Синтез системы управления установкой утилизации углеводородсодержащих промышленных жидкостей на основе теоретических и экспериментальных исследований

Для решения проблемы защиты окружающей среды требуется комплекс мероприятий, включающих разработку и внедрение современных установок для очистки, переработки и утилизации, неиспользуемых по техническим или экономическим причинам жидких промышленных отходов.

В настоящее время, в условиях рынка, для небольших предприятий нецелесообразно использование крупных установок. С другой стороны, ужесточились требования по экологической безопасности производства: возросли штрафы за загрязнение окружающей среды. Одним из решений проблемы является разработка мобильных малорасходных энергетических установок для утилизации жидкостей (в частности: углеводородные жидкости, жидкие промышленные отходы, содержащие углеводороды, негорючие жидкости и механические примеси, неспособные к самостоятельному горению) и создание систем для обеспечения оптимального управления теплофизическими процессами в этих установках.

Анализ состояния исследуемой проблемы показал, что существует большое количество исследований, посвященных следящим системам управления по давлению различными техническими объектами (двигательными установками). Однако исследования систем управления технологическим процессом утилизации на основе применение аппарата нечеткой логики в условиях неопределенности состава производственных отходов отсутствуют. Нечеткое управление оказывается особенно полезным, когда технологические процессы являются слишком сложными для анализа с помощью общепринятых количественных методов, или когда доступные источники информации интерпретируются качественно, неточно или неопределенно.

Разработана и изготовлена установка для термического обезвреживания жидких промышленных отходов, основными элементами которой являются: газогенератор, реактор, скруббер Вентури и каплеуловитель.

В процессе функционирования установки для утилизации жидких промышленных отходов могут возникать колебания давления на входе в реактор при докритическом истечении газа или жидкости. Это ведет к возникновению отклонения системы от устойчивого положения. Кроме того, для устойчивого горения и полного сгорания компонентов топлива в установках для утилизации необходимо обеспечивать постоянное соотношение массовых расходов компонентов. А также возможно колебания соотношения массовых расходов компонентов из-за случайного изменения в смеси массовых долей воды и твердого вещества. Поскольку в смеси продуктов сгорания присутствуют вредные для окружающей среды вещества, то возникает задача обеспечения безопасной концентрации вредных примесей в пределах рабочей зоны установки. Поэтому актуальной задачей является разработка системы управления технологическим процессом утилизации на основе аппарата нечеткой логики и алгоритма оптимального управления установкой позволяющего минимизировать отклонение системы от устойчивого положения, вызванного различными факторами. Модель системы управления на нечеткой логике позволяет решать задачи управления теплофизическими процессами в условиях неопределенности и неоднородности состава сжигаемых жидкостей, причем математического описания объекта при этом не требуется.

Построена модель системы управления на нечеткой логике, которая позволяет установке работать в условиях устойчивого горения и полного сгорания масла И-40 с примесями неопределенного состава, дает возможность ограничить вредные выбросы до предельно допустимой концентрации и осуществляет плавное управление соотношением массовых расходов на основе апостериорной информации о массовых долях воды и твердых частиц в отходах.

Разработанная система оптимального управления позволяет ограничить вредные выбросы до предельно допустимой концентрации и осуществляет плавное управление соотношением массовых расходов при утилизации только индустриального масла И-40 с примесями неопределенного состава. Но данная система управления не работает с широким диапазоном утилизируемых жидкостей. Поэтому требуется провести дополнительные теоретические и экспериментальные исследования для расширения базы знаний и базы данных системы оптимального управления на основе нечеткой логики.

• 1.    Экспериментальные исследования вредных выбросов из дымовой трубы установки Используя газоанализатор Testo 300М получены следующие зависимости измеряемых компо-

  * При финансовой поддержке молодых российских ученых - кандидатов наук Президентом Российской Федерации

  
  

нентов газа и температуры газа от процентного содержания воды в углеводородсодержащих жидкостях (УЖ) (рис. 1-5, табл. 1-3).

Рис. 1. График зависимости температуры газа от процентного содержания воды в УЖ

Рис. 2. График зависимости значений весовых долей оксида углерода от процентного содержания воды в УЖ

Рис. 3. График зависимости значений весовых долей диоксида углерода от процентного содержания воды в УЖ

Рис. 4. График зависимости значений весовых долей оксида азота от процентного содержания воды в УЖ

Рис. 5. Г рафик зависимости значений весовых долей диоксида азота от процентного содержания воды в УЖ

Данные, полученные с газоанализатора и изображенные на рис. 1-5, являются входными переменными системы управления, основанной на ап парате нечеткой логики (СУНЛ). Для получения желаемых показателей на выходе системы необходимо провести термодинамический расчет.

2.    Термодинамический расчет реактора установки

С целью выяснения состава продуктов сгорания углеводородной смеси и весовых долей вредных примесей проведен термодинамический расчет реактора.

Стехиометрическое соотношение между окислителем и горючим [1]:

K_ti=mjm,, (1) где т₀ - массовый расход окислителя; т_г - массовый расход горючего.

Действительное соотношение между компонентами топлива оценивается через коэффициент избытка окислителя а [1]:

К=аК0.

Опыт показывает, что оптимальным для процесса обезвреживания сточных вод является коэффициент избытка окислителя: а = 1,1.

Для устойчивого горения и полного сгорания компонентов топлива необходимо регулировать количество поступающего окислителя и горючего в реактор для обеспечения необходимого соотношения по рассчитанным значениям коэффициента К.

Термодинамический расчет проводился на программе «Термодинамика», разработка Ижевского государственного технического университета (разработчик М.А. Корепанов).

3.    Алгоритм расчета эквивалентной формулы для смесей

На вход газогенератора по трубопроводам подаются компоненты топлива: газ (пропанбутановая смесь) и воздух. На выходе газогенератора мы имеем высокотемпературную струю, которая в дальнейшем поступает на вход реактора.

Для определения состава поступающей смеси в реактор проведем расчет пропан-бутановой смеси. Известно, что содержание пропана С3Н8 - 50 % и бутана по С4Ню - 50 % от общего объема смеси. Для проведения расчетов наиболее удобно представлять компоненты топлива эквивалентной формулой, которая рассчитывается на условный (эквивалентный) молекулярный вес цэ =1000. Молекулярный вес компонентов по формуле [3]:

Рк ’ (2) i=i где ц, - атомный вес химического элемента Л,; bik - количество атомов z-ro химического элемента в эквивалентной формуле; и4 - молекулярный вес необходимой смеси химических элементов; т -количество веществ в смеси.

Молекулярный вес пропана и бутана:

Синтез системы управления установкой утилизации углеводородсодержащих...

Таблица 1

Весовые доли компонентов в смеси УЖ - вода

Содержание воды, %	°йСзоН588-ьН20	c3oH58S+H2o	nC3oH5gS+H20	^^C3oH5gS+H20
0	0,0711	0,7992	0,1297	0,0000
0,5	0,0708	0,7952	0,1296	0,0044
1	0,0704	0,7912	0,1295	0,0089
3,5	0,0686	0,7712	0,1290	0,0311
5	0,0676	0,7592	0,1288	0,0444
7,5	0,0658	0,7393	0,1283	0,0666
10	0,0640	0,7193	0,1279	0,0888
15,0	0,0605	0,6793	0,1270	0,1332
20	0,0569	0,6394	0,1261	0,1776
35,0	0,0462	0,5195	0,1235	0,3108
50	0,0356	0,3996	0,1208	0,4440
55,0	0,0320	0,3596	0,1199	0,4885
60	0,0284	0,3197	0,1190	0,5329
70	0,0213	0,2398	0,1172	0,6217
80	0,0142	0,1598	0,1155	0,7105

Таблица 2

Весовые доли компонентов для воды, УЖ и смеси ПС - воздух

Весовые доли соответствующего компонента в соответствующем веществе	S	с	Н	О	Аг	N
Н2О	—	—	0,112	0,888	—	—
СзоН588	0,071	0,799	0,129	—	—	—
С3Н8+ С4Ню+ воздух	—	0,045	0,009	0,219	0,012	0,713

		Значения весовых долей компонентов смеси, коэффициентов К и Ко при различном содержании воды в смеси								Таблица 3
Содерж. воды, %	^Н2О	&н2о	^пс	5м	5sr	5сг	5нг	5ог	к0	К
0	21	0,568	0,334	0,108	0,0076	0,101	0,08	0,577	6,533	7,186
0,5	20,98	0,567	0,324	0,108	0,0077	0,100	0,08	0,575	6,510	7,161
1	20,96	0,567	0,325	0,108	0,0076	0,100	0,08	0,575	6,505	7,156
3,5	20,86	0,565	0,325	0,108	0,0074	0,098	0,08	0,577	6,484	7,133
5	20,8	0,565	0,326	0,108	0,2322	8,201	79,8	0,577	6,472	7,120
7,5	20,7	0,564	0,326	0,109	0,0072	0,095	0,08	0,579	6,451	7,096
10	20,6	0,563	0,327	0,109	0,0069	0,093	0,08	0,581	6,430	7,073
15	20,4	0,560	0,329	0,109	0,0066	0,089	0,07	0,584	6,389	7,028
20	20,2	0,558	0,331	0,110	0,0062	0,085	0,08	0,588	6,346	6,981
35	19,6	0,560	0,337	0,112	0,0052	0,058	0,07	0,606	6,115	6,727
50	19	0,543	0,343	0,114	0,0040	0,061	0,08	0,608	6,08	6,690
55	18,8	0,540	0,344	0,114	0,0037	0,057	0,07	0,611	6,034	6,638
60	18,6	0,537	0,347	0,115	0,0041	0,061	0,08	0,605	6,062	6,668
70	18,2	0,532	0,351	0,117	0,0041	0,062	0,07	0,601	6,042	6,647
80	17,8	0,526	0,355	0,118	0,0042	0,063	0,07	0,598	6,02	6,623
Нпроп = 3цс+8цн, г/моль; Цбутан = 4цс+10рн, Г/МОЛЬ. Суммарный молекулярный вес бутановой смеси: Цу — ®> 5ЦПрОП + ®> ^Нбутан > Г/МОЛЬ. Весовые доли компонентов смеси: gk = rk^klv^, k = U-.,m,				(3) пропан- (4) (5)	где г, gk -в лени та [3	- мольная (объемная) доля вещества в смеси; есовая доля компонента, 5пропан ~ ^’^М-пропан/ЦУ’                    ,,, Обутая — О’^Нбугаи/Ну 1 Определение количества атомов Ь^ в эквива-юй формуле для отдельно взятого компонен- bik=V-3gklv-k-                              <7)

Количество атомов b_ik в эквивалентной формуле для всей смеси [3]:

т b^gAk-                 (8)

<=1

В результате расчетов получили эквивалентные формулы: пропан-бутановой смеси ^68,479^176,089 » ВОЗДуХа Н₅₃₉₁₈О₁₄₄₈₅Аг₀д₂₁₂С₀₀1₀₂₂ , УЖ С128,64зНб6,53982,218, ВОДЫ Нц 1,0124055,506-

4.    Алгоритм расчета коэффициента соотношения компонентов топлива (К)

• 1)    В качестве окислителя в исследуемой системе используется атмосферный воздух. В качестве горючего - смесь углеводородосодержащей жидкости (УЖ), воды, продуктов сгорания газогенератора.

Массовые расходы продуктов сгорания и УЖ остаются постоянными и равными mHz0 = 42;

«пс =12; «м = 4 ■

В ситуации полного отсутствия воды в УЖ массовый расход балластирующей воды принимается равным: тиН2о = 21.

Массовый расход воды при различном процентном содержании воды в отходах [1]:

(1%)н2о =0,04, «н2о =20,96.            (9)

• 2)    Весовые доли продуктов сгорания, масла и воды рассчитываются по формулам:

™пс ~ 12, т^ = 4;

т^с “Ь 4- ^н ₂о 12 ч- 4 + 21

тпс+^м +Жн2о 37

^H2O        21 п

Кн₂о = -— 7"........—--- = — = °-⁵⁶⁷⁵- (Ю)

тпс + тм+тн2о 37

• 3)    Дополнительно рассчитываются весовые доли веществ в смеси УЖ и воды (C₃oH₅₈S 4- Н₂О) при различном содержании воды в отходах [3]. Полученные данные сведем в табл. 1.

• 4)    Аналогично определяются весовые доли компонентов для воды (Н₂О), УЖ (C₃oH₅₈S) и смеси

продукты сгорания (ПС) - воздух (С3Н8 4- С4Ню + 4- воздух). Полученные данные сведем в табл. 2.

• 5)    Для смеси УЖ, воздуха и продуктов сгорания газогенератора (ПС) при различном процентном содержании воды рассчитываются весовые доли компонентов по выше приведенному алгоритму.

• 6)    Массовый коэффициент стехиометрического соотношения компонентов для сжигания смеси газов и нефтепродуктов (масел) отходов [1]:

£o=(8/3ga4.8g£₊g_s^M+g£)/go, (Н) где g" - весовые доли элементов, содержащихся в нефтепродуктах УЖ, найденные в соответствии с алгоритмом.

• 7)    Коэффициент весового отношения компонентов [1]:

К=аК₀. (12)

В табл. 3 сведем значения весовых долей компонентов смеси, коэффициентов К и К_о при различном содержании воды в смеси.

Выводы

В результате экспериментальных исследований вредных выбросов из дымовой трубы установки получены зависимости измеряемых компонентов газа и температуры газа от процентного содержания воды в углеводородсодержащих жидкостях. С целью выяснения состава продуктов сгорания углеводородной смеси и весовых долей вредных примесей проведен термодинамический расчет реактора. На основе результатов термодинамического расчета определены необходимые значения действительного коэффициента весового соотношения окислителя и горючего в реакторе установки.