1.ВВЕДЕНИЕ
Известно,что ввод в экслуатацию систем управления современными сложными технологическимипроцессами, как правило, занимают относительно много времени, требуя для своеговыполнения специальных бригад квалифицированного пуско-наладочного персонала. Инесмотря на это, как свидетельствует опыт, в большинстве случаев принятые вэксплуатацию системы управления оказываются настроенными далеко не оптимальнымобразом, что влечёт за собой соответствующие (обычно скрытые, поскольку ониспециально не регистрируются) экономические потери, а также сократить срокиввода систем управления в действие.
В процессе эксплуатации водоподготовительнойобессоливающей установки ХВО-2 (химводоочистка) возникает необходимость всбросе сточных вод, образующихся в результате регенерационных цикловводород-катионитовых и анионитовых фильтров, достигающих по количеству до 50%от производительности ВПУ
(водоподготовительной установки). В результате регенераций Н-катионитовыхфильтров раствором серной кислоты образуются кислые стоки с “рН” ниже 6.5, апри регенерации анионитовых фильтров раствором едкого натра образуются щелочныестоки (рН=8.5).
По природоохранным нормам сточные водыдолжны удовлетворять требованиям нейтральной Среды, т.е. соответствовать рН=6.5-8.5.Процесс нейтрализации сточных вод до заданных величин не простой, требующийзначительных затрат. Для удовлетворения таких жестких требований на ХВО-2выполнена схема узла нейтрализации сточных вод с автоматизированной системойуправления технологическим процессом (АСУ ТП).
2. ТЕХНОЛОГИЯПРОИЗВОДСТВА
2.1 Описаниетехнологического процесса
Технологическая схема узла нейтрализациивключает в себя принцип раздельного сброса кислых и щелочных стоков в дренажныеколлекторы Н-катионитовых и ОН-анионитовых фильтров с последующей 3-хступенчатой нейтрализацией. Кислые стоки напрямую с дренажного коллектораН-катионитовых фильтров направляются на первую ступень, которая состоит изпредварительной камеры смешивания кислых и щелочных стоков и 2-х перегородчатыхпараллельно установленных смесителей Æ630мм. После первой ступени кислые стоки, или усредненные стоки, поступают навторую ступень нейтрализации, т.е. на вихревой смеситель. В нижней части внутривихревого смесителя выполнены эвальвентные сопла для создания закручивающегопотока, поступающего с первой ступени. Из вихревого смесителя второй ступенинейтрализации через переливную трубу поток усредненных щелочных воднаправляется в бак донейтрализатор V=6м3 третьей ступени и далее вканализацию.
Щелочные стоки с дренажного коллектораОН-анионитовых фильтров направляются в дренажный бак. Из дренажного бакащелочные стоки перекачиваются дренажными насосами в баки-накопители УЩС-1,УЩС-2 (усреднители щелочных стоков), V=400м3.
При этом один из баков УЩС-1 или УЩС-2служит для накопления и доведения щелочных стоков до концентрации 0.25-0.3%.Усреднение и доведение до заданной концентрации щелочных стоков в УЩС-1 или УЩС-2 производится путем включениянасосов рециркуляции НР и добавлением NaOH в баки через задвижки 7Д, 8Д отмерников NaOH узла нейтрализации.
При наличии готовых усредненных щелочныхстоков в том или ином баке они подаются насосами нейтрализации НУЩ на первуюступень нейтрализации через клапан-регулятор 2-5 /см. принципиальнуюфункциональную схему-ПФС/ и задвижку 7ЩС. На вторую ступень черезклапан-регулятор 3-5 и задвижку 8ЩС. На третью ступень щелочные стоки подаютсячерез клапан-регулятор 4-5, а также с вихревого смесителя второй ступенинейтрализации.
Один раз в смену должна быть проведенасверка показаний рН-метров с результатами химического анализа.
2.2 Технико-экономическоеобоснование проектируемой схемы автоматизации.
Автоматизация процесса нейтрализации вцехе химводоподготовки позволит решить ряд задач:
1. Улучшение условий трудаосновных рабочих Повышение безопасностипроизводства.
2. . Внедрение АСУ ТПпозволит перенести рабочие места операторов на центральный пульт управления иотделить от основного помещения цеха.
3. Снижение затрат наприобретение щелочи за счет рационального использования ее в процессенейтрализации, что обеспечивает автоматизированные системы управления АСУ ТП.
2.2.1 Обоснование выборапараметров, подлежащих контролю и регулированию.
В процессе функционирования системы,комплексно-технические средства обеспечивают автоматический съем, обработку иуправление /регулирование/ технологическими параметрами объекта. Вработоспособном состоянии АСУ ТП осуществляет прямое цифровое управлениеисполнительными устройствами, изменяя установки и параметры настройки локальныхсистем регулирования.
В ходе процесса нейтрализации контролюподвергаются следующие технологические параметры:
Q- водородный показатель Среды (рН) в трубопроводе кислых стоков, на выходе перегородчатогосмесителя, на выходе бака донейтрализатора. На точках отбора установленыдатчики рН-метр автоматический промышленный с чувствительным элементом ДПГ-4М-3(позиции 2-1,
3-1,4-1 см.ПФС), соответственно 1,2,3 ступени нейтрализации.
На щите КИП расположены промышленные преобразователи П-215 (позиции 2-2,3-2, 4-2). Эти преобразователи преобразуют сигнал от
электродов рН-метра в аналоговый токовый сигнал 0-5мА, который идет намногофункциональный регулирующий микропроцессорный контроллер “РЕМИКОНТ Р-130” (позиция 1-2). Времиконте сигнал обрабатывается и преобразуется в цифровую форму. На основанииэтого на выходе контроллера формируется выходной сигнал, который управляетисполнительными механизмами (позиции 2-5,3-5,4-5)
L- уровень Среды в баках накопителях УЩС-1, УЩС-2. На точках отбора установленыдатчики типа “САПФИР 22-Ех-М-ДИ” (позиции 5-1,6-1), работающие в комплекте спреобразователями “САПФИР БПС-24П” (позиции 5-2, 6-2). Аналоговый токовыйсигнал с преобразователей снимается ремиконтом, где преобразуется в цифровуюформу.
Q- концентрация щелочи NaOH в щелочных стоках, поступающих на нейтрализацию сбаков накопителей. Контроль за концентрацией производят промышленныеконцентрометры типа КНЧ-2-8 (позиции 9-2, 10-2). Аналоговый токовый сигнал0-5мА поступает в ремиконт, где преобразуется в цифровую форму.
Основные функции АСУ ТП, которые необходимы для обеспечения нормальнойработы процесса нейтрализации заключаются в следующем:
1. Регулирование подачи щелочных стоковв смеситель:
- осуществляется измерение значенийтехнологических параметров, занесение их в ОЗУ, а также выдача управляющихвоздействий на исполнительные механизмы.
2.Управление подачи ЩС на нейтрализацию:
- производится формирование и выдачауправляющих воздействий на исполнительные механизмы.
3. Управление заполнением и усреднением ЩС вУЩС:
- производится измерение текущихзначений технологических параметров, запись их в ОЗУ, затем осуществляетсявыдача управляющих воздействий на исполнительные механизмы в соответствии салгоритмом.
4.Передача, обработка информации о ходе технологического процесса, обнаружениеаварийных ситуаций, их анализ:
- функция верхнего уровня, т.е. функцияреализуется по ПЭВМ.
3.ПОСТРОЕНИЕМАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА.
3.1 Выбор критериевоптимальности.
Как было описано выше, конечнымрезультатом процесса нейтрализации являются сточные воды, рН которых должнаудовлетворять требованиям нейтральной Среды. По мере прохождения процесса рНстоков может изменяться. Это зависит от качества реагентов, вступающих впроцесс перемешивания, а также их расхода.
На основе этого можно сделать вывод, чтоглавными критериями оптимальности данного технологического процесса будутявляться концентрация и расход реагирующих компонентов (раствора едкого натра и серной кислоты).
3.2 Формализациятехнологического процесса.
Получение нейтральной среды происходит врезультате химической реакции:
Входной переменной является начальная концентрациякислых стоков и соответственно их рН. Также входной величиной являются щелочныестоки, а именно рассматривается концентрация щелочи и рН. Выходной переменнойявляется рН нейтральной среды на выходе процесса нейтрализации.
Химическую реакцию, протекающую в процессенейтрализации можно описать следующим стехиометрическим уравнением:
Авыражение, определяющее скорость реакции, может быть записано так:
R- скорость реакции в объеме V;
СА, СВ — концентрации потоков, вступающих в реакцию;
k-константа скорости реакции.
Поскольку предлагается идеальноеперемешивание, состав отбираемого потока такой же, что и в проточной емкости.Изменение объема жидкости в емкости находят из уравнения общего материальногобаланса:
Q1 — объемный расход вещества на входе;
Q2 — объемный расход вещества на выходе;
V- объем системы.
Для введения реакции в основную модельсистемы будем рассматривать скорость реакции как выход для балансов покомпонентам А и В и как вход для балансов по компонентам С и D. Уравнения материальных балансов запишется следующимобразом:
[скоростьнакопления]=[приток]-[сток]
Другими словами изменение количествавещества, аккумулируемого во внутреннем объеме аппарата за некоторое время, этоизменение потока вещества на входе и на выходе системы.
Для удобства вычислений запишем, чтовходные потоки QCA и QCB это IВХ.,а выходные потоки это IВЫХ..Изменение количества вещества VC запишемкак DМ.Тогда изменение концентрации в аппарате, объемом V, будет равняться:
Изменение количества вещества это ничтоиное как изменение концентрации этого вещества. Тогда данное выражение можнопреобразовать к виду:
DC=C(t)-C(0)
Отношение объемного расхода Q к объемусистемы V, это:
t- среднее время пребывания частиц в аппарате.
Отсюдаможно перейти к выводу дифференциального уравнения процесса перемешивания.
Решаяуравнение данной предложенной модели (модель идеального перемешивания), мыможем узнать как поведет себя вся система, если на вход системы попадутединичный скачок или единичный импульс.
Итак решение уравнения модели:
перейдемк операторской форме записи
; CВХ.(S)ÞCBX.(t) ; CВЫХ.(S)ÞCВЫХ.(t)
тогдадифференциальное уравнение модели запишется следующим образом:
получилосьапериодическое звено 1-го порядка, где Т=t.Запишем окончательное выражение:
1.-Допустим, что на вход системы подали единичный скачок, т.е.
Fкрив. — это кривая отклика системы на единичный скачок.
2.-Допустим, что на вход системы подали единичный импульс, т.е.
Свх.(S)=1 ; Cвх.(t)=d(t),тогда
Нарисунке 3.2.1. отображены кривые отклика системы на единичный скачок и наединичный импульс.
СВХ CВЫХ..
1(t) 1 FKP.
t t
СВХ. СВЫХ.
d(t) 1/t
t t
рис.3.2.1.Кривыеотклика модели на единичный скачок и единичный импульс.
3.3Блок-схема алгоритма решения
Ввод исходных данных
Q1,Q2,CA,CB,CC,CD.
Расчет объема системы
Q1CA1,Q2,R Материал.баланс по комп.А
Q1CB1,Q2,R Материал.баланс по комп.В
CA2,CB2 Уравнение кинетики
Q2,R Материал.баланс по комп.С
Q2,R Материал.баланс по комп.D
Вывод результатов расчета
СС, СD.
Вывод:
Вид модели идеального перемешивания показывает,что это модель с сосредоточенными параметрами, так как основная переменная, а вданном случае это концентрация, изменяетсятолько во времени.
3.4 Постановка задачиоптимального управления
Оптимизация работы предлагаемой моделиидеального перемешивания может быть достигнута за счет оптимизации режимныхпараметров. Очевидно существует некоторое оптимальное соотношение концентрациищелочи, подаваемой на вход объекта, и выходным параметром рН сточных вод.
Поставленную задачу решим простейшимметодом, заключающимся в переборе вариантов. В результате получаем зависимостьрН=f(СNaOH).
С,%
12
9
6
3
рН
2 4 6 8 10 12 14
АВТ. АВТ. РУЧ.
Данная кривая построена на основеисследования прохождения процесса нейтрализации. Процесс велся на автоматическом,а затем на ручном управлении. При автоматическом режиме концентрация щелочиподдерживалась на уровне 3-4%, а следовательно рН на выходе объекта непревышала технологических ограничений. При ручном управлении произошло увеличениеконцентрации, т.к. оператор на стадии дозирования щелочи процесса нейтрализациипроизводил открытие задвижки вручную тем самым вызвав перерасход щелочи, аследовательно увеличение ее концентрации в водном растворе. рН на выходе объектавозрастает и выходит за рамки технологических ограничений.
Иными словами в качестве критерияоптимизации примем концентрацию щелочи в водном растворе.
3.5 Выбор метода поискаэкстремума
Для отыскания критерия оптимальности воспользуемсяметодом пробных шагов. Поиск методом пробных шагов заключается в следующем. Източки, характеризующей состояние объекта в данный момент времени, делаютсяпробные шаги во все стороны. В каждой из вновь получаемых точек вычисляютсязначение критерия оптимальности. Среди них выбирается минимальное значение,координаты которого запоминаются. Эта точка служит исходной для выбораследующего шага в направлении оптимума.
Если при очередном анализе пробныхшагов не получено критерия оптимальности, то шаг уменьшается наполовину и вновьделаются пробные шаги в обратном направлении.
Когда величина шага станет меньшетребуемой точности достижения оптимума, процесс поиска заканчивается.
3.6 Описание блок-схемыалгоритма пробных шагов
Х- переменная;
Z- текущее значение критерия оптимальности;
Ни В-нижний и верхний предел области изменения Х;
Т- требуемая точность решения задачи;
Ш- начальная величина пробного шага;
П- параметр в уравнении поверхности;
М- максимальное значение Z;
Р, С- ячейки для хранения значений Z.
Программа начинается с ввода исходныхданных. Значение функции Z присваиваются М и Р (операторы 1-4). Затем делаетсяшаг в сторону возрастания Х и сравнение Z со значением в начальной точке(операторы 5-9). Далее выполняется шаг назад по оси Х и производится сравнениеZ с максимальным значением М (операторы 10-14). Оператор 15 производит печатьХ,Z выбранной точки; 16 — анализирует были ли удачные шаги среди пробных. Еслиудачных шагов не было, то производится анализ достигнутой точности решения.Если точность соответствует заданной, то счет останавливается, иначе происходитуменьшение шага наполовину (операторы 19-20) и повторение цикла пробных шагов.
Блок-схемаалгоритма пробных шагов:
1-2 Н, В, Х, Т, Ш, П
3 Ш=çШê К=Х
4 Z, М=Z, Р=М, С=М