ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЕ ПРЕДАВАРИЙНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В ПЕЧАХ

АННОТАЦИЯ

Рассмотрено решение задачи автоматического управления технологическим процессом горения топлива в режиме предаварийной ситуации и осуществлена функциональная декомпозиция энерго- и ресурсосберегающей взаимосвязанной системы автоматического регулирования процесса горения топлива в газосжигающих печах.

ABSTRACT

The solution to the problem of automatic control of the technological process of fuel combustion in a pre-emergency situation is considered and a functional decomposition of an energy- and resource-saving interconnected system for automatic control of the fuel combustion process in gas-burning furnaces is carried out.

Ключевые слова: система автоматического регулирования, управление процессом горения, энергосбережение, газосжигающие печи.

Keywords: automatic control system, combustion process control, energy saving, gas combustion furnaces.

Использование аппарата нечетких множеств позволяет решать широкий круг задач автоматизации технологических процессов. К таковым можно отнести распознавание предаварийных ситуаций [1, 2, 3, 4]. Термин этот означает ситуацию, которая характеризуется отклонением о номинального режима работы и при неблагоприятных условиях может привести к аварии.

Одна из основных задач управления в режиме противоаварийной ситуации заключается в недопущении возникновения аварийной обстановки и выводе процесса на номинальный режим. Способ решения этой задачи определяется характером вызвавший противоаварийную ситуацию причины, которая принадлежит к одной из основных групп.

К первой относятся текущие возмущения, воздействующие на объект, ко второй – физический износ или повреждение технологического оборудования.

Обе причины создают реальную угрозу возникновения аварийной ситуации на объекте. Третья группа включает в себя причины, связанные с выходом из группы информационных подсистем АСУТП. В общем случае причина этой группы не приводит к созданию аварийной ситуации, а лишь создает ее образ.

Стратегии управления для каждой группы различны, поэтому для успешного осуществления действий по выводу системы из аварийной ситуации необходимо определить тип причины, ее вызвавшей. Идентификация причины может производиться с использованием аппарата теории нечетких множеств [5, 6, 7].

Для вывода технологического аппарата из предаварийной ситуации, вызванной причинами первой группы, достаточно сформулировать соответствующие управляющие воздействия. Предаварийная ситуация, возникшая из-за причин второй группы, предполагает немедленную остановку поврежденного технологического оборудования и перевод процесса на резервное состояние. Идентификация причин третьей группы возможна только при получении противоречивых данных по двум и более информационным каналам. Такая ситуация не обязательно связана с выходом процесса на критический режим. Ее возникновение означает, что повреждена информационная система АСУТП.  Поэтому система управления должна сформулировать список соответствующего технологического оборудования для последующей диагностики и замены.

Использование рассматриваемой методики позволяет существенно повысить безопасность функционирования технологического оборудования и сократить экономические потери от возможных аварий.

При разработке системы предаварийной защиты исследуемой печи целесообразно использовать метод декомпозиции общей задачи управления на ряд функционально самостоятельных подзадач, решаемых отдельными локальными подсистемами, с последующим их взаимным согласованием. Подсистема управления непрерывными процессами обеспечивает стабилизацию технологических параметров и предназначена для работы в условиях нормального функционирования и при воздействиях случайных факторов.

Подсистема управления дискретными процессами логического типа обеспечивает управление объектом в режиме пуска, текущего порогового контроля параметров процесса, аварийного отключения. Системы защитной автоматизации не могут исключить полностью появление аварий. Поэтому  злободневна задача создания подсистемы прогнозирования предаварийных ситуаций. Для раннего обнаружения предаварийных ситуаций важно установить те признаки, которые проявляются в момент формирования предаварийных ситуаций [8, 9].

В результате анализа функционирования печи и технологического регламента ее работы, возможных комбинаций отказов, симптомов неисправного состояния выявляются признаки, которые могут быть использованы для обнаружения развивающихся предаварийных ситуаций: резкое повышение или понижение температуры газосырьевой смеси на выходе из печи, неравномерный нагрев смеси в потоках, изменение формы и цвета факела, низкая температура дымовых газов и т.д. К основным причинам, которые могут привести к возникновению и развитию предаварийных и аварийных ситуаций, относятся: уменьшение подачи сырья, циркуляционного газа, топливного газа, воздуха; неравномерная работа горелок; отложение кокса; прогар одной из труб; разрыв трубопроводов и др.

Изменения признаков предаварийных ситуаций прежде всего должны быть обнаружены, а затем путем логического анализа с использованием специальных нечетких алгоритмов отнесены к конкретному виду аварии. При  этом получаются функции в виде конъюнкций, инициирующих событий, и различных инициирующих условий, обеспечивающих выполнение заданных логических соотношений между совокупностью значений входных и выходных параметров.

Алгоритмы функционирования логических устройств составляются для каждой из распознаваемых ситуаций по ее функционально-символической модели, содержащей высказывания импликативного типа. Система работает в непрерывном режиме и взаимодействует с динамическим объектом. Если один из параметров процесса выходит за допустимые пределы, то осуществляется переход к выполнению алгоритма диагностирования, устанавливающего причину неисправности и вырабатывающего соответствующие корректирующие управляющие воздействия. Для исключения ложных сигналов при кратковременных динамических колебаниях параметров в алгоритмы диагностики вводятся временные задерживающие интервалы. Рассматриваемая система является двухуровневой и состоит из персонального компьютера верхнего уровня и распределенной информационно-управляющей сети микроконтроллеров.

В большинстве газосжигающих печей осуществляется факельный способ сжигания топлива. Косвенным показателем устойчивости факела в топочной камере является постоянство разряжения в топке и смесителе.

В целом автоматическое управление процессом горения сводится к поддержанию в диапазоне заданных значений следующих величин:

- тепловой нагрузки Qт, характеризующей тепловые и энергетические балансы в подогревателе-смесителе;

- экономичности процесса горения, то-есть избытка воздуха в топке, а также газовом тракте, определяемого содержанием О₂, (%), характеризующего материальный баланс;

- разрежения в топке, характеризующего движущую силу то-есть скорость протекания процесса сжигания и смешения.

Разрежение в топке осуществляется за счет предусмотренной дымовой трубы. Система оптимального управления процессом горения может быть представлена в виде двух локальных систем автоматического регулирования расхода топлива и расхода общего воздуха с учетом стехиометрического соотношения (практически на один кубометров газа должно приходиться десять кубометров воздуха и таким образом получается примерно десять кубометров топочного газа).

Системы регулирования расхода топлива и расхода воздуха обеспечивают экономичность и эффективность процесса горения. Их особенность состоит в том, что они, будучи составными частями узла горения, не имеют прямой взаимосвязи между собой. Параметры, контролируемые этими системами автоматического регулирования, связаны между собой через объект регулирования и косвенно влияют друг на друга. Они же характеризуют возможные нарушения материальных, тепловых и энергетических балансов.

Анализ работы систем управления можно осуществить просто, надежно и с высокой точностью за счет структурных представлений или структурного описания каналов регулирования и определения их влияния друг на друга. Для этого выделим в системе регулирования детерминированные звенья, то-есть осуществим декомпозицию системы по типовым звеньям или простым преобразователям [10].

Первая система автоматического регулирования температуры (рис.1) относится к простой одноконтурной стабилизирующей системе с односторонним воздействием, в которой температура является первой главной (выходной) регулируемой величиной объекта. Простая система регулирования образуется регулируемым участком РУч2, датчиком Д3, регулирующим устройством РУ1, задатчиком З1 и исполнительным устройством ИУ1. При этом расход топлива F1 регулируется регулятором Р1 по температуре Т1 выходящих из топки дымовых газов.

Рисунок 1. Система управления процессом горения

Вторая система регулирования является разновидностью систем каскадно- связанного регулирования, в которых функции вспомогательных регуляторов выполняют регуляторы соотношения. Эта система относится к следящей системе с автоматической коррекцией соотношения расходов F1, F2 образующейся регулируемыми участками РУч1 и РУч2, датчиками Д1, Д2 и Д4, регулируемых величин расхода топливного газа F1, расхода воздуха F2 и концентрации кислорода в дымовых газах, О2, регулятором соотношения РС, корректирующим регулятором КР, вычислительными устройствами ВУ1 и ВУ2, задатчиками З2 и З3, переключателем П и исполнительным устройством ИУ2.

В рассматриваемой САР в задачу ВУ1 входит преобразование сигнала задающей величины таким образом, чтобы его изменения в процессе функционирования САР соответствовали пропорциональному изменению регулируемой величины, то-есть расходу воздуха F2 во всем диапазоне изменения расхода воздуха F2 и расхода топливного газа F1.

С учетом того, что сигнал расхода топочного газа корректируется по сигналу концентрации кислорода в составе дымовых газов, ВУ1 должно выполнять также вычислительную операцию, сводящуюся чаще всего к умножению сигнала расхода топочного газа на сигнал регулирующего воздействия корректирующего регулятора КР [11].

Иногда при небольших изменениях расхода топочного газа корректировка сигнала расхода топочного газа по сигналу концентрации кислорода в составе топочных газов сводится к суммированию сигналов расхода топочного газа с регулирующим воздействием корректирующего регулятора КР.

Список литературы:

1. Юсупбеков Н.Р., Гулямов Ш.М., Банденок Е.Ю., Ешматова Б.И. Разработка системы метрологического контроля для электрохимических газоанализаторов. Межвуз. сб. науч. тр. «Актуальные вопросы в области технических и фундаментальных наук», вып. 1, Ташкент, 2000 г. –с. 57.
2. Проталинский О.М. Использование нечетких множеств для распознавания предаварийных ситуаций // Вестник ТГТУ, т.6., Тамбов, 2000.
3. Нейдорф Р.А, Соловей Н.С. Теория автоматического управления в технических системах / МИБИ, Ухта, 2014-432с.
4. Филоненко А.В. Оптимизация вычислительных процедур в задачах распознавания образов. // Вестник ТГТУ, т.6, № 1, Тамбов, 2002.
5. Соломина В. К. Алгоритмы адаптивного управления распределенными объектами: Обжигом извести и клинкера во вращающихся печах, плавкой стали в дуговых сталеплавильных печах: автореферат дис. ... кандидата технических наук: 05.13.06 / Красноярский гос. техн. ун-т. - Красноярск, 2001. – 21 с.
6. Бажин В.Ю., Титов О.В. Интеллектуальная система контроля температурного режима коксовой печи / ISSN 0041-5790 (Print) ISSN 2412-8333 (Online) Ugol – Russian Coal Journal, 2016, № 12, pp. 50-53 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-2-50-53.
7. Шариков Ю.В. Системы управления с использованием математических моделей технологических объектов в контуре управления / Ю.В. Шариков, Ф.Ю. Шариков // Math designer, 2016. – №1. – С. 4-8.
8. Каяшев А.И., Муравьева Е.А., Габитов Р.Ф. Scada-система на основе многомерного четкого логического регулятора для управления цементной печью / Управление, вычислительная техника и информатика / Т. 14, № 4 (39). С. 119–125
9. Искусственный интеллект и интеллектуальные системы управления / И.М. Макаров, В.М. Лохин, С.В. Манько, М.П. Романов - М. Наука, 2006. – 333 с.
10. Парсункин Б.Н. Оптимальное энергосберегающее управление сжиганием топлива в промышленных печах / Б.Н. Парсункин, С.М. Андреев, Т.У. Ахметов, А.Р. Бондарева // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. – 2013. – №1. – С. 22-27.
11. Структура трехуровневой АСУТП доменной печи с использованием логико-количественной экспертной системы: Учебное пособие / В.Г. Лисиснко, Е.Л. Суханов. В.А. Морозова, Ю.Н. Овчинников - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2003. - 82 с.