авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Автоматическое управление технологическим процессом индукционного нагрева нефти в установках трубопроводного транспорта

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Гусева Мария Александровна

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА НЕФТИ В УСТАНОВКАХ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА

Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара – 2012

Работа выполнена на кафедре «Автоматика и управления в технических системах» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук

ДАНИЛУШКИН Иван Александрович

Официальные оппоненты: ЛИВШИЦ Михаил Юрьевич

доктор технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный

технический университет», профессор

кафедры «Управление и системный анализ в

теплоэнергетике»

УЗЕНГЕР Алексей Андреевич

кандидат технических наук, научный

сотрудник ЗАО НПЦ "ИНФОТРАНС", г. Самара

Ведущая организация: ФГБУН Институт проблем управления

сложными системами Российской Академии

Наук (ИПУСС РАН), г. Самара

Защита диссертации состоится «28» мая 2012 г. в 9.00 на заседании диссертационного совета Д 212.217.03 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: 443010, Россия, г. Самара, ул. Галактионовская, 141, 6 корпус, ауд. № 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (г. Самара, ул. Первомайская, 18).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская 244, Главный корпус на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.217.03; факс: (846) 278-44-00.

Автореферат разослан «___» апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.217.03 Губанов Н.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Нефтяная промышленность является одной из важнейших составных частей топливно-энергетического комплекса. Энергетическая стратегия России на период до 2020 г. предусматривает дальнейшее увеличение добычи нефти как для внутреннего потребления, так и на экспорт, интенсивную реализацию организационных и технологических мер по экономии топлива и энергии.

Основной объём российской нефти в настоящее время добывается в Западной Сибири, в удалении от основных потребителей нефти и нефтепродуктов. Конкурентоспособность российской нефтяной промышленности во многом зависит от эффективности доставки нефти и продуктов её переработки покупателю.

Себестоимость транспортировки нефтепродуктов существенно возрастает в условиях низких температур. При снижении температуры из нефти начинает выкристаллизовываться парафин, что влечет за собой изменение структуры жидкой фазы нефти. Улучшение реологических характеристик нефти может быть достигнуто различными способами: смешением с углеводородными разбавителями, применением поверхностно-активных веществ, различных депрессаторов, полимерных добавок, растворенного газа и др. Однако наибольшее распространение получил трубопроводный транспорт нефти с предварительным подогревом, впервые предложенный Шуховым В.Г. В настоящее время для подогрева применяются паровые или огневые подогреватели, однако они во многом не отвечают технологическим и эксплуатационным требованиям. В связи с этим востребованным становится внедрение и использование индукционных установок косвенного подогрева нефти, которые позволяют повысить экономическую эффективность, надежность работы систем транспортировки и улучшить экологическую обстановку.





Нагрев нефти осуществляется за счёт конвективного теплообмена с учётом технологических ограничений на предельно допустимую температуру по всей длине стенок нагревателя, поддержание которой может быть реализовано при помощи специализированных систем автоматического управления. Таким образом, актуальной является разработка методики синтеза и анализа распределенных систем автоматического управления индукционными установками косвенного нагрева нефти, что невозможно без построения адекватных математических моделей теплообменных процессов нагревателя, учитывающих пространственную распределённость температурных полей стенки нагревателя и потока нефти.

Целью диссертационной работы является решение научно-технической задачи по разработке модели, методов исследования, синтеза алгоритмов и систем автоматического управления процессом косвенного индукционного нагрева потока нефти в установках трубопроводного транспорта.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

  1. Разработка ориентированной на синтез систем автоматического управления математической модели и структурных схем, описывающих взаимное влияние температурных полей стенки нагревателя и движущегося потока нефти.
  2. Разработка методики численно-аналитического моделирования систем с распределёнными параметрами рассматриваемого класса в компьютерных пакетах моделирования динамических сосредоточенных систем. Создание и исследование численно-аналитической модели процесса теплообмена между стенкой и потоком нефти в многосекционном индукционном нагревателе.
  3. Обоснование и выработка на основе конечно-элементного моделирования рекомендаций по выбору конфигурации многосекционной индукционной установки, обеспечивающей требуемый технологический режим транспортировки нефтепродуктов.
  4. Синтез и анализ системы модального управления температурным полем стенки многосекционного индукционного нагревателя с учётом ограничений на пространственную конфигурацию распределённого управляющего воздействия.
  5. Разработка специализированного программного обеспечения, реализация компьютерной модели системы модального управления температурным распределением стенки многосекционного индукционного нагревателя с учётом распределённого возмущающего воздействия со стороны потока нефти.

Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с помощью теории теплопроводности, теории автоматического управления, структурной теории распределенных систем, аппарата преобразования Лапласа, методов математического анализа, методов численного и компьютерного моделирования.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

– проблемно-ориентированная на задачи управления математическая модель процесса индукционного нагрева нефти в установках трубопроводного транспорта, отличающаяся учётом взаимного влияния температурных полей стенки нагревателя и потока нефти, что обеспечивает требуемую точность их описания для построения высококачественной системы автоматического регулирования;

– структурное представление аналитических моделей процессов нагрева движущихся сред, описываемых системой дифференциальных уравнений теплопроводности в частных производных, в виде системы передаточных функций распределённых блоков с сосредоточенными входными воздействиями и выходными величинами, отличающееся использованием пространственной аппроксимации распределённых сигналов в форме разложения в ортонормированный базис или в форме полиномиальной зависимости, что позволяет получить обоснованные решения задачи синтеза системы автоматического управления;

– система модального управления многосекционным индукционным нагревателем нефти, отличающаяся учётом конструкционных ограничений на конфигурацию распределённого управляющего воздействия при формировании сосредоточенных управлений мощностью каждой из секций, что обеспечивает техническую реализуемость предлагаемых методов проектирования систем автоматического регулирования.

Практическая полезность работы. В рамках выполнения диссертационной работы получены следующие практически значимые результаты:

– разработана инженерная методика создания численно-аналитических моделей управляемых процессов подогрева нефти, на базе пространственной аппроксимации распределённых сигналов;

– разработано специальное математическое и программное обеспечение для моделирования и анализа теплообменных аппаратов, как объектов управления с распределёнными параметрами, описываемых системой уравнений теплопроводности в частных производных в одномерной системе координат;

– разработано специальное математическое, алгоритмическое и программное обеспечение для моделирования, анализа и синтеза алгоритмов управления индукционными установками косвенного нагрева нефти, которое может быть непосредственно использовано для решения конкретных задач автоматизации установок трубопроводного транспорта;

– предложена инженерная методика определения физических параметров процесса теплообмена в проточном нагревателе, а также конструктивных параметров индукционной установки косвенного нагрева нефти;

– обоснована целесообразность практического использования разработанных моделей и методов построения систем автоматического управления исследуемыми технологическими процессами.

Результаты работы использованы в проектных разработках перспективных систем управления индукционными установками косвенного нагрева нефти в ОАО «Татнефть», ОАО «Саратовский НПЗ», ОАО «Саратовнефтегаз», ОАО «КНПЗ» и в учебном процессе при подготовке в СамГТУ инженеров по специальности «Управление и информатика в технических системах» и магистров по направлению «Управление в технических системах».

На программное обеспечение для моделирования и анализа пространственно распределённых процессов теплообмена, разработанное в рамках выполнения работы, получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012611864 от 17.02.2012 «Система моделирования теплообменных аппаратов».

Реализация результатов исследований. Полученные в работе теоретические положения и практические результаты использованы:

– при выполнении НИР по проекту Российского Фонда Фундаментальных Исследований «Разработка методов структурного моделирования объектов и систем управления с распределёнными параметрами на базе аппроксимации пространственного распределения информационных сигналов» (проект 10-08-00754-а);

– при выполнении НИР «Создание энергосберегающих систем потребления электроэнергии мощными промышленными установками для индукционного нагрева металла перед обработкой давлением», в рамках Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (гос. контракт № П231 от 23.07.2009);

– при выполнении фундаментальной НИР «Теория и приложения аналитических методов синтеза агрегированных систем управления техническими объектами с распределенными параметрами», проводимой в СамГТУ по заданию Минобрнауки РФ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации» (Саратов, 2009), Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы управления и автоматизации технологических процессов и производств» (Уфа, 2010), Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2010), VII Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2010), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2010» (Одесса, 2010), VIII Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2011).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, из них 4 публикации в издании из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 136 страницах машинописного текста; содержит 57 рисунков и 2 таблицы, список использованных источников, включающий 102 наименования, 4 приложения.

Основные положения, выносимые на защиту:

– проблемно-ориентированная на задачи управления математическая модель индукционной установки косвенного нагрева потока нефти;

– методика реализации численно-аналитических моделей процессов нестационарной теплопроводности, протекающих в индукционных установках косвенного нагрева потока нефти, в пакетах компьютерного моделирования сосредоточенных динамических систем;

– структурное представление модели пространственно-распределённых процессов теплообмена в установке косвенного индукционного нагрева потока нефти;

– методика синтеза и моделирования системы модального управления многосекционной установкой косвенного индукционного нагрева потока нефти;

– результаты численного моделирования объектов и систем автоматического управления температурным полем стенки многосекционной установки косвенного индукционного нагрева потока нефти.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи работы, кратко характеризуются научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведён обзор существующих технологий нагрева нефти в установках трубопроводного транспорта. Анализ используемых в настоящее время установок и способов подогрева нефти показал, что существующие методы нагрева не всегда обеспечивают возросшие требования к экономической эффективности, точности и быстродействию систем.

Проведён анализ работ посвященных вопросам численного и аналитического моделирования электромагнитных, гидродинамических и температурных полей при индукционном нагреве вязких неэлектропроводных жидкостей. Приводится описание предлагаемой конструкции индукционной установки по подогреву нефти.

Обзор современных методов математического моделирования процессов теплообмена показал, что в случае отсутствия точного аналитического решения краевых задач, описывающих поведение объекта управления, эффективным способом получения решения выступают методы численно-аналитического моделирования.

Проведенный анализ литературных источников, посвященных проблеме синтеза систем управления объектов с распределёнными параметрами показал, что наиболее эффективным подходом при решении задач поддержания температурного распределения на заданном уровне, является применение модального регулятора, обеспечивающего независимое управление отдельными модами объекта.

Вторая глава посвящена математическому моделированию температурных полей стенки многосекционного индукционного нагревателя (ИН) и потока нефти.

С учётом принятых допущений процесс теплообмена между стенкой нагревателя и потоком нефти может быть представлен системой дифференциальных уравнений в частных производных:

, (1)

, (2)

, , .

С начальными и граничными условиями:

; ; (3)

; ; , (4)

где Tst (x,t) – распределение температуры стенки трубы по длине нагревателя; Tfl (x,t) – распределение температуры потока нефти по длине нагревателя; – температуропроводность материала (сталь); , – теплопроводность и удельная теплоёмкость материала стенки (сталь); – плотность материала стенки (сталь); F(x,t) – удельная мощность внутреннего тепловыделения; v –скорость потока; st, fl – приведённые коэффициенты конвективного теплообмена стенки с потоком и потока со стенкой, соответственно; L – длина теплообменника.

Структурная теория распределённых систем позволяет представить изображение температурного распределения объекта в форме интеграла по пространственной области D от произведения передаточной функции объекта и стандартизирующей функции , учитывающей неоднородные начальные и граничные условия, свободный член уравнения.

. (5)

Распределённая передаточная функция стенки нагревателя имеет вид:

, (6)

где – собственные функции решения задачи (1) с граничными условиями второго рода:

. (7)

Распределённая передаточная функция температуры потока нефти:

, (8)

где

Взаимное влияние температурных полей стенки и потока жидкости, неоднородные начальные и граничные условия учитываются с помощью стандартизирующих функций:

, (9) . (10)

Согласно структурной теории распределённых систем, математическая модель объекта, описываемая уравнениями (1)–(4) с учётом (6), (8)–(10), может быть представлена в виде структурной схемы (рис. 1).

  Структурная схема ИН потока-25

Рисунок 1 – Структурная схема ИН потока нефти

как объекта с распределёнными параметрами

Распределение теплоисточников определяется мощностью индуктора. Конструкция многосекционного индукционного нагревателя накладывает определённые ограничения на пространственную конфигурацию распределения мощности теплоисточников. Установка состоит из нескольких секций нагрева, число которых определяется техническими требованиями конкретной задачи. Каждая секция нагрева формирует теплоисточники на участке с удельной мощностью, определяемой сосредоточенным сигналом , , поэтому задается в виде:

. (11)

Величина определяется величиной напряжения на j-той секции индуктора.

С учётом обозначения , можем записать для стандартизирующей функции стенки:

. (12)



Pages:   || 2 | 3 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.