Химическая нейтрализация, распределенная модель, оптимальное управление
Использование серной кислоты при подготовке химически очищенной воды на ТЭЦ ВАЗа обусловливает проведение дополнительных технологических операций – нейтрализации сточных вод. Сброс воды в бак нейтрализации (БН) ведется с разных участков технологической цепи подготовки воды, при этом состав сточных вод остается постоянным – раствор серной кислоты, сульфаты кальция и магния. Нейтрализация осуществляется путем подачи известковой воды на вход рециркуляционного насоса (РН, рис. 1). Смесь раствора из бака нейтрализации и известковой воды (ИВ) возвращается в бак, где и происходит нейтрализация. Контроль значения pH осуществляется на выходе рециркуляционного насоса.
Из-за конструктивных особенностей бака в нем создается устойчивый контур, по которому циркулирует раствор извести.
Рисунок 1
Автоматизированная системы управления процессом нейтрализации сточных вод входит в состав автоматизированной системы управления участком подпитки теплосети (УПТС) ТЭЦ ВАЗа [1], которая реализована в виде многоуровневой, многофункциональной автоматизированной системы управления с распределённым вводом, выводом информационных и управляющих сигналов. Нижний уровень системы реализован на базе следующей аппаратуры: для измерения технологических параметров используются первичные и вторичные преобразователи НПП Техноприбор и ЗАО ПГ Метран, а управление технологическим процессом осуществляется с помощью исполнительных механизмов и регулирующих органов ЗАО АРМАТЭК.
Для связи с измерительными преобразователями и управления исполнительными механизмами используются программируемый логический контроллер S7 316 2 DP (серия SIMATIC S7300, процессорный модуль CPU 316 2 DP) и станции распределённого ввода, вывода SIMATIC ET 200М корпорации Siemens AG.
Для реализации верхнего уровня АСУ в щитовой УПТС размещается автоматизированное рабочее место оператора технолога, которое построено на базе двух параллельно работающих и резервирующих друг друга ПЭВМ, оснащённых PCI картами расширения CP 5611 для подключения к промышленной сети PROFIBUS DP. ПЭВМ функционируют под управлением операционной системы Microsoft Windows 2000 Professional. Для реализации функций верхнего уровня используется SCADA система SIMATIC WinCC V5.0.
С использованием построенной автоматизированной системы были получены экспериментальные данные, которые позволили исследовать процесс химической нейтрализации кислых стоков. На рисунке 2 представлены результаты активного эксперимента.
Рисунок 2
Результаты активного эксперимента показывают, что процесс нейтрализации является нелинейным относительно начального состояния, что затрудняет определение объема следующей добавляемой порции известковой воды в бак нейтрализатор. Ошибочные действия оператора могут привести к перерасходу известковой воды, выпадению осадка, засорению pH-метра, создание автоматизированной системы управления позволит избежать ошибок, которые может совершить оператор.
На основе результатов исследования химических процессов, протекающих в баке нейтрализаторе и структурной теории систем с распределенными параметрами [2], была получена математическая и структурная модель [3] процесса химической нейтрализации (рис.2) в терминах структурной теории систем с распределенными параметрами.
Рисунок 3. Структурная схема процесса химической нейтрализации
Входным воздействием в структурной схеме является объем подаваемой щелочи, выходом – значения концентраций кислоты и щелочи на входе в pH-метр.
В качестве базового показателя качества процесса нейтрализации была рассмотрена точность достижения нейтрального состояния раствора. На этом основании была сформулирована задачу оптимального управления [4] и показано, что процесс оптимальный по точности приближения является одновременно оптимальным по быстродействию. На рисунке 4 приведена структурная схема замкнутой системы управления процессом химической нейтрализации стоков химического цеха.
Рисунок 4
На рисунке 5 приведены результаты численного моделирования процесса химической нейтрализации в замкнутой системе оптимального управления, кривая 1 – изменение концентрации кислоты, 2 – щелочи.
Рисунок 5
На основе синтезированной релейной системы управления процессом химической нейтрализации кислых стоков химического цеха был разработан и реализован алгоритм управления положением исполнительного механизма подачи известковой воды в бак по показанию pH-метра в автоматическом режиме на базе промышленного логического контроллера SIMATIC S7300.
Рецензенты:
Чостковский Борис Константинович, д.т.н., профессор кафедры АУТС Самарского государственного технического университета, г. Самара.
Митрошин Владимир Николаевич, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой АУТС Самарского государственного технического университета, г. Самара.