Эффективность работы колонны синтеза аммиака определяется множеством факторов, из которых можно выделить основные[1]:
а) минимально возможное содержание газов являющихся каталитическими ядами СО, СО2, H2S позволяет обеспечить более длительную эксплуатацию катализатора;
б) наименьшее содержание газов не участвующих в реакции синтеза аммиака, таких как Ar, CH4, He;
в) минимальное содержание аммиака в газе на входе в колонну синтеза, так как согласно принципу Ле Шателье — Брауна наличие продуктов реакции в газе снижает скорость реакции;
г) поддерживать соотношение H2:N2 близким к 3, либо с небольшим избытком H2, так как скорость взаимодействия водорода с активными центрами катализаторов является определяющей для всей скорости реакции;
д) максимально возможное давление в контуре синтеза, здесь имеются в виду значения парциальных давлений азота и водорода, т.е. необходимо выполнение условия максимума функции:
где, ρ = 0,773 кг/м3 – плотность аммиака при н.у.; Fвх – расход синтез газа в колонну синтеза аммиака (м3/ч), – коэффициент, отражающий количество аммиака образовавшегося в колонне; – сокращение объема газовой смеси вследствие реакции синтеза; xвх и xвых – соответственно мольные доли аммиака на входе и выходе с колонны синтеза.
Для построения системы управления трехполочной колонной синтеза аммиака предложен алгоритм на основе экспертной базы знаний, основанный на применении правил и принципов нечеткой логики.
В качестве входных переменных выбраны температуры на входе выходе с каждой катализаторной полки и температуры газового потока после колонны синтеза (Т1,Т2 – температуры потока на входе и выходе с первой катализаторной полки, Т3,Т4 – температуры потока на входе и выходе со второй катализаторной полки, Т5,Т6 – температуры потока на входе и выходе с третьей катализаторной полки, Т7 – температура газового потока на выходе из колонны синтеза аммиака). Управление температурами осуществляется путем регулирования расходов по трем «холодным байпасам» и основному ходу газа в колонну. Изменение положения задвижки основного хода используется операторам в основном в пусковой период, поэтому решением системы управления являться изменение положения задвижек для трех байпасных линий (ΔU1÷ ΔU3).
На базе методики, разработанной Тсукамото [4] были построены продукционные правила. Их формирование проводилось по результатам опроса экспертов. В качестве экспертов выступали наиболее опытные работники из операторов-технологов и инженерно-технических специалистов производства.
Формы передаточных функций входных и выходных переменных представлены на рисунках 1 и 2 соответственно. Экспертная система управления работает по следующему принципу: оператор, управляющий технологическим процессом, задает Xсi — уставки значений температур в колонне синтеза, которые по его мнению являются оптимальными. Для каждой из температур установлены границы нечувствительности ±ΔXi. При нахождении значения i-ой температуры на отрезке Xi є [Xci – ΔXi; Xci + ΔXi] или Xi є [Xmini; Xmaxi ] система управления не предпринимает никаких действий.
При незначительных отклонения экспертная система управления выдает решение, соответствующее «нормальной» величине открытия, либо закрытия задвижек, им соответствуют термы «Нормальное закрытие» (НЗ) и «Нормальное открытие» (НО). Если же температура отклонится на более значительную величину и достигнет значений «очень низкая» или «очень высокая» температура, то будет реализовано более значительное управляющее воздействие («быстрое открытие» или «быстрое закрытие», соответственно БО или БЗ).
На рисунке 3 представлены натурные данные температур 1-ой полки колонны синтеза аммиака, а так же соответствующие им управляющие воздействия, выработанные экспертной системой управления. При выработке управляющих воздействий был использован следующий набор правил:
Правило №1: Если T1 = «ВТ» или T2 = «ВТ», то ΔU1=»НО»
Правило №2: Если T1 = «ОВТ» или T2 = «ОВТ», то ΔU1=»БО»
Правило №3: Если T1 = «НТ» или T2 = «НТ», то ΔU1=»НЗ»
Правило №4: Если T1 = «ОВТ» или T2 = «ОВТ», то ΔU1=»БЗ»
а) температура на входе первой катализаторной полки
б) температура на выходе первой катализаторной полки
в) решение о изменении положения задвижки первого «холодного байпаса» выработанное экспертной системой управления
Проверка эффективности сформированных правил проводилась путем анализа работы системы управления по натурным данным. Результаты работы экспертной системы управления с применением натурных данных были представлены операторам-технологам для последующего анализа. Операторам было предложено на графике управляющих воздействий (рисунок 3, в) указать те значения, которые, по их мнению, должны отличаться от значений, что были предложены экспертной системой управления. По результатам опроса в правила и графики функций экспертной системы управления были внесены корректировки. Затем операция повторялась с использованием новых натурных данных, до тех пор, пока операторы не признали результаты работы экспертной системы управления достаточно эффективными для использования в процессе регулирования температурным режимом в колонне синтеза аммиака.
Список литературы:
- Яновский Н.А., Аммиак. Вопросы технологии — Донецк: ГИК «Новая печать», ООО «Лебедь», 2001 – 497с.
- Кузнецов Л.Д. Синтез аммиака/ Под ред. Кузнецова Л.Д. – М.: Химия, 1982 – 296с.
- С.Н. Ганз, Теоретические основы и технология синтеза аммиака — Харьков, Высшая школа 1969, — 260 с.
- Круглов В. В., Дли М. И., Голунов Р. Ю. Нечёткая логика и искусственные нейронные сети. М.: Физматлит, 2001. 221с.[schema type=»book» name=»О РАЗРАБОТКЕ РЕГУЛЯТОРА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА В КОЛОННЕ СИНТЕЗА АММИАКА НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРТНОЙ БАЗЫ ЗНАНИЙ» author=»Торопов Денис Валерьевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-20″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]