Комбінована математична модель триполичного газового реактора у виробництві аміаку

Abstract

Запропоновано спосіб розробки математичної моделі для подальшої оптимізації й керування складним технологічним об’єктом. Виконано аналіз технологічного процесу синтезу аміаку як об’єкта керування та розроблено інформаційно-логічну схему триполичного газового реактора з вбудованим теплообмінником. Розроблено математичну модель полки газового реактора синтезу аміаку, математичну модель внутрішнього теплообмінника, математичну модель триполичного газового реактора синтезу аміаку. Для визначення невідомих параметрів математичної моделі запропоновано систему тестових впливів на триполичний газовий реактор шляхом змін витрат синтез-газу по холодним байпасам на відому фіксовану величину. Розробка математичної моделі включає два етапи. На першому етапі на основі матеріальних і теплових балансів кожної полиці триполичного газового реактора розробляється детермінована модель. Незважаючи на її невисоку точність, вона дає можливість оцінити вид критеріальної функції в широкому діапазоні зміни аргументів з урахуванням її багатоекстремальності, і виділити область глобального екстремуму. На другому етапі виконується адаптація моделі на основі експериментальних даних, що отримуються з об’єкта керування, з використанням імовірнісних методів. Це дозволяє забезпечити точність параметрів, що моделю-ються, за рахунок врахування всіх збурювальних впливів. Отримана математична модель має четвертий порядок, що дозволяє достатньо просто отримати функціональну залежність концентрації цільового компонента на виході триполичного газового реактора від вхідних регулюючих і збурювальних параметрів. Запропоноване рівняння може бути використано для розв’язання оптимізаційної задачі. Запропонована математична модель може бути використана для побудови системи управління триполичним газовим реактором з моделлю у виробництві аміаку.

A method for developing a mathematical model for further optimization and control of a complex technological object is proposed. The analysis of the technological process of ammonia synthesis as a control object was carried out and an information- logic scheme of a three-shelf gas reactor with an integrated heat exchanger was developed. A mathematical model of an ammonia synthesis gas reactor shelf has been developed. A mathematical model of a gas reactor for ammonia synthesis has been developed. To determine the unknown parameters of the mathematical model, a system of test effects on a three-shelf gas reactor was proposed by changing the flow rates of synthesis gas from cold bypasses by a known fixed value. The development of a mathematical model involves two stages. At the first stage, a model is developed based on the material and heat balances of each shelf of the three shelving gas reactors. Despite its low accuracy, it makes it possible to evaluate the type of criterion function in a wide range of variation of arguments, taking into account its multi-extremes, and to highlight the area of global extremum. At the second stage, the model is adapted based on experimental data obtained from the control object, based on probabilistic methods. This allows to ensure the accuracy of the parameters modeled by taking into account all disturbing influences. The resulting mathematical model has the fourth order; it is quite simple to obtain the functional dependence of the concentration of the target component at the output of the three-shelf gas reactor on the input control and perturbing parameters. The proposed equation can be used to solve the optimization problem. The mathematical model developed can be used to build a control system for a three-shelf gas reactor in ammonia production with a model.

Предложен способ разработки математической модели для дальнейшей оптимизации и управления сложным технологическим объектом. Выполнен анализ технологического процесса синтеза аммиака как объекта управ- ления и разработана информационно-логическая схема трехполочного газового реактора со встроенным теп- лообменником. Разработаны: математическая модель полки газового реактора синтеза аммиака, матема- тическая модель внутреннего теплообменника, математическая модель газового реактора синтеза аммиака. Для определения неизвестных параметров математической модели предложена система тестовых воздейст- вий на трехполочный газовый реактор путем изменений расходов синтез-газа по холодным байпасам на из- вестную фиксированную величину. Разработка математической модели включает два этапа. На первом этапе на основе материальных и тепловых балансов каждой полки трехполочного газового реактора разрабатывает- ся детерминированая модель. Несмотря на ее невысокую точность, она дает возможность оценить вид крите- риальной функции в широком диапазоне изменения аргументов с учетом ее многоэкстремальности, и выделить область глобального экстремума. На втором этапе выполняется адаптация модели на основе эксперимен- тальных данных, получаемых с объекта управления, на основе вероятностных методов. Это позволяет обес- печить точность параметров, моделируемых, за счет учета всех возмущающих воздействий. Полученная математическая модель имеет четвертый порядок, позволяет достаточно просто получить функциональную зависимость концентрации целевого компонента на выходе трехполочного газового реактора от входных ре- гулирующих и возмущающих параметров. Предложенное уравнение может быть использовано для решения оптимизационной задачи. Предложенная математическая модель может быть использована для построения системы управления трехполочным газовым реактором с моделью в производстве аммиака.