📄Работа №200873
Тема: АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ПОТОКА ОРГАНИЧЕСКОЙ ФАЗЫ В КАСКАДЕ ЭКСТРАКЦИОННЫХ КОЛОНН
Характеристики работы
Тип работы
Диссертация
Предмет
Химия
Объем:
134 листов
Год:
2018
Просмотров:
67
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 3
ВВЕДЕНИЕ 5
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 11
1 ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ 11
1.1 Обзор рынка услуг по конверсии и обогащению урана 11
1.2 Экстракционная технология аффинажа оксидов урана 13
1.3 Анализ технологического процесса переработки оксидов урана 22
1.4 Выводы к главе 27
2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КАСКАДА ЭКСТРАКЦИОННЫХ КОЛОНН 28
2.1 Методология моделирования каскада экстракционных колонн 28
2.2 Имитационная модель буферной ёмкости 33
2.3 Имитационная модель экстракционной колонны 51
2.4 Имитационная модель каскада экстракционных колонн 55
2.5 Выводы к главе 61
3 СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОЙ ФАЗЫ 63
3.1 Предпосылки создания системы стабилизации расхода органической
фазы 63
3.2 Система стабилизации расхода органической фазы 76
3.3 Двухконтурная адаптивная системы стабилизации расхода органической
фазы 81
3.4 Введение второго канала управления 89
3.5 Сравнение систем стабилизации расхода органической фазы 94
3.6 Выводы к главе 99
4 ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОЙ
ФАЗЫ 101
4.1 Техническая реализация системы автоматизированной стабилизации на
РХЗ 101
4.2 Эффект от внедрения системы автоматизированной стабилизации на
РХЗ 106
4.3 Выводы к главе 113
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 114
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 119
ПРИЛОЖЕНИЕ А РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ЧП DANFOSS FC200 НА
СТЕНДЕ 127
ПРИЛОЖЕНИЕ Б РАБОЧИЙ РЕЖИМ МОДЕЛИ КЭК 129
ПРИЛОЖЕНИЕ В СХЕМА РАБОТЫ САР УРОВНЯ ПК И ГРФ 131
ПРИЛОЖЕНИЕ Г АКТ ВНЕДРЕНИЯ НА АО «СХК» 132
ВВЕДЕНИЕ 5
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 11
1 ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ 11
1.1 Обзор рынка услуг по конверсии и обогащению урана 11
1.2 Экстракционная технология аффинажа оксидов урана 13
1.3 Анализ технологического процесса переработки оксидов урана 22
1.4 Выводы к главе 27
2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КАСКАДА ЭКСТРАКЦИОННЫХ КОЛОНН 28
2.1 Методология моделирования каскада экстракционных колонн 28
2.2 Имитационная модель буферной ёмкости 33
2.3 Имитационная модель экстракционной колонны 51
2.4 Имитационная модель каскада экстракционных колонн 55
2.5 Выводы к главе 61
3 СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОЙ ФАЗЫ 63
3.1 Предпосылки создания системы стабилизации расхода органической
фазы 63
3.2 Система стабилизации расхода органической фазы 76
3.3 Двухконтурная адаптивная системы стабилизации расхода органической
фазы 81
3.4 Введение второго канала управления 89
3.5 Сравнение систем стабилизации расхода органической фазы 94
3.6 Выводы к главе 99
4 ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОЙ
ФАЗЫ 101
4.1 Техническая реализация системы автоматизированной стабилизации на
РХЗ 101
4.2 Эффект от внедрения системы автоматизированной стабилизации на
РХЗ 106
4.3 Выводы к главе 113
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 114
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 119
ПРИЛОЖЕНИЕ А РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ЧП DANFOSS FC200 НА
СТЕНДЕ 127
ПРИЛОЖЕНИЕ Б РАБОЧИЙ РЕЖИМ МОДЕЛИ КЭК 129
ПРИЛОЖЕНИЕ В СХЕМА РАБОТЫ САР УРОВНЯ ПК И ГРФ 131
ПРИЛОЖЕНИЕ Г АКТ ВНЕДРЕНИЯ НА АО «СХК» 132
📖 Аннотация
В данной диссертационной работе разработана и исследована автоматизированная система стабилизации потока органической фазы в каскаде экстракционных колонн, применяемом в технологии аффинажа урана на радиохимических производствах. Актуальность исследования обусловлена стратегической важностью развития ядерно-топливного цикла и радиохимии для экономики и обороноспособности страны, а также необходимостью повышения безопасности, надёжности и экономической эффективности данных высокоопасных производств, в частности на площадке АО «СХК». Основные результаты заключаются в создании комплексного решения, включающего детальный анализ технологического процесса, разработку оригинальной математической имитационной модели каскада колонн и буферной ёмкости как объекта управления, а также проектирование алгоритмов и технических средств автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП). Научная значимость работы состоит в развитии методологии имитационного моделирования сложных гидродинамических и массообменных процессов в экстракционных аппаратах, ранее не исследовавшихся в подобном аспекте, как это отмечено в трудах А.Г. Горюнова, С.Н. Ливенцова и В.М. Гарина. Практическая ценность подтверждена внедрением разработанной системы, обеспечивающей повышение стабильности ведения процесса, что вносит непосредственный вклад в увеличение качества продукции, снижение себестоимости и повышение общего уровня промышленной безопасности радиохимического производства.
📖 Введение
Невозможно переоценить вклад ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) в развитие экономики и обороноспособности страны. Развитие ЯТЦ нельзя представить без развития радиохимического производства. Поскольку радиохимия является неотъемлемой частью ЯТЦ, то научно-исследовательские работы по её совершенствованию весьма актуальны и своевременны. С другой стороны, высокие требования, предъявляемые к безопасности и качеству ведения технологических процессов, ставят новые задачи по эффективному и надёжному управлению этими процессами. Анализ аварий на ядерно-опасном производстве показал, что создание полностью безопасных установок невозможно. Поэтому соблюдение дополнительных мер безопасности (таких как контроль массообменных процессов) повышает общий уровень надежности установки [12, 13, 2].
Руководством ГК «Росатом» в 2011 году было принято решение по концентрации конверсии производства урана на площадке АО «СХК». Объем инвестиций на создание завода, где сосредоточится вся конверсия урана России, превысит 7 миллиардов рублей. Получение высококачественного уранового сырья с минимальной себестоимостью - это те требования, которые руководство ГК «Росатом» поставило перед Сибирским химическим комбинатом [14].
В технологии производства урана наиболее эффективным методом получения высококачественных соединений является экстракционный аффинаж. Суть данной технологии заключается в процессе водно-экстракционного растворения урана и последующей очистки. Для выделения и очистки в качестве экстрагента используется раствор трибутилфосфата (ТБФ) в легком углеродном разбавителе [1,12]. Такая технология переработки урана применяется на Радиохимическом заводе (РХЗ) АО «СХК».
Начиная с 1984 года, проводятся исследования каскада экстракционных колонн в качестве объекта автоматизации. Исследования проводились сотрудниками Всероссийского научно-исследовательского института
неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара. Данные исследования послужили основой для создания первых систем контроля и управления
технологического процесса в КЭК [15, 16]. Дальнейшими исследованиями
занимались сотрудники кафедры электроники и автоматики физических
установок Томского политехнического университета. Результатом их работы является разработка систем автоматизированного управления технологическими процессами КЭК [3, 10, 11, 18].
Из-за повышенных требований, предъявляемых к промышленной безопасности и качеству управления, в 2006 году на РХЗ была реализована современная МСКТП, с последующей модернизацией в 2013-2015 годах. Из особенностей МСКТП можно выделить:
- использование ИМ постоянной скорости с цифровыми средствами управления;
- управление частотой работы насосов с помощью частотного привода (ЧП).
Начиная с 2011 года, на РХЗ проводятся исследования по увеличению производственной программы в связи с концентрацией конверсии производства урана. Новые режимы работы КЭК потребовали новых исследований с дальнейшей модернизацией действующей системы автоматизированного управления.
Подводя итог вышесказанному, актуальность данной работы определяется:
- высокими требованиями к безопасности ведения технологического процесса;
- необходимостью повышения эффективности производства конечного продукта (нитрат уранила);
- необходимостью повышения производительности КЭК;
- использованием современных программно-технических средств;
- необходимостью обеспечения устойчивой работы КЭК на новых режимах.
Целью работы является стабилизация потока органической фазы средствами системы автоматизированного управления, обеспечивающей повышение производительности и надёжности работы каскада экстракционных колонн. Данная цель достигалась решением следующих задач:
- исследование каскада экстракционных колонн как объекта управления;
- создание математической модели каскада экстракционных колонн для решения задач синтеза и анализа систем управления;
- разработка алгоритма системы стабилизации потока органической фазы в каскаде экстракционных колонн;
- внедрение предложенной системы стабилизации потока органической фазы на действующее производство;
Для решения поставленных задач в работе использовались методы:
- теории автоматического управления;
- математического и компьютерного моделирования;
- метод декомпозиции;
- теории адаптивных систем управления;
- натурные испытания на производстве.
При разработке моделей каскада экстракционных колонн, а также алгоритма функционирования АСУ, использовался программный комплекс Matlab.
Научная новизна данной работы заключается в том, что:
1. Разработана математическая модель каскада экстракционных колонн, описывающая динамику прохождения органической фазы, позволяющая синтезировать и испытывать алгоритмы управления действующими аппаратами. Модель основана на использовании нейронечёткой логики, позволившей существенно увеличить ее точность в условиях ограниченного количества экспериментальных данных в сравнении с традиционными методами (полиномиальными, сплайн и т.д.);
2. Разработан алгоритм управления системы стабилизации потока органической фазы в каскаде экстракционных колонн, отличающийся одновременным управлением частотами вращения валов двигателей насосов и напором, что позволило повысить производительность и надёжность работы каскада экстракционных колонн.
3. Разработан алгоритм, отличающийся применением нейронечеткой логики в математической модели каналов управления для решения задачи адаптации системы стабилизации потока органической фазы в каскаде экстракционных колонн, что позволило повысить производительность и надёжность работы каскада экстракционных колонн.
Практическая значимость работы заключается в том, что основная часть полученных результатов исследований внедрена на производстве, что подтверждено актом внедрения результатов диссертационных исследований, представленном в приложении Г. Разработанные алгоритмы, вошедшие в состав САУ экстракционного каскада, приняты в промышленную эксплуатацию приказом по РХЗ от 19.05.2014, что подтверждается актом внедрения, представленном в приложении Г. Внедрение модернизированной САУ стабилизации ОФ на РХЗ позволило повысить качество управления каскадом экстракционных колонн, сократить количество внеплановых остановок технологического оборудования, а также увеличить межремонтные сроки насосного оборудования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель каскада экстракционных колонн, описывающая динамику прохождения органической фазы и позволяющая синтезировать и испытать алгоритмы управления действующими аппаратами. Главным отличием модели от существующих является использование нейронечёткой логики, позволившей существенно увеличить точность модели в условиях ограниченного количества экспериментальных данных в сравнении с другими методами (полиномиальными, сплайн и т.д.).
2. Алгоритм управления системы стабилизации потока органической фазы в каскаде экстракционных колонн, отличающийся одновременным управлением частотами вращения вала двигателей насосов и напором, что обеспечивает существенное демпфирование расхода органической фазы в каскаде экстракционных колонн. Данный алгоритм универсален и может использоваться в задачах двухканального управления.
3. Алгоритм адаптации системы стабилизации потока органической фазы в каскаде экстракционных колонн с применением нейронечеткой логики, позволяющий существенно снизить низкочастотные колебания расхода потока органической фазы, а также повысить производительность и надёжность работы каскада экстракционных колонн.
Проверка на адекватность подтверждается ошибкой аппроксимации экспериментальных зависимостей, которая не превышает 0,5%, а также успешными испытаниями разработанных алгоритмов в условиях действующего производства.
Основные положения и результаты диссертационных исследований были представлены в докладах на следующих конференциях:
- Школа-конференция молодых атомщиков Сибири, г. Томск, 5-6 октября 2011.
- Международная заочная научно-практическая конференция, г. Тамбов, 31 мая 2012.
- Российская научно-практическая конференция, г. Железногорск, 24-25 октября 2012.
- Всероссийская научно-практическая конференция, приуроченная к 105- летию со дня рождения Б.В. Громова, г. Томск, 1 - 3 октября 2014.
- VI Международная научно-практическая конференция «Физикотехнические проблемы атомной науки, энергетики и промышленности», г. Томск, июнь 2014.
- Российская научно-практическая конференция, г. Железногорск, октября 2015.
По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе: 4 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК; 1 статья в зарубежном издании; 8 тезисов докладов на Российских и Международных конференциях.
В первой главе диссертационной работы раскрывается тема объекта исследования. Проводится анализ состояния отрасли, обозревается технология производства оксидов урана, используемая на РХЗ. Завершается глава анализом технологического процесса переработки оксидов урана.
Вторая глава посвящена математическому моделированию каскада экстракционных колонн. Выбирается методология моделирования.
Оговариваются допущения, принятые в модели. Далее аппроксимируются экспериментальные данные, полученные на действующем оборудовании. Используя современный подход с применением нейронных сетей с нечёткой логикой, была получена адекватная имитационная модель каскада экстракционных колонн. Глава завершается проверкой адекватности полученной модели КЭК.
В третьей главе описывается процесс синтеза автоматизированной системы стабилизации расхода органической фазы (ССР ОФ). Рассматриваются предпосылки создания такой системы: эволюция АСУ ТП на РХЗ и опыт предыдущих исследователей. Используя модель каскада экстракционных колонн, разрабатывается и исследуется двухконтурная двухканальная система автоматизированной стабилизации расхода органической фазы. В конечном итоге сравниваются вновь созданная автоматизированная ССР ОФ и действующая на РХЗ автоматизированная система. Глава завершается анализом полученных результатов.
Четвертая глава имеет практическую направленность: в ней описан процесс внедрения полученных результатов на РХЗ. Начинается глава с описания технической базы для реализации ССР ОФ. Рассматриваются этапы внедрения системы в технологический процесс. Завершается глава расчётом экономического эффекта от внедрения ССР ОФ.
В заключении диссертационной работы приведены основные выводы по результатам проделанной работы.
Руководством ГК «Росатом» в 2011 году было принято решение по концентрации конверсии производства урана на площадке АО «СХК». Объем инвестиций на создание завода, где сосредоточится вся конверсия урана России, превысит 7 миллиардов рублей. Получение высококачественного уранового сырья с минимальной себестоимостью - это те требования, которые руководство ГК «Росатом» поставило перед Сибирским химическим комбинатом [14].
В технологии производства урана наиболее эффективным методом получения высококачественных соединений является экстракционный аффинаж. Суть данной технологии заключается в процессе водно-экстракционного растворения урана и последующей очистки. Для выделения и очистки в качестве экстрагента используется раствор трибутилфосфата (ТБФ) в легком углеродном разбавителе [1,12]. Такая технология переработки урана применяется на Радиохимическом заводе (РХЗ) АО «СХК».
Начиная с 1984 года, проводятся исследования каскада экстракционных колонн в качестве объекта автоматизации. Исследования проводились сотрудниками Всероссийского научно-исследовательского института
неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара. Данные исследования послужили основой для создания первых систем контроля и управления
технологического процесса в КЭК [15, 16]. Дальнейшими исследованиями
занимались сотрудники кафедры электроники и автоматики физических
установок Томского политехнического университета. Результатом их работы является разработка систем автоматизированного управления технологическими процессами КЭК [3, 10, 11, 18].
Из-за повышенных требований, предъявляемых к промышленной безопасности и качеству управления, в 2006 году на РХЗ была реализована современная МСКТП, с последующей модернизацией в 2013-2015 годах. Из особенностей МСКТП можно выделить:
- использование ИМ постоянной скорости с цифровыми средствами управления;
- управление частотой работы насосов с помощью частотного привода (ЧП).
Начиная с 2011 года, на РХЗ проводятся исследования по увеличению производственной программы в связи с концентрацией конверсии производства урана. Новые режимы работы КЭК потребовали новых исследований с дальнейшей модернизацией действующей системы автоматизированного управления.
Подводя итог вышесказанному, актуальность данной работы определяется:
- высокими требованиями к безопасности ведения технологического процесса;
- необходимостью повышения эффективности производства конечного продукта (нитрат уранила);
- необходимостью повышения производительности КЭК;
- использованием современных программно-технических средств;
- необходимостью обеспечения устойчивой работы КЭК на новых режимах.
Целью работы является стабилизация потока органической фазы средствами системы автоматизированного управления, обеспечивающей повышение производительности и надёжности работы каскада экстракционных колонн. Данная цель достигалась решением следующих задач:
- исследование каскада экстракционных колонн как объекта управления;
- создание математической модели каскада экстракционных колонн для решения задач синтеза и анализа систем управления;
- разработка алгоритма системы стабилизации потока органической фазы в каскаде экстракционных колонн;
- внедрение предложенной системы стабилизации потока органической фазы на действующее производство;
Для решения поставленных задач в работе использовались методы:
- теории автоматического управления;
- математического и компьютерного моделирования;
- метод декомпозиции;
- теории адаптивных систем управления;
- натурные испытания на производстве.
При разработке моделей каскада экстракционных колонн, а также алгоритма функционирования АСУ, использовался программный комплекс Matlab.
Научная новизна данной работы заключается в том, что:
1. Разработана математическая модель каскада экстракционных колонн, описывающая динамику прохождения органической фазы, позволяющая синтезировать и испытывать алгоритмы управления действующими аппаратами. Модель основана на использовании нейронечёткой логики, позволившей существенно увеличить ее точность в условиях ограниченного количества экспериментальных данных в сравнении с традиционными методами (полиномиальными, сплайн и т.д.);
2. Разработан алгоритм управления системы стабилизации потока органической фазы в каскаде экстракционных колонн, отличающийся одновременным управлением частотами вращения валов двигателей насосов и напором, что позволило повысить производительность и надёжность работы каскада экстракционных колонн.
3. Разработан алгоритм, отличающийся применением нейронечеткой логики в математической модели каналов управления для решения задачи адаптации системы стабилизации потока органической фазы в каскаде экстракционных колонн, что позволило повысить производительность и надёжность работы каскада экстракционных колонн.
Практическая значимость работы заключается в том, что основная часть полученных результатов исследований внедрена на производстве, что подтверждено актом внедрения результатов диссертационных исследований, представленном в приложении Г. Разработанные алгоритмы, вошедшие в состав САУ экстракционного каскада, приняты в промышленную эксплуатацию приказом по РХЗ от 19.05.2014, что подтверждается актом внедрения, представленном в приложении Г. Внедрение модернизированной САУ стабилизации ОФ на РХЗ позволило повысить качество управления каскадом экстракционных колонн, сократить количество внеплановых остановок технологического оборудования, а также увеличить межремонтные сроки насосного оборудования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель каскада экстракционных колонн, описывающая динамику прохождения органической фазы и позволяющая синтезировать и испытать алгоритмы управления действующими аппаратами. Главным отличием модели от существующих является использование нейронечёткой логики, позволившей существенно увеличить точность модели в условиях ограниченного количества экспериментальных данных в сравнении с другими методами (полиномиальными, сплайн и т.д.).
2. Алгоритм управления системы стабилизации потока органической фазы в каскаде экстракционных колонн, отличающийся одновременным управлением частотами вращения вала двигателей насосов и напором, что обеспечивает существенное демпфирование расхода органической фазы в каскаде экстракционных колонн. Данный алгоритм универсален и может использоваться в задачах двухканального управления.
3. Алгоритм адаптации системы стабилизации потока органической фазы в каскаде экстракционных колонн с применением нейронечеткой логики, позволяющий существенно снизить низкочастотные колебания расхода потока органической фазы, а также повысить производительность и надёжность работы каскада экстракционных колонн.
Проверка на адекватность подтверждается ошибкой аппроксимации экспериментальных зависимостей, которая не превышает 0,5%, а также успешными испытаниями разработанных алгоритмов в условиях действующего производства.
Основные положения и результаты диссертационных исследований были представлены в докладах на следующих конференциях:
- Школа-конференция молодых атомщиков Сибири, г. Томск, 5-6 октября 2011.
- Международная заочная научно-практическая конференция, г. Тамбов, 31 мая 2012.
- Российская научно-практическая конференция, г. Железногорск, 24-25 октября 2012.
- Всероссийская научно-практическая конференция, приуроченная к 105- летию со дня рождения Б.В. Громова, г. Томск, 1 - 3 октября 2014.
- VI Международная научно-практическая конференция «Физикотехнические проблемы атомной науки, энергетики и промышленности», г. Томск, июнь 2014.
- Российская научно-практическая конференция, г. Железногорск, октября 2015.
По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе: 4 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК; 1 статья в зарубежном издании; 8 тезисов докладов на Российских и Международных конференциях.
В первой главе диссертационной работы раскрывается тема объекта исследования. Проводится анализ состояния отрасли, обозревается технология производства оксидов урана, используемая на РХЗ. Завершается глава анализом технологического процесса переработки оксидов урана.
Вторая глава посвящена математическому моделированию каскада экстракционных колонн. Выбирается методология моделирования.
Оговариваются допущения, принятые в модели. Далее аппроксимируются экспериментальные данные, полученные на действующем оборудовании. Используя современный подход с применением нейронных сетей с нечёткой логикой, была получена адекватная имитационная модель каскада экстракционных колонн. Глава завершается проверкой адекватности полученной модели КЭК.
В третьей главе описывается процесс синтеза автоматизированной системы стабилизации расхода органической фазы (ССР ОФ). Рассматриваются предпосылки создания такой системы: эволюция АСУ ТП на РХЗ и опыт предыдущих исследователей. Используя модель каскада экстракционных колонн, разрабатывается и исследуется двухконтурная двухканальная система автоматизированной стабилизации расхода органической фазы. В конечном итоге сравниваются вновь созданная автоматизированная ССР ОФ и действующая на РХЗ автоматизированная система. Глава завершается анализом полученных результатов.
Четвертая глава имеет практическую направленность: в ней описан процесс внедрения полученных результатов на РХЗ. Начинается глава с описания технической базы для реализации ССР ОФ. Рассматриваются этапы внедрения системы в технологический процесс. Завершается глава расчётом экономического эффекта от внедрения ССР ОФ.
В заключении диссертационной работы приведены основные выводы по результатам проделанной работы.
✅ Заключение
В рамках данной диссертационной работы решена научная задача и изложены результаты научно обоснованного технического решения: набор алгоритмов, программная и техническая часть АСУ ТП. Результаты данных исследований внесли заметный вклад в повышение эффективности аффинажа урана на радиохимическом производстве.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. Проведённый анализ технологического процесса экстракции урана позволил сделать вывод, что в качестве основных управляющих воздействий, при стабилизации органической фазы во всём каскаде экстракционных колонн, необходимо использовать расходы органической фазы и экстракта после 1,2,3 колонн. Для дальнейших исследований каскада экстракционных колонн появилась потребность в создании математической модели. Математическая модель является удобным инструментом, позволяющим обойтись без прямого воздействия на реальный объект исследования. Сама модель потребовала математического описания технологических процессов, протекающих в структурных элементах каскада экстракционных колонн: буферной ёмкости и экстракционной колонне. Ранее подобные исследования буферной ёмкости как технологического объекта управления не проводились.
Использование современного имитационного подхода в моделировании позволило, с меньшей трудоёмкостью, решить сложные задачи по исследованию динамики протекания процессов. Преимущество имитационного моделирования в том, что оно не накладывает жестких ограничений на вид исходных данных. Данный вид моделирования позволяет применять весь объём собранной информации вне зависимости от ее формы представления и степени формализации (таблицы, матрицы, полиномиальные зависимости, передаточные функции, ОДУ и т.д.). Данное преимущество имитационного моделирования особенно актуально при моделировании буферной ёмкости из-за ограничений, связанных с исходными данными. В процессе моделирования были получены новые знания о способах обучения модели на основе нейронечёткой сети. В основе этих знаний лежит анализ экспериментальных данных, полученных в ходе работы каскада экстракционных колонн.
2. Разработана новая математическая модель каскада экстракционных колонн, описывающая динамику прохождения органической фазы. Модель позволила синтезировать и испытать алгоритмы управления действующими аппаратами. Использование системы нечеткого вывода позволило снять ограничения на аппроксимацию классическими методами, связанными с недостатком экспериментальных данных. В отличии от других методов (полиномы, сплайны, и др.) нечеткая нейронная сеть позволила эффективно решить задачу аппроксимации экспериментальных данных, которые были представлены в виде разреженных матриц. Это позволяет говорить о нечеткой нейронной сети как об универсальном эффективном аппроксиматоре. Каждая созданная модель проверялась на адекватность. Сравнение модели с рабочей системой подтвердило адекватность предложенной модели. Полученная модель каскада экстракционных колонн воспроизводит процесс движения органической фазы по всему каскаду колонн. Модель адекватна реальному процессу, и её погрешность меньше допустимой основной приведённой погрешности. Предложенная модель подходит для дальнейших исследований.
Математическая модель каскада экстракционных колонн реализована в виде компьютерной программы в программном пакете Matlab (Simulink).
3. Был создан алгоритм управления системы стабилизации потока органической фазы в каскаде экстракционных колонн. Данный алгоритм отличается одновременным управлением частотой вращения вала двигателя насоса и напором, что обеспечивает существенное демпфирование расхода органической фазы в каскаде экстракционных колонн.
Процесс создания был основан на творческом переосмыслении опыта предыдущих исследователей. Благодаря изучению предыдущего опыта был взят за основу принцип фильтра нижних частот для расхода органической фазы.
Новым в настоящей работе являлась необходимость создания двухканальной системы стабилизации органической фазы с частотным приводом и исполнительным механизмом «типа А». Это связанно с ограничениями, накладываемыми на работу системы управления: постановка на «подпятник» и режимы работы насоса. Данные особенности потребовали создания адаптивной двухконтурной системы с двумя каналами управления насосом и вентилем.
В процессе создания системы был проанализирован зарубежный опыт использования многоканальных адаптивных систем управления. Было установлено, что использование многоканальных адаптивных систем управления сопряжено с использованием сложных математических моделей объекта управления и не менее сложными алгоритмами адаптации. Использование численного метода и нечёткой логики приводит к необходимости использования больших вычислительных мощностей и сложного программного обеспечения. В рамках данной работы таких ресурсов не было.
Синтез системы стабилизации расхода органической фазы проведен на базе математической модели, созданной в рамках данной работы. Данная модель позволила произвести структурный и параметрический синтез, а также провести проверку работоспособности системы стабилизации расхода органической фазы.
Исследование возможных вариантов проводилось по
многокритериальной методике с помощью компьютерной модели, включающей имитационную модель каскада экстракционных колонн, линейные и нелинейные модели регуляторов. При этом использовался метод анализа переходных процессов САУ при ступенчатых воздействиях по основным возмущениям (расходу ВФ1, ОФ и амплитуде пульсаций). Для оценки качества управления использовался ряд критериев качества: время регулирования, динамический коэффициент регулирования, суммарная статическая ошибка регулирования органической фазы в каскаде экстракционных колонн. В результате анализа было установлено, что САУ на основе предложенного адаптивного регулятора обеспечивает 8-кратное преимущество в сравнении с исходной системой при меньшем числе включений исполнительного механизма. Также новая система не требует применения компенсации выбега вала исполнительного механизма. Выбег вала исполнительного механизма существенно влияет на демпфирование расхода органической фазы в штатной САУ и практически не влияет в САУ с адаптивным регулятором. При этом средняя частота вращения вала электродвигателя насоса составила 2200 об/мин по сравнению с 2930 об/мин у исходной системы.
Исследования на компьютерной модели реакции системы на синусоидальные воздействия по основным возмущениям позволили установить максимально допустимые отклонения этих переменных, около 2 м3/ч, при которых САУ обеспечивает удовлетворительное качество управления.
В результате проделанной работы был создан универсальный алгоритм, который может использоваться в задачах двухканального управления. Данные технические решения являются новыми, а их применения научно- обоснованы.
4. В результате проделанной работы была внедрена система стабилизации расхода органической фазы на радиохимическом производстве. В процессе внедрения были разработаны алгоритмы управления и создана программная часть АСУ. Использована современная техническая база с частотным управлением насосами. Перед этапом внедрения проведены испытания на ЭВМ с использованием разработанной модели каскада экстракционных колонн. Благодаря испытаниям на ЭВМ, удалось снизить риски при внедрении результатов работы на опасном производстве.
Внедрение системы стабилизации расхода органической фазы позволило снизить ошибку управления расходом и амплитуду колебания уровня в буферных ёмкостях в 2 раза, что обеспечило необходимое условие для технической возможности увеличения производственной программы. Промышленные испытания показали 10-кратное снижение низкочастотных колебаний расхода органической фазы по сравнению со штатной системой. Снижение частоты вращения вала электродвигателя насоса в 3 раза и энергопотребления в 10 раз позволяет судить о возможности существенного продления срока службы насосов.
Исходя из анализа итогов производственной деятельности завода за 2009 и 2016 годы, можно наблюдать увеличение производственной программы более чем в 1,5 раза. Данный факт является формальным основанием для подтверждения полученных результатов, так как ранее говорилось о проблемах, возникающих в технологическом процессе, при увеличении производительности без изменения ССР ОФ.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. Проведённый анализ технологического процесса экстракции урана позволил сделать вывод, что в качестве основных управляющих воздействий, при стабилизации органической фазы во всём каскаде экстракционных колонн, необходимо использовать расходы органической фазы и экстракта после 1,2,3 колонн. Для дальнейших исследований каскада экстракционных колонн появилась потребность в создании математической модели. Математическая модель является удобным инструментом, позволяющим обойтись без прямого воздействия на реальный объект исследования. Сама модель потребовала математического описания технологических процессов, протекающих в структурных элементах каскада экстракционных колонн: буферной ёмкости и экстракционной колонне. Ранее подобные исследования буферной ёмкости как технологического объекта управления не проводились.
Использование современного имитационного подхода в моделировании позволило, с меньшей трудоёмкостью, решить сложные задачи по исследованию динамики протекания процессов. Преимущество имитационного моделирования в том, что оно не накладывает жестких ограничений на вид исходных данных. Данный вид моделирования позволяет применять весь объём собранной информации вне зависимости от ее формы представления и степени формализации (таблицы, матрицы, полиномиальные зависимости, передаточные функции, ОДУ и т.д.). Данное преимущество имитационного моделирования особенно актуально при моделировании буферной ёмкости из-за ограничений, связанных с исходными данными. В процессе моделирования были получены новые знания о способах обучения модели на основе нейронечёткой сети. В основе этих знаний лежит анализ экспериментальных данных, полученных в ходе работы каскада экстракционных колонн.
2. Разработана новая математическая модель каскада экстракционных колонн, описывающая динамику прохождения органической фазы. Модель позволила синтезировать и испытать алгоритмы управления действующими аппаратами. Использование системы нечеткого вывода позволило снять ограничения на аппроксимацию классическими методами, связанными с недостатком экспериментальных данных. В отличии от других методов (полиномы, сплайны, и др.) нечеткая нейронная сеть позволила эффективно решить задачу аппроксимации экспериментальных данных, которые были представлены в виде разреженных матриц. Это позволяет говорить о нечеткой нейронной сети как об универсальном эффективном аппроксиматоре. Каждая созданная модель проверялась на адекватность. Сравнение модели с рабочей системой подтвердило адекватность предложенной модели. Полученная модель каскада экстракционных колонн воспроизводит процесс движения органической фазы по всему каскаду колонн. Модель адекватна реальному процессу, и её погрешность меньше допустимой основной приведённой погрешности. Предложенная модель подходит для дальнейших исследований.
Математическая модель каскада экстракционных колонн реализована в виде компьютерной программы в программном пакете Matlab (Simulink).
3. Был создан алгоритм управления системы стабилизации потока органической фазы в каскаде экстракционных колонн. Данный алгоритм отличается одновременным управлением частотой вращения вала двигателя насоса и напором, что обеспечивает существенное демпфирование расхода органической фазы в каскаде экстракционных колонн.
Процесс создания был основан на творческом переосмыслении опыта предыдущих исследователей. Благодаря изучению предыдущего опыта был взят за основу принцип фильтра нижних частот для расхода органической фазы.
Новым в настоящей работе являлась необходимость создания двухканальной системы стабилизации органической фазы с частотным приводом и исполнительным механизмом «типа А». Это связанно с ограничениями, накладываемыми на работу системы управления: постановка на «подпятник» и режимы работы насоса. Данные особенности потребовали создания адаптивной двухконтурной системы с двумя каналами управления насосом и вентилем.
В процессе создания системы был проанализирован зарубежный опыт использования многоканальных адаптивных систем управления. Было установлено, что использование многоканальных адаптивных систем управления сопряжено с использованием сложных математических моделей объекта управления и не менее сложными алгоритмами адаптации. Использование численного метода и нечёткой логики приводит к необходимости использования больших вычислительных мощностей и сложного программного обеспечения. В рамках данной работы таких ресурсов не было.
Синтез системы стабилизации расхода органической фазы проведен на базе математической модели, созданной в рамках данной работы. Данная модель позволила произвести структурный и параметрический синтез, а также провести проверку работоспособности системы стабилизации расхода органической фазы.
Исследование возможных вариантов проводилось по
многокритериальной методике с помощью компьютерной модели, включающей имитационную модель каскада экстракционных колонн, линейные и нелинейные модели регуляторов. При этом использовался метод анализа переходных процессов САУ при ступенчатых воздействиях по основным возмущениям (расходу ВФ1, ОФ и амплитуде пульсаций). Для оценки качества управления использовался ряд критериев качества: время регулирования, динамический коэффициент регулирования, суммарная статическая ошибка регулирования органической фазы в каскаде экстракционных колонн. В результате анализа было установлено, что САУ на основе предложенного адаптивного регулятора обеспечивает 8-кратное преимущество в сравнении с исходной системой при меньшем числе включений исполнительного механизма. Также новая система не требует применения компенсации выбега вала исполнительного механизма. Выбег вала исполнительного механизма существенно влияет на демпфирование расхода органической фазы в штатной САУ и практически не влияет в САУ с адаптивным регулятором. При этом средняя частота вращения вала электродвигателя насоса составила 2200 об/мин по сравнению с 2930 об/мин у исходной системы.
Исследования на компьютерной модели реакции системы на синусоидальные воздействия по основным возмущениям позволили установить максимально допустимые отклонения этих переменных, около 2 м3/ч, при которых САУ обеспечивает удовлетворительное качество управления.
В результате проделанной работы был создан универсальный алгоритм, который может использоваться в задачах двухканального управления. Данные технические решения являются новыми, а их применения научно- обоснованы.
4. В результате проделанной работы была внедрена система стабилизации расхода органической фазы на радиохимическом производстве. В процессе внедрения были разработаны алгоритмы управления и создана программная часть АСУ. Использована современная техническая база с частотным управлением насосами. Перед этапом внедрения проведены испытания на ЭВМ с использованием разработанной модели каскада экстракционных колонн. Благодаря испытаниям на ЭВМ, удалось снизить риски при внедрении результатов работы на опасном производстве.
Внедрение системы стабилизации расхода органической фазы позволило снизить ошибку управления расходом и амплитуду колебания уровня в буферных ёмкостях в 2 раза, что обеспечило необходимое условие для технической возможности увеличения производственной программы. Промышленные испытания показали 10-кратное снижение низкочастотных колебаний расхода органической фазы по сравнению со штатной системой. Снижение частоты вращения вала электродвигателя насоса в 3 раза и энергопотребления в 10 раз позволяет судить о возможности существенного продления срока службы насосов.
Исходя из анализа итогов производственной деятельности завода за 2009 и 2016 годы, можно наблюдать увеличение производственной программы более чем в 1,5 раза. Данный факт является формальным основанием для подтверждения полученных результатов, так как ранее говорилось о проблемах, возникающих в технологическом процессе, при увеличении производительности без изменения ССР ОФ.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.