АВТОМАТИЗАЦИЯ ДОЗИРОВАНИЯ ФОСФАТОВ В БАРАБАН КОТЛА С ПРИМЕНЕНИЕМ АЛГОРИТМОВ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

Кокуев Андрей Геннадиевич1, Райкова Елена Федоровна2, Антонов Олег Викторович3, Квасов Антон Владимирович4
1ФГБОУ ВО Астраханский государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Автоматика и управление»
2ФГБОУ ВО Астраханский государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Автоматика и управление»
3ФГБОУ ВО Астраханский государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматика и управление»
4ФГБОУ ВО Астраханский государственный технический университет, магистрант кафедры «Автоматика и управление»

Аннотация
Статья посвящена вопросу автоматизации процесса дозирования фосфатов в барабан котла с применением алгоритмов нечеткой логики. Такое решение дает возможность перейти с ручного на полностью автоматический режим управления работой дозирующих фосфатных насосов с нечеткой системой управления, отрабатывать принципы управления, выявлять недостатки и вносить корректировки в работу оборудования.

Ключевые слова: , , ,


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Кокуев А.Г., Райкова Е.Ф., Антонов О.В., Квасов А.В. Автоматизация дозирования фосфатов в барабан котла с применением алгоритмов нечеткой логики // Современные научные исследования и инновации. 2022. № 4 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2022/04/98069 (дата обращения: 19.06.2024).

При совершенствовании водно-химического режима паровых котлов значительную роль играет контроль дозирования реагентов в барабанный котел. На производственных объектах для контроля качества котловой воды применяются ручные методы химического контроля. Для предотвращения отложений котловую воду обрабатывают фосфатами. Принятие решений, основанных на показаниях приборов и передачи их значений в SCADA систему, осуществляется дежурным персоналом станции. Действия персонала отличаются субъективностью. Для разработки интеллектуальных систем принятия решений в автоматизированной системе управления водно-химического режима наиболее эффективным подходом является эвристический подход, включающий экспертные методы системного анализа, основанные на теории нечетких множеств, нечеткой логике, теории искусственного интеллекта, ситуационном управлении. Цифровые входные параметры и выходные воздействия преобразовывают в лингвистические переменные (например: «нормальные условия», «выход за нижнюю границу диапазона», «выход за верхнюю границу диапазона»).

В процессе парообразования на поверхностях нагрева паровых котлов наиболее вероятны отложения нерастворимых солей кальция и магния. Для уменьшения образования кальциевой накипи применяется фосфатирование котловой воды с помощью раствора тринатрийфосфата (Na3PO4) с целью образования гидроксилопатитов в щелочной среде, которая создается вводом едкого натра NaОН.

Избыточная расчетная доза подаваемого реагента спровоцирует увеличение накипи из фосфатных солей, а недостаточное количество поспособствует нежелательному увеличению концентрации таких веществ, как силикатов кальция, гидроокиси магния, сульфатов. Точность дозирования реагента позволяет обеспечить условия, при которых в котловой воде накипеобразователи будут выделяться в форме неприкипающего шлама. Кальций образует твердую фазу в толще воды, а не на поверхности нагрева. Это предупреждает формирование на ней твердой кальциевой накипи.

Добавление щелочи позволяет нейтрализовать кислые соединения, которые могут поступить в тракт с питательной водой, и предотвратить коррозию экранных труб. Вместе с тем, при большой концентрации щелочи возможно возникновение щелочной коррозии труб. На котлах с рабочим давлением 140 кгс/см2 щелочная коррозия резко увеличивается при щелочности 4-7 мг-экв/дм³ и рН = 11,4-11,7.

На Астраханских тепловых электростанциях ТЭЦ-2, ПГУ-110, ПГУ-235 подача фосфатного раствора и щелочи в барабан котла осуществляется насосом-дозатором, который при повышении параметров нагрузки котла автоматически увеличивает дозировку. Контроль за концентрацией фосфатов и щелочности котловой воды осуществляется лаборантом химического анализа. При фиксировании снижения либо повышения допустимых концентраций дозируемых реагентов, насос-дозатор переводится в ручной режим. В этом случае контрольный химический анализ проводится через 1 час. Традиционные методы ручного химического контроля занимают много времени и не позволяют своевременно обнаруживать и устранять нарушения водно-химического режима, а точность расчета является условной.

При разработке алгоритма за основные входные рекомендации приняты данные из РД 34.37.522-88 [1]. Значения фосфатов и значения pH, входящие в расчеты и мониторинг, должны обеспечить следующие показатели качества котловой воды:

- избыток фосфатов для котлов давлением 140 кгс/см2 по чистому отсеку составляет 0,5-2,0 мг/дм3, по солевому отсеку не более 12 мг/дм3;

- значение рН котловой воды чистого отсека 9,0-9,5 ед. рН, значение рН котловой воды солевого отсека не более 10,5 мг/дм3.

Эти данные должны быть преобразованы в простые правила передаваемые в блок регулирования на основе нечеткой логики. Для это используем модель: «емкость – измерение – регулирование».

Измеряемые значения соответствующего параметра будут являться четкими значениями переменной. Например, для переменной «концентрация фосфатов» и «водородный показатель воды pH» ее первичными значениями будут являться 10 мг/дм3, и 9 pH соответственно. Обычно эти значения в программируемые контроллеры поступают в виде стандартных аналоговых сигналов 4÷20 мА или 0÷5 В.

Все множество первичных четких значений образует область определения лингвистической переменной. Терм переменной является ее нечетким значением и определяется фразой, характеризующей одно из состояний параметра системы.

Например, для переменной «водородный показатель воды pH» выделяются такие состояния: «высокий показатель pH», «показатель pH в пределах нормы», «пониженный показатель pH» и т.д.

«Высокий», «норма», «пониженный» соответствуют термам переменной «водородный показатель воды pH» и являются нечеткими значениями переменной, с помощью которых описывается поведение системы и соответствующая реакция технологического объекта. Термы «высокий», «норма», «пониженный» являются нечеткими множествами, которые определяются как наборы упорядоченных пар элементов области определения переменной и действительных чисел из диапазона [0, 1].

Таким образом, терм определяет степень принадлежности показания первичного измерительного прибора к тому состоянию переменной, которую определяет этот терм. Например, показания измерительного прибора содержания фосфатов можно отнести к терму «высокий» – 0,8, к терму «норма» – 0,6 «пониженный» – 0,4.

Лингвистическая переменная команды насоса–дозатора имеет следующие термы «подавать реагент быстро», «подавать реагент постепенно», «подавать реагент медленно», «не подавать реагент». Каждый терм описывается своей функции принадлежности, которая также может принимать значения [0,1]. После получения значения входной переменной в блоке нечеткой логики вычисляется значения каждого терма.

Работа блока управления на базе нечеткой логики включает следующие этапы:

- фазификация входных переменных;

- активизация заключений правил нечеткой логики;

- аккумуляция заключений для каждой лингвистической переменной;

- дефазификация выходных переменных.

Рассмотрим работу блока управления для насосов-дозаторов подачи раствора тринатрийфосфата и едкого натрия (щелочи). Насосы включают подачу реагента по сигналу датчиков концентрации фосфатов и водородного показателя воды по правилам:

ЕСЛИ (Уровень концентрации фосфатов «пониженный»), ТО (Команда насоса-дозатора «подавать реагент быстро»).

ЕСЛИ (Уровень водородного показателя воды pH «нормальный»), ТО (Команда насоса-дозатора «подавать реагент постепенно»).

ЕСЛИ (Уровень концентрации фосфатов «высокий»), ТО (Команда насоса-дозатора «не подавать реагент»).

Если входная величина любого датчика «пониженная» или уровень концентрации равен нулю, то все происходит как и в обычной логике и степень истинности правила принимает значение 1 или 0.

Если функция принадлежности для терма «пониженный» принимает значения от нуля до единицы, например 0.5, это означает, что уровень концентрации низкий, но не очень. Соответственно включать подачу реагента нужно быстро, но не очень, формируя выходной сигнал «подавать реагент постепенно». В данном правиле степень истинности равна 0.5. Подобным образом происходит ее вычисления для каждого правила.

Заключения из каждого правила аккумулируются вместе для каждой лингвистической переменной.

Например, после расчета набора правил могут быть получены результаты для лингвистической переменной команды насоса-дозатора:

- «подавать реагент быстро» – 0.5;

- «подавать реагент постепенно» – 0.3;

- «подавать реагент медленно» – 0.1;

- «не подавать реагент» – 0.

Зная степень принадлежности для каждого терма выходной переменной можно определить ее числовое значение по методам максимального значения или средней площади.

Для автоматизации установки на аппарате нечеткой логики можно реализовать алгоритм в программируемом логическом контроллере, используя язык ST (Structured Text) [2].

На основе вышеописанных принципов управления и приведенного алгоритма можно создать модель дозирующих фосфатных насосов с нечеткой системой управления, что представит возможность отрабатывать принципы управления, выявлять недостатки и вносить корректировки. Это позволит настроить систему на оптимальный режим работы оборудования с одновременным снижением затрат.

Такое решение дает возможность перейти с ручной работы, в котором задействован персонал на полностью автоматический, а дальнейшее внедрение такой системы с ее гибкими настройками можно использовать в рекомендательных и экспертных системах, с которыми не нужно будет оперировать большим количеством цифр на экране оператора, что позволит принимать оперативные решения за счет снижения нагрузки на память и концентрацию внимания задействованного персонала  при работе тепловой и электрической станции.


Библиографический список
  1. РД 34.37.522-88. Методические указания по коррекционной обработке питательной и котловой воды барабанных котлов давлением 3,9-13,8 МПа. Уральский филиал ВТИ им.Ф.Э.Дзержинского Уралтехэнерго. 1988
  2. Стандарт МЭК 61131-3:2013* “Контроллеры программируемые. Часть3. Языки программирования (IEC 61131-3:2013, “Programmable controllers – Part 3: Programming languages”, IDT)


Все статьи автора «Антонов Олег Викторович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация