На правах рукописи

КРИВЦОВ Павел Юрьевич

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ПЕРЕРАБОТКИ

НАТРИЕВОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ.

Специальность 05.13.06

Автоматизация и управление технологическими процессами

и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск – 2013 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Павлов Вадим Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизации обработки информации»

Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники Замятин Николай Владимирович доктор технических наук, старший эксперт ООО «Тюменский научный центр»

Костюченко Сергей Владимирович

Ведущая организация – Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А.Бочвара. (г. Москва)

Защита состоится «12» декабря 2013 года в 15 час. 15 мин. На заседании диссертационного совета Д 212.268.02 Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) по адресу: 6344050, г.Томск, пр. Ленина, д.40, ауд. 203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТУСУРа по адресу:

634050, г. Томск, ул. Вершинина, д. 74.

Автореферат разослан «08» ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Р.В. Мещеряков

Общая характеристика работы

.

Актуальность работы. Развитие ядерной энергетики как одной из перспективных отраслей производства тепловой и электрической энергии непосредственно связанно с решением комплекса задач, решение которых направлено на повышение эффективности и безопасности энергетических объектов, утилизации, переработки и захоронению ядерных отходов. Утилизация, переработка и захоронение ядерных отходов приобретает в настоящее время более актуальных характер, так как число атомных энергетических объектов неуклонно возрастает, а ранее введенные в эксплуатацию объекты подобного класса требуют реконструкции или модернизации, или полного вывода из эксплуатации с последующей консервацией.

Эта ситуация в полной мере имеет отношение и к Республике Казахстан на территории которой расположен энергетический атомный реактор БН-350, представляющий собой реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем. Учитывая тот факт, что реактор БН-350 выработал свой ресурс и то, что Казахстан принял на себя международные обязательства о нераспространении ядерного оружия и его компонентов, вывод реактора БН-350 из эксплуатации становится актуальной задачей. Начатая в Республики Казахстан совместная американо-казахстанская программа по выводу реактора БН-350 из эксплуатации, затрагивает широкий комплекс проблем, которые необходимо решать в процессе ее реализации. Одной из задач программы является переработка и захоронение натрия, который в реакторе использовался в качестве теплоносителя.

Принимая во внимание специфические физико-химические свойства натрия и характер его использования, к технологическому процессу утилизации предъявляются особые требования безопасности.

Разработка и реализация технологических процессов различного назначения сопряжена с решением ряда технических задач, связанных с необходимостью отработки, отладки технологического процесса, разработкой алгоритмов управления, сбора, обработки и представления технологической информации, отладки и апробации операционных схем функционирования технологического процесса. Зачастую решение такой комплексной задачи при использовании реального технологического оборудования является достаточно дорогостоящим и небезопасным делом, так например рассмотренный в работе технологический процесс переработки натрия относится к взрыво - и пожароопасной категории работ и имеет вредные факторы, влияющие на здоровье персонала и состояние окружающей среды.

При разработке системы управления технологическим процессом, особенно в случае автоматизации нового производственного процесса, наиболее актуальным является вопрос изучения поведения элементов системы в различных ситуациях и анализ реакции системы на управляющие воздействия.

В настоящее время решить этот комплекс задач возможно только при использовании современных методов проектирования систем управления технологическими процессами и применении методов компьютерного имитационного моделирования. Имитационное моделирование позволяет обеспечить оптимальное решение поставленных задач и существенно сократить сроки внедрения системы. Такой подход наиболее эффективен там, где натурные испытания и исследования связанные с отработкой технологии, отладкой систем автоматизированного управления технологическими процессами, имеют высокую стоимость или опасны в реализации.

Основной целью данной работы является разработка автоматизированной системы управления процессом переработки радиоактивного натриевого теплоносителя и проведение испытаний системы управления без использования реального технологического оборудования.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Анализ используемых технологий утилизации натриевого теплоносителя и исследование установки по переработке натрия как объекта автоматизации;

2. Подготовка математического описания и реализация модели химического реактора установки по переработке натрия;

3. Синтез алгоритмов работы технологических подсистем и структурно функциональное проектирование системы управления;

4. Аппаратная и программная реализация системы управления;

5. Разработка полунатурного имитационного комплекса установки по переработке натрия;

6. Проведение комплексных модельных исследований системы управления на имитационном комплексе;

7. Разработка программного тренажера предназначенного для обучения операторов установки.

Научная новизна. Выделены следующие основные научные достижения работы:

1. Впервые разработаны, отлажены на имитационном комплексе и внедрены алгоритмы управления технологическими параметрами всех подсистем установки по переработке натриевого теплоносителя, позволяющие осуществлять непрерывное управление процессом на всех режимах работы установки.

2. Определены структура, состав и метод реализации программно технического комплекса системы управления. Отличительной особенностью системы управления является оценка действий оператора и формирование информационных, запрещающих и аварийных сообщений, что позволяет минимизировать влияние ошибок персонала на управление процессом.

3. Впервые разработан и реализован полунатурный имитационный комплекс установки по переработке натрия, отличительной особенностью которого является учет свойств используемых конструкционных материалов и рабочих сред установки, а также специфики и рабочих характеристик запорной и регулирующей арматуры, насосов, нагревателей и датчиков. Имитационный комплекс позволяет провести отработку технологии, выполнить отладку системы автоматизированного управления, провести обучение оперативно персонала установки методам управления технологическим процессом.

Практическая ценность. Представленная в работе система управления смонтирована на установке по переработке натрия (УПН) и прошла испытания на имитационном комплексе, автономную и комплексную отладку в составе технологического оборудования установки. На УПН проведены пусконаладочные работы, которые подтвердили работоспособность системы управления и позволили оценить правильность выбора технических решений, устойчивость контуров автоматического регулирования в рабочих диапазонах изменения регулируемых параметров. Программное обеспечение имитационного комплекса доработано для использования в качестве тренажера и используется на УПН для обучения персонала принципам работы установки, отработки регламентных работ и аварийных ситуаций.

Практическая значимость работы подтверждается использованием результатов диссертации в гранте ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 г.» соглашение 14.В37.21.0457.

Апробация результатов работы и публикации.

Основные положение и результаты диссертационной работы докладывались на конференциях-конкурсах НИОКР молодых ученых и специалистов РГП НЯЦ РК (Курчатов 2006г, 2011 г.), международной конференции «Актуальные вопросы мирного использования атомной энергии» (Алматы, 2012 г.) научных семинарах и рабочих совещаниях (Актау, МАЭК, 2004-2011 гг., Айдахо Фоллс, Аргонская национальная лаборатория, 2004 г., 2011г.).

Результаты диссертации опубликованы в научно-технических изданиях из перечня ВАК Российской Федерации и Республики Казахстан, вошли в состав монографии «Обращение с натриевым теплоносителем реактора на быстрых нейтронах» изданной на английском и русском языках. Отдельные результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в научно технических отчетах, техническом и рабочем проекте на установку по переработке натрия, технологическом регламенте и методиках подготовки оперативного персонала установки.

По теме диссертации опубликовано 10 работ в печатных изданиях и сделано 11 докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 151 страницах машинописного текста, иллюстрируется 61 рисунком и 14 таблицами. Состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 90 наименований и 5 приложений.

Основные научные положения, представляемые к защите.

На защиту выносятся:

1. Алгоритмы управления технологическими подсистемами установки, включая общий алгоритм, обеспечивающие непрерывное управление технологическим процессом во всех режимах работы установки.

2. Структура, состав и методы реализации всех уровней системы управления, включая программные компоненты для оценки действий оператора установки.

3. Математическая модель технологического процесса, лежащая в основе модельного комплекса и программного тренажера, описывающая взаимодействие подсистем установки на уровне обмена рабочими средами.

Содержание работы Глава 1. В данной главе рассматривается ряд аспектов, связанных с используемыми технологиями переработки натрия. Особое внимание уделено изучению жидкофазной технологии переработки натрия, разработке модели технологического процесса и проведению количественной оценки входных и выходных потоков химического реактора.

В настоящее время наиболее широкое распространение в промышленном применении получил жидкофазный способ, в котором радиоактивный натрий перерабатывается в концентрированный щелочной раствор – гидроксид натрия.

Способ разработан для переработки натриевого теплоносителя реактора EBR-II и апробирован специалистами Argonne National Laboratory – West (ANL-W, США). Данный способ позволяет получить конечный продукт переработки с минимальным увеличением объема по сравнению с исходным объемом натриевого теплоносителя, а также, максимально компенсировать выделяющуюся теплоту реакции за счет теплоты испарения влаги с поверхности кипящего раствора.

Принцип работы установки по переработке натрия (УПН) заключается в осуществлении реакции натрия с водой в концентрированном растворе гидроксида в химическом реакторе. Схема УПН представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема установки по переработке натрия Цифрами на рисунке обозначены: 1 - трубопроводы подачи натрия от БНсуточный расходный бак; 3 – трубопроводы подачи азота в суточные расходные баки; 4 - трубопроводы подачи натрия в химический реактор; 5 – фильтр для натрия; 6 – подача азота в кольцевую полость форсунки; 7 – химический реактор; 8 – рециркуляционный трубопровод; 9 – оборудование системы спецвентиляции; 10 – сброс газов реактора; 11 – теплообменник; 12 – бак технологической воды; 13 – насосы подачи технологической воды; 14 – подача воды для разбавления гидроксида натрия; 15 – емкость разбавления; 16 – перекачивающий насос; 17 – циркуляционный насос; 18 – емкость хранения; 19 – подача азота для продувки сопла форсунки; 20-подача пара Для изучения и анализа процессов, протекающих в процессе переработки натриевого теплоносителя, получения количественных характеристик входных и выходных потоков, автором работы сформировано математическое описание основного компонента УПН – химического реактора.

В реакторе происходят взаимодействие натрия с водой с образованием гидроксида натрия и водорода, а также растворение гидроксида натрия в воде.

Обе реакции экзотермические. Уравнение реакции записывается следующим образом:

где n – количество молей вещества; Mr – молярная масса; m – масса; H – энтальпия образования.

Структурное представление входных и выходных потоков химического реактора установки по переработке натрия приведено на рисунке 2.

Для построения модели проведен расчёт массового баланса входящих и выходящих из реактора веществ. Расчёт массовых соотношений производится согласно закону сохранения масс: общая получающихся в реакции продуктов. Из- Вода менение общей массы раствора в реакторе зависит от входящих потоков натрия и воды, образующегося водорода, пара и Рисунок 2 – Потоки реагентов и отвода готового раствора из реактора и продуктов химической реакции определяется следующим выражением:

где m – масса раствора в реакторе, кг; t – время, с; G – массовый поток, кг/с; Sol – раствор; Steam – пар.

Формула выходного массового потока водорода получена из соотношений химической реакции и выражает выход водорода пропорциональный прореагировавшему количеству натрия:

Формула скорости изменения массы гидроксида натрия в реакторе получается при условии мгновенного реагирования натрия из соотношений химической реакции и учитывает образование гидроксида в результате реакции, а также отток гидроксида с выходным потоком раствора из реактора:

где W – массовая доля гидроксида в растворе.

Изменение массы воды в реакторе зависит от количества поступающей в реактор воды, её расхода на реакцию, парообразование и на отвод воды с готовым раствором:

Для расчёта массы образующегося в реакторе пара, составлено уравнение энергетического баланса:

где h – удельная энтальпия; HR+S – энтальпия тепловыделения реакции и растворения гидроксида.

Для составления уравнений, описывающих материальный баланс в химическом реакторе, определены зависимости плотности компонентов и продуктов реакции от температуры. Для энергетического баланса заданы зависимости энтальпии компонентов от температуры. При этом, для получения зависимости плотности раствора щелочи от концентрации и температуры проведена аппроксимация табличных значений по двум переменным (рисунок 3). Ввиду отсутствия доступной информации о физических свойствах щелочи при температурах выше 100 С, требуемые зависимости определены экстраполяцией (рисунок 4).

Dencity, kg/m На основе полученных выражений проведен синтез модели химического реактора в приложении имитационного моделирования Simulink инженерного математического пакета Matlab.

При помощи математической модели химического реактора проведены модельные исследования, основной задачей которых является получение количественной оценки входных и выходных потоков натрия, воды, щелочи, пара и водорода при различных начальных условиях.

Определено, что начальная масса раствора (рисунок 5) значительно влияет на скорость процессов протекающих в химическом реакторе. Поэтому для обеспечения плав- тора, необходимо заполнить его емкость максимально возможным объемом щелочи. С учетом кон- структивных особенностей хими- ческого реактора начальная масса раствора составляет 815 кг.

центрации раствора на режим запуска и дальнейшей работы уста- Рисунок 5 – Температура раствора в реакновки можно сформулировать торе при различных начальных значениях следующим образом: чем меньше массы, начальная масса раствора, кг: 1) разница между начальной и ра- 100; 2) 1000; 3) бочей концентрацией, тем меньше динамика переходных процессов. Тем не менее, по результатам модельных исследований определено, что существует возможность запуска установки с нулевой концентрации (рисунок 6). Однако для уменьшения нагрузки на фильтры системы отходящих газов, составляет 50%.

намической системы на ступен- потоков показали, что выходной поток раствора из реактора влия- не влияет на остальные технолоРисунок 6 – Выход химического реактора гические параметры. Незначина уровень 50 % концентрации. 1) поток тельные изменения входных попара; 2) температура раствора; 3) масса токов натрия и воды не приводят к значительным изменениям состояния системы. Но, в некоторых случаях возникают переходные процессы с обильным парообразованием, что может привести к заметному росту давления в ёмкости реактора.

При сравнении результатов полученных на модели химического реактора с количественными характеристиками материальных потоков УПН Аргоннской национальной лаборатории (США) получена оценка достоверности моделирования. Погрешность моделирования составляет не более 10%.

Глава 2. Основное содержание данной главы посвящено анализу УПН как объекта управления и структурно-функциональному проектированию автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП).

Представлен общий алгоритм управления УПН, определены основные функции системы управления и контуры регулирования технологических параметров в привязке к текущему режиму работы установки.

Под объектом автоматизации понимается технологическая часть УПН, к которой относятся элементы и конструкции основного и вспомогательного технологического оборудования установки, непосредственно или косвенно задействованного в реализации процесса переработки натрия. Структура технологической части УПН как объекта автоматизации имеет вид, представленный на рисунке 7. Разделение УПН на технологические системы (подсистемы) по функциональному признаку носит относительный и условный характер и выполнено с целью упрощения описания функций автоматизации.

Основными технологическими параметрами, подлежащими измерению и управлению, являются:

температура элементов и конструкций УПН;

давление в емкостях и трубопроводах технологических систем;

расход натрия/щелочи/воды;

уровень натрия/щелочи/воды в емкости;

концентрация щелочи.

При структурно-функциональном проектировании АСУТП УПН предусматривается расширенная функциональность системы управления. Помимо традиционных функций, таких как измерение, дистанционное управление арматурой, технологическими защитами, автоматическим Рисунок 7 – Структура технологической части УПН регулированием, решаются задачи логического функционально - группового управления УПН и информационно - вычислительные функции, оказывающие помощь обслуживающему персоналу в управлении технологическим процессом. Так, например, для поддержания рабочей температуры трубопроводов и емкостей натриевой и щелочной систем, все оборудование электрического нагрева разделено на тепловых зон. Каждая тепловая зона оборудована датчиком температуры, тиристорным регулятором мощности, кабельными или пластинчатыми нагревательными элементами. Структурная схема контура управления представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 – Структурная схема контура регулирования температуры.

ur(t)– значение сигнала уставки (задания); e(t)– значение ошибки ( величина рассогласования); uy(t)– сигнал управления; uнэ(t) – напряжение на нагревательном элементе; ut(t)– сигнала с датчика температуры.

При этом в процессе разогрева натриевой системы после планового или аварийного остановов, необходимо реализовать следующие требования нормативных документов:

разогрев трубопроводов и оборудования с натрием вести последовательным включением тепловых зон от свободного объема.

разогрев основных трубопроводов, суточных расходных баков (СРБ), вести со скоростью 10 °С/час с выдержкой 4 часа через каждые 50°С.

допустимый перепад температур между соседними тепловыми зонами трубопроводов, заполненных натрием должен быть не более 50°С.

разогрев СРБ вести от газовой «подушки» со скоростью 10 °С/час с выдержкой 4 часа через каждые 50°С.

Сводные данные по средствам измерения и исполнительным элементам управления УПН представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Средства измерения и исполнительные элементы УПН TE – датчик температуры, PE – датчик давления, FE – расходомер, LАE/LE – аналоговый/дискретный датчик уровня, NE – датчик протечек, CV/SVE/SVH – регулирующий/запорный/ручной вентиль, CP – насос, PCR – тиристорный регулятор мощности.

Определение режимов работы установки формируется на основе анализа технологии переработки и конфигурации технологической части различных подсистем УПН. Выделены следующие основные режимы работы: запуск технологического процесса, режим эксплуатации, останов технологического процесса, аварийный останов УПН.

На основе анализа требований к системе управления при различных режимах работы УПН, разработан общий алгоритм управления технологическим процессом. Каждый функциональный блок общего алгоритма управления представляет собой законченный алгоритм регулирования отдельного технологического параметра и определяет логику воздействия на исполнительные элементы нижнего уровня системы управления.

Глава 3. Данная глава посвящена вопросам программной и аппаратной реализации АСУ ТП УПН. Дано описание структуры системы управления, показан состав средств измерений и исполнительных элементов, контроллерного оборудования, программного обеспечения. Особое внимание в главе уделено реализации человеко-машинного интерфейса, компонентам анализа событий и формирования информационных, предупреждающих и аварийных сообщений оператору установки. Представлена структура программного комплекса, реализующего функции накопления информации о процессе и обеспечивающего возможность просмотра архивных данных.

ритмами управления технолои документирования конфигурирования гическим процессом, а также в соответствии с техническими требованиями, была выполнена

ВЕРХНИЙ УРОВЕНЬ АСУТП

разработка АСУ ТП УПН, в

FLT FLT CAL CAL

O O O O O O O O O

POWER K K K K K K K K K

FLT FLT

QUALITY

ния (рисунок 9).

OK PRI COM OK

BAT OK AT

REM PROG

OK PRI COM OK

REM PROG

мы управления имеет ряд пре- УРОВЕНЬ КОНТРОЛЛЕРОВ имуществ, одним из которых является формализация структурно - функционального содержания уровней системы при сохранении взаимосвязей между НИЖНИЙ УРОВЕНЬ ними.

При описании нижнего Рисунок 9 – Структурная схема АСУТП уровня АСУ ТП, содержащего средства измерения технологических параметров и исполнительных элементов, особое внимание было уделено вопросу измерения уровня заполнения химического реактора (ХР) в режимах запуска и переработки натрия. Ограничения на использование методов измерения уровня в реакторе накладывают как конструкционные особенности ХР, так и процессы бурного газообразования (пар, водород) при кипении щелочи, образование на поверхности раствора пены. Анализ характеристик рабочей среды и конструктивного исполнения реактора, позволил составить систему уравнений, решение которой дает возможность определить уровень заполнения ХР как на этапе подготовки установки к запуску, так и в режиме переработки натрия.

В главе 3 также приведено обоснование и выполнен выбор технических и программных средств АСУ ТП, приведены краткие технические характеристики выбранного оборудования. В качестве основного ДАВЛЕНИЕ ЗАСТАВКА

ТЕМПЕРАТУРА ЭЛЕКТ. РАСХОД

НАГРЕВАТЕЛИ СОБЫТИЯ

ПРОГРАММА

Продукция этой фирмы от- УСТАВКИ

ЩЕЛОЧЬ

АЗОТ ЩЕЛОЧЬ НАТРИЙ ВОДА ТЕХ. ВОДА

ЕМКОСТЬ ЕМКОСТЬ ЛИНИИ РАСХОДНЫЕ

ХРАНЕНИЯ РАЗБАВЛЕНИЯ ПОДАЧИ БАКИ

эксплуатации.

РЕАКТОР

Программное обеспеРисунок 10Мнемосхемы технологических систем ровано с техническими средствами и имеет обширную библиотеку стандартных и оборудованием функциональных (специализированных) модулей, эффективные и удобные средства разработки и отладки прикладного программного обеспечения.

Одним из важных элементов АСУ ТП УПН является прикладное программное обеспечение. В работе рассмотрена общая структурная схема и состав ПО АСУ ТП УПН, дано определение правил формирования графического интерфейса оператора, представлена структура технологических экранов пульта управления процессом (рисунок 10).

плекса регистрации и просмотра архивных данБД 11), который состоит из ответственной за хранение данных;

утилиты “Конвертер архива данных” (AD Converter), предназначенной для формирования архива данных;

утилиты “Обработчик архивных данных” (AD Handler), предоставляющей архивные данные пользователю.

Глава 4. Глава содержит результаты создания математической модели технологического процесса лежащей в основе полунатурного имитационного комплекса, использованного для разработки и испытаний системы управления.

Представлено описание математического аппарата, аппаратной и программной реализации имитационного комплекса, а также результаты испытаний системы управления. Показана возможность использования имитационного комплекса в качестве тренажера для обучения персонала установки методам управления технологическим процессом.

Одним из современных методов изучения и исследования поведения динамических систем или физических процессов является имитационное (компьютерное) моделирование, основу которого составляет математическое описание моделируемого объекта или динамической системы.

Концепция создания модели УПН заключается в представлении технологического процесса переработки натрия, в виде моделей систем, которые, непосредственно, участвуют в процессе переработки натрия. Определено взаимодействие подсистем на уровне обмена рабочими средами: азотом, натрием, водой, щелочью и газовой смесью.

Основное назначение модельного комплекса – имитация изменения технологических параметров основных систем УПН при формировании управляющих воздействий со стороны системы управления.

Для удобства разработки, тестирования и отладки, программное обеспечение, реализующее модель технологического процесса, иерархически структурировано. Все структурные элементы программы реализуют либо модели технологического оборудования УПН, либо – физического процесса. Структура программы приведена на рисунке 12.

Подсистема имитации строится на основе математического описания, отражающего основные характеристики объекта и процесса. Для УПН моделируются:

химическая реакция натрия с водой в растворе гидроксида гидродинамические процессы течения жидкостей, изменение уровня;

термодинамические процессы нагрева оборудования и рабочих сред;

термодинамические процессы в теплообменниках;

изменение объема газов и жидкостей при изменении температуры и плотности;

потоки газов с учетом конфигурации оборудования и физических параметров.

При реализации математического описания УПН учитывалась конфигурация и состав оборудования, свойства материалов и рабочих сред, природа протекающих процессов и их взаимосвязь. В главе 4 рассмотрены основные уравнения, выражающие характер изменения технологических параметров во времени.

ВВОД ВЫВОД

СИГНАЛОВ СИГНАЛОВ

СИСТЕМА

ПОДАЧИ AO

ЩЕЛОЧНАЯ

ПОДАЧИ

СИСТЕМА

СИСТЕМА СИСТЕМА

ПОДАЧИ ОХЛАЖДЕ

ВОДЫ НИЯ

Рисунок 12 – Структурная схема программного обеспечения модели УПН: 1.1–1.5 сигналы управления; 2.1–2.5 моделируемые сигналы; 3.1 – время таймера; DI – модули дискретного ввода; DO – модули дискретного вывода; AI – модули аналогового ввода; AO – модули аналогового вывода В случае, когда необходимо моделировать изменение уровня жидкости в емкости, используется выражение:

где Ai – площадь днища моделируемой емкости, м2; Li(t) – уровень жидкости (натрий, вода или гидроксид натрия), м/c; FVin_i(t), FVout_i(t) – объемный входной/выходной расход жидкости в емкость, м3/с.

Выходной расход жидкости моделируется при помощи следующего выражения:

где ap – площадь поперечного сечения трубы, м2; g – ускорение свободного падения, м/с2; i – плотность жидкости, кг/м3; Pi(t) – перепад давления на линии подачи жидкости, Па/с; t – время, с.

При моделировании выхода газа из емкости используется выражение:

где Fgm(t) – выходной расход газовой смеси, кг/с; Pgm(t) – давление газовой смеси в моделируемой емкости, Па/c; Pgm_out(t) – давление на последующем элементе, Па/с; k – общий коэффициент гидравлического сопротивления, 1/м4; Rgm – газовая постоянная смеси, Дж/(кг·К); Tgm(t) – температура газовой смеси, К/с.

Уравнения материального баланса газовой смеси представляет собой выражение:

где Vgm(t) – объем газовой смеси, м3/с; Fgin_i(t) – массовый входной расход газа (водород, азот или водяной пар), кг/с; Mgm(t) – масса газовой смеси в моделируемой емкости, кг.

Тепловой баланс газовой смеси описывается как:

где Cgm – теплоемкость газовой смеси, Дж/кг К; Qgm_in(t) – количество энергии, вносимой газами в моделируемую емкость, Дж/с.

Для всех подсистем УПН моделируется состояние запорной и регулирующей арматуры, а также показания датчиков температуры, давления, расхода.

Модели исполнительных элементов представляют собой нормировочные логические выражения, которые в зависимости от сигнала управления возвращают текущее состояние устройства. Так для модели запорного клапана используется выражение:

где Umin и Umax – минимальное и максимальное напряжения на клапане; DVi – коэффициент, характеризующий состояния запорного клапана.

Состояние регулирующего клапана определяется как:

где Imin и Imax – минимальный и максимальный токовые сигналы; CVi – коэффициент, характеризующий состояния регулируемого клапана; Ic – токовый управляющий сигнал.

Датчики температуры, давления и расходомеры описываются с помощью выражения вида:

где hmin и hmax – нижний/верхний пределы измерения; x – измеряемый параметр;

Ii – выходной токовый сигнал.

В результате испытаний системы управления на имитационном комплексе, проведена оценка следующих функциональных характеристик системы управления:

измерение, регистрация и отображение измеряемых технологических параметров, таких как температура, давление, расход, уровень, концентрация;

оперативный контроль, обеспечение цветовой индикации и звуковой сигнализации отклонений технологических параметров относительно заданных значений (уставок);

контроль положения и состояния запорной арматуры, мощности выделяемой на электрических нагревателях;

управление исполнительными устройствами (задвижка, клапан, насос, регулятор мощности нагревателя) в соответствии с заданным алгоритмом управления;

Рисунок 13 – Контур управления уровнем в химическом реакторе 1) давление в нижней части реактора; 2) расход воды; 3) давление в верхней части реактора; 4) расход щелочи За время существования полунатурного имитационного комплекса была проведена серия исследований, в результате которых был переработан объем «виртуального» натрия, в 2 раза превышающий его реальные запасы на БН-350.

Проведена оценка функциональных характеристик системы управления, которая полностью подтвердила правильность технических решений принятых на этапах проектирования и разработки АСУ ТП. На рисунке 13 показаны результаты работы контура управления уровнем в химическом реакторе.

После комплексных испытаний, оборудование АСУ ТП было передано в монтаж на УПН в г. Актау, где на этапах пусконаладки и опытной эксплуатации проведена проверка реализации функций управления, регулирования и контроля. Получено подтверждение адекватности полученных модельных и расчетных характеристик объекта управления и принятых технических решений на практических задачах дистанционного управления исполнительными элементами во всех режимах работы установки. Обеспечен требуемый температурный режим элементов конструкции, проведена проверка контуров управления концентрацией, потоком, уровнем заполнения и давлением компонентов химической реакции.

Для решения задач обучения персонала УПН методам управления технологическим процессом, полунатурный имитационный комплекс был преобразован в программный тренажер, рисунок 14. Для этого в состав программного комплекса введены среда моделирования LabView 7.0 с математической моделью технологического процесса и эмулятор контроллера RSEmulator реализующий алгоритмы управления. Информационный обмен между средой моделирования, SCADA системой и эмулятором контроллера реализован посредством OPC-сервера RSLinx.

технологических данных Разработанный в результате работы программный тренажер обеспечивает:

выработку навыков безопасного и эффективного управления в пусковых, переходных и стационарных режимах;

обучение операторов своевременному обнаружению и устранению отклонений в ходе технологического процесса;

проведение компьютерных экспериментов для исследования различных условий работы оборудования, в том числе критических режимов и аварийных ситуаций;

ведение архива действий операторов;

объективный контроль уровня знаний операторов.

Основные результаты работы и выводы В результате выполненной работы решен важный вопрос создания и отладки системы автоматизированного управления технологическим процессом переработки натриевого теплоносителя. Применение в данной работе современных методов проектирования систем управления и методов компьютерного имитационного моделирования, позволило обеспечить оптимальное решение задач связанных с необходимостью отработки технологии переработки, разработкой алгоритмов управления, сбора, обработки и представления технологической информации, отладки и апробации операционных схем функционирования технологического процесса.

Полученные результаты позволяют расширить круг унифицированных решений для задач имитационного моделирования различных технологических процессов, разработки систем управления, создания компьютерных тренажеров и эффективного повышения квалификации персонала для предприятий атомной и других отраслей промышленности.

В результате проведенной работы были достигнуты следующие основные результаты:

1. Разработана математическая модель химического реактора, которая позволила получить количественную оценку материальных потоков компонентов реакции, проверить возможности запуска реактора с различной начальной массой, температурой и концентрацией раствора. Результаты, полученные при моделировании, легли в основу эскизного проекта системы управления.

2. На основе анализа процессов разработаны алгоритмы управления технологическими подсистемами во всех режимах работы установки. Разработан общий алгоритм управления, обеспечивающий непрерывное управление процессом переработки натриевого теплоносителя. На основании разработанных алгоритмов была определена структура АСУ ТП УПН.

3. Для реализации полученной структуры, выполнен выбор средств измерения, исполнительных элементов, контроллерного оборудования. Разработано прикладное программное обеспечение, реализующее функции контроля и управления процессом, регистрации и отображения архивных данных. Система управления построена на основе технических и программных средств фирмы Rockwell Automation, выпускающей оборудование для управления технологическими процессами различного назначения.

4. Для проведения испытаний системы управления разработана математическая модель установки по переработке натрия, отличительной особенностью которой является учет свойств используемых конструкционных материалов и рабочих сред установки, а также специфики и рабочих характеристик применяемой запорной и регулирующей арматуры. Определены выражения, используемые при моделировании процессов изменения давления и уровня в емкостях, расхода в трубопроводах, нагрева и охлаждения элементов конструкции установки. Составлены уравнения теплового и материального баланса для рабочих жидкостей и газов, теплопереноса и конвекционного теплообмена.

5. Проведены комплексные испытания и исследования функциональных характеристик АСУ ТП УПН как на полунатурном имитационном комплексе, так и на реальном объекте управления. Исследования, проведенные на этапе пусконаладочных работ и опытной эксплуатации УПН, подтвердили соответствие характеристик АСУ ТП заданным требованиям.

6. На основе имитационного комплекса разработан программный тренажер, используемый в целях обучения операторов установки методам эффективного управления в пусковых, переходных и стационарных режимах, обнаружению и устранению отклонений в ходе технологического процесса.

Работа завершена внедрением системы управления на действующей установке по переработке натрия, что подтверждается актом о внедрении №02-05от 13.11.2012 г.

Основная часть материалов представленных в диссертации, опубликована в следующих работах:

Статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ 1. Кривцов П.Ю., Павлов В.М. Разработка модели химического реактора установки по переработки натриевого теплоносителя // Известия Томского политехнического университета. – 2011. – № 3.

2. Кривцов П.Ю., Павлов В.М. Использование имитационного комплекса для отладки системы управления процессом переработки натрия // Известия Томского политехнического университета. – 2012. – № 5.

3. Кривцов П.Ю., Павлов В.М. Разработка системы управления технологическим процессом переработки натриевого теплоносителя // Известия Томского политехнического университета. – 2013. – № 5.

Статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК РК 1. Кривцов П.Ю., Клименко А.С., Горбаненко О.А. Разработка системы автоматизированного управления технологическим процессом переработки натриевого теплоносителя. // Вестник НЯЦ РК. – 2006. – № 2. Клименко А.С., Кривцов П.Ю. Разработка системы моделирования технологического процесса переработки натриевого теплоносителя. // Вестник НЯЦ РК. – 2006. – № 3. Кривцов П.Ю., Павлов В.М. Идентификация химического реактора установки по переработки натрия как технологического объекта управления // Журнал Вестник НЯЦ РК –2011. – Специальный выпуск. Материалы конкурса молодых ученых.

4. Кривцов П.Ю., Павлов В.М. Применение методов полунатурного имитационного моделирования для создания системы управления переработкой натрия. Тезисы докладов международной конференции «Актуальные вопросы мирного использования атомной энергии» Алматы. 2012 г.

5. Кривцов П.Ю., Павлов В.М. Применение методов полунатурного имитационного моделирования для создания системы управления переработкой натрия // Журнал Вестник НЯЦ РК. 2012.Т.51. №3.

Монографии 1. Tazhibayeva I., Herrick A. et al. Sodium Coolant Handling Project of BNFast Breeder Reactor. – Almaty: Glory Ltd., 2010. – 304 p.

2. Тажибаева И., Херрик А. и др. Обращение с натриевым теплоносителем реактора на быстрых нейтронах БН-350. – Алматы: Glory Ltd., 2010. –