Chapter 1. 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 проєктними 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 більшою 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).
Методом математичного моделювання ВНТ встановлено закономірність екстремального характеру залежності холодопродуктивності та температури охолодження ЦГ 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. Available at: https://www.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. 58th Annual Safety in Ammonia Plants and Related Facilities Symposium. Available at: https://www.aiche.org/sites/default/files/docs/conferences/8096_ Ammonia2013_Committee_Flyer_v8_0.pdf
Noelker, K., Ruether, J. (2011). Low Energy Consumption Ammonia Production:Baseline Energy Consumption, Options for Energy Optimization. Nitrogen + Syngas Conference. Available at: https://www.scribd.com/document/317686530/Low-Energy-Consumption-Ammonia-Production-2011-paper-pdf
Babichenko, A. K., Toshynskyi, V. Y. (2009). Zastosuvannia matematychnoho modeliuvannia dlia diahnostyky pokaznykiv efektyvnosti protsesiv teplo-i masoobminu v absorberakh teplovykorystuiuchykh kholodylnykh ustanovok ahrehativ syntezu amiaku. Issues of Chemistry and Chemical Technology, 6, 107–111.
Ladaniuk, A. P., Ladaniuk, O. A., Boiko, R. O., Ivashchiuk, V. V., Kronikovskyi, D. O., Shumyhai, D. A.; Ladaniuk, A. P. (Ed.) (2015). Suchasni metody avtomatyzatsii tekhnolohichnykh obiektiv. Inter Lohistyk Ukraina, 408.
Wu, H., Wang, W., Ye, H. (2013). 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
Tovazhnianskyi, L. L., Loboiko, O. Ya., Hryn, H. I., Slabun, I. O., Vorozhbiian, M. I., Molchanov, V. I. et al.; Loboiko, O. Ya. (Ed.). Tekhnolohiia zviazanoho azotu. NTU “KhPI”, 536.
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. (2015). 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 Cham, 523.
Hlon, O. V., Dubovoi, V. M. (2004). Modeliuvannia system keruvannia v umovakh nevyznachenosti. UNIVERSUM, 169.
Wit, E., van den Heuvel, E., Romeijn, J.-W. (2012). ‘All models are wrong...’: an introduction to model uncertainty. Statistica Neerlandica, "All Models are Wrong...", 66 (3), 217–236. https://doi.org/10.1111/j.1467-9574.2012.00530.x
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. O., 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), 5–13. Available at: http://pim.khpi.edu.ua/article/view/2411-0558.2019.13.03
Mendenhall, W., Sincich T. L. (2003). A Second Course in Statistics: Regression Analysis. Sixth Edition. Pearson Education, 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. (2010). Conformities to the law of heat exchange in the process of condensation of ammonia of products from circulation gas in viparnikakh of aggregates of synthesis. Integrated Technologies and Energy Conservation, 1, 47–53. Available at: https://www.kpi.kharkov.ua/archive/Наукова_періодика/ite/2010/2010_1.pdf
Babichenko, A., Podustov M., Kravchenko, Y. (2018). Systematic approach to creating an optimal structure and control system for the technological complex of secondary condensation of ammonia production. Accent Graphics Communications & Publishing, 145–155.
Babichenko, A. K., Toshynskyi, V. Y., Krasnikov, Y. L., Podustov M. A. (2007). Enerhozberihaiuche tekhnolohichne oformlennia bloku vtorynnoi kondensatsii krupnotonazhnykh ahrehativ syntezu amiaku. Integrated Technologies and Energy Conservation, 4, 3–7. Available at: https://www.kpi.kharkov.ua/archive/Наукова_періодика/ite/2007/2007_4.pdf
Garimella, S., Mostafa, S., Sheldon, M. (2012). Ammonia-water desorption in flooded columns. Georgia Institute of Technology, Sheldon, 148.
Shukla, A., Mishra, A., Shukla, D., Chauhan, K. (2015). C.O.P derivation and thermodynamic calculation of ammonia-water vapor absorption refrigeration system / Shukla A., Mishra A., Shukla D., Chauhan K. International Journal of Mechanical Engineering and Technology, 6 (5), 72–81. Available at: https://iaeme.com/Home/article_id/IJMET_06_05_010
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. (2009). Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer. McGraw-Hill, 960.
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. (2007). Engineering optimization: methods and applications. New York: John Wiley & Sons, 667. doi: https://doi.org/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. https://doi.org/10.1016/j.cie.2017.05.014
Опубліковано
Категорії
Ліцензія

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.