Структурное моделирование и автоматическое управление температурой абсорбента в теплообменном аппарате установки комплексной подготовки газа

Диссертация посвящена структурному моделированию и разработке систем автоматического управления противоточным теплообменным аппаратом установки комплексной подготовки газа с использованием структурной теории распределенных систем.

Актуальность работы.

Современные технологии предъявляют высокие требования к наделености и экономичности режимов работы скважин и установок подготовки газа, обусловленные непрерывным характером его добычи и потребления, территориальной разобщённостью объектов и необходимостью сокращения обслуживающего персонала. Среди различных методов подготовки газа к транспорту наиболее широкое распространение в России получил метод абсорбционной осушки, при котором абсорбент циркулирует по замкнутому контуру «абсорбер — теплообменный аппаратрегенерирующая установка — теплообменный аппарат — абсорбер» .

Повышение эффективности технологического процесса осуществляется за счёт ужесточения требований к концентрации абсорбента и снижения энергетических потерь в процессе его регенерации. Одним из основных способов повышения качества процесса регенерации является поддержание постоянной температуры на входе регенерирующей установки путём построения специализированных систем автоматического управления теплообменным аппаратом. В связи с. этим значительный интерес представляют вопросы построения проблемно-ориентированных на задачи управления математических моделей поведения температуры на выходе теплообменного аппарата с учётом возмущений, обусловленных температурными колебаниями нагреваемого и греющего потоков и изменениями их скоростей на входах теплообменника.

Адекватные реальным объектам модели объекта управления могут быть построены только с учётом пространственной распределенности греющего и нагреваемого потоков при математическом описании тепловых процессов, протекающих в теплообменном аппарате. В свою очередь, задачи синтеза и оптимизации соответствующих систем автоматического управления приводят к необходимости решения вопросов идентификации параметров модели теплообменного аппарата, что, с учётом практической невозможности измерения температурного распределения потоков внутри теплообменного аппарата, является нетривиальной задачей.

Недостаточная степень разработки проблемы математического моделирования тепловых процессов, протекающих в теплообменных аппаратах, отсутствие приемлемых по точности аналитических моделей зависимостей температуры на выходе аппарата от разного рода возмущений, открытые вопросы моделирования динамического поведения теплообменных аппаратов как объектов управления и структурно-параметрического синтеза систем автоматизации обусловливают актуальность темы диссертационной работы.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка, теоретическое обоснование и исследование методов построения системы автоматического управления температурой абсорбента в противоточном теплообменном аппарате на примере теплообменного аппарата установки комплексной подготовки газа.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:

1. Разработка аналитических моделей и структурного представления температурного поля в противоточном теплообменном аппарате как объекта автоматического управления методами структурной теории распределенных систем.

2. Параметрическая идентификация модели противоточного теплообменного аппарата по результатам пассивного эксперимента.

3. Компьютерное моделирование и исследование динамики системы управления температурным полем противоточного теплообменного аппарата в пакете компьютерного моделирования сосредоточенных динамических систем.

4. Структурно-параметрический синтез и промышленное внедрение системы автоматического управления температурой абсорбента в теплообменном аппарате установки комплексной подготовки газа.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теории теплопроводности, аппарата преобразований Лапласа, методы теории автоматического управления, структурной теории распределенных систем, методы идентификации, методы численного моделирования объектов автоматического управления.

Научная новизна.

В диссертационной работе получены следующие основные новые научные результаты:

1. Методами структурной теории распределенных систем разработаны математическая модель и структурное представление противоточного теплообменника как объекта автоматического управления в условиях постоянства скоростей потоков внутри теплообменного аппарата, отличающиеся использованием передаточных функций типовых распределенных блоков, с требуемой точностью характеризующих пространственную распределенность управляемых величин.

2. Предложен способ перехода от взаимосвязанной системы уравнений, моделирующих процессы теплообмена в противоточном теплообменном аппарате, к двум независимым дифференциальным уравнениям отдельно для греющего и нагреваемого потоков путем линеаризации распределения теплоисточников, рассчитываемого по наблюдаемым переменным на входах и выходах аппарата.

3. Разработана совокупность новых линеаризованных моделей процессов теплообмена в противоточном теплообменном аппарате установки комплексной подготовки газа, ориентированных, в отличие от известных, на решение задач управления температурным полем движущихся с переменной скоростью теплоносителей.

4. Предложены методики параметрической идентификации модели объекта и параметрического синтеза системы управления теплообменным аппаратом в пакетах компьютерного моделирования.

Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследовании определяется следующими результатами:

1. Разработано математическое, алгоритмическое, программное обеспечение и инженерная методика структурно-параметрического синтеза систем автоматического управления противоточным теплообменным аппаратом установки комплексной подготовки газа.

2. Разработана методика применения пакета компьютерного моделирования динамических систем для решения задач параметрической идентификации модели объекта управления и синтеза системы автоматического управления, оптимального по выбранному критерию эффективности.

3. Методом компьютерного моделирования обоснована эффективность предложенной структуры системы автоматического управления.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в проектных разработках и при промышленном внедрении перспективных систем управления технологическими процессами в ООО Научно-Внедренческая Фирма «СМС» (г. Новокуйбышевск). Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: Тринадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2007) — Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара 2007, 2008) — XIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 в журналах из перечня, рекомендованного ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 110 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 81 наименования и 2 приложения.

Выводы по пятой главе.

Синтезирована численная модель системы управления, обеспечивающая приемлемые результаты управления противоточным теплообменным аппаратом.

Проведена параметрическая оптимизация ПИ-регулятора системы управления температурным полем теплообменника. Выполнен параметрический синтез системы управления с компенсирующими звеньями.

Разработанная система управления внедрена со значительным технико-экономическим эффектом на промышленной установке комплексной подготовки газа.

Заключение

.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Рассмотрены различные способы технологий осушки газа в России, установлено, что на данный момент наиболее распространенным способом является абсорбционная осушка газа.

2. Исследование работ по управлению темплообменными аппаратами показало, что управление теплообменными аппаратами и в настоящее время является сложной задачей, которая требует для своего решения привлечение аппарата структурной теории распределенных систем.

3. Методами структурной теории распределенных систем разработана структурная схема противоточного теплообменного аппарата как объекта автоматического управления.

4. Выполнено преобразование структурной схемы, обеспечившее нахождение передаточных функций независимо по каждому из каналов (вход-выход).

5. Путем решения интегральных уравнений Фредгольма второго рода найдены точные выражения для передаточных функций, описывающих противоточный теплообменный аппарат.

6. Обоснована необходимость применения линеаризованных моделей противоточного теплообменного аппарата для исследования и анализа свойств и динамических характеристик объекта управления.

7. Предложен способ перехода от системы дифференциальных уравнений первого порядка в частных производных к двум независимым дифференциальным уравнениям в частных производным, связанным по линеаризованному распределению теплоисточников, рассчитываемому по температуре входа и выхода встречного потока.

8. Получено структурное представление и передаточные функции, описывающие влияние входных температур противоточного теплообменника, распределения источников тепла и изменения скорости потока на выходные температуры греющего и нагреваемого агентов.

9. По конструктивным параметрам теплообменного аппарата определены начальные значения параметров подлежащих идентификации;

10. Разработана компьютерная модель для проведения процедуры параметрической идентификации, минимизирующей интегральную величину суммы абсолютных отклонений выходов модели от экспериментальных данных. Проведена процедура идентификации по результатам обработки архивных параметров системы мониторинга работы теплообменного аппарата.

11. Синтезирована численная модель системы управления, обеспечивающая приемлемые результаты управления противоточным теплообменным аппаратом.

12. Проведена параметрическая оптимизация ПИ-регулятора системы управления температурным полем теплообменника.

13. Выполнен параметрический синтез системы управления с компенсирующими звеньями.

14. Разработанная система управления внедрена со значительным технико-экономическим эффектом на промышленной установке комплексной подготовки газа.