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

Подождите немного. Документ загружается.

1. Описание процессов функционирования установки для утилизации

жидких производственных отходов

1.1. Основные понятия и определения

Комплекс по обезвреживанию жидких промышленных отходов состоит из

установки для обезвреживания промышленных отходов и системы автоматизи-

рованного управления установкой. Общий вид установки для обезвреживания

жидких промышленных отходов приведен на рис. 1.1.

1.1.1. Горелочное устройство

В качестве горелочного устройства выбран ракетный двигатель. Общий вид

основного элемента двигателя – камеры сгорания – показан на рис. 1.2. Это мало-

расходный стендовый двигатель с небольшим давлением в КС (0,4 МПа), рабо-

тающий на компонентах пропан/бутан – воздух. Абсолютное давление на срезе

сопла определяется как сумма давления окружающей среды (0,1 МПа) и гидрав-

лических потерь установки. Если предположить, что гидропотери будут не более

0,05 МПа, то давление на срезе сопла можно принять равным 0,15 МПа. Посколь-

ку основная функция двигателя – генерация высокотемпературных газов, то газо-

динамический расчет необходимо вести по массовому расходу горючего, величи-

на которого определяется из теплового баланса реактора. Охлаждение двигателя

производится воздухом, регенеративное, противоточное. Воспламенение – от ис-

кры высоковольтной свечи зажигания.

1.1.2. Прямоточный реактор

Реактор представляет собой цилиндрическую трубу, к которой с одного конца

соосно реактору присоединено горелочное устройство. В тело потока продуктов

сгорания сверхзвуковой горелки близ среза ее сопла организуется впрыск приго-

товленных отходов и подача дутьевого воздуха. Для этого используются перифе-

рийно расположенные струйные форсунки с пересекающимися струями.

Высокотемпературный поток продуктов сгорания технологического топлива,

попадая из горелочного устройства в реактор, имеет высокую кинетическую энер-

гию. Высокие скорость и температура поступающих газов обеспечивают дробле-

ние, испарение и химическое взаимодействие компонентов образующейся смеси.

Газовый поток имеет прямолинейный характер движения и обладает высокой

скоростью. С целью рационального использования энергии потока для качествен-

ного протекания процесса обезвреживания реактор изготавливается небольшим в

поперечном сечении и довольно протяженным (L/D = 8...10).

Длительный опыт эксплуатации промышленных реакторов по обезврежива-

нию отходов показал, что важнейшим параметром процесса обезвреживания, оп-

ределяющим пылеунос из реакторов, является температура отходящих газов в за-

висимости от физико-химических свойств горючих примесей. Для каждого кон-

кретного состава промышленных отходов существует минимально допустимая

температура отходящих газов, при которой обеспечивается глубокое окисление

вредных веществ. Повышение температуры отходящих газов сверх оптимальной,

соответствующей минимуму пылеуноса, приводит к интенсификации испарения

солей с поверхности расплавленных частиц и со стенок реактора и к резкому воз-

растанию пылеуноса. Другой фактор, вызывающий повышенный пылеунос из ре-

актора при сверхоптимальной температуре связан со вторичным дроблением ка-

пель в процессе их испарения. Вторичное дробление и микровзрывы приводят к

образованию тонкой пыли и к полному ее выносу из реактора. Оптимальной тем-

пературой для заданного типа примесей будет T

о.г.

= 900...1000 °С.

Рис. 1.1. Установка для обезвреживания жидких промышленных отходов

Рис. 1.2. Камера сгорания ракетного двигателя

Время, необходимое для завершения процесса обезвреживания капель отхода,

практически совпадает с продолжительностью их испарения, которая пропорцио-

нальна начальному диаметру капли в степени, близкой к двум. Если применить

теорию расчета газогенераторов для расчета реактора, то условное время пребы-

вания компонентов в реакторе τ

пр

можно принять в пределах 0,05...0,1 с. Доста-

точно высокая средняя температура газовой смеси диктует необходимость охлаж-

дения реактора. Так как самая теплонапряженная часть реактора находится в зоне

горелочного устройства, то принимается продольная регенеративная схема охла-

ждения дутьевым воздухом.

1.1.3. Система охлаждения и пылеочистки продуктов обезвреживания

При наличии твердой фазы в обезвреживаемой жидкости на выходе из реакто-

ра будет образовываться газовая смесь, содержащая мелкодисперсные твердые

частицы (пыль). Кроме того, в продуктах обезвреживания будут содержаться

вредные оксиды: NO

и SO

. Для очистки газовой смеси от пыли на выходе из ре-

актора ставится турбулентный промыватель, состоящий из трубы Вентури и кап-

леуловителя. На газовом выходе каплеуловителя монтируется дымовая труба,

Вредные газовые примеси, попадая из трубы в окружающую среду, перемешива-

ются с атмосферным воздухом. Высота трубы подбирается из условия обеспече-

ния безопасной концентрации вредных примесей в пределах рабочей зоны. По-

скольку утилизация тепла газовой смеси на выходе из реактора невыгодна по

причине его малой производительности, то на скруббер Вентури, кроме пылеочи-

стки, возлагается задача охлаждения.

Высокотемпературный поток газов поступает в трубу Вентури, за счет ее гео-

метрии достигает высокой скорости (до 150 м/с в горле трубы) и осуществляет

интенсивное дробление орошающей его жидкости. Происходит интенсивный теп-

лообмен между жидкостью (водой) и горячими газами. Часть воды испаряется, а

на оставшихся каплях осаждается пыль. Расход орошающей воды подбирается

так, чтобы на выходе из скруббера иметь двухфазную низкотемпературную смесь

(t = 100 °C). Полученная смесь из скруббера попадает в циклонный каплеулови-

тель. Тангенциальный подвод обеспечивает закрутку потока, в результате чего

происходит сепарация смеси. Легкие пары воды и дымовые газы оказываются в

центре циклона и под действием избыточного давления через дымовую трубу вы-

брасываются в атмосферу. Тяжелые капли воды с осажденной на них пылью осе-

дают на стенках циклона, и в итоге через сливное отверстие и отводящий патру-

бок стекают в отстойник.

1.1.4. Пневмогидравлическая схема установки

Основные требования к пневмогидравлической схеме (ПГС):

1. Малая масса. Масса ПГС складывается из массы конструкции всех систем

(подсистем), входящих в ее состав, поэтому материалы конструкции должны

иметь высокие механические свойства, малую плотность и быть достаточно де-

шевыми.

2. Простота конструкции. ПГС должна выполняться по наиболее простой

схеме, включающей минимальное количество элементов; быть технологичной в

изготовлении, при испытании на герметичность, при функционировании и т.д.

3. Безопасность и удобство эксплуатации. Для безопасности эксплуатации не-

обходимо применять элементы, не требующие настройки во время подготовки к

пуску; количество разъемных соединений и количество операций контроля за со-

стоянием ПГС во время эксплуатации должно быть минимальным. Для удобства

эксплуатации необходимо сократить до минимума время предстартовых опера-

ций, применять автоматические и дистанционные проверки различных подсистем,

использовать блокировки систем для предотвращения нештатных ситуаций, вне-

дрять автоматизацию управления подготовкой и работой установки.

4. Достаточная прочность и стойкость к вибрации при минимальной стоимо-

сти и оптимальной массе системы.

5. Низкая стоимость изготовления и эксплуатации.

6. Узлы и агрегаты должны обладать необходимой коррозионной стойкостью

и не вызывать изменения химического состава компонентов топлива.

7. В процессе работы системы не должно быть вибрации трубопроводов и

гидроударов.

8. Минимально возможные потери при оптимальной массе системы.

9. Минимальные сроки проектирования и отработки.

10. Высокая герметичность ПГС в процессе работы установки и во время ее

хранения.

Общие критерии при выборе типа ПГС: степень отработанности; стоимость

разработки и изготовления; возможность серийного изготовления и наличие сырь-

евой базы; надежность; минимальная полная масса.

Для установки выбрана газобаллонная редукторная система подачи горючего,

компрессорная (от внешнего источника) система подачи окислителя, насосная по-

дача жидкого промышленного отхода и насосная подача орошающей воды. В це-

лях обеспечения безопасной эксплуатации установки в схему введены два конту-

ра: контур водяного пожаротушения, питаемый от магистрали орошающей воды,

и контур системы продувки магистралей подвода горючего, окислителя и жидко-

го отхода сжатым азотом. Подача азота – газобаллонная. Все магистрали имеют

элементы автоматического управления: электропневмоклапаны (ЭПК), обратные

клапаны (ОК) и элементы операторного управления (вентили, газовые редукто-

ры). К контрольным элементам ПГС относятся манометры, термопары, датчики

давления.

Состав и элементы ПГС:

Пневмогидравлическая схема установки показана на рис. 1.3. Ниже приведен

перечень условных обозначений элементов ПГС установки: 1, 18, 65 – насос; 2 –

бак для сточной воды; 3 – баллон горючего; 4 – баллон с азотом; 5, 7, 15, 19, 25,

58, 60, 64, 72 – вентиль; 6, 8, 12, 24, 28, 29, 45, 46, 56, 57, 59, 71 – манометр; 9, 16,

22 – газовый редуктор; 10, 11 – нормально открытый ЭПК; 13, 20, 27, 30, 61, 63 –

нормально закрытый ЭПК; 14, 26, 32, 33, 34, 35, 40, 41, 42, 66 – обратный клапан;

17, 21, 23, 31, 62, 67, 70 – дроссельная шайба; 36, 47 – датчик давления; 37 – фор-

сунка окислителя (горелка); 38 – форсунка горючего (горелка); 39 – сверхзвуковая

горелка; 43 – форсунка воздушная (реактор); 44 – форсунка жидкого отхода; 48,

51 – термопара; 49 – прямоточный реактор; 50 – сливной вентиль; 52 – форсунка

скруббера; 53 – скруббер Вентури; 54 – форсунка системы пожаротушения; 55 –

противопожарная завеса; 68 – труба-отвод парогазовой смеси; 69 – циклонный

каплеуловитель.

Работа ПГС:

1. Подготовка ПГС к работе.

Этапы подготовки:

1) визуальный осмотр;

2) установка ПГС в предрабочее состояние.

Визуальный осмотр установки производится с целью проверки целостности

элементов ПГС и их надежного крепления.

В исходном состоянии вентили и сливная горловина 50 закрыты. ЭПК и свеча

зажигания обесточены. После осмотра магистраль окислителя подключается к

воздушной магистрали высокого давления. Воздух заполняет тракты до вентилей

15 и 19. На вход насоса 65 подается вода от внешнего источника. Из заводской

емкости насосом 1 в емкость 2 закачивается жидкий отход. Объем бака 2 равен

расходу отхода за одну рабочую смену. При заполнении бака насос 1 отключает-

ся. Заправка горючего заключается в присоединении газового баллона 3 к магист-

рали горючего. Аналогично подключается баллон с азотом 4. Предполагается две

схемы подключения горючего:

1) к системе подключается один баллон, при выработке которого установку

останавливают и производят замену опорожненного баллона на полный;

2) к системе подключается блок баллонов в количестве 7-ми, что примерно со-

ответствует расходу газа за одну рабочую смену.

Преимущество первой схемы в ее простоте. Преимущество второй схемы в

том, что она позволяет эксплуатировать установку в течение смены без остановки.

После длительного перерыва в эксплуатации установки перед пуском необхо-

димо проверить ее работоспособность. Каждая магистраль поочередно дроссели-

руется. Визуально и по манометрам проверяется ее герметичность и работоспо-

собность. По окончании проверки рабочий объем установки продувается азотом,

и через сливную горловину 50 сливается накопившаяся вода.

2. Функционирование ПГС в процессе сжигания отходов.

Штатным для ПГС является автоматический режим работы. По окончании

подготовки ПГС подается команда на закрытие ЭПК 10, и открывается вентиль 7,

после чего азот заполняет тракт до ЭПК 10, сто контролируется манометром 8.

После чего подается команда на закрытие ЭПК 11, и открывается вентиль 5. Газ

заполняет тракт через редуктор 9 до ЭПК 11, что контролируется манометром 6.

Затем открываются вентили 60 и 64 водяной магистрали и вентили 25 и 82 маги-

страли подачи отхода. Открываются вентили 15 и 19, воздух через редукторы 16 и

22 заполняет магистрали до ЭПК 20 и ЭПК 30. После этого включаются насосы:

18 – подачи отхода и 65 – подачи воды. До открытия ЭПК 27 и ЭПК 63 жидкость

через дроссельную шайбу 17 – для отхода и 67 – для воды, а также через ОК 14 –

для отхода и ОК66 – для воды – циркулирует по обходному контуру, поступая об-

ратно на вход в насосы.

Запуск двигателя можно осуществить только при открытых вентилях 15, 19,

25, 64 и 60 и при работающих насосах 18 и 25. Работа насосов контролируется по

манометрам 71 – для отхода и 59 – для воды. Необходимо также наличие давле-

ния в магистрали азота перед ЭПК 10, что контролируется при открытом вентиле

7 манометром 8. После этого подается команда на запуск установки. Сначала по-

дается команда на ЭПК 20 и ЭПК 30. Воздух через дроссели 31 и 32, ОК 42 и ОК

34 поступает в охлаждающий тракт и в камеру реактора и горелки соответствен-

но, что контролируется манометрами 45, 46 и 28. После этого подается команда

на открытие ЭПК 13 и обесточивается ЭПК 11. Смесь пропан-бутана через дрос-

сель 23 и ОК 26 поступает в камеру горелки. Давление при этом контролируется

манометром 24. При этом подается напряжение на свечу зажигания, и происходит

воспламенение смеси. Одновременно с этим подаются команды на открытие ЭПК

27 –

для отхода и ЭПК 63 – для воды. Давление перед ОК 14 и ОК 66 падает, и об-

ходные контуры насосов 18 и 65 закрываются. Отход через дроссель 70 и ОК 32

поступает в реактор. Вода через дроссель 62 поступает в скруббер. Установка вы-

ходит на режим.

воздух

жидкий промышленный

отход

вода

пропан-бутан

азот

1011

35 40

шлам

дымовые

газы

Рис. 1.3. Пневмогидравлическая схема установки для обезвреживания отходов

3. Остановка установки.

Останов установки происходит в следующем порядке. Сначала подается ко-

манда на ЭПК 11 и обесточивается ЭПК 13, происходит отсечка горючего, и за-

крывается вентиль 5. Затем выключаются насосы 18 и 65, и подаются команды на

закрытие ЭПК 27 и 63, происходит отсечка отхода и орошающей воды, закрыва-

ются вентили 25, 64 и 82. После некоторой задержки подаются команды на закры-

тие ЭПК 20 и ЭПК 30, отсекается воздух, закрываются вентили 15 и 19. Через

горловину 50 сливают возможно оставшуюся воду.

4. Аварийная остановка установки.

Контролирующими элементами ПГС установки являются датчики давления 36 и

47, а также манометры 48 и 51. При нештатном режиме работы установки по их

командам подается сигнал на ЭПК 10 и ЭПК 61; ЭПК 61 дублируется вентилем

38. При этом азот запирает топливные магистрали обратными клапанами 26, 32,

34 и 42 и продувает рабочий объем установки. Вода подается в пояс водяного ох-

лаждения. Установка продувается азотом и охлаждается водой. Одновременно с

подачей команд на продувку и охлаждение водой подаются команды на ЭПК 11,

13, 20,27, 30, выключается насос подачи отхода 18. Происходит отсечка подачи

топлива в установку.

1.1.5. Вспомогательные элементы установки

Кроме основных функциональных элементов, установка содержит ряд допол-

нительных элементов, которые обеспечивают ее нормальную работу. К дополни-

тельным элементам относятся: бак с жидким промышленным отходом; кассета с

газовыми баллонами; насос закачки отхода из отстойника в бак; насос подачи

орошающей воды; насос подачи отхода в реактор; электрощитовой шкаф; место

оператора, включающее в себя кресло и пульт управления (ПУ); средства пожаро-

тушения. Подача отхода в реактор из отстойника производится в две стадии. Сна-

чала отход закачивается в специальный бак, объем которого равен суточной про-

изводительности реактора (примерно 3,2 м

), а затем из бака – в реактор.

При использовании газа в количестве более одного баллона в состав установки

включается газораспределитель, позволяющий объединить баллоны в одну ло-

кальную газовую сеть и обеспечить тем самым непрерывную подачу газа за счет

автоматического переключения с одного баллона на другой по мере их опорожне-

ния. Для продувки магистралей установки используется азот, баллон с которым

также подключается к газораспределителю.

Установка предусматривает непрерывную подачу извне: электроэнергии, воз-

духа и воды. Электрощитовой шкаф служит для подключения внешнего источни-

ка электроэнергии с напряжением 380 В, 50 Гц и мощностью не менее 10 кВт.

Воздух подается на штуцер, расположенный на внешней платформе установки (р

≥ 0,7 МПа), на которой также находится присоединительный фланец магистрали

подвода воды и байонетный разъем магистрали отвода жидкой фазы обезврежен-

ного отхода. Пульт управления установки проектируется в соответствии с требо-

ваниями ГОСТ 23000–78 "Система "Человек-машина". Пульты управления. Об-

щие эргономические требования". Панели пульта содержат элементы контроля за

работой установки и элементы управления работой установки: манометры, сиг-

нальные лампы датчиков, зуммеры, вентили, кнопки "включение-выключение"

насосов, ЭПК и др. Кроме основного ПУ, предусматривается возможность ис-

пользования малогабаритного дистанционного ПУ (ДПУ), позволяющего принять

сигнал аварийной ситуации и произвести аварийный останов установки посредст-

вом ее отключения от электросети.

К средствам пожаротушения, представленным на установке, относятся: угле-

кислотные и пенные огнетушители; ящик с песком, лопата; пояс водяного пожа-

ротушения, питаемый от магистрали подачи орошающей воды; система продувки

магистралей азотом.

1.1.6. Описание процессов, протекающих в камере ракетного

двигателя

В качестве источника тепловой и кинетической энергии в установке по обез-

вреживанию жидких отходов используется жидкостный ракетный двигатель.

Компоненты топлива: газообразная пропан-бутановая смесь и воздух. Как видим,

оба компонента используются в газообразном виде. Камера двигателя имеет ру-

башку охлаждения, по которой подается воздух. Он протекает от сопловой части

камеры к головке и там поступает через форсунки в камеру. Пропан-бутановая

смесь поступает в камеру также через форсунки. Для зажигания компонентов

служит электроискровая система зажигания, состоящая из источника высокого

напряжения и высоковольтной свечи зажигания, расположенной в головке каме-

ры. При подаче команды на запуск двигателя компоненты начинают поступать в

камеру, и в этот момент напряжение поступает на свечу зажигания. Компоненты

воспламеняются.

Воспламенение характеризуется минимальной температурой, при которой раз-

вивается процесс самовоспламенения, и периодом задержки этого процесса, кото-

рый равен периоду времени от момента поступления топлива в зону высокой тем-

пературы до момента появления пламени. Эти температура и период задержки

воспламенения для подобных топлив будут зависеть от условий зажигания. На-

чальное воспламенение несамовоспламеняющихся топлив происходит в местах,

где температура паров топлива близка к температуре из самовоспламенения, а со-

став – к стехиометрическому соотношению. Дальнейший подвод тепла для про-

должения горения осуществляется за счет подвода тепла путем обратных токов из

зоны горения.

Максимальное давление при запуске двигателя можно охарактеризовать сле-

дующим уравнением:

пускз

maxк

(1.1)

где p

кmax

– максимальное давление в камере сгорания при запуске;

– номинальное давление в камере сгорания;

– время задержки воспламенения;

– время пребывания топлива в камере сгорания;

– номинальный расход компонентов топлива;

пуск

– расход топлива при запуске.

Как видно из формулы (1.1), относительное увеличение давления в камере сго-

рания прямо пропорционально периоду задержки воспламенения и величине

пускового расхода топлива и обратно пропорционально времени пребывания топ-

лива и его секундному расходу на установившемся режиме. Снизить давление во

время пуска можно за счет снижения

пуск

; например, осуществлять подачу

топлива с опережением окислителя, при предварительном подогреве топлива или

снижении пускового расхода топлива, применяя специальные пусковые устройст-

ва.

Для надежного воспламенения и устойчивой работы двигателя необходимо

хорошее смешение компонентов при поступлении их в камеру сгорания. Это ус-

ловие выполняется при правильной организации распыла компонентов с помо-

щью форсунок. В зависимости от требований к качеству смешения компонентов

применяют струйные или центробежные однокомпонентные и двухкомпонентные

форсунки. В нашем случае воспламенение будет происходить в месте расположе-

ния свечи зажигания, т.е. в месте возникновения источника высокой температуры.

Так как компоненты топлива – газообразные, то их воспламенение происходит

значительно быстрее и надежнее, чем при жидком состоянии компонентов. Даль-

нейший процесс горения и истечения продуктов сгорания происходит, как и в

обычном ракетном двигателе.

Горение компонентов топлива с образованием продуктов сгорания представ-

ляет собой протекание экзотермических реакций (т.е. с выделением тепла). Горю-

чее представляет собой углеводородную смесь. Окислитель – сжатый атмосфер-

ный воздух. В результате протекания химических реакций образуются продукты

сгорания, в составе которых имеются следующие газы: H

O, CO

, CO, O, O

, H,

, N

, а также незначительное количество других газов, которые содержатся в

воздухе и пропан-бутановой смеси (инертные газы, соединения галогенов и т.д.).

Также имеют место реакции диссоциации и рекомбинации, которые протекают

при изменении давления и температуры по всей длине камеры и сопла.

Рабочие тела в двигателе движутся с большими скоростями; время пребывания

продуктов реакций в камере сгорания и сопле измеряется тысячными долями се-

кунды. В результате этого могут не успевать устанавливаться равновесные со-

стояния между термодинамическими параметрами и свойствами рабочих тел. Так

как определение степени неравновесности – очень сложная задача, то при расче-

тах допускается, что все процессы – равновесные.

В гомогенной газовой смеси, не содержащей конденсированных частиц, каж-

дому компоненту соответствуют парциальное давление p

, молекулярный вес µ

или удельная газовая постоянная R

, значения теплоемкости С

и энтропии S

Однако в изучаемом молекулярном объеме температура Т и скорость кинетиче-

ского движения w считаются одинаковыми для всех составляющих компонентов.

Далее продукты сгорания поступают в сужающуюся часть сопла, где начинает

возрастать их скорость. Сопло ракетного двигателя выполнено по типу сопла Ла-

валя, т.е. имеет сужающуюся часть, критическое сечение и расширяющуюся

часть. При достижении продуктами сгорания критического сечения их скорость

равна скорости звука в данной газовой среде. В дальнейшем продукты сгорания

начинают расширяться, их давление и температура падают, а скорость возрастает.

1.2. Функциональная схема установки

Техническая система магистрали подачи горючего от редуктора давления к

полости камеры сгорания состоит из следующего ряда компонентов (для упроще-

ния модели не учитываются незначительные сопротивления, например, плавные

повороты трубопроводов): трубопровод, форсунки камеры сгорания. Техническая

система магистрали подачи окислителя (воздуха) от редуктора давления к полос-

ти камеры сгорания состоит из следующего ряда компонентов: трубопровод, ру-

башка охлаждения камеры сгорания, форсунки камеры сгорания. Расчетная схема

газогенератора приведена на рис. 1.4.

Тракт системы подачи представляет собой систему трубопроводов, элементов

автоматики, рубашки охлаждения и форсунок компонентов на входе в камеру

сгорания. Так как диаметры трубопроводов во много раз меньше их длины, то

уравнения гидродинамики можно записать в гидравлической форме, пренебрегая

изменением параметров по радиусу магистралей. Элементы автоматики, форсун-

ки, дроссельные шайбы можно рассматривать как местные гидравлические сопро-

тивления, а трубопроводы – как распределенные по длине гидравлические сопро-

тивления. Камера сгорания рассматривается как единый объем. Поверхностями

типа "сток-источник" в данной модели являются входы трубопроводов компонен-

тов топлива после редукторов давления (точки постоянного давления) и критиче-

ское сечение камеры сгорания.

Рис. 1.4. Расчетная схема газогенератора

Для дальнейшей разработки модели сделаем следующие допущения:

кинематика химического превращения топлива в продукты сгорания (ПС)

описывается с позиций усилительного звена с запаздыванием;

объем камеры сгорания полностью заполнен ПС.

Известные исходные данные:

давление в камере сгорания;

параметры компонентов топлива (т.е. зависимости плотности от давления и

температуры);

ПС

Камера

сгорания

, ,М ,Т ,P

зкк

Форсунки

окислителя

Форсунки

горючего

Рубашка ох-

лаждения

Магистраль горючего

гвхгг

S , ,L

Магистраль

окислителя

гвхоо

S , ,L

вхг

вхо