ТЕХНОЛОГИЯ КАРБАМИДА

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) производства карбамида

Технология карбамида отличается сложностью и многостадийностью. В связи с этим важное значение имеет проб­лема оптимального управления процессом производства карбамида с помощью АСУТП.

Одна из основных предпосылок создания АСУТП — разра­ботка надежной математической модели процесса. В первых публикациях, касающихся построения математических моделей для целей управления агрегатом по выпуску карбамида, содержа­лось описание статистических моделей процесса синтеза карбамида по схемам с частичным рециклом аммиака [1 ] и с рециклом РУАС [2, 3 ]. Поскольку в тот период авторы работ [1—3 ] не располагали всеми необходимыми данными по физико-химическим закономер­ностям протекания процесса, прикладное значение их разработок ограничено. То же самое относится и к экспериментам [4 ] по оптимизации процесса синтеза методом эволюционного планиро­вания.

Реальные предпосылки для составления математических моде­лей, адекватных в достаточно широком интервале параметров, были созданы в результате осуществления систематических иссле­дований равновесия [5] и кинетики [6] реакции синтеза карба­мида, а также физико-химических основ выделения из плава синтеза и рекуперации неконвертированных реагентов [7].

Первая отечественная АСУТП производства карбамида была включена в опыт­но-промышленную эксплуатацию [8] в 1972 г. Приблизительно в этот же период появились сообщения [9] об использовании УВМ в производстве карбамида за рубежом. Опыт первых лет практического применения АСУТП подтвердил целесообразность дальнейшего развития исследований по автоматизации управ­ления процессом получения карбамида. В этом отношении важное значение имеют разработанные советскими учеными методы использования кибернетики для ана­лиза химико-техиологических процессов [10] и принципы моделирования слож­ных химико-технологических систем [11], которые конкретизированы примени­тельно к производству карбамида в статьях по применению обобщенной функции прогнозирования качества целевого продукта для оптимизации производства [12], топологическому методу анализа технологических режимов функциониро­вания системы [13], алгоритму оптимизации стратегии исследования много - коитуриых систем с разнопараметрическими потоками [14], повышению эффек­тивности производства на основе расчета характеристик надежности оборудо­вания [15], разработке системы многосвязиого регулирования отделения син­теза и моделирования динамики отделения дистилляции [16].

В литературе последних лет, за исключением работы [17], публикаций иностранных авторов по математическому моделированию процесса синтеза карбамида встретить не удалось.

1. Управление методом активного поиска оптимального режима

Из-за отсутствия приемлемых математических моде - j лей некоторых стадий процесса получения карбамида первоначаль - | ный вариант реализации алгоритма оптимального управления состоял в активном поиске оптимальных параметров методом симплекс-планирования непосредственно «на процессе». Возмож­ность использования этого метода обусловлена низкой частотой изменения возмущающих воздействий для обсуждаемого процесса. Функционально-структурная схема первоначального варианта АСУТП производства карбамида приведена в статье [18].

Исходя из технико-экономического анализа производства кар­бамида в качестве критерия оптимальности (целевой функции) была принята [191 часть технологической себестоимости продук­ции S0:

So —п~ (5С + 5Э)

Где П — производительность агрегата по карбамиду, т/ч; 5С — затраты на сырье, руб/ч; S3 — энергетические затраты, руб/ч.

При постоянной производительности действующих агрегатов (эта величина предопределена проектной мощностью и регламенти­руется плановым заданием) задача оптимизации по критерию 50 совпадает с задачей оптимизации по критериям максимума дохода [20] или максимума нормы прибыли [11].

Таким образом, основное назначение системы в рассматривае­мый период состояло в оперативной оптимизации работы техноло­гических линий в процессе автоматического управления по крите­рию минимума S0 и принятии эффективных мер для приближения ее значений к оптимальной величине. При этом предполагалось, что система управления должна искать оптимум непосредственно в области, прилегающей к найденному в технологических исследо­ваниях номинальному режиму, и, соответственно, корректировать уставки регуляторов, поддерживающих технологические пара­метры в допустимых пределах.

Энергоемкие узлы было решено [19, 21 ] расчленить на два объекта управления: а—отделение синтеза и дистилляции; б — отделение выпарки. Такое разделение обусловлено тем, что в работе этих систем отсутствует синхронность по нагрузке из-за наличия между ними сборника раствора карбамида большой емкости.

Применительно к задаче управления отделением синтеза и дистилляции [8, 18, 19, 21] затраты на сырье в этом отделении выражали следующим образом:

Д = 0,567ЛП + Л?;

Где Л — стоимость NHa, руб/т; 0,567 — стехиометрический расход­ный коэффициент по аммиаку, т/т; — потери NH3 в отделении синтеза и дистилляции, зависящие от эффективности работы этого отделения, т/т. Величину <7Їют определяли по эмпирическому уравнению [21 ].

Затраты на С02 учитывать не требуется, так как он является отходом производства аммиака и в калькуляцию себестоимости карбамида не входит.

Производительность синтеза следующая:

П= 1,3649£0> (VI І 1.3)

?ёо2 (») =0,915 [?я02 (п - l)-9g0l («-2)1 +

+ 0,016 qC0!-g^Oi(n-l)}+q^O2(n^l) (VIII.4)

Где qcо2 — фактическая нагрузка колонны синтеза по свежему С02; <7со2 (п), Цс0г (п — 1), Цс0г (п — 2) — нагрузка колонны синтеза с учетом динамики (текущее значение, значения на пре­дыдущем и предпредыдущем шаге измерения соответственно); 0,915 и 0,016 — динамические коэффициенты, найденные по кри­вым разгона [21 ] при двухминутном интервале выборки инфор­мации.

Энергетические затраты в отделении синтеза-дистилляции включают в себя затраты на технологический пар S„ д, электро­энергию 5элД и на охлаждение оборотной ВОДОЙ Sox", т. е. S^ = Scn-*+Scs./+SSi« (VII 1.5)

Все входящие в (VIII.5) величины измеряли датчиками и не­посредственно вводили в УВМ.

По вводимой в УВМ информации о зависимых (tc, t№, qpyc, q„, q, A) и независимых {qco2, qm3, Pc. *ді. *дп. - Рді. - Рдіі)[24] техно­логических параметрах с использованием приведенных уравнений определяли критерий оптимальности рассматриваемого отделения Sc' д = Sc' д + Si' д. При оптимизации технологического режима синтез-дистилляции в качестве управляющих использовали пара­метры іяі, tm и qw. h.

Применительно к задаче управления отделением выпарки вод­ного раствора карбамида [18, 19, 21] переменную часть себестои­мости, связанную с работой этого отделения и совпадающую с удельными энергозатратами в нем, выражали в виде:

5В

Охл (VII 1.6)

С ав

К МІ. Ґ

Где Si — затраты на греющий пар в выпарном аппарате и паро - эжекционной установке; SlXJJ — затраты на охлаждающую воду в конденсаторах сокового пара; q\n — количество упариваемого раствора (нагрузка выпарки); Ск — концентрация карбамида в упариваемом растворе, масс. доли.

Sn, 5охл, <Ь\л определяли датчиками; величину Ск вычисляли по уравнению регрессии [19, 211 с учетом динамики изменения состава раствора карбамида в сборнике перед выпаркой.

С целью определения эффективности метода оптимизации «на процессе» исследовали [22 ] динамику автоматического поиска и отработки АСУТП оптимального режима указанным методом. При этом окончание переходного процесса идентифицировали по соответствию текущего значения всех управляемых переменных выданным на регуляторы заданиям с точностью 0,3 °С для темпе­ратур, 0,05 м3/ч для расхода NH3 и 665 Па для давления, а также по стабильности текущего расчетного значения критерия опти­мальности. Изменение значения критерия оптимальности не пре-- восходило 0,05% его величины за интервал выборки информации % = 2 мин. Точность отработки управляющих воздействий была принята равной измеренной экспериментально точности поддер­жания регуляторами соответствующих параметров, а скорость изменения критерия оптимальности, соответствующая окончанию переходного процесса, была взята равной средней скорости изме­нения этой величины при отсутствии управления.

Заданная точность соответствия значений управляемых пере­менных величинам управляющих воздействий (заданиям регуля­торам) достигалась благодаря коррекции управляющих воздей­ствий. Для повышения достоверности поиска оптимального режима после идентификации системой окончания переходного процесса мгновенное расчетное значение критерия оптимальности усред­нялось в течение 10 мин.

Проведенные исследования позволили оценить эффективность автоматической оптимизации режима работы узла синтез-дистил­ляции «на процессе». Время реализации заданий регуляторами и flNHs составляло соответственно 14, 30 и 9 мин при оптимальных настройках регуляторов, найденных но кривым разгона путем моделирования на аналоговой ЭВМ. Однако ввиду значительной инерционности узла синтез-дистилляции как объекта управления время, за которое значение критерия оптимальности стабилизировалось на новом уровне и, таким образом, время отработки одного режима, составляло 50—70 мин. Для нахожде­ния оптимального режима требовалась отработка [22 J около десяти промежуточных режимов (в среднем практически 5— 12 режимов). Таким образом, время выхода на оптимальный режим составляло 8—9 ч. Если учесть, что среднее время работы агрегата карбамида при постоянной нагрузке (изменение нагрузки явля­ется наиболее частым возмущением) примерно равно двум суткам, 268

То время поиска оптимального, режима составляло 20% всего времени работы агрегата, т. е. агрегат работал в оптимальном режиме до 80% общего времени.

При автоматической оптимизации технологического режима использовались следующие значения интервалов варьирования управляемых параметров: A tAl = A tm = 1,5/С и A<?nh3 = = 0,5 м3/ч. Эти значения оказались наиболее удобными при эксплуатации системы управления.

В табл. VIII. I приведены [22] результаты нескольких поисков оптимального режима работы узла синтез-дистилляция агрегата карбамида. Из приведенных примеров видно, что при оптими­зации значение себестоимости карбамида SonT снижалось па 0,21 — 0,85 руб/т по сравнению с себестоимостью S0 при отсутствии опти­мального управления. Из таблицы следует, что в разных случаях значения управляющих воздействий, соответствующие оптималь­ным режимам, значительно различаются, что свидетельствует о целесообразности автоматической оптимизации.

Для оценки эффективности автоматической оптимизации тех­нологического режима агрегата карбамида сравнивались средние за месяц технико-экономические показатели работы цеха карба­мида при автоматической оптимизации и без нее. Оказалось, что только благодаря оптимизации режима работы отделения синтез- дистилляции расходный коэффициент по аммиаку снижается на 3,4 кг/т, по пару — на 215,6 кДж/т и по электроэнергии — на 10 кВт-ч/т, себестоимость карбамида при этом снижается на 0,55 руб/т.