Управление в технических системах
Актуальность темы. В последние годы наблюдается существенный прогресс в создании и применении новых более экономичных и экологически чистых технологий для очистки производственных и сточных вод что, снижает нагрузку на загрязнение водоемов и рек в результате все увеличивающейся производственной и бытовой деятельности человека.
К современным требованиям к эксплуатации очистных сооружений относятся:
Автоматизация призвана осуществить выполнение этих требований.
Необходимость автоматизации очистных сооружений описана учеными в 60–70х годах XX века, в качестве обязательной нормы была представлена в СНиП II–32–74 Канализация. Наружные сети и сооружения
. При внедрении автоматизации резко сокращается количество людей, вовлеченных в технологический процесс, повышается производительность труда и снижается вероятность возникновения аварийных ситуаций и т.п.
Технические преимущества автоматизации флотационной очистки промышленных сточных вод состоят в следующем:
Целью работы является повышение качества приготавливаемого раствора за счет разработки системы автоматического управления приготовления флокулянта, что позволит снизить затраты на эксплуатацию и обслуживание очистных сооружений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:
Объект исследования — система автоматического управления флотационной очисткой промышленных сточных вод.
Предмет исследования — методы анализа и системы автоматического управления флотационной очисткой промышленных сточных вод.
Методы исследования. При построении модели, алгоритмов управления и синтезе структуры системы автоматического управления использовались: методы системного анализа и декомпозиции, методы современной теории управления, методы и алгоритмы идентификации объекта управления, методы построения распределенных систем управления на основе современных сетевых технологий, компьютерного моделирования, анализа результатов эксперимента.
Научная новизна полученных результатов:
Апробация результатов диссертации на следующих конференциях: ХIХ Международная научно—техническая конференция аспирантов и студентов
Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых
, г. Донецк, 2019 г.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 1 печатная работа, в том числе 1 в тезисах докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести разделов и заключения, изложенных на 69 страницах машинописного текста, из них 62 страницы основного текста, иллюстрированного 34 рисунками. Работа содержит 2 таблицы, список использованной литературы из 20 наименований и 2 приложения.
Исходная вода используется на нужды основного производства, для транспортирования технического сырья, на вспомогательные технологические процессы, а также на хозяйственно—питьевые и бытовые нужды. Процесс очистки сточных вод состоит из следующих технологических узлов:
Производственные сточные воды в количестве 600 м 3 в сутки самотеком поступают в емкость—усреднитель системы очистных сооружений, откуда насосами перекачиваются в здание механической и физико—химической очистки производственных сточных вод.
Механическая очистка стоков является предварительным этапом, который обязательно предшествует полной очистке стоков в очистных сооружениях. Задача механической очистки — извлечь из воды осевшие или взвешенные нерастворимые твердые частицы, волокна и грубодисперсные примеси. Они способны повредить фильтры, не рассчитанные на такой тип загрязнения, а также негативно повлиять на функционирование другого оборудования.
Рисунок 1 – Стадии усреднения и механической очистка сточных вод
(скорость анимации – 16.4 количество кадров – 5)
В качестве 1–й ступени используется статическая решетка. Решетки задерживают элементы от крупных до средних. Решетки монтируют по направлению потока жидкости, причем элементы могут быть установлены наклонно или вертикально, но обязательно оснащение пазух решеток зубцами грабель, снимающих мусор и отправляющих отбросы на ленту. В первой ступени подача сточных вод на установку напорной флотации осуществляется погружными насосами. Включение и выключение насосов происходит при достижении заданного уровня воды в усреднителе. Для измерения уровня сточных вод в усреднителе предусматривается уровнемер, который используется для определения степени наполнения усреднителя и управлением работой мешалок и подающего насосов.
Рисунок 1.2 – Физико—химическая очистка методом реагентной флотации
(скорость анимации – 34.6 количество кадров – 12)
Механически очищенные производственные сточные воды из усреднителя насосами подаются в трубчатый флокулятор. Флокулятор оборудован пробоотборниками для отбора проб поступающих сточных вод на флотатор. С целью повышения эффективности очистки стока на флотационную очистку предусмотрена подача химических реагентов.
Флотация — это процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания [13,14].
Флотацию применяют для удаления из сточных вод диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. Процесс очистки производственных сточных вод, содержащих ПАВ (поверхностно—активные вещества), масла, волокнистые материалы методом флотации заключается в образовании комплексов пузырек—частица
, всплывание этих комплексов и удаление образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Прилипание частицы, находящиеся в ней, к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью. Образование комплекса пузырек—частица
зависит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия веществ, избыточного давления воздуха в сточной воде и т.п.
Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, снижением концентрации ПАВ и легко окисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов. Это способствует успешному проведению следующих стадий очистки.
Установки напорной флотации просты и надежны в эксплуатации. Метод напорной флотации имеет более широкий диапазон применения, поскольку позволяет регулировать степень перенасыщения в соответствии с требуемой эффективностью очистки сточных вод при начальной концентрации загрязнений до 4 ? 5 г/л и более. Для увеличения степени очистки в сточную воду добавляют коагулянты.
Процесс осуществляется в две стадии:
При напорной флотации сточные воды под давлением 0,3–0,5 МПа подаются в напорный бак (сатуратор). Туда же компрессором подают воздух. Возможна также подача воздуха через водовоздушный эжектор, установленный на байпасной линии насоса (рис. 1.3).
Рисунок 1.3 – Схема напорной флотации
Количество подаваемого воздуха зависит от начальной и конечной концентрации загрязняющих веществ, а также их свойств. Насыщенная воздухом вода из сатуратора подается во флотационную камеру, где выделившиеся из сточной воды пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами взвешенных веществ.
Флотошлам (всплывающая масса) с поверхности флотатора собирается скребками в карман для флотошлама. Для откачки флотошлама из сборного кармана предусмотрен шнековый насос. Флотошлам перекачивается в резервуар осадка.
Рисунок 1.4 – Строение напорной флотационной установки
В процессе обработки сточной воды в нижней части флотатора происходит образование осадка. Для отвода осадка установлен отсечной клапан с пневмоприводом. Клапан отвода осадка работает в таймерном режиме. Осадок из флотатора за счет гидростатического давления отводится в горизонтальную песколовку, в которой оседают тяжелые минеральные примеси. Осветленная вода отводится в усреднитель.
Для повышения эффективности флотационной установки в очищаемую воду дозируется раствор коагулянта и флокулянта способствующие образованию шлама, поступающего в установку, а для регулировки показателя рН подается раствор гидроксида натрия.
Для подачи раствора коагулянта, раствора гидроксида натрия во флокулятор используются мембранные насосы—дозаторы.
Узел приготовления и дозирования раствора флокулянта состоит из станции приготовления раствора флокулянта и шнекового насоса—дозатора раствора флокулянта [9].
Рисунок 1.5 – Схема узла приготовления флокулянта
Сухой флокулянт засыпается оператором в воронку флокулянта станции. Для приготовления раствора флокулянта на станцию подается вода. Готовый раствор флокулянта раствор готовится в верхней камере. Отбор готового раствора происходит в нижней камере. Из верхней камеры разведённый раствор реагента, после определённого времени созревания, готов к дальнейшему использованию. При опустошении нижней камеры, поступает сигнал для перелива готового раствора из верхней камеры в нижнюю. Насосами—дозаторами раствор флокулянта подается в точку дозирования в флокуляторе.
Автоматизация установки приготовления флокулянта позволяют экономить до 20–30% средств при закупке химикатов, позволяет обеспечить получение раствора нужной концентрации на выходе, а также контролировать и прогнозировать потребление флокулянтов.
Очищенные производственные сточные воды после физико—химической очистки на установке напорной флотации поступают в колодец отвода очищенных сточных вод и сбрасываются в городской коллектор.
Важным этапом в разработке системы автоматического управления флотационной установкой является ее анализ как объекта автоматического управления.
Одной из задач по очищению стоков является выведение загрязнений в пену. Добавляя флокулянты и коагулянты, удается добиваться их укрупнения, а также способствовать их слипанию. Возможность образования флотационного комплекса пузырек—частица
, скорость процесса и прочность связи, продолжительность существования комплекса зависят от природы частиц, а также от характера взаимодействия реагентов с их поверхностью и способности частиц смачиваться водой.
Смачивающая способность жидкости зависит от ее полярности, с возрастанием которой способность жидкости смачивать твердые тела слабеет. Внешним проявлением способности жидкости к смачиванию является величина ее поверхностного натяжения на границе с газовой средой, а также разность полярностей на границе жидкой и твердой фаз. Процесс флотации идет эффективно при поверхностном натяжении воды не более 60–65 мН/м которая обеспечивается добавлением флокулянтов.
Рисунок 2.1 – Схема образования пузырек—частица
Большое значение при флотации имеют размер, количество и равномерность распределения воздушных пузырьков в сточной воде. Прилипание происходит при столкновении пузырька с частицей или при образовании пузырька из раствора на поверхности частицы. Для частиц, хорошо смачиваемых водой, поверхностное натяжение воды на границе с воздухом стремится к нулю, следовательно, cosθ стремится к единице, а значит, прочность прилипания минимальна. Для не смачиваемых частиц, наоборот, энергия образования комплекса пузырек—частица
будет максимальной. Эффект разделения флотацией зависит от размера и от количества пузырьков воздуха.
При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками или большое содержание газа в ней. Удельный расход воздуха снижается с повышением концентрации примесей, так как увеличивается вероятность столкновения и прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков процессе флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз.
Опишем процесс управления приготовления флокулянта при очистке сточных вод в напорной флотационной установке описывается следующим образом. Рассматриваются три типа переменных, представляющих собой физические величины технологического процесса приготовления флокулянта и его дозировки в флотационную установку (рис. 2.2):
Контролируемые переменные — наблюдаемые переменные, которые в процессе реализации технологического процесса должны принимать значения внутри заданных границ:
Рисунок 2.2 – Узел приготовления флокулянта как объект управления
В каждом гидрографическом районе преобладают предприятия разных видов промышленности, имеющих значительное водопотребление и, соответственно, значительные расходы сбрасываемых сточных вод. К таким предприятиям относятся прежде всего нефтеперерабатывающие, металлургические, целлюлозно—бумажные, химические, металлообрабатывающие, машиностроительные, рудодобывающие, пищевые предприятия, а также предприятия лёгкой промышленности, энергетики, сельского хозяйства.
К основным загрязняющим веществам, содержащимся в большинстве промышленных сточных вод, относятся взвешенные вещества, масла и нефтепродукты, ионы тяжёлых металлов, а также органические загрязнения, характеризующиеся показателем ВПК, и химические загрязнения, характеризующиеся показателем ХПК.
На многих предприятиях очистные сооружения пришли в негодность из—за значительного срока эксплуатации; имеются предприятия, на которых промышленная канализация принимает хозяйственно—бытовые и фекальные стоки; существуют предприятия, на которых отсутствует локальная очистка с повторным использованием очищенной воды и утилизацией выделенных полезных компонентов. Отсутствие локальной очистки с объединением сточных вод, имеющих разные загрязнения, часто делает невозможной или затруднительной очистку общего потока сточных вод перед его сбросом в городской коллектор или водоём.
Выходом из сложившейся ситуации является внедрение систем автоматизации процессом флотационной очистки.
Цель создаваемой системы — повышение качества приготавливаемого раствора за счет разработки системы автоматического управления приготовления флокулянта, что позволит снизить затраты на эксплуатацию и обслуживание очистных сооружений.
Функция САУ — это совокупность действий системы, направленных на достижение частной цели управления. Функции САУ подразделяются на информационные, управляющие и вспомогательные. Для реализации поставленной цели необходимо, чтобы система автоматического управления процессом приготовления флокулянта выполняла следующие функции.
Информационные функции САУ приготовления флокулянта:
Управляющие функции САУ приготовления флокулянта:
Вспомогательные функции САУ приготовления флокулянта:
Для реализации выбранных функций, необходимо решить такие задачи:
