Файл: Расчет и проектирование систем обеспечения техносферной безопасности трубчатой печи пиролиза.docx
Добавлен: 04.05.2024
Просмотров: 150
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
(упомянутые выше спецификации продуктов) могут не измеряться в реальной трубчатой печи, а получаться путем аналитического моделирования – это так называемые «виртуальные» анализаторы (Рисунок 4.12). Их разработка, внедрение и эксплуатация обходится на порядки дешевле, чем покупка и установка реальных поточных анализаторов, и это – важнейшее достоинство АРСS-систем.
3 3 3
Примером одной из поставленных задач является минимизация контроллером следующей квадратичной целевой функции для оптимизации выравнивания температур параллельных потоков сырья в змеевиках трубчатой нагревательной печи:
J = A2(T -T )2+B2(T -T )2+C2(T -T )2, (3.1)
i 1_i 1_it q 2_q 2_qt k 3_k 3_kt
i=1 q=1 k=1
где Ai,Bqи Ck– коэффициенты целевой функции (начальные значения на этапе пуска контроллера равны 1);
T1_it,T2_qt,T3_kt– целевые значения отклонений температур потоков сырья от их средних значений (начальные значения на этапе пуска контроллера равны 0).
Аналогичные эмпирические зависимости составляются для каждого виртуального анализатора.
Рисунок 3.1 – Схема системы управления с прогнозирующей моделью Системы автоматического управления, АПС и ПАЗ современных трубчатых
нагревательных
печей не учитывают процесс коксообразования, протекающий параллельно основному технологическому процессу, и влияющий как на эффективность основного технологического процесса, так и на пожарную и промышленную безопасность технологической установки, а АПС реагируют только на степень закоксовывания змеевика. В данной работе предлагается совершенствование систем автоматического управления, ПАЗ и АПС трубчатых нагревательных печей путем мониторинга одного из параметров коксообразования
Очевидно, что при определенных сочетаниях параметров, влияющих на коксообразование, скорость коксообразования будет выше, чем при других
сочетаниях. При этом, даже если все параметры находятся в пределах нормы технологического режима, их возможные сочетания могут провоцировать значительное увеличение скорости коксообразования. Таким образом, определенные сочетания значений параметров являются нерациональными с точки зрения динамики коксообразования и являются причиной более быстрого закоксовывания змеевика, уменьшения сроков рабочего и межремонтного пробегов печи, а также срока службы змеевика. Следует также учитывать, что более частые выжиги кокса являются причиной усугубления напряженно- деформированного состояния змеевика из-за более коротких циклов нагрузки.
Системы АПС современных трубчатых нагревательных печей реагируют только на закоксовывание змеевика. В данной работе предлагается улучшение системы АПС путем мониторинга параметра коксообразования – скорости коксообразования.
На Рисунке 4.1 приведен график амплитуды механических напряжений, возникающих в змеевике. Имеет место накопление усталостных повреждений в змеевике от действия двух автономных факторов: термосилового воздействия рабочих параметров – давления и температуры (А), и от действия температуры подвижного фронта пламени в процессе выжига кокса (Б).
Очевидным является то, что более стабильная работа печи при увеличившемся рабочем пробеге является выгодной для предприятия как с точки зрения экономики, так и с точки зрения обеспечения пожарной и промышленной безопасности.
Скорость коксообразования предлагается вычислять с помощью виртуальных анализаторов качества с использованием параметров процесса коксообразования (фракционный состав продукта, температура, расход, скорость потока, давление, плотность продукта). Полученное значение скорости
коксообразования будет являться усредненной величиной ввиду того, что она не постоянна по длине змеевика. Резкое возрастание и достижение критической величины скорости коксообразования говорит о неоптимальном режиме работы трубчатой печи. Учитывая лавинообразный характер изменения закоксовывания от времени, можно спрогнозировать время предельного закоксовывания змеевиков трубчатой нагревательной печи и их прогар. Значение
скорости коксообразования используется системой «усовершенствованное управление и обеспечение безопасности (АРСS)» трубчатой печи для формирования управляющих воздействий на технологический процесс, направленных на снижение этого параметра. Резкий рост скорости коксообразования будет являться условием срабатывания системы АПС, сигнализирующей о потенциально опасном режиме работы трубчатой печи. Достижение некоторой критической величины скорости коксообразования в сочетании с достигнутым предельным уровнем закоксовывания змеевика воспринимаются системой ПАЗ как потенциально опасная ситуация и приведет к реализации функции остановки работы печи, предупреждая возникновение пожара или взрыва.
Рисунок 4.1 – Зависимость амплитуды условных напряжений в змеевике трубчатой печи от времени
Для решения задачи вычисления текущей скорости коксообразования предлагается использование виртуального анализатора, входящего в систему APCS. Его работа основывается на обработке избыточной информации и вычислении косвенных величин (на основе прогнозирующих моделей), а также вычислении динамики скорости коксообразования с использованием генетического алгоритма. Работа виртуального анализатора (ВА) моделируется вычислениями имитатора-тренажера, также сравниваются показания ВА и показания технологических параметров с датчиков (Рисунки 4.2 и 4.3).
Рисунок 4.2 ‒ Имитация работы виртуальных анализаторов и генетического алгоритма при резком увеличении скорости коксообразования
Рисунок 4.3 ‒ Имитация работы виртуальных анализаторов и генетического алгоритма при критической скорости коксообразования
Вывод формулы закоксованности змеевика. Эмпирически была выявлена зависимость для расчета уровня отложений в змеевиках трубчатых печей, которая представляет собой показательную функцию:
U=Y
(-Tтек)F-1
-1, (4.1)
где U– уровень закоксованности, в % от максимального значения;
Y– основание показательной функции, рассчитывается исходя из нормативного времени использования трубчатого змеевика;
F– функция приспособленности (фитнесс-функция);
Tтек– текущее время использование змеевика.
Основание показательной функции рассчитывается по формуле:
-1
T -1
Y=101
норм ,
(4.2)
где Т – нормативное время использования змеевика (время от прожига до прожига по регламенту).
Для получения коэффициентов функции приспособленности применен генетический алгоритм. В разработанной программе генетический алгоритм выполняет поиск решения нелинейных уравнений со многими неизвестными.
Функция приспособленности рассчитывается по формуле:
F=K2Т +K3Т +K Т2+K2 F +K υ2 +
3 3 3
Примером одной из поставленных задач является минимизация контроллером следующей квадратичной целевой функции для оптимизации выравнивания температур параллельных потоков сырья в змеевиках трубчатой нагревательной печи:
J = A2(T -T )2+B2(T -T )2+C2(T -T )2, (3.1)
i 1_i 1_it q 2_q 2_qt k 3_k 3_kt
i=1 q=1 k=1
где Ai,Bqи Ck– коэффициенты целевой функции (начальные значения на этапе пуска контроллера равны 1);
T1_it,T2_qt,T3_kt– целевые значения отклонений температур потоков сырья от их средних значений (начальные значения на этапе пуска контроллера равны 0).
Аналогичные эмпирические зависимости составляются для каждого виртуального анализатора.
Рисунок 3.1 – Схема системы управления с прогнозирующей моделью Системы автоматического управления, АПС и ПАЗ современных трубчатых
нагревательных
печей не учитывают процесс коксообразования, протекающий параллельно основному технологическому процессу, и влияющий как на эффективность основного технологического процесса, так и на пожарную и промышленную безопасность технологической установки, а АПС реагируют только на степень закоксовывания змеевика. В данной работе предлагается совершенствование систем автоматического управления, ПАЗ и АПС трубчатых нагревательных печей путем мониторинга одного из параметров коксообразования
-
скорости коксообразования с использованием возможностей АРСS-систем.
Очевидно, что при определенных сочетаниях параметров, влияющих на коксообразование, скорость коксообразования будет выше, чем при других
сочетаниях. При этом, даже если все параметры находятся в пределах нормы технологического режима, их возможные сочетания могут провоцировать значительное увеличение скорости коксообразования. Таким образом, определенные сочетания значений параметров являются нерациональными с точки зрения динамики коксообразования и являются причиной более быстрого закоксовывания змеевика, уменьшения сроков рабочего и межремонтного пробегов печи, а также срока службы змеевика. Следует также учитывать, что более частые выжиги кокса являются причиной усугубления напряженно- деформированного состояния змеевика из-за более коротких циклов нагрузки.
- 1 2 3 4 5 6
Проектирование систем аварийно-предупредительной сигнализации и противоаварийной автоматической защиты
Системы АПС современных трубчатых нагревательных печей реагируют только на закоксовывание змеевика. В данной работе предлагается улучшение системы АПС путем мониторинга параметра коксообразования – скорости коксообразования.
На Рисунке 4.1 приведен график амплитуды механических напряжений, возникающих в змеевике. Имеет место накопление усталостных повреждений в змеевике от действия двух автономных факторов: термосилового воздействия рабочих параметров – давления и температуры (А), и от действия температуры подвижного фронта пламени в процессе выжига кокса (Б).
Очевидным является то, что более стабильная работа печи при увеличившемся рабочем пробеге является выгодной для предприятия как с точки зрения экономики, так и с точки зрения обеспечения пожарной и промышленной безопасности.
Скорость коксообразования предлагается вычислять с помощью виртуальных анализаторов качества с использованием параметров процесса коксообразования (фракционный состав продукта, температура, расход, скорость потока, давление, плотность продукта). Полученное значение скорости
коксообразования будет являться усредненной величиной ввиду того, что она не постоянна по длине змеевика. Резкое возрастание и достижение критической величины скорости коксообразования говорит о неоптимальном режиме работы трубчатой печи. Учитывая лавинообразный характер изменения закоксовывания от времени, можно спрогнозировать время предельного закоксовывания змеевиков трубчатой нагревательной печи и их прогар. Значение
скорости коксообразования используется системой «усовершенствованное управление и обеспечение безопасности (АРСS)» трубчатой печи для формирования управляющих воздействий на технологический процесс, направленных на снижение этого параметра. Резкий рост скорости коксообразования будет являться условием срабатывания системы АПС, сигнализирующей о потенциально опасном режиме работы трубчатой печи. Достижение некоторой критической величины скорости коксообразования в сочетании с достигнутым предельным уровнем закоксовывания змеевика воспринимаются системой ПАЗ как потенциально опасная ситуация и приведет к реализации функции остановки работы печи, предупреждая возникновение пожара или взрыва.
Рисунок 4.1 – Зависимость амплитуды условных напряжений в змеевике трубчатой печи от времени
Для решения задачи вычисления текущей скорости коксообразования предлагается использование виртуального анализатора, входящего в систему APCS. Его работа основывается на обработке избыточной информации и вычислении косвенных величин (на основе прогнозирующих моделей), а также вычислении динамики скорости коксообразования с использованием генетического алгоритма. Работа виртуального анализатора (ВА) моделируется вычислениями имитатора-тренажера, также сравниваются показания ВА и показания технологических параметров с датчиков (Рисунки 4.2 и 4.3).
Рисунок 4.2 ‒ Имитация работы виртуальных анализаторов и генетического алгоритма при резком увеличении скорости коксообразования
Рисунок 4.3 ‒ Имитация работы виртуальных анализаторов и генетического алгоритма при критической скорости коксообразования
Вывод формулы закоксованности змеевика. Эмпирически была выявлена зависимость для расчета уровня отложений в змеевиках трубчатых печей, которая представляет собой показательную функцию:
U=Y
(-Tтек)F-1
-1, (4.1)
где U– уровень закоксованности, в % от максимального значения;
Y– основание показательной функции, рассчитывается исходя из нормативного времени использования трубчатого змеевика;
F– функция приспособленности (фитнесс-функция);
Tтек– текущее время использование змеевика.
Основание показательной функции рассчитывается по формуле:
-1
T -1
Y=101
норм ,
(4.2)
где Т – нормативное время использования змеевика (время от прожига до прожига по регламенту).
Для получения коэффициентов функции приспособленности применен генетический алгоритм. В разработанной программе генетический алгоритм выполняет поиск решения нелинейных уравнений со многими неизвестными.
Функция приспособленности рассчитывается по формуле:
F=K2Т +K3Т +K Т2+K2 F +K υ2 +