Technological aspects of computer control of the secondary condensation complex of ammonia production under uncertainty

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.