Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Орлова Юлия Александровна
Автоматизация и управление биоконверсией с целью повышения качества технологического процесса когенерации
Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом университете СТАНКИН.
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Шварцбург Леонид Эфраимович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Веселов Олег Вениаминович кандидат технических наук, доцент Корьячев Анатолий Николаевич Ведущее предприятие: Учреждение Российской академии наук Институт конструкторско - технологической информатики РАН (ИКТИ РАН)
Защита состоится л23 апреля 2012 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом университете СТАНКИН по адресу:
127055, Москва, Вадковский переулок, д.3а.
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ФГБОУ ВПО Московского государственного технологического университета СТАНКИН.
Автореферат разослан л22 марта 2012г.
Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доц. Семячкова Е.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
.
Актуальность темы.
Научно-технический прогресс в области развития технических систем предусматривает возможности повышения энергоэффективности этих систем посредством выработки энергии из нетрадиционных источников. Это полностью соответствует как реализации одного из основных направлений развития науки, техники и технологии, а именно направления энергоэффективность, энергосбережение и ядерная энергетика так и критической технологии - технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе.
В этой связи значительное место в производстве энергии занимают технологические процессы, основанные на биоконверсии, которые представляют собой анаэробный микробиологический процесс, в ходе которого осуществляется преобразование различных органических веществ в энергоноситель, которым является биогаз, в первую очередь метан. Это особенно важно для формирования энергетических потоков, обеспечивающих функционирование небольших машиностроительных предприятий и в первую очередь предприятий, удаленных от техногенных регионов.
Эффективность этих процессов в значительной степени определяется уровнем автоматизации и управления технологическим процессом биоконверсии, которая позволяет оптимизировать процесс, повысить его эффективность и возможность адаптации к реальным производственным условиям.
В этой связи работа, направленная на автоматизацию и управление биоконверсией с целью повышения качества технологического процесса когенерации, является актуальной.
Цель работы. Повышение качества технологического процесса когенерации на основе автоматизации технологических переходов процесса биоконверсии.
В соответствии с поставленной целью, в работе решались следующие задачи:
провести системный анализ существующих методов и средств автоматизации технологических процессов биоконверсии, направленных на повышение эффективности процессов преобразования сырья в биогаз;
разработать алгоритмы автоматизации технологических переходов процесса биоконверсии;
определить факторы, влияющие на качество технологического процесса когенерации, и на основании этого сформировать основные информационные потоки для реализации алгоритмов автоматизации технологических переходов процесса биоконверсии;
построить математические модели оценок факторов, влияющих на качество технологических переходов процесса биоконверсии;
разработать методику построения автоматизированных систем обеспечения качества технологических переходов процесса биоконверсии;
провести пробную апробацию разработанных алгоритмов и методик на конкретном технологическом процессе когенерации.
Методы исследований.
Исследования выполнены с применением основных положений теории автоматического управления, моделирования, теории вероятности, математической статистики.
Основные научные результаты апробированы на реальных технологических переходах процесса биоконверсии, реализованном на теплоэлектростанции, работающей на биогазе.
Научная новизна работы заключается в:
1. установлении взаимосвязи между параметрами технологических переходов процесса биоконверсии и качественными и количественными характеристиками выработанной энергии;
2. разработанных алгоритмах автоматизации технологических переходов процесса биоконверсии;
3. формировании основных информационных потоков для систем автоматизации технологических переходов процесса биоконверсии и методов их оценки;
4. разработке методологии практической реализации автоматизированных систем обеспечения качества технологических переходов процесса биоконверсии.
Практическая ценность заключается в:
1. разработанных методиках автоматизации технологических переходов процесса биоконверсии, позволяющих осуществлять быструю перенастройку (адаптацию к реальному виду сырья, качеству газа и к реальной величине выработанной энергии) технологического процесса;
2. адаптации разработанных алгоритмов и методик к различным типам и видам органического сырья, к объемам производства.
Реализация результатов работы.
Результаты работы были использованы при проектировании биоэнергетических установок корпорации БиоГазЭнергострой при решении задач автоматизации технологических переходов процесса биоконверсии.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях Производство. Технология. Экология - ПРОТЭК (Москва) в 2006 и 2009гг, Техносферная безопасность, надежность, качество, энерго и ресурсосбережение (Ростов на Дону) в 2010г., Ревальвация публичной безопасности (Познань) в 2011г, а так же на кафедре Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности ФГБОУ ВПО МГТУ СТАНКИН в 2010 и 2011гг.
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 6 статей, в том числе две статьи в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК.
Структура и объм работы.
Диссертация состоит из введения, четырх глав, основных выводов, и списка используемых источников, изложена на 101 странице машинописного текста, содержит 26 рисунков и 8 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дается общая характеристика работы и обоснование ее актуальности.
В первой главе проведен анализ технической литературы, показано, что промышленность является одним из основных потребителей энергии, показаны возможности альтернативных источников в обеспечении энергией производственных процессов. Дано представление о технологическом процессе биоконверсии, сформулированы цель и задачи работы.
Анализ технической литературы показал, что машиностроение в целом и металлообработка в частности являются одними из основных потребителей электроэнергии в народном хозяйстве - доля потребляемой энергии в этих отраслях составляет порядка 9% и неизменно растет из года в год. Вместе с тем большое количество предприятий металлообработки можно отнести к предприятиям имеющим малое количество металлообрабатывающих станков, предприятия, которые удалены от техногенных регионов, имеющих электросети достаточной мощности. В этом случае целесообразным представляется снабжение энергией этих предприятий от альтернативных источников. Одним из возможных технологических процессов выработки электроэнергии из альтернативных источников является технологический процесс биоконверсии, который представляет собой анаэробный микробиологический процесс, в ходе которого осуществляется преобразование различных органических веществ в биогаз.
В работе проанализированы труды отечественных и зарубежных ученых и специалистов в области разработки и реализации технологического процесса биоконверсии. В первую очередь это относится к трудам Андрюхина Т.Я., В.
Баадера, Д. Бойлc, Бондаренко A.M., М. Бренндефера, Веселова О.В, Глазкова А.А., Голубева Л.Г, Дубровского В.С., Кафарова В.В., Комарова В.Г., Ковалева А.А., Лашкова В.А., Никитина Г.А., Рысева С.В.,, Сафина Р.Г., Сидыганова Ю.Н., Ткаченко С.И., Шомина А.А, Яламова В.Ф. и д.р.
В работе показано, что выработка энергии посредством реализации биогазовых технологий обеспечивает существенный интегральный положительный эффект, который включает в себя энергетический эффект, так как биогаз является эффективным энергоносителем, экологический эффект, так как технологический процесс биоконверсии представляет собой безотходный технологический процесс, и экономический, так как обеспечивают ресурсосбережение при производстве энергии (рис.1) В результате проведнного анализа были сформулированы цель и задачи работы, направленные на автоматизацию технологических переходов процесса биоконверсии.
Во второй главе проанализирована производственная структура машиностроительного предприятия как потребителя энергии, показаны возможности биоконверсионных технологий в обеспечении энергией предприятий, сформулированы нечеткие логические уравнения, связывающие функции принадлежности входных и выходных переменных при реализации процесса биоконверсии.
Анализ производственной структуры показал, что биоконверсионные технологи позволяют обеспечить функционирование производственного предприятия, включающего в себя 4-7 универсальных станков для обработки изделий резанием.
Интегральный положительный эффект Энергетика Экология Экономика Ресурсосбер Уменьшение ежение Безотходность влияния отходов на Минимизация окружающую среду централизованног о монопализма Рис. 1. Составляющие интегрального положительного эффекта биогазовых технологий Это позволяет использовать эти технологии для питания небольших машиностроительных предприятий, расположенных, например, в сельской местности, где имеется достаточное количество органического сырья для реализации технологического процесса биоконверсии.
В работе сформулированы нечеткие логические уравнения, связывающие функции принадлежности входных и выходных переменных на сырьевом и технологическом уровне с выходом биогаза Q:
Q fQ (Y,Z), (1) Y fY (y1, y2, y3, y4, y5), (2) Z fZ(z1,z2,z3,z4,z5), (3) z2 fZ (w1,w2), (4) где Y - ЛП качество исходного сырья; Z - ЛП качество технологического процесса;
y1 - ЛП происхождение сырья; y2 - ЛП влажность сырья; y3 - ЛП гранулометрический состав; y4 - ЛП количество летучих жирных кислот (ЛЖК); y5 - ЛП водородный показатель; где z1 - ЛП технологический время сбраживания; z2 - ЛП качество температурного режима; z3 - ЛП качество перемешивания; z4 - ЛП концентрация метаногенной флоры; z5 - ЛП доза загрузки реактора; w1 - ЛП температурный режим;
w2 - ЛП стабильность температурного режима.
На рис.2 изображено дерево логического вывода, соответствующее вышеприведенным нечетким логическим уравнениям.
Представленные уравнения позволили перейти к формированию структуры и алгоритма работы системы автоматизации технологического процесса биоконверсии.
разработана методика построения систем автоматизации В третьей главе технологических переходов процесса биоконверсии, сформированы основные информационные потоки систем автоматизации и разработана циклограмма работы автоматизированной установки.
Реализация технологического процесса биоконверсии обеспечивается согласованной работой трех основных систем.
К этим системам относятся следующие - биконверсионная установка, в которой реализуются технологические переходы процесса биоконверсии, система когенерации (система Двигатель - Генератор), которая преобразует энергию выработанного газа в электрическую и тепловую энергию и является комплектующей системой для станций, реализующих биоконверсионные технологии. Согласованная работа этих систем, качество технологического процесса биоконверсии, обеспечивается системами автоматизации технологических переходов.
Выход биогаза Q Качество исходного сырья Качество технологического (Y) процесса (Z) У1 У2 У3 У4 У5 Z1 Z3 Z4 ZКачество температурного режима (Z2) W1 WРис.2 Дерево логического вывода Кроме того, для реализации безотходной биоконверсионной технологии в структуру станции входят так же и вспомогательные системы, например, устройство утилизации отходов биоконверсионной технологии (рис.3).
Биоконверсионная установка Система автоматизации и Газ вспомогательные системы Система Двигатель - Генератор Энергия (тепловая и электрическая) Рис.3 Основные системы реализации технологического процесса биоконверсии В автоматизации технологического процесса биоконверсии решающую роль играют информационные потоки о качестве технологических переходов, формирующие системы обратных связей замкнутых автоматизированных устройств управления. Именно обратные связи в значительной степени определяют качество технологических переходов процесса биоконверсии.
Действительно, независимо от управляемого параметра, в общем случае любая система управления может быть представлена в виде, изображенном на рис.4.
Вход Выход W Информационный поток Wос Рис.4 Обобщенная структура замкнутой системы управления На рисунке W - передаточная функция объекта управления, а Wос - передаточная функция системы обратной связи.
В этом случае передаточная функция системы управления может быть представлена в виде (5) Wу=W/(1-WWос).
Если принять во внимание, что в области реальных частот, в которой работают системы автоматического управления технологическими переходами процесса биоконверсии, WWосто выражение 5 может быть представлено в виде. (6) Wу1/Wос Как следует из выражения 6, статические и динамические характеристики системы автоматического управления технологическими переходами в основном определяются системами обратной связи, а значит и, в первую очередь, качеством формирования информационных потоков. Таким образом важнейшей задачей автоматизации любого технологического процесса является задача формирования информационных потоков о параметрах этого процесса.
юбая биоконверсионная система включает в себя пункт приема сырья и ферментр (биореактор). Каждый технологический переход, реализуемый в системе, механизирован.
Пункт прима сырья включает в себя электронасос, мешалку, электромагнитные клапаны подачи воды и задвижки, управляющие подачей сырья. Кроме того, на этом технологическом переходе необходимо обеспечить своевременную вентиляцию с целью удаления аммиака. Следует отметить, что в основном технологические переходы управляются в функции времени, в то время как управление системой вентиляции осуществляется в зависимости от концентрации газа в мкости.
Собственно технологический процесс биоконверсии заключается в брожении сырья при определенной температуре и наличии метанобразующих бактерий.
Для повышения эффективности технологического процесса биоконверсии сырье перемешивается и измельчается и происходит выделение биогаза, в состав которого входит примерно 70% метана и 30% углекислого газа.
Выделенный биогаз по трубопроводу поступает в систему Двигатель - Генератор, в которой происходит преобразование энергии биогаза в электрическую и тепловую энергии.
В этой связи формирование информационных потоков позволит в автоматическом режиме управлять временем и параметрами технологических переходов каждой операции, управлять режимом работы в зависимости от качества сырья, согласовывать работу всех устройств в зависимости от состояния технологического процесса в целом и технологических переходов в частности.
В функцию системы управления входит также функция защиты всех устройств от перегрузок, которая реализуется посредством сопоставления реальных значений технологических параметров с предельно допустимыми значениями.
Остановимся на этих информационных потоках более подробно (рис.5).
Контейнер прима сырья формирует его количество и качество. В нем необходимо сформировать пять информационных потоков, определяемых множеством {у}:
информацию об уровне и весе загрузки - у1;
информацию о влажности субстрата - у2;
информацию о гранулометрическом составе - у3;
информацию о количестве летучих жирных кислот - у4;
информацию о величине водородного показателя - у5;
Эта информация поступает на программируемый контроллер системы управления, который анализирует полученную информацию, сравнивает е с введнными требуемыми значениями и по результатам анализа и сравнения формирует сигнал управления, прекращая загрузку и меняя скорость перемешивания.
Для реализации собственно технологического процесса биоконверсии, обеспечении его качества необходимо сформировать шесть информационных потоков, определяемых множествами {Z}, {W}:
время сбраживания сырья - Z1;
температурный режим - W1;
стабильность температурного режима - W2;
концентрация газа - Z2;
загрузка реактора - Z3;
качество перемешивания - Z4;
Вся эта информация, по аналогии с информацией о приме сырья, анализируется контроллером системы управления, вырабатывающим управляющий сигнал.
Следует отметить, что в современных системах автоматизации все большее распространение получают дискретные датчики формирования информационных потоках о физических величинах.
Управляющие сигналы Уровень Т Вес Контейнер р прима е субстрата б Влажность у е Бак Система м тер Управляющие сигналы ии ы е Температура управления зн Объм а Расход ч Ферментр е н Давление и я Перебро Газ женная масса Когенераци онная установка Электрическая Генератоэнергия двигатель Тепловая энергия Рис.5 Информационные потоки биогазовой станции В этом случае дискретность этих датчиков обуславливает возникновение дополнительной погрешности, связанной с аналоговым изменением измеряемой величины.
Действительно, реальное изменение измеряемой величины на временном интервале [0, Ti], задаваемым дискретным датчиком, формирующим информационный сигнал, определится выражением Y=+Re, (7) где - дискретное значение, формирумое датчиком в начале временного интервала;
Re- остаточный член ряда.
В реальных дискретных системах остаточным членом ряда пренебрегают, что является источником погрешности формирования информационного сигнала для систем управления. В работе рассмотрены возможности формирования информационного сигнала на основе комплексирования информации. Так, например, показано, что при необходимости повышения качества информационного сигнала целесообразно применять одноуровневое комплексирование информации и рассмотрены способы его технической реализации. В этом случае информационный сигнал, согласно (7), определится выражением:
Y=+ *t. (8) Перейдя от оригинала к изображению, из 8 имеем:
() = -- + -- - - (9) где р- оператор Лапласа, К - масштабный коэффициент.
Структурная схема одноуровневой комплексированной системы обратной связи, согласно 9, представлена на рис.6.
Несмотря на некоторые усложнения, комплексирование информации позволяет при необходимости существенно повысить качество КУ1 е рТ + р Выход Вход + КУ'0 1/Р 1 е рТ _ р рТ Те Рис.6 Структурная схема одноуровневой комплексированной системы обратной связи информационного сигнала при неравномерном во времени изменении измеряемой величины.
В четвертой главе рассмотрены вопросы практической реализации основных методик и алгоритмов автоматизации технологических процессов биоконверсии на биогазовой теплоэлектростанции, разаработанной корпорацией БиоГазЭнергострой, представлены технические характеристики, достигнутые посредством применения автоматизированной системы.
Технологический процесс получения энергии на этой станции иллюстрируется на рис 7.
Пункт прима содержит устройство для смешивания и измельчения сырья и насос для загрузки сырья в реактор. В реакторе сырье подогревается и перемешивается для предотвращения замедления процесса сбраживания Ферментер Субстрат Биогаз Переброженная масса 5 34-38 С Ферментация Пункт приема стоков Теплоэнергия Факел безопасности потребителю КГУ Электроэнергия потребителю Пульт Двигатель управлени Гн я Условные обозначения для схеме Фланцевое Генератор Вентель Гн Насос соединение 1- Трубопровод субстрата 2- Трубопровод биогаза 3- Трубопровод остатка брожения 4- Трубопровод прямой подачи теплоносителя 5- Трубопровод обратной подачи теплоносителя 6- Линия электропередачи Рис.7 Технологическая схема получения энергии при реализации технологического процесса биоконверсии сырья, являющимся важнейшим технологическим переходом процесса биоконверсии. Полученный биогаз поступает в когенерационный блок, представляющий собой систему Двигатель-генератор, в котором происходит выработка электрической и тепловой энергии.
На этой установке была реализована автоматизированная система управления технологическим процессом получения биогаза, на основе представленных выше информационных потоков и алгоритмов. Реализация автоматизированного технологического процесса биоконверсии на этой биогазовой станции позволило обеспечить получение энергии, усредненные характеристики которой представлены в таблице1.
Таблица № Усредненные энергетические характеристики биогазовой станции Ориентировочный Ориентировочный Ориентировочный Тип сырья выход газа, выход выход тепла, м на тонну сырья электроэнергии, кВт на тонну кВт на тонну сырья сырья Органическое 38-320 84-780 105-8сырь Широкий диапазон выхода газа, электрической и тепловой энергии обусловлен типом органического сырья, применяемого при реализации технологических переходов процесса биоконверсии.
Станция ежедневно перерабатывает 120 м3 органического сырья, что примерно соответствует 120 тоннам этого сырья.
Анализ таблицы показывает, что, независимо от типа сырья, вырабатываемая электрическая мощность вполне достаточна для обеспечения энергоснабжения небольшого промышленного предприятия, например ремонтного завода в сельской местности.
Основные выводы и результаты работы:
1. В диссертации решена задача, имеющая существенное значение для машиностроения и заключающаяся в автоматизации и управлении биоконверсией с целью повышения качества технологического процесса когенерации.
2. На основе системного анализа факторов, влияющих, как на биоконверсию, так и на процесс когенерации в целом установлены взаимосвязи между параметрами процесса и качественными характеристиками выработанной энергии, сформированы основные информационные потоки, обеспечивающие требуемое качество технологического процесса.
3. На основании установленных связей предложены модели систем автоматизации технологических переходов биоконверсии и когенерации, отличительной особенностью которых является возможность обеспечения требуемых параметров качества технологического процесса.
4. Сформированы алгоритмы построения систем автоматического управления технологическими переходами процесса анаэробного преобразования сырья, позволяющие обеспечит требуемые эффективность и качество процесса биоконверсии.
5. Практическая реализация разработанных методик и алгоритмов при автоматизации и управлении технологическими процессами теплоэлектростанции корпорации БиоГЭС показали их эффективность и возможность использования для снабжения энергией малых предприятий машиностроительных отраслей промышленности.
6. Результаты работы могут быть рекомендованы для обеспечения энергией малых предприятий машиностроительных отраслей промышленности, а также в учебном процессе при подготовке кадров по направлениям 220700 - Автоматизация технологических процессов и производств, и 280700 - Техносферная безопасность.
Список работ, опубликованных по теме диссертации:
Статьи, опубликованные в периодических изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Орлова Ю.А. Применение биогазовых станций для энергоснабжения производственных систем // Вестник МГТУ СТАНКИН №1, 2012, с.44-46.
2. Орлова Ю.А. Информационное обеспечение автоматизированных биогазовых станций // Безопасность жизнедеятельности №3, 2012,с.24-26.
Другие публикации автора:
3. Shvartsburg Leonid A., Markin Aleksandr V., Orlova Ulia A. Information technologies for simulation of security systems// Revaluacja bezpieczenstwa publicznego, monografia. Tadeusz Zaborowski, Gorzow Wlkp. - Poznan, 2011, с.142-145.
4. Орлова Ю.А.Моделирование эффективности биогазовых установок // Техносферная Безопасность №2, Ростов -на- Дону,2010, с.36-37.
5. Орлова Ю.А. Применение биогазовых когенерационных установок, для энергоснабжения производственных систем //Сборник трудов Международной научно-практической конференции Производство.
Технология. Экология. ПРОТЭК, М.: СТАНКИН, 2009, с.56-61.
6. Орлова Ю.А.Использование биогазовых установок для получения различных видов энергии // Сборник трудов Международной научнопрактической конференции Производство. Технология. Экология.
ПРОТЭК, М.: СТАНКИН, 2006, с.29-32.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям