Построение и исследование математической модели процесса регенерации растворителя | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 11 июля, печатный экземпляр отправим 15 июля.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №22 (312) май 2020 г.

Дата публикации: 29.05.2020

Статья просмотрена: 8 раз

Библиографическое описание:

Бахметьев, Д. И. Построение и исследование математической модели процесса регенерации растворителя / Д. И. Бахметьев, М. С. Пешко. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 22 (312). — С. 86-91. — URL: https://moluch.ru/archive/312/70981/ (дата обращения: 03.07.2020).



Ключевые слова: технологический процесс, регенерация растворителя колонна, температура, Matlab.

Введение

На современных промышленных предприятиях каждый технологический процесс оснащен системой автоматического управления. Для внедрения таких систем необходимо получить использовать модель объекта управления и провести испытания на ней, перед внедрением на производство.

Компьютерное моделирование можно рассматривать как один из самых мощных методов и инструментов познания, анализа и синтеза, который нам доступен. Идея компьютерного моделирования состоит в замене реального объекта его образом в виде математической модели, разработки соответствующей программы для ЭВМ и проведения машинных экспериментов с целью получения новых знаний об объекте [3]. Одним из таких методов является процедура идентификации.

Процедура идентификации модели порождает следующую естественную логику действия: собрать данные; выбрать множество моделей; выбрать наилучшую в этом множестве модель. В случае, если в процессе проверки модель не соответствует выбранным критериям точности, все шаги процедуры пересматривают и возвращаются к идентификации [3].

Цель идентификации заключается в том, что на основании наблюдений за входными u(t) выходным y(t) сигналами на каком-то отрезке времени определить вид оператора, связывающего входной и выходной теоретический сигналы [1].

Задача идентификации и проектирования модели выполнялась при помощи пакета расширения MATLAB — System Identification Toolbox [2]. Пакет System Identification Toolbox содержит средства для создания математических моделей линейных динамических объектов, на основе наблюдаемых входных/выходных данных [1].

Построение модели по данным наблюдений включает три основных компонента:

– Исходные данные;

– Множество моделей-кандидатов;

– Правило оценки степени соответствия испытываемой модели данным наблюдений [1].

Исходные данные, используемые в данной работе — архивные выгрузки из АСУТП. Для проведения идентификации необходимо проверить исходные данные и исключить недостоверные значения. Недостоверными считаются отсутствующие значения и данные, в которых среднее абсолютное отклонение отличается в три и более раз. Процесс идентификации проводился при помощи разработанных скриптов MATLAB.

Теория

На рис. 1 представлена технологическая схема процесса регенерации растворителя.

Рис. 1. Технологическая схема процесса регенерации растворителя

Регенерация растворителя или, по-другому, его отпарка происходит при поддержании в колонне определенной температуры для удаления из него продуктов разложения. Постоянство подачи сульфолана в колонну поддерживается клапаном — регулятором FV-151. Отпарка сульфолана осуществляется при температуре 160…175 °С. Для снижения температуры отпарки в низ колонны осуществляется подача водяного пара. Тепловой баланс колонны поддерживается подачей пара VD во встроенный в низ колонны кипятильник ЕТ-451. Постоянство подачи тепла в колонну поддерживается клапаном-регулятором FV-156, установленном на выходе конденсата из кипятильника ЕТ-451. Пары регенерированного сульфолана с верха колонны вместе с водяным паром поступают в нижнюю часть колонны экстракции.

Температура внутри колонны регистрируется и регулируется прибором позиции TIR-155. Регулирование температуры внутри колонны осуществляется с помощью изменения расхода водяного пара вниз колонны клапаном-регулятором FV-161 и изменения расхода пара VD в кипятильник клапаном-регулятором FV-156. Подача пара в колонну предусмотрена по трубопроводу диаметром 200 мм.

После регенерации пары сульфолана с верха колонны уходят на установку экстракции, где повторно используются в технологическом процессе производства ароматики.

Для получения искомой модели рассмотрим технологические параметры, влияющие на температурный режим колонны (рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема технологического процесса поддержания температуры

Всего можно выделить две группы, влияющие на y(t) — температуру в колонне:

  1. Группа сигналов: Fvd(t) и Fvp(t), которые относятся к управляющим воздействиям. С помощью данных расходов происходит поддержание теплового баланса колонны.

 Fvd(t) — расход охлажденного пара высокого давления в кипятильник;

 Fvp(t) — расход водяного пара вниз колонны.

  1. Группа сигналов: Tvd(t), Tvp(t), Fsulf(t), Tsulf(t), относится к возмущающим воздействиям. Данные технологические параметры непосредственно влияют на поддержание температурного режима в колонне.

 Tvd(t) — температура охлажденного пара высокого давления, поступающего в кипятильник;

 Tvp(t) — температура водяного пара вниз колонны;

 Fsulf(t) — расход загрязненного растворителя — сульфолана;

 Tsulf(t) — температура загрязненного растворителя — сульфолана.

Идентификация технологического объекта ипостроение модели

После построения структурной схемы процесса и анализа возмущающих воздействий необходимо создать модель в среде Matlab/Simulink и затем провести моделирование технологического процесса регенерации растворителя, составив графики переходного процесса свободного движения системы.

В таблице 1 указаны значения параметров, которые были использованы при идентификации и моделировании технологического процесса регенерации растворителя.

Таблица 1

Значения параметров, используемых при моделировании

п/п

Наименование стадий процесса, аппараты, показатели режима

Номер позиции прибора на схеме

Единица

измерения

Допускаемые пределы технологических параметров

1

Температура низа колонны регенерации растворителя

ТIR-155

оC

160...175

2

Давление (вакуум) верха колонны регенерации растворителя

РIR-214

мм рт.ст.

не более 630

3

Расход подаваемого на регенерацию растворителя

FIRC-151

м3

до 15

4

Уровень в колонне регенерации растворителя

LIRC152

%

Не менее 50

5

Температура подаваемого на регенерацию растворителя

TIR147

оC

150...180

6.

Расход подаваемого вниз колонны водяного пара

FIRC161

м3

до 38

7.

Температура подаваемого вниз колонны водяного пара

-

оC

135...160

8.

Расход подаваемого в кипятильник пара

FIRС156

м3

до 8

9.

Температура подаваемого в кипятильник пара

-

оC

220...245

Для идентификации был сформирован массив из 15000 значений для каждого параметра технологического процесса. Для получения передаточных функций для каждого из технологических параметров воспользуемся специально написанным скриптом для идентификации моделей технологического процесса. Скрипт работает в следующей последовательности:

  1. Исключение недостоверных значений — сильно отклоняющиеся от среднего значения, пустые значения;
  2. Фильтрация данных — сглаживает резкие скачки параметра, уровень фильтрации;
  3. Подготовка данных к идентификации — задается диапазон данных по которым будет производится идентификация, диапазон для проверки полученной модели, ограничения на величину коэффициента усиления, постоянной времени, времени запаздывания и степени передаточной функции.
  4. Расчет и оценка адекватности модели.

В результате мы получаем передаточную функцию для каждого входного параметра, а также график, на котором видна оценка адекватности получившейся модели. Исходя из оценки адекватности, мы можем принять модель или изменив параметры расчета попробовать получить модель с большим значением адекватности. Идентификация модели процесса была выполнена при помощи пакета расширения MATLAB — System Identification Toolbox [2].

Структурная схема модели с передаточными функциями построена в среде разработки MATLAB Simulink и представлена на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Структурная схема модели процесса

Рис. 4. Упрощенная структурная схема модели процесса

В результате идентификации получены передаточные функции модели объекта, указанные в таблице 2:

Таблица 2

Передаточные функции модели объекта

Tkol

Fsulf

Tsulf

Fvp

Tvp

Fvd

Tvd

На рис. 5 и 6 изображены результаты адекватности полученной модели и график изменения температуры в модели полученной с помощью идентификации.

Рис. 5. Оценка адекватности модели

Рис. 6. Сравнение выходных значений модели и исходных данных

Рис. 7. Сравнение выходных значений модели и исходных данных на интервале времени с 5000 до 6000 секунд

Полученные оценки точности для модели температуры колонны регенерации показывают совпадение с реальным объектом более 80 %.

Вывод

На основании полученной оценки адекватности модели, которая составила более 80 %, а также исходя из полученных графиков сравнения выходных значений, например, в момент времени 5400 секунд значения температуры модели и исходных данных практически не отличаются, можно сделать вывод, что модель адекватна реальному процессу и применима для дальнейшего моделирования.

Литература:

1. Айнштейн В. Г. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для вузов. / В. Г. Айнштейн, М. К. Захаров, Г. А. Носов и др. — М. Химия, 1999. — 888 с.

2. Дьяконов В. П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6 в математике и моделировании. М.: Солон-Пресс, 2005. — 576 с.

3. Льюнг. Л. Идентификация систем. Теория для пользователя: Пер. с англ./ Под ред. Я. З. Цыпкина. // — М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат.лит., 1991, — 432 с.

Основные термины (генерируются автоматически): MATLAB, водяной пар, колонна, технологический процесс, данные, регенерация растворителя, температура, модель, высокое давление, компьютерное моделирование.


Ключевые слова

температура, технологический процесс, Matlab, регенерация растворителя колонна

Похожие статьи

Компьютерное моделирование гидравлических систем

Построена математическая модель типовой гидравлической системы, Построение и исследование программных моделей выполнено с использованием Matlab/ Simulink r2015b и его расширения — SimScape/SimHydraulics.

Моделирование режимов работы газоперекачивающих агрегатов...

Определены основные технологические параметры необходимые для реализации модели (входные и выходные температура и давление

Реализовано процедуры сбора и обработки экспериментальных данных для создания базы данных среды моделирования MATLAB...

Математические модели управления рабочими режимами...

Для каждого процесса в базе данных сохраняется исходные данные, которые посредством Matlab Runtime Compiler передаются в математическую модель. Модель рассчитывает процесс и возвращает результаты в клиентское приложение. Данные расчета также сохраняются в базе...

Математическая модель выпарного аппарата для создания...

Математическая модель процесса упаривания реэкстракта урана должна отражать: – динамику изменения уровня раствора в аппарате в

Вышеприведённые графики показывают, что переходные процессы, по концентрации, полученные на выпарной установке и в результате...

Автоматизация регулирования основных параметров процесса...

Современный технологический процесс нельзя представить без автоматических систем управления. Корректным применением таких систем можно достичь оптимальных параметров эксплуатации, как определенного узла, так и технологического процесса в целом.

Автоматизация процесса получения анилина на стадии...

Технологический процесс получения анилина запроектирован двумя потоками на стадии контактирования и одним потоком на стадии

Кубовая жидкость из колонны в количестве 600–800 л/ч при температуре 138–140°С подается на дальнейшую разгонку для получения анилина...

Моделирование технологического процесса очисткой попутного...

В данной статье сделан обзор и смоделирован технологический процесс очисткой попутного газа в среде UniSim Design. Модель состоит двух частей — модели установившегося состояния и динамической модели.

Математическое моделирование ректификационной колонны...

Смоделировать технологический процесс. Получить входные и выходные данные.

– создать базу с компьютерными моделями технологических процессов для исследования

Пособие «Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов с...

Проблема построения модели колонны реактивной ректификации...

Моделированию колонн реактивной ректификации посвящено большое количество работ [3-6], в которых, в том числе, подробно описан сам процесс построения модели. Однако большая часть работ относится к реакциям этерификации.

Похожие статьи

Компьютерное моделирование гидравлических систем

Построена математическая модель типовой гидравлической системы, Построение и исследование программных моделей выполнено с использованием Matlab/ Simulink r2015b и его расширения — SimScape/SimHydraulics.

Моделирование режимов работы газоперекачивающих агрегатов...

Определены основные технологические параметры необходимые для реализации модели (входные и выходные температура и давление

Реализовано процедуры сбора и обработки экспериментальных данных для создания базы данных среды моделирования MATLAB...

Математические модели управления рабочими режимами...

Для каждого процесса в базе данных сохраняется исходные данные, которые посредством Matlab Runtime Compiler передаются в математическую модель. Модель рассчитывает процесс и возвращает результаты в клиентское приложение. Данные расчета также сохраняются в базе...

Математическая модель выпарного аппарата для создания...

Математическая модель процесса упаривания реэкстракта урана должна отражать: – динамику изменения уровня раствора в аппарате в

Вышеприведённые графики показывают, что переходные процессы, по концентрации, полученные на выпарной установке и в результате...

Автоматизация регулирования основных параметров процесса...

Современный технологический процесс нельзя представить без автоматических систем управления. Корректным применением таких систем можно достичь оптимальных параметров эксплуатации, как определенного узла, так и технологического процесса в целом.

Автоматизация процесса получения анилина на стадии...

Технологический процесс получения анилина запроектирован двумя потоками на стадии контактирования и одним потоком на стадии

Кубовая жидкость из колонны в количестве 600–800 л/ч при температуре 138–140°С подается на дальнейшую разгонку для получения анилина...

Моделирование технологического процесса очисткой попутного...

В данной статье сделан обзор и смоделирован технологический процесс очисткой попутного газа в среде UniSim Design. Модель состоит двух частей — модели установившегося состояния и динамической модели.

Математическое моделирование ректификационной колонны...

Смоделировать технологический процесс. Получить входные и выходные данные.

– создать базу с компьютерными моделями технологических процессов для исследования

Пособие «Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов с...

Проблема построения модели колонны реактивной ректификации...

Моделированию колонн реактивной ректификации посвящено большое количество работ [3-6], в которых, в том числе, подробно описан сам процесс построения модели. Однако большая часть работ относится к реакциям этерификации.

Задать вопрос