На основе математической модели разработан адаптивный алгоритм управления узлом десублимации. Алгоритм управления сводится к определению начала времени включения режима отпарки для соответствующей секции. Адаптация заключается в определении текущего значения степени десублимации по показаниям тензовесов, что позволяет повысить эффективность заполнения баллона готовым продуктом (гексафторидом урана)

Вильнина, Анна Владимировна

Ливенцов, Сергей Николаевич

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

Сублиматное производство является одним иззвеньев ядернотопливного цикла, целевой продукткоторого используется на этапе обогащения по изотопу 235U. Химикотехнологическая схема данногопроизводства состоит из трех функциональных узлов:фторирования, десублимации и улавливания ценныхкомпонентов из хвостовых газов. Управление основными технологическими процессами выполнятсяАСУ ТП, которое состоит из двух функциональныхуровней, находящихся в иерархическом подчинении.Верхний уровень предназначен для поиска оптимальных уставок для систем управления отдельнымистадиями, при которых критерий управления достигает экстремума. В подсистемах нижнего уровня реализован режим прямого цифрового управления отдельными стадиями, при котором средства вычислительной техники воздействуют непосредственно наисполнительные устройства аппаратов [1].В процессе наладки модернизируемой системыуправления на базе многофункционального контроллера возникла необходимость в разработке более сложных алгоритмов управления, в том числеадаптивных, с целью повышения производительности аппаратов, в частности, для узла десублимации.Узел десублимации предназначен для выделения гексафторида урана UF6 из технологическогогаза посредством осаждения его в твердом виде навнешней поверхности трубчатки аппарата. Конструктивно технологические аппараты, из которыхсостоит узел десублимации, представляют собойтеплообменник с трубками Фильда, заключенными в корпус и разбитыми на секции.Нормальное протекание технологического процесса происходит при накоплении некоторой толщины слоя десублимата на внешней поверхноститрубчатки за время захолаживания и последующегоего сброса в сменную емкость (баллон) при включении режима отпарки. Толщина слоя определяет температуру поверхности теплообмена и соответственно– равновесную концентрацию UF6. При достиженииравновесной концентрации скорость осаждения UF6на внешней поверхности трубчатки и его возгонкиравны [2]. Следовательно, если толщина слоя десублимата не оптимальна, то при малых ее значенияхбольшая часть UF6 возгонится в момент тепловогосброса. При большом значении снизится степень десублимации; может произойти забивка горловиныаппарата при сбросе большого количества продукта.Критерием управления процессом десублимации является величина степени десублимации. Целью управления технологическим процессом десублимации является стабилизация толщины слоя десублимата на заданном уровне, который обеспечивает оптимальное соотношение между достигаемойстепенью десублимации и насыпной плотностьюготового продукта в транспортных емкостях [1].Основой действующего алгоритма являетсяопределение дополнительного времени захолаживания Δt для (j+1)ой секции, которое необходимодля осаждения десублимата заданной толщины h.Тогда управление технологическим процессом будет заключаться в определении времени начала отпарки (j+1)ой секции по формуле:где tooj – время окончания отпарки jой секции; Δtj+1– дополнительное время захолаживания для(j+1)ой секции.где tзi – текущее расчетное значение времени захолаживания; tз min j+1 – минимальное значение времени захолаживания (j+1)ой секции; N – количество секций.Алгоритм управления иллюстрируется временной диаграммой включения секций в режим отпарки (рис. 1).Рассматриваемый технологический процесс является циклическим, при котором каждая секциятрубчатки периодически находятся в режимах захолаживания и отпарки, причем одновременно врежиме отпарки может находиться не более однойсекции [2]. Поэтому продолжительность захолаживания jой секции не должна быть меньше минимального времени tз minj+1. Это необходимо для предотвращения включения в отпарку одновременнонескольких секций, что может привести к забивкегорловины аппарата и остановке производства.Минимальное значение времени захолаживанияопределяется как сумма времен отпарок всех секцийза исключением времени отпарки jой секции:где toj – время отпарки jой секции.minç o o1,j jjNjt t t=⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠∑1ç çmin1 ,i jjt ttN++−Δ =1ío oo 1,j j jt t t+ += + ΔУправление, вычислительная техника и информатика133УДК 66.01252АДАПТИВНЫЙ АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ УЗЛОМ ДЕСУБЛИМАЦИИ ГЕКСАФТОРИДА УРАНАА.В. Вильнина, С.Н. ЛивенцовТомский политехнический университетEmail: anviv@mail.ruНа основе математической модели разработан адаптивный алгоритм управления узлом десублимации. Алгоритм управлениясводится к определению начала времени включения режима отпарки для соответствующей секции. Адаптация заключается вопределении текущего значения степени десублимации по показаниям тензовесов, что позволяет повысить эффективность заполнения баллона готовым продуктом (гексафторидом урана).Текущее значение времени захолаживанияопределяется как отношение текущего значениямассы десублимата mi, осевшего на внешней поверхности трубчатки, к произведению текущегозначения расхода продукта Gi, и степени десублимации αi–1 поступившего в аппарат.где mi – расчетное текущее значение массы десублимата осевшего на внешней поверхности трубчатки, кг; Gi – текущее значение расхода продукта,кг/ч; αi–1 – значение степени десублимации запредыдущий цикл работы секций.Текущее значение массы десублимата можноопределить по формуле:где V – расчетное значение объема, который занимает твердый UF6, осевший на внешней поверхности трубчатки, м3; ρ – плотность UF6, кг/м3.Объем V можно определить, представив трубчатку с накопившимся на ней слоем десублимататолщиной h как коаксиальный цилиндр с внешнимрадиусом R, который равен сумме: R=r+h, где r –внутренний радиус трубчатки; h – толщина слоядесублимата и длиной L, м.Тогда текущее значение массы десублимата может быть получено по формуле:где hзад – заданное значение толщины слоя десублимата; Lэффi – текущее значение эффективной длинытрубчатки, м.Под эффективной длиной трубчатки аппарата,работающего в переменном режиме (последовательное включение режима отпарки и захолаживания), будем понимать длину труб эквивалентногоаппарата, работающего постоянно в режиме захолаживания. Это обусловлено тем, что только в режиме захолаживания происходит осаждение продукта на внешней поверхности трубчатки.Эффективная длина трубчатки определяется поформуле:где toj – время отпарки jой секции, ч; Lj – общаядлина jой секции, м.Текущее значение расхода гексафторида уранаGj определяется из стехиометрических расчетов материального баланса.Введение в эксплуатацию нового контрольноизмерительного оборудования (тензовесов) позволяет реализовать контур адаптации для управленияузлом десублимации. Адаптивное управление технологическим процессом реализуется через перерасчет степени десублимации по приращению весапродукта в баллоне, отнесенное к количеству продукта, поступившего в аппарат за время цикла.где ΔWi–1 – приращение веса продукта в баллоне запредыдущий цикл по показаниям тензовесов, кг;ΔGi–1 – расход продукта на входе аппарата за предыдущий цикл, кг/ч; tцi–1 – продолжительность (i–1) цикла, ч.Таким образом, при определении степени десублимации используют показания тензовесов в моменты времени, соответствующие началу и концу(i–1) цикла. За время цикла принимается промежу1111 ö,iiiiWG tα−−−−Δ= Δ1oýôô1 ç1 ,jiiNjjtL Lt −=⎡ ⎤⎛ ⎞= −⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦∑ýôô çàä çàä(2 ) ,iim L h r hπ ρ= +,im V ρ=ç1,iii imtGα −=Известия Томского политехнического университета. 2008. Т. 312. № 5134Рис. 1. Временная диаграмма включения секций в режим отпаркиtN ??????jj+1t?? jt?? j+1 t?? j+1to? jt ????????????????? t???????????? t?ток времени, за которое все секции были один разпереведены в режим отпарки.Структурная схема разработанного адаптивногоалгоритма управления представлена на рис. 2.Анализ экспериментальных данных показал, чтостепень десублимации α изменяется в диапазоне0,65...0,80. Таким образом, использование в алгоритмеуправления экспериментального определенной степени десублимации позволяет учесть влияние таких внутренних возмущений, как температура хладоносителя,Управление, вычислительная техника и информатика135Рис. 2. Структурная схема адаптивного алгоритма управления????????????? ????????????????????????????????????1?o ooj jt t t? ? ? ?j=j+1, i=i+1???? ??????? h???1iW ????????????? ?????????? ???? ???????????? ????????????????????? ?????????? UF6,???????????? ? ??????? 1iG ??1111 ?iiiiWG t?????????????? ??????? ?????????????????? ????? ???????? ?? ????????????????? UF6 ? ???? ??? ???2iim L h r h? ?? ?1? ?min1i jjt ttN???? ??1iii imtG? ???????? ???????? ???????? ?????????????????????????? ??????????????? ???????????????????? ??? (j+1)-?? ????????????????? ?????? ???????????????? ?????? ??????? ??? (j+1)-?? ??????газа, пара, наличие примесей в газе, залипание твердого UF6 на внешней поверхности трубчатки и т. п. на ходтехнологического процесса в целом. Это позволяет решить задачу адаптации, повысить качество управления и стабильность процесса десублимации.Моделирование алгоритма управления осуществлялось в пакете Simulink Matlab и заключалось в определении времени наполнения баллонапри алгоритме управления с адаптацией и без. Поскольку изменение степени десублимации в алгоритме управления без адаптации не учитывается,то значение времени захолаживания остается постоянным независимо от количества сброшенноготвердого UF6. При моделировании адаптивного алгоритма управления перерасчет степени десублимации позволял оценить реальное количествоосевшего UF6 на внешней поверхности трубчатки сучетом влияния внутренних возмущений и скорректировать время захолаживания, при которомбудет десублимироваться заданное количество UF6.Результаты моделирования (рис. 3) показали,что в обоих случаях уменьшение степени десублимации приводит к увеличению времени наполнения баллона, но в отличие от алгоритма без адаптации время наполнения баллона при использованииадаптивного алгоритма управления снижаетсяприблизительно на 5 %.Выводы1. Разработан алгоритм управления узлом десублимации гексафторида урана, суть которогозаключается в определении времени включениясекции в режим отпарки.2. Введенный в алгоритм управления контур адаптации позволяет формировать управляющеевоздействие с учетом действующих возмущений, которые влияют на степень десублимации.3. На основе экспериментальных данных былопределен диапазон изменения степени десублимации, который составил 0,65...0,80; получены результаты моделирования алгоритмов управления с контуром адаптации и безнего.4. Предложенный адаптивный алгоритм управления может быть применен на производствах, вкоторых используют процесс десублимации,для извлечения продукта из газовой смеси, нааппаратах, имеющих подобную конструкцию спериодическим принципом действия.Известия Томского политехнического университета. 2008. Т. 312. № 5136Рис. 3. Временная зависимость наполнения баллона продуктом0123456780 50 100 150 200 250t , ?m , ????????? ??? ????????? ?????????? ????????СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Курин Н.П., Андреев Г.Г., Дядик В.Ф., Ливенцов С.Н., Маслов А.А., Онищук А.Н. АСУТП производств гексафторидаурана // Известия Томского политехнического университета. –2002. – № 3 (спецвыпуск). – С. 398–402.2. Горелик А.Г., Амитин А.В. Десублимация в химической промышленности. – М.: Химия, 1986. – 272 с.Поступила 07.12.2006 г.Ключевые слова:Десублимация, алгоритм управления, время захолаживания,гексафторид урана.

Адаптивный алгоритм управления узлом десублимации гексафторида урана

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University