согласования загрузок твердофазных компонентов в аппараты двух технологических линий использованы в проектной документации «Создание нового конверсионного производства в ОАО «СХК»» и рекомендованы к производственным испытаниям на СЗ СХК.