ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ПИРОЛИЗА В

МОБИЛЬНЫХ УГЛЕВЫЖИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ

Соловьев В.А., Черный С.П., Рубцов Ю.В., Бакаев В.В.

(КнАГТУ,г. Комсомольск-на-Амуре, РФ)

The new approach of mobile charring plants with the control of main process specifications in pirolisis is considered. The functioning algorithms of control systems in such plants are adduced, the expediency of such systems΄ usage in fuzzy principle of control is represented.

Технология производства древесного угля в мобильных углевыжигательных установках не предусматривает управления процессом пиролиза древесины, а заключается только в контроле за основными параметрами процесса – температурой и давлением газосодержащей смеси. Такой подход к построению углевыжигательных установок приводит к низкому выходу древесного угля, качественный состав которого оставляет желать лучшего. Возникают пережоги древесины в верхней части установки и недожоги в нижней.

В докладе рассматривается новый подход к построению мобильных углевыжигательных установок. С этой целью установки наделяются набором средств управления. Авторами разработано несколько вариантов управляемых мобильных углевыжигательных установок.

В первом - суть управления сводится к пассивному способу, при котором регулирование теплового потока внутри установки осуществляется за счет изменения теплового сопротивления тракта подачи тепла. Такая реализация системы управления обеспечивает некоторое выравнивание температур у пода и свода установки на этапе экзотермического процесса пиролиза. Как показали исследования, использование данного способа регулирования позволяет повысить количественный выход угля ~ на 5%, снижая недожоги и пережоги древесины.

Во втором варианте установки стабилизация температурного режима сырья на этапе пиролиза осуществляется за счет изменения пространственного положения сырья в неравномерном температурном поле установки. Для реализации данного способа выравнивания температуры в техническом решении установки предусмотрено специальное исполнение съемных контейнеров. Исследование лабораторного образца установки показали увеличение выхода угля по сравнению с предыдущим вариантом на 7%, причем доля сортового угля в нем возросла на 15%.

С целью использования в процессе управления второго параметра процесса пиролиза (давления газосодержащей смеси) разработан третий вариант установки, отличительной особенностью которой является изменяемый (регулируемый) объем внутреннего пространства установки.

Для повышения степени автоматизации процесса управления установкой, последняя снабжена рядом дополнительных устройств: шнековым приводом  используемым для измельчения и перемешивания древесины и угля в контейнере,  устройством забора пробной порции угля. В целом применение предлагаемого способа позволяет сократить время получения угля на 30-35%, повысить количество получаемого (сокращается зольность) угля до 20% и его качество (однородность по размеру, прокаленность по объему, зольность).

Для каждого из выше приведенных принципов реализации управляемых углевыжигательных установок разработаны математические модели изменения тепловых потоков в пространстве установки. Это позволило при определенных допущениях сформировать необходимые законы управления тепловыми потоками.

Учитывая, что основной задачей системы управления углевыжигательной установкой является максимизация выхода древесного угля, то необходимо организовать такое протекание процесса пиролиза, которое исключит интервалы «томления» древесины, стимулирующих выход жижки, а также избежать резких перегревов, стимулирующих образование парогазовой смеси. Таким образом, первостепенной задачей является формирование желаемой температурной кривой определяющей конкретные температурные режимы на различных этапах протекания процесса пиролиза. Поскольку, любой температурный процесс обладает существенной инерционностью, то целесообразно задаваться двумя кривыми, определяющих максимальный и минимальный уровень температур в ходе процесса.

Пространство, находящееся между двумя кривыми является наиболее желательной областью состояния системы. Для поддержания тепловой системы в этом состояние необходимо достаточно адекватно прогнозировать ее поведение с учетом воздействия множества внешних и внутренних факторов.

То есть, требуется определить, по какому алгоритму система управления процессом будет отслеживать достоверность попадания тепловой системы в поле ее наиболее желательного состояния.

В силу того, что инерционность тепловых процессов настолько велика, то для достижения достаточной точности регулирования процесса необходимо реализовывать в системе управления некий прогноз дальнейшего состояния теплового поля, чтобы вовремя применить корректирующее воздействие см. рис.1

Рисунок 1-  Моменты применения корректирующего воздействия

1-     максимальная граница температур, 2 - минимальная граница температур, 3 – желаемая характеристика протекания процессом при коррекции, 4 – реальное протекание процесса, 5 –упреждающая коррекция

Для нахождения температурного поля в области желательных значений, между кривыми 1 и 2 необходимо либо резко менять протекание процесса кривая 3, что в принципе не возможно в силу упомянутой тепловой инерции и реальное изменение температуры произойдет по кривой 4, либо выполнять упреждающую коррекцию в соответствии с кривой 5.

Для получения желаемого качества регулирования предложен следующий алгоритм выбора момента приложения корректирующего воздействия:

- для конкретных граничных условий, выбранных из условия наихудшего состояния тепловой системы, в плане температурного перегрева зададимся наибольшей, вероятной величиной пере регулирования,

- снижаем максимальную температурную границу и поднимаем минимальную на величину перерегулирования.

Как показали исследования данный упрощенный алгоритм управления системой по факту достижения температуры ложной максимальной и минимальной границ температур, позволяет избежать выхода температуры (при последующем пере регулировании) из наиболее благоприятного диапазона.

Наличие математического описания поведения тепловой системы позволяет реализовать для выше приведенных управляемых установок алгоритм упреждающей коррекцией. Система управления содержит в памяти модель тепловой системы и производит коррекцию реальной установки по предварительному расчету, выполненному на модели. Алгоритм расчета будет сводиться к следующему:

- запрос параметров тепловой системы  с датчиков установки;

- проверка на адекватность полученных с датчиков данных;

- расчет поведения системы по данным тепловой модели в памяти системы управления. Расчет должен выполняется на промежуток времени равным времени температурного запаздывания всей установки, наперед от реального;

- внесение корректирующего воздействия, в случае предполагаемого выхода тепловой системы из зоны благоприятного протекания процесса.

Учитывая тот фактор, что ряд параметров, характеризующих процесс пиролиза древесины как: влажность, плотность самой древесины, плотность укладки древесины в контейнере могут быть описаны только качественными характеристиками (норма, около нормы, почти заполнен), то при реализации системы управления углежжением целесообразно воспользоваться нечетким подходом. При этом в качестве базовой модели управления можно использовать упрощенную математическую модель, приведенную в [1] и полученную при ряде значительных упрощающих допущений. Целью задачи управления будет являться как ослабление влияния нестационарных параметров процесса на выходную величину, так и уменьшение неточности регулирования, обусловленной упрощающими допущениями. Для управления выше описанным объектом построим нечеткий логический регулятор (НЛР) на основе алгоритма нечеткого логического вывода Мамдани, обладающего наибольшими интуитивными возможностями.

На рис.2 приведены результаты моделирования процесса пиролиза древесины в мобильной углевыжигательной установке на языке технических вычислений MatLab. Кривая 1 описывает переходный процесс в системе, структура которой не содержит НЛР, кривая 2 отображает переходный процесс в системе с НЛР при изменении температурного сопротивления теплового потока, кривая 3 тоже что и кривая 2, но с возможностью перенаправления теплового потока в пространстве установки.

Рисунок 2 - Динамические характеристики процесса пиролиза

Исследование нечеткой структуры системы управления  углевыжигательной установкой показало, что изменение параметров объекта управления (влажности, неплотности заполнения контейнера, пространственной ориентации сырья и т.д.) в пределах 15%-20% практически не оказывает влияния на количественные показатели динамических характеристик системы. Это подчеркивает целесообразность использования систем с нечетким принципом регулирования для установок пиролиза древесины.

Литература

1. Бакаев В.В. и др, К вопросу разработки математической модели тепловых процессов  в углевыжигательных установках. Вестник Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета: Вып. 2. Сб. 1.