Ваулина О.С., Щипицын А.Г. Комплекс для утилизации производственных отходов: математические модели и алгоритмы синтеза системы управления

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

681.5(07)

В218

О.С. Ваулина, А. Г. Щипицын

КОМПЛЕКС ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОТХОДОВ

Математические модели и алгоритмы синтеза

системы управления

Учебное пособие

Челябинск

Издательство ЮУрГУ

2004

УДК 681.5(075.8) + 502.56(075.8) + 628.4(075.8) + 628.5(075.8)

Ваулина О.С., Щипицын А.Г. Комплекс для утилизации производственных

отходов: математические модели и алгоритмы синтеза системы управления:

Учебное пособие. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. – 105 с.

Учебное пособие посвящено вопросам математического моделирования и

синтеза систем управления объектами, в которых протекают теплофизические

процессы. В пособие излагается методика моделирования систем с запаздыванием

и методика исследования устойчивости на основе частотных методов и построе-

ния переходных процессов. Предложен алгоритм синтеза системы управления ус-

тановкой для обезвреживания жидких промышленных отходов. Исследование ус-

тойчивости и математическое моделирование проводилось на базе системы моде-

лирования Vissible Simulation (VisSim) и пакета программы MathCad.

Пособие предназначено для студентов специальностей 22020062 – «Автома-

тизация и управление», 22010062 – «Системный анализ и управление» и маги-

стерских специальностей – 22020068 и 22010068, а также может быть полезно

студентам других специальностей, изучающим курс теории управления.

Ил. 57, табл. 4, список лит. – 62 назв.

Одобрено учебно-методической комиссией приборостроительного факуль-

тета.

Рецензенты:

профессор кафедры №25 Челябинского военного авиационного института

штурманов, к.т.н., доцент, полковник М.И. Хаютин;

зав. кафедрой Общей физики Челябинского государственного университета

к.ф.-м.н., доцент А.Л. Карташев.

 Издательство ЮУрГУ, 2004.

Оглавление

Условные обозначения………………………………………………………..

Индексы………………………………………………………………………..

Введение………………………………………………………………………..

1. Описание процессов функционирования установки для утилизации

жидких производственных отходов

1.1. Основные понятия и определения……………………………………

1.2. Функциональная схема установки……………………………………

2. Математические модели процессов функционирования установки

2.1. Математическая модель газогенератора……………………………..

2.2. Математическая модель реактора…………………………………….

2.3. Математическая модель скруббера Вентури………………………...

3. Параметрический синтез установки по критерию устойчивости

рабочих процессов

3.1. Анализ методов исследования устойчивости………………………..

3.2. Исследование устойчивости газогенератора………………………...

3.3. Исследование устойчивости реактора………………………………..

3.4. Исследование устойчивости скруббера Вентури……………………

3.5. Построение переходных процессов для всей системы……………...

Выводы……………………………………………………………………...

4. Синтез системы управления установкой

4.1.Создание задающих программ для неавтономных каналов

установки……………………………………………………………..

4.2 . Техническая реализация задающих устройств…………………….

4.3 . Состав продуктов сгорания при различных температурах реактора

Выводы……………………………………………………………………...

Заключение…………………………………………………………………….

Библиографический список…………………………………………………..

100

102

Условные обозначения

)(q

λ – газодинамическая функция;

– массовый расход компонента;

τ – время запаздывания;

α – коэффициент избытка окислителя;

ρ – плотность;

Ω

– объем;

– коэффициенты потерь;

– плотность компонента;

– коэффициент, зависящий от геометрии трубопровода;

d – диаметр;

H – энтальпия;

– приведенная скорость рабочего тела;

k – показатель изоэнтропы;

– коэффициент массового стехиометрического соотношения компонентов;

L – длина;

– длина трубопровода;

P – давление;

– газовая постоянная продуктов сгорания;

– площадь проходного сечения трубопровода;

– температура продуктов сгорания;

∆ - изменение, перепад.

Индексы

v – вода;

в – воздух;

вод – вода;

вых – выход;

г – горючее (пропан-бутан);

кс – камера сгорания;

м – масло;

о – окислитель (воздух);

р – реактор;

скр – скруббер Вентури.

Введение

Для решения проблемы защиты окружающей среды требуется комплекс меро-

приятий, включающих разработку и внедрение наиболее современных методов

очистки, переработки и обезвреживания, неиспользуемых по техническим или

экономическим причинам жидких промышленных отходов. Разработка этих ме-

тодов, а также установок обезвреживания промышленных отходов, является

сложной задачей, для решения которой необходимо использовать знание многих

отраслей науки, в том числе тех, которые используются в ракетной технике – это,

например, гидрогазодинамика, термодинамика, теория автоматического регули-

рования [1, 15, 32] и т.д.

При утилизации промышленных отходов большое внимание уделяется рас-

смотрению возможности применения отдельных компонентов отходов для по-

вторного их использования или использования для других целей. Для этого слу-

жат установки регенерации промышленных отходов, в которых часть компонен-

тов выделяется для дальнейшего использования или переработки, а оставшаяся

часть, которая не подлежит дальнейшему применению, направляется на установ-

ки для обезвреживания отходов. Обезвреживание может производиться различ-

ными методами [6].

Основными требованиями, предъявляемыми установкам для обезвреживания

промышленных отходов, являются:

1) экологическая безопасность при эксплуатации (т.е. наименьшее количество

вредных для окружающей среды выбросов и отходов;

2) высокая эффективность обезвреживания (т.е. наибольшее отношение кон-

центрации вредных веществ на входе в установку к концентрации вредных

веществ на выходе установки);

3) простота и минимальная стоимость конструкции установки;

4) надежность установки и устойчивость процессов, протекающих при обез-

вреживании;

5) простота эксплуатации (при управлении работой, ремонте, контроле и тех-

ническом обслуживании);

6) минимальная масса и габариты установки;

7) возможность транспортировки установки (при малой ее производительно-

сти) для обеспечения обезвреживания отходов на различных предприятиях;

8) наиболее широкий диапазон видов обезвреживаемых отходов.

Исходя из вышеперечисленных требований, можно выбрать наиболее подходящий метод

обезвреживания отходов с заданным составом.

Для обезвреживания значительной группы жидких промышленных отходов с

большим набором и высокой концентрацией органических и минеральных ве-

ществ применяют термические методы. Они заключаются в тепловом воздействии

на отходы, при котором происходит окисление и газификация горючих компонен-

тов. Термическое разложение или восстановление некоторых вредных веществ с

образованием безвредных или менее вредных.

Наиболее эффективным, а часто и единственно возможным термическим ме-

тодом обезвреживания промышленных отходов является огневой метод. Сущ-

ность его заключается в окислении, термическом разложении и других химиче-

ских превращениях вредных компонентов, происходящих в высокотемператур-

ных продуктах сгорания топлива или отходов. Этот метод универсален и характе-

ризуется высокой санитарно-гигиенической эффективностью. Область примене-

ния огневого метода и объем отходов, подлежащих огневому обезвреживанию,

непрерывно расширяются. Объем отходов измеряется миллионами тонн в год,

значительную часть которых складируют на полигонах или просто сливают в ка-

нализацию, что приводит к загрязнению поверхностных и подземных вод, возду-

ха, почвы.

Для обезвреживания промышленных отходов, содержащих горючие компо-

ненты (в нашем случае это смесь индустриального масла и различных частиц) в

качестве установки для огневого обезвреживания можно использовать топку ко-

тельной установки. Однако при этом сложно рассчитать процессы, протекающие

в топке, и соответственно предсказать, какие вредные вещества будет выбрасы-

ваться в атмосферу, и оставаться в шлаке (при использовании угольной котель-

ной). При использовании газовой котельной задача осложняется тем, что при го-

рении газа не остается твердых отходов (шлака), и поэтому не предусмотрено их

удаление; из-за этого трудно представить, что будет оставаться в топке, и как это

будет влиять на основные процессы, протекающие в топке. К тому же, котельные

на некоторых предприятиях в летнее время не работают, и поэтому обезврежива-

ние отходов будет невозможно; эксплуатация же котельных только для обезвре-

живания отходов экономически невыгодна.

Вследствие вышеприведенных доводов можно сделать вывод, что для обез-

вреживания промышленных отходов целесообразно применять специально рас-

считанные и сконструированные установки.

Крупные комбинаты и заводы давно используют для обезвреживания своих

отходов высокопроизводительные установки. В настоящее время, в условиях

рынка, для небольших предприятий нецелесообразно использование крупных ус-

тановок. С другой стороны, ужесточились требования по экологической безопас-

ности производства: возросли штрафы за загрязнение окружающей среды. Одним

из решений проблемы является разработка мобильных малопроизводительных ус-

тановок для обезвреживания жидких промышленных отходов. Разработка и про-

изводство этих установок достаточно дешевы, так как процессы, происходящие

при обезвреживании жидких промышленных отходов, довольно подробно описа-

ны в литературе [6]; также имеются данные по возможным конструкциям и пара-

метрам этих установок, что облегчает разработку новых конструкций.

Ц е л ь р а б о т ы: Анализ рабочих процессов в установке для утилизации

жидких промышленных отходов и разработка автоматизированной системы

управления.

А к т у а л ь н о с т ь: Утилизация жидких промышленных отходов остается в

настоящее время актуальной экологической задачей. В настоящее время сущест-

вует большое количество установок предназначенных для обезвреживания боль-

ших объемов промышленных отходов. Для малых предприятий задача утилиза-

ции полностью нерешена. В данной работе решается задача утилизации жидких

промышленных отходов, получаемых в процессе штрипсовой резки кристаллов

кварца в ОАО завод «Кристалл» (г. Южноуральск). Разработана установка по

утилизации 0,5 м

отходов в сутки.

С у т ь п р о б л е м ы заключается в том, что необходимо провести матема-

тическое моделирование процессов протекающих в элементах установки, иссле-

дование на устойчивость основные элементы установки и разработать автомати-

зированную систему управления установкой.

Н а у ч н а я н о в и з н а состоит в том, что математические модели для тако-

го газогенератора, реактора, скруббера Вентури и каплеуловителя записаны впер-

вые. Для исследования на устойчивость элементов данной установки применяется

видоизмененный частотный метод, который ранее не применялся для реактора и

скруббера, а был опробован только на газогенераторе. Созданы задающие про-

граммы для неавтономных каналов установки с учетом переменности параметров

задающих массовых расходов и задающие программы для поддержания темпера-

туры в реакторе.

О б з о р л и т е р а т у р н ы х и с т о ч н и к о в: проведен обзор литератур-

ных источников с целью выяснения химического состава и физических свойств

индустриальных масел, а также изучения методик проведения исследования на

устойчивость.

Общие сведения о химических веществах отражены в источниках [47, 55]. В

данных источниках можно найти физические и химические свойства различных

веществ, их химический состав, молекулярное строение и другую подобную ин-

формацию. К сожалению, в данных источниках отсутствует информация о хими-

ческом составе индустриальных масел.

Источник [48] содержит информацию о физических свойствах индустриаль-

ных масел как отдельного класса соединений. Содержатся данные о содержании

углеводородов в процентах по массе для разных видов масел. Из класса индуст-

риальных масел данная информация есть только для масла индустриального 50.

Сведения о нефтепродуктах содержат литературные источники [19, 28, 29, 43,

44, 49, 57]. В них отражены физические и химические свойства, состав и строение

продуктов переработки нефти и нефтехимического синтеза, взаимосвязь с други-

ми органическими и неорганическими веществами, влияние различных добавок

на свойства и состав продуктов переработки нефти. Можно найти данные об об-

ластях применения нефтепродуктов. Данные источники содержат много полезной

информации для тех, кто занимается изучением свойств нефтей и продуктов ее

переработки.

Трибология – это наука, изучающая трение при участии различных смазочных

материалов. Справочные сведения о трибологии можно найти в монографиях [21,

46] В данных справочниках изложены сведения о характерных узлах трения, ра-

ботающих со смазочными материалами. Рассмотрены различные смазочные мате-

риалы и принципы их подбора с целью минимизации трения и изнашивания.

В источниках [18, 20, 23, 33, 36, 52, 53] приведены теоретические основы и

практические сведения по производству, показателям качества топлив, смазочных

материалов и охлаждающих жидкостей. Рассмотрены свойства масел и пластич-

ных смазочных материалов. Приведены свойства, характеристика и рекомендации

по применению бензина, дизельного топлива, смазочных масел и технических

жидкостей. Указаны группы и подгруппы индустриальных масел [53], согласно

которым можно определить назначение того или иного масла. Предоставлен ряд

сведений о зарубежных топливах и маслах, область их применения и соответствие

отечественным топливам и маслам.

При обзоре литературных источников были изучены издания ГОСТов на неф-

тепродукты. Индустриальным маслам соответствует ГОСТ 20799 – 88, нефтепро-

дукты, масла, смазки, присадки [12].

В источнике [8] рассмотрены индустриальные смазочные материалы и инду-

стриальные масла различного назначения. Даны рекомендации по их примене-

нию, а также краткие указания по хранению, транспортированию смазочных ма-

териалов и вопросам техники безопасности при работе с ними.

В сборник научных трудов [54] включены статьи, посвященные разработке

технологии получения индустриальных масел, методов исследования и испытания

свойств минеральных и синтетических масел и присадок к ним, указаны химиче-

ские формулы некоторых индустриальных масел и элементный состав в процен-

тах.

Источники [24, 34] содержат общие справочные сведения о нефтепродуктах и

их применении на автомобильной технике, о мероприятиях по экономии горюче-

го, приведены физико-химические и эксплуатационные свойства различных топ-

лив, масел, смазок, присадок и специальных жидкостей. Описаны методы испы-

тания и контроля качества перечисленных продуктов. Приведены и пояснены

технические и научные термины, относящиеся к теории и практики рационально-

го использования отечественных и зарубежных горюче-смазочных материалов.

Монографии [5, 37, 39, 42] представляют собой обзор данных по взаимодей-

ствию элементной серы с органическими и элементоорганическими соединения-

ми. Указаны широкие возможности применения серы и ее соединений в органи-

ческой химии и технологии для получения лекарственных средств, пестицидов,

искусственных смол, сернистых красителей, присадок к смазочным маслам и топ-

ливам, удобрений и других технически ценных продуктов и материалов.

В источниках [6, 40, 45] отражены способы очистки сточных вод и возможно-

сти вторичного использования нефтепродуктов. Рассмотрены процессы огневой

переработки и обезвреживания жидких, твердых, пастообразных и газообразных

промышленных отходов. Описаны установки для различных способов обезврежи-

вания отходов. Приведены рекомендации по термическому обезвреживанию [6]

промышленных отходов, содержащих различные органические и минеральные

соединения, а также по выбору оптимальных параметров процесса и схем устано-

вок. большое внимание уделено получению ценных вторичных продуктов при ог-

невой переработке отходов.

Монографии [30, 56] содержат систематизированные данные по теплофизиче-

ским и физико-химическим свойствам нефтяных смазочных масел, пластичных

смазок и смазочно-охлаждающих технических сред (СОТС) отечественного про-

изводства. Предложены методы расчета их теплофизических свойств, даны таб-

лицы значений физико-химических и теплофизических свойств в зависимости от

температуры.

Все установки по обезвреживанию промышленных отходов [6] используют го-

релки обычного типа (дозвуковые), то есть при разработке данной установки поя-

вилась необходимость в изменении методики расчета сгорания отходов и истече-

ния продуктов сгорания.

В литературе [11, 17, 25, 32] по исследованию процессов в двигателе и реакто-

ре (в частности, по исследованию общей устойчивости двигательной установки)

практически не упоминается об исследовании устойчивости жидкостных ракет-

ных двигателей на газообразных компонентах топлива, поэтому необходимо соз-

дать математические модели процессов в двигателе реакторе.

В литературе [1, 7, 10, 25, 26, 31, 51, 60] для исследования систем с запазды-

ванием применяются следующие методы:

1) амплитудно-фазовый метод;

2) метод D-разбиения;

3) построение переходных процессов.

Остальные известные методы (алгебраические критерии Гурвица и Рауса и

частотный критерий Михайлова) непригодны для исследования систем с запазды-

ванием.

Таким образом, анализ изученных источников показал, что в доступной ли-

тературе отсутствуют сведения о точной химической формуле индустриального

масла И-40А, а также нет комплексной методики проведения исследования на ус-

тойчивость.

П о с т а н о в к а з а д а ч: в данной работе решено провести разработку сис-

темы управления установкой термического обезвреживания жидких промышлен-

ных отходов.

Исходя из требований практики проектирования и использования установки

для утилизации жидких промышленных отходов, включающей газогенератор на

газообразных компонентах топлива, были поставлены следующие задачи иссле-

дования:

1) создание математических моделей процессов в газогенераторе, реакторе,

скруббере Вентури;

2) исследование устойчивости процессов, протекающих в основных элементах

установки;

3) создание задающих программ для неавтономных каналов установки;

4) разработка схемы автоматизированной системы управления с учетом пере-

менности параметров задающих массовых расходов;

5) исследование системы автоматизированного управления установкой.

В первой главе пособия описан объект исследования: установка для утилиза-

ции жидких промышленных отходов.

Во второй главе составлены нелинейная и линеаризованная математические

модели основных элементов установки, на их основе получены структурные схе-

мы для исследования устойчивости.

Третья глава посвящена исследованию устойчивости рабочих процессов газо-

генератора, реактора, скруббера Вентури и всей установки в целом. Исследование

проводилось видоизмененным частотным методом, также построены графики пе-

реходных процессов и определены прямые показатели качества системы для ли-

неаризованной и нелинейной моделей.

В четвертой главе проведен термодинамический расчет с целью выяснения со-

става продуктов сгорания углеводородной смеси и массовых долей вредных при-

месей. В результате расчетов определены зависимости концентраций вредных

примесей от температуры. Созданы теоретические основы системы автоматиче-

ского регулирования массовых расходов горючего и окислителя для газогенера-

тора и реактора и системы автоматического регулирования температуры в реакто-

ре.

Поставленные задачи исследования соответствуют специальностям 22020062

–

«Автоматизация и управления», 22010062

– «Системный анализ и управление»,

22020068

– «Автоматизация управления в административных, финансовых и ком-

мерческих сферах» и 22010068

– «Теория и математические методы системного

анализа и управления в технических системах», так как применяются системные

модели, стратегии управления, методы системного анализа, модели принятия ре-

шений в условиях неопределенности, риска. Технологии компьютерного модели-

рования, технологическое прогнозирование, оценка выгоды и затрат. Настоящая

диссертационная работа относится к административным сферам, так как в ней

решается острейшая экологическая задача утилизации жидких промышленных

отходов, что, бесспорно, входит в цели и задачи администраций на каждом уров-

не.