Technological aspects of computer control of the secondary condensation complex of ammonia production under uncertainty
Ключові слова:
виробництво аміаку, вторинна конденсація, математичне моделювання процесів теплообміну, комп’ютерно-інтегрована технологія, оптимальне програмне керуванняКороткий опис
Об’єктом дослідження є технологічний комплекс вторинної конденсації (ТКВК) великотоннажних агрегатів синтезу аміаку серії АМ-1360, який забезпечує остаточне охолодження та відокремлення сконденсованого продукційного аміаку з циркуляційного газу (ЦГ). Встановлено можливість підвищення енергоефективності виробництва шляхом модернізації апаратурно-технологічного оформлення ТКВК. Це досягається за рахунок вилучення зі схеми енергоємного турбокомпресорного холодильного агрегата (АТК) з електроприводом та створення адаптивної системи оптимального програмного керування.
Показано доцільність застосування системного підходу для розв’язання такої комплексної задачі, науковою основою якого є математичне моделювання та ідентифікація процесів. Проаналізовано особливості умов експлуатації ТКВК та блоку первинної конденсації. За результатами досліджень встановлено невизначеності у функціонуванні таких складових, як конденсаційна колона (КН) та низькотемпературні випарники (ВНТ), які підключені до схеми роботи двох абсорбційно-холодильних установок (АХУ) та АТК.
Розроблено алгоритми формування інформаційного масиву експериментальних даних та чисельної оцінки невизначеностей, зокрема коефіцієнтів теплопередачі в КН і ВНТ, а також концентрації аміаку на виході блоку первинної конденсації та КН. Алгоритми передбачають відокремлення перехідних режимів у роботі ТКВК, перевірку стаціонарності, відтворюваності процесу та гіпотези про нормальність емпіричного розподілу, що зумовлює можливість застосування стохастичного методу апроксимації для чисельної оцінки невизначеностей..
За результатами обробки експериментальних даних встановлено невідповідність між реальними та проектними коефіцієнтами теплопередачі, що зумовлена недооцінкою конденсаційного термічного опору. Виконано ідентифікацію процесів теплообміну в КН та ВНТ у складі АХУ та отримано рівняння для визначення коефіцієнтів тепловіддачі, теплопередачі, конденсаційного термічного опору, а також концентрації аміаку в ЦГ на вході та виході КН.
Методом математичного моделювання визначено умови необхідного розподілу температур у ТКВК для виключення зі схеми АТК та зниження температури охолодження ЦГ у ВНТ на 5 °C порівняно з вихідним варіантом за максимального теплового навантаження з ЦГ на вході комплексу. Розроблена схема ТКВК характеризується більш ефективною енерготехнологічністю завдяки застосуванню лише тепловикористовуючих холодильних систем АХУ та пароежекторних установок (ПХУ), які утилізують теплоту матеріальних потоків як низького температурного потенціалу (до 150 °C), так і наднизького (до 90 °C).
Встановлено закономірність екстремального характеру залежності холодопродуктивності та температури охолодження ЦГ у ВНТ від витрати флегми. Досягнення максимальної холодопродуктивності, а отже, і мінімальної температури охолодження ЦГ за певного температурного напору зумовлено критичним режимом бульбашкового кипіння холодоагенту. Визначено залежності температури охолодження ЦГ від керуючої дії витрати флегми, які характеризують зміщення екстремуму в умовах зміни значень координат вектора збурень, а отже, і зміну показників енергоефективності виробництва аміаку (річної витрати природного газу).
Розроблено алгоритмічне забезпечення для розв’язання задач ідентифікації, отримання математичної моделі випарника ВНТ та чисельної оцінки оптимального вектора стану (температури охолодження ЦГ). Використання алгоритму, реалізованого в пакеті MatLab, забезпечує розв’язання задачі оптимізації в реальному масштабі часу безградієнтним способом крокового типу з застосуванням методів одномірного пошуку екстремуму.
Визначено технічну структуру комп’ютерно-інтегрованої системи оптимального програмного керування температурним режимом низькотемпературного випарника, адаптованої до існуючої інформаційної системи промислового агрегату синтезу.
Посилання
Heidlage, M., Pfromm, P. H. (2015). Novel Thermochemical Synthesis of Ammonia and Syngas from Natural Gas. 2015 AIChE Annual Meeting Proceedings, 517b. Available at: https://proceedings.aiche.org/conferences/aiche-annual-meeting/2015/proceeding/paper/517b-novel-thermochemical-synthesis-ammonia-and-syngas-natural-gas
Dawson, C. J., Hilton, J. (2011). Fertiliser availability in a resource-limited world: Production and recycling of nitrogen and phosphorus. Food Policy, 36 (1), 14–22. https://doi.org/10.1016/j.foodpol.2010.11.012
Dybkjær, I. (2013). 100 Years of Ammonia Synthesis Technology. Ammonia Technical Manual, 101–109. Available at: https://www.scribd.com/document/478848969/011
Noelker, D. K., Ruether, J. (2011). Low Energy Consumption Ammonia Production: Baseline Energy Consumption, Options for Energy Optimization. Nitrogen + Syngas Conference 2011, Duesseldorf, 14.
Singh, U., Singh, S., Malhotra, A. (2010). Successful Operating Experience of CFCL Ammonia Plant Revamped with KBR KRES Technology. Ammonia plant safety (and related facilities). Safety in ammonia plants & related facilities symposium, 121–130.
Rouwenhorst, K. (2024). Technology options for low-emission ammonia production from gas. Ammonia Energy Association. Available at: https://ammoniaenergy.org/articles/technology-options-for-low-emission-ammonia-production-from-gas/
Mishra, R. S., Dwivedi, A., Ahmad, S. (2017). A thermodynamic analysis of ejector type vapour refrigeration system using eco-friendly refrigerants. International Journal of Research in Engineering and Innovation, 1 (2), 40–48. Available at: https://ijrei.com/assets/frontend/aviation/[6]%20IJREI_vol-1,%20Issue-2.pdf
Babichenko, A. K., Toshynskyi, V. I. (2009). Zastosuvannia matematychnoho modeliuvannia dlia diahnostyky pokaznykiv efektyvnosti protsesiv teplo-i masoobminu v absorberakh teplovykorystuiuchykh kholodylnykh ustanovok ahrehativ syntezu amiaku. Voprosy khymyy y khymycheskoi tekhnolohyy, 6, 107–111.
Ladaniuk, A. P. (2015). Suchasni metody avtomatyzatsii tekhnolohichnykh obiektiv. Intehral Lohistyk Ukraina, 408.
Wu, H., Wang, W., Ye, H. (2015). Robust state estimation for linear systems with parametric uncertainties and quantised measurements. International Journal of Systems Science, 46 (3), 526–534. https://doi.org/10.1080/00207721.2013.807387
Fronk, B. M., Garimella, S. (2016). Condensation of ammonia and high-temperature-glide ammonia/water zeotropic mixtures in minichannels – Part I: Measurements. International Journal of Heat and Mass Transfer, 101, 1343–1356. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.05.049
Malyshev, V. V., Krietov, V. V., Hladka, T. M. Tekhnichna termodynamika ta teploperedacha. Universytet "Ukraina", 257.
Chen H. F., Zhang J.-F. (1990). Stochastic Adaptive Control for ARMAX Systems with Unknown Orders, Time-Delay and Coefficients. IFAC Proceedings Volumes, 23 (8 (2)), 267–272. https://doi.org/10.1016/S1474-6670(17)52019-4
Ladaniuk, A. P., Reshetiuk, V. M., Kyshenko, V. D., Smitiukh, Ya. V. (2014). Innovatsiini tekhnolohii v upravlinni skladnymy biotekhnolohichnymy obiektamy ahropromyslovoho kompleksu. Tsentr uchbovoi literatury, 280.
Brandt, S. (2014). Data Analysis: Statistical and Computational Methods for Scientists and Engineers. Springer, 523.
Babichenko, A., Velma, V., Babichenko, J., Kravchenko, Y., Krasnikov, I. (2017). System analysis of the secondary condensation unit in the context of improving energy efficiency of ammonia production. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (6 (86)), 18–26. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.96464
Babichenko, A. K., Podustov, M. О., Kravchenko, Y. O., Babichenko, Y. A. (2019). Formation of the information array of the identifier of the adaptive control system of the ammonia production condensation unit with uncertainties. Bulletin of the National Technical University "KhPI" A series of "Information and Modeling", 13 (1338), 24–32. Available at: http://pim.khpi.edu.ua/article/view/2411-0558.2019.13.03
Mendenhall, W., Sincich, T. (2002). A Second Course in Statistics: Regression Analysis. Prentice Hall, 880.
Babichenko, A., Babichenko, J., Kravchenko, Y., Velma, S., Krasnikov, I., Lysachenko, I. (2018). Identification of heat exchange process in the evaporators of absorption refrigerating units under conditions of uncertainty. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (2 (91)), 21–29. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.121711
Babichenko, A. K. (2010). Zakonomirnosti teploobminu v protsesi kondensatsii amiaku z tsyrkuliatsiinoho hazu u vyparnykakh ahrehativ syntezu. Intehrovani tekhnolohii ta enerhozberezhennia, 1, 47–51.
Babichenko, A. K., Podustov, M. O., Kravchenko, Ya. O. (2018). Systemnyi pidkhid shchodo stvorennia optymalnoi struktury ta systemy upravlinnia tekhnolohichnoho kompleksu vtorynnoi kondensatsii vyrobnytstva amiaku. Proceedings of the 8th International Conference Science and society, 145–-155.
Babichenko, A. K., Toshynskii, V. I., Krasnikov, I. L., Podustov, M. A. (2007). Enerhosberehaiushchee tekhnolohycheskoe oformlenye bloka vtorychnoi kondensatsyy krupnotonnazhnykh ahrehatoa synteza ammyaka. Intehrovani tekhnolohii ta enerhozberezhennia,4, 3–6.
Garimella, S., Mostafa, S., Sheldon, M. (2012). Ammonia-water desorption in flooded columns. Georgia Institute of Technology, 148.
Shukla, A., Mishra, A., Shukla, D., 4Karan Chauhan, K. (2015). C.O.P derivation and thermodynamic calculation of ammonia-water vapor absorption refrigeration system. International Journal of Mechanical Engineering and Technology, 6 (5), 72–81. Available at: https://iaeme.com/MasterAdmin/Journal_uploads/IJMET/VOLUME_6_ISSUE_5/IJMET_06_05_010.pdf
Lutska, N. M., Ladaniuk, A. P. (2016). Optymalni ta robastni systemy keruvannia tekhnolohichnymy obiektamy. Lira-K, 288.
Babichenko, A., Kravchenko, Y., Babichenko, J., Krasnikov, I., Lysachenko, I., Velma, V. (2018). Algorithmic tools for optimizing the temperature regime of evaporator at absorption-refrigeration units of ammonia production. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (2 (94)), 29–35. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.139633
Çengel, Y. A. (2007). Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer. McGraw-Hill, 922.
Hare, W., Nutini, J., Tesfamariam, S. (2013). A survey of non-gradient optimization methods in structural engineering. Advances in Engineering Software, 59, 19–28. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2013.03.001
Ravindran, A., Ragsdell, K. M., Reklaitis, G. V. (2006). Engineering Optimization: Methods and Applications. John Wiley & Sons, 667. 10.1002/9780470117811
Sharma, K. L. S. (2016). Overview of industrial process automation. Elsevier, 492.
Pacaux-Lemoine, M.-P., Trentesaux, D., Zambrano Rey, G., Millot. P. (2017). Designing intelligent manufacturing systems through Human-Machine Cooperation principles: A human-centered approach. Computers & Industrial Engineering, 111, 581–595. 10.1016/j.cie.2017.05.0201814
##submission.downloads##
Опубліковано
листопада 11, 2025
Категорії
Авторське право (c) 2025 Anatolii Babichenko, Igor Krasnikov, Juliya Babichenko, Oleksandr Dzevochko, Yana Kravchenko, Ihor Lysachenko
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Деталі щодо доступних видів видань: PDF
PDF
ISBN-13 (15)
978-617-8360-19-1
Як цитувати
Babichenko, A., Krasnikov, I., Babichenko, J., Dzevochko, O., Kravchenko, Y., & Lysachenko, I. (2025). Technological aspects of computer control of the secondary condensation complex of ammonia production under uncertainty. в I. Krasnikov (ред.), PROCESSES AND CONTROL SYSTEMS: SYNTHESIS, MODELING, OPTIMIZATION. Kharkiv: ПП "ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР". https://doi.org/10.15587/978-617-8360-19-1.ch1
