Автоматизация управления технологическим комплексом механического обезвоживания осадков сточных вод

На протяжении всего существования систем очистки городских и производственных сточных вод проблема обработки и утилизации осадков является исключительно актуальной. При этом жилищно коммунальная и социально-экологическая стороны проблемы во многих случаях удачно совмещаются с чисто экономической, поскольку огромное количество безвозвратно теряемых осадков, при их оптимальной обработке и последующем использовании, может значительно пополнить сырьевые и энергетические ресурсы страны Выполняя указания законодательных органов о необходимости усиления охраны окружающей среды, директивные ведомства постановили интенсифицировать работы по изучению, проектированию и строительству высокоэффективных очистных сооружений и цехов. Возросшие в связи с этим требования к качеству эксплуатации систем механического обезвоживания осадков выдвинули необходимость существенного расширения круга задач, решаемых с позиций оптимального проектирования и управления, инженерной кибернетики и достижений вычислительной техники. Однако, создание таких современных технологических систем является трудным и дорогостоящим мероприятием, осуществление которого связано с решением сложных, и, главное, во многом специфичных научно-технических задач. Основная трудность при этом связана не только с разработкой новых технологических схем и соответствующего оборудования, но и с необходимостью снижения единовременных и текущих затрат на действующих объектах и получении «побочных» продуктов в виде, пригодном для дальнейшего использования в строительстве и сельском хозяйстве.

Среди известных многочисленных процессов обезвоживания осадков сточных вод особое место занимают фильтрование и цен-трифугированме, которые уже многие годы широко используются на очистных сооружениях России и многих других промышленно развитых стран. Одной из причин, препятствующих достижению их более высокой эффективности, является сложность управления связанная с значительными колебаниями количественных и качественных характеристик обрабатываемых осадков, сложностью кинетики процессов и необходимостью поиска оптимальных условий работы оборудования.

В связи с этим разработка систем автоматического управления процессами механического обезвоживания, учитывающих специфику фильтрования и центрифугирования и ориентированных на современные вычислительные управляющие средства, определяет актуальность избранной темы диссертации.

Работа выполнялась в соответствии с индивидуальным планом очного аспиранта кафедры Автоматизации инженерно-строительных технологий МГСУ в рамках межвузовской научно-технической программы «Строительство» (научное направление 7 — Совершенствование систем водо-, тепло-, газои энергоснабжения населенных пунктов, зданий и сооруженийтема: Системный анализ и автоматическая оптимизация природоохранных технологических комплексов очистки сточных вод, технологических и вентиляционных выбросов).

Основной целью работы являлось теоретическое и экспериментальное изучение технологических комплексов механического обезвоживания осадков как объектов автоматизации и, на основе этого, разработка методологии, алгоритмов и систем оперативного управления. Для достижения этой цели:

• проведен анализ аппаратурно-технологических и технико-экономических особенностей процессов фильтрования и центрифугирования осадков в машинах и аппаратах непрерывного и периодического действия;

• изучены программные, параметрические и адаптивные системы I автоматического управления, в том числе с применением современных микропроцессорных контроллеров;

• выявлены недостатки существующих способов и устройств управления рассматриваемыми объектамидана их характеристика как объектов оперативной оптимизации и сформулирована задача исследований;

• выполнен анализ изменения основных затрат на обработку осадков и научно обоснованы области применения автономного и диспетчерского режимов управления;

• разработана методика выявления связи критериев стабилизирующего регулирования с величиной сводного экономического показателя эффективности и сформулирован новый критерий качества управления;

• разработаны и исследованы структуры систем управления как отдельными технологическими участками, так и цехом механического обезвоживания осадков в целом.

В перечисленных исследованиях и разработках использованы методы системного анализа и общей теории систем, методы линейного синтеза систем управления, нелинейного программирования и оперативной оптимизации технологических объектов, работающих в нестационарных условиях под воздействием случайных возмущений.

В качестве объекта исследования рассматривались природоохранные технологические комплексы обезвоживания осадков городских и производственных сточных, включая аппаратурное оформление, режимы работы, контроль и управление качеством эксплуатации, а предметом исследования были закономерности экономической эффективности управления технологией и оборудованием процессов и разработка на их основе систем оптимального автоматического управления.

Научной новизной обладают следующие основные результаты теоретических и экспериментальных исследований:

• стратегия управления, позволяющая значительную часть времени управлять участками технологического комплекса независимо друг от друга и допускающая отдельное рассмотрение алгоритмического обеспечения автономного и диспетчерского режимов;

• уравнение связи между критерием экономической эффективности процесса (функцией «ущерба») и привычным интегральным квадратичным критерием качества автоматического регулирования;

• экономический критерий качества управления, условно характеризующий переменную часть «технологической» себестоимости обработки осадков и представляющий отношение количества затраченных реагентов и энергии к количеству обезвоженных осадков;

• методика определения эффективности систем управления по экономическому критерию качества, включая автоматическую стабилизацию нескольких взаимосвязанных величин и учитывающую характер возмущений при оценке качества стабилизации;

• способы автоматического и автоматизированного «управления отдельными участками и цехом обезвоживания в целом, с учетом связи последнего с отделением термической сушки осадков и утилизации побочного продукта обработки.

Значимость приведенных выше результатов исследований рассматриваемого класса технологических систем состоит в том, что они являются теоретической базой для научно-обоснованного выбоI ра режимов и способов управления, структуры и технических средств автоматизации как на стадии проектирования новых, так и модернизации действующих объектов обезвоживания осадков. Предварительные ориентировочные расчеты показывают, что при использования полученных результатов, за счет снижения расходов реагентов и энергии при заданном качестве обработки осадков, в зависимости: от производственной мощности очистных сооружений, возможно снижение себестоимости единицы обрабатываемых потоков от 5 до 7%.

На основе полученных практических расчетов для АОЗТ Научно-производственный Центр «Энерготех» (бывшее ПКБ «Внедрение» Минтопэнерго РФ) подготовлены рекомендации по выбору способов управления и технических средств автоматизации систем механического обезвоживания осадков озонированной очистки выбросов. Зти же результаты используются в учебном процессе при подготовке в МГСУ инженеров по специальностям: 21.02 — Автоматизация технологических процессов и производств в строительстве, 29.08 — Водоснабжение, водоотведение, рациональное использование и охрана водных ресурсов, 29.13 — Механизация и автоматизация строительства.

На основании результа ¦ об исследовании и практических разработок на защиту выносятся следующие основные положения.

1. Работа системы управления технологическим комплексом обезвоживания осадков должна быть расчленена на два взаимообусловленных режима: стабилизации состава промежуточных потоков (автономный режим управления) и оперативной оптимизации комплекса (диспетчерский режим управления) на выходе отдельных технологических участков на оптимальном уровне в рамках наложенных ограничений взаимосвязанных участков, в результате которой i должно вырабатываться новое задание на стабилизацию параметров.

2. Большую часть времени система управления комплексом должна стабилизировать параметры на выходе отдельных технологических участков на оптимальном уровне в рамках ограничений, обусловленных требуемыми производительностью и качеством получаемого полупродукта. В тех случаях, когда изменяющаяся во времени производительность аппаратов и технологических участков комплекса исключает возможность удовлетворить наложенным ограничениям, необходимо изменение заданий на стабилизацию параметров.

3. Отмеченная в п.п. 1 и 2 стратегия управления позволяет значительную часть времени управлять отдельными участками технологического комплекса независимо друг от друга (в автономном режиме). Поскольку целью такого автономного управления является стабилизация качества полупродукта на выходе участка, алгоритмы и системы управления в этом режиме с учетом динамики управляемых процессов можно синтезировать методами теории автоматического управления, используя упрощенные математические модели управляемых участков. Здесь, правда, существенное значение приобретает установление связи критериев качества стабилизации с величиной переменной части себестоимости обезвоживания осадков.

4. Вариационный подход к математическому описанию связи между переменной частью себестоимости, динамическими свойствами объекта управления и возмущающими воздействиями позволяет получить экономически обоснованный критерий качества управления в локальных системах и сформулировать достаточно простые оценки этого критерия, применимые как для синтеза структуры, так и для расчета экономической эффективности системы управления.

5. В те периоды, когда по указанным в п. 2 причинам необходимо изменять стабилизируемый режим, для формирования управляющих воздействий следует учитывать технологическое состояние всего комплекса последовательно соединенных участков. Система при этом должна быть переведена в другой (диспетчерский) режим управления, т. е. в режим оперативной оптимизации комплекса взаимосвязанных участков, в результате чего должно быть выработано новое задание на стабилизацию качества полупродуктов.

6. Автономный режим стабилизации исключает известные трудности оперативной оптимизации, поскольку в этом режиме необходимо лишь определить оптимальные значения параметров полупродуктов (это можно осуществить методами статической оптимизации, т.к. в автономном режиме производные от этих параметров по времени малы) и наискорейшим образом вывести систему на новый оптимальный режим. Разработанная стратегия позволяет отдельно рассматривать алгоритмическое обеспечение автономного и диспетчерского режимов управления.

Результаты исследований отражены в 9 публикациях автора, докладывались и обсуждались на 5-й и 6-й научных конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов МГСУ «Строительство-Формирование среды жизнедеятельности» (г.Москва, 2002 и 2003 г. г.), международной научно-технической конференции «Интерстрой-мех-2003» (г.Волгоград, 2003 г.), заседаниях Ученого Совета факультета «Механизация и автоматизация строительства» и научных се* минарах кафедры Автоматизации инженерно-строительных технологий МГСУ.

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. На основе вариационного подхода к математическому описанию связи между издержками обработки осадков, динамическими свойствами объекта управления и возмущающими факторами сформулирован экономически обоснованный критерий качества управления в локальных системах и разработаны достаточно простые оценки этого критерия, применимые как для синтеза структуры, так и для расчета экономической эффективности системы управления процессами обезвоживания.

2. Установлено, что если процесс обезвоживания ограничен скоростью фильтрования (или центрифугирования) и может быть достигнут технологический режим, при котором удельные затраты реагентов и энергии на единицу обрабатываемых осадков минимальны, то экономически оптимальной следует считать систему управления, обеспечивающую под действием реальных возмущений минимум среднего квадратичного отклонения управляемого параметра от оптимального значения.

3. Доказано, что в случае, когда оптимальное значение управляемого параметра окажется недостижимым из-за технологических или аппаратурных ограничений экономически оптимальная система управления должна обеспечивать минимум максимального отклонения параметра от заданного значения.

4. Показано, что разработанные экономические критерии качества управления могут быть использованы при синтезе систем автоматического управления как для действующих объектов обезвоживания, так и для новых технологических процессов обработки осадков, не имеющих промышленных прототипов. В последнем случае для оценки эффективности системы при самых неблагоприятных возмущениях достаточно знать лишь ее динамические параметры и максимальную величину модуля возможных возмущений.

5. Предложена новая стратегия оперативного управления технологическим комплексом — участком механического обезвоживания осадков, при практической реализации которой необходимо различать автономный и диспетчерский режимы работы системы. В первом из них управление отдельными машинами и аппаратами можно осуществлять независимо друг от друга, во втором — должно вырабатываться новое задание для стабилизирующих подсистем.

6. Изучение данных эксплуатации цеха механического обезвоживания и термической сушки осадков позволило установить, что значительным колебаниям подвержены как часовые, так и сменные и суточные значения основных параметров промежуточных и целевых продуктов цеха. По характеру полученной кривой регрессии производительности участка сушки в зависимости от количества механически обезвоженного осадка (близости ее к линейной) и величине среднего коэффициента корреляции определено влияние на производительность цеха не только переменного состава осадков и несовершенства режимов группового управления, но и низкой надежности оборудования. I.

7. По результатам обработки и анализа данных по колебаниям производительности, интенсивности отказов и вычисленным коэф1 фициентам простоя оборудования выявлена необходимость и возможность прогнозирования и оперативного устранения случайных нарушений технологического режима и работоспособности оборудования. Для реализации этих мероприятий предложены технологическое и организационное направления совершенствования режима управления цехом.

8. Показано, что технологическое направление должно быть связано с повышением эффективности работы руководителей смен и цеха по управлению процессами обезвоживанием на отдельных участках и цеха в целом, а организационное направление — с упорядочением деятельности всего персонала цеха для обеспечения заданной производственной надежности. С учетом этих выявленных особенностей предложена новая организационная структура цеха и разработана структура задач и соподчиненности сменных диспетчера и технолога, на основе которых сформулированы основные функции АСУ цеха.

9. Научные и практические результаты диссертации рекомендованы заинтересованным фирмам и организациям для проектировании новых и модернизации действующих систем управления технологическими комплексами механического обезвоживания осадков, они используются также в учебном процессе при подготовке в МГСУ инженеров по автоматизации строительства и городского хозяйства, доложены на научных конференциях, опубликованы в периодической печати и сборниках научных статей [102 — 111].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической задачи инженерно-строительной экологии — повышению эффективности проектирования и эксплуатации технологических систем механического обезвоживания осадков городских и производственных сточных вод.

Конкретная цель выполненных исследований состояла в теоретическом и экспериментальном изучении процессов обезвоживания как объектов оперативного управления, разработке критериев, алгоритмов и систем управления участками и цехами обработки осадков.