Автоматизированная система стабилизации потока органической фазы в каскаде экстракционных колонн

Невозможно переоценить вклад ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) в развитие экономики и обороноспособности страны. Развитие ЯТЦ нельзя представить без развития радиохимического производства. Поскольку радиохимия является неотъемлемой частью ЯТЦ, то научно-исследовательские работы по её совершенствованию весьма актуальны и своевременны. С другой стороны, высокие требования, предъявляемые к безопасности и качеству ведения технологических процессов, ставят новые задачи по эффективному и надёжному управлению этими процессами. Анализ аварий на ядерно-опасном производстве показал, что создание полностью безопасных установок невозможно. Поэтому соблюдение дополнительных мер безопасности (таких как контроль массообменных процессов) повышает общий уровень надежности установки [12, 13, 2].
Руководством ГК «Росатом» в 2011 году было принято решение по концентрации конверсии производства урана на площадке АО «СХК». Объем инвестиций на создание завода, где сосредоточится вся конверсия урана России, превысит 7 миллиардов рублей. Получение высококачественного уранового сырья с минимальной себестоимостью – это те требования, которые руководство ГК «Росатом» поставило перед Сибирским химическим комбинатом [14].
В технологии производства урана наиболее эффективным методом получения высококачественных соединений является экстракционный аффинаж. Суть данной технологии заключается в процессе водно-экстракционного растворения урана и последующей очистки. Для выделения и очистки в качестве экстрагента используется раствор трибутилфосфата (ТБФ) в легком углеродном разбавителе [1,12]. Такая технология переработки урана применяется на Радиохимическом заводе (РХЗ) АО «СХК».
Начиная с 1984 года, проводятся исследования каскада экстракционных колонн в качестве объекта автоматизации. Исследования проводились сотрудниками Всероссийского научно-исследовательского института
6
неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара. Данные исследования послужили основой для создания первых систем контроля и управления технологического процесса в КЭК [15, 16]. Дальнейшими исследованиями занимались сотрудники кафедры электроники и автоматики физических установок Томского политехнического университета. Результатом их работы является разработка систем автоматизированного управления технологическими
процессами КЭК [3, 10, 11, 18].
Из-за повышенных требований, предъявляемых к промышленной
безопасности и качеству управления, в 2006 году на РХЗ была реализована современная МСКТП, с последующей модернизацией в 2013-2015 годах. Из особенностей МСКТП можно выделить:
– использование ИМ постоянной скорости с цифровыми средствами управления;
– управление частотой работы насосов с помощью частотного привода (ЧП). Начиная с 2011 года, на РХЗ проводятся исследования по увеличению производственной программы в связи с концентрацией конверсии производства урана. Новые режимы работы КЭК потребовали новых исследований с дальнейшей модернизацией действующей системы автоматизированного
управления.
Подводя итог вышесказанному, актуальность данной работы определяется:
– высокими требованиями к безопасности ведения технологического процесса;
– необходимостью повышения эффективности производства конечного продукта (нитрат уранила);
– необходимостью повышения производительности КЭК;
– использованием современных программно-технических средств;
– необходимостью обеспечения устойчивой работы КЭК на новых режимах.
Целью работы является стабилизация потока органической фазы средствами системы автоматизированного управления, обеспечивающей повышение

7
производительности и надёжности работы каскада экстракционных колонн.
Данная цель достигалась решением следующих задач:
– исследование каскада экстракционных колонн как объекта управления;
– создание математической модели каскада экстракционных колонн для
решения задач синтеза и анализа систем управления;
– разработка алгоритма системы стабилизации потока органической фазы в
каскаде экстракционных колонн;
– внедрение предложенной системы стабилизации потока органической фазы
на действующее производство;
Для решения поставленных задач в работе использовались методы:
– теории автоматического управления;
– математического и компьютерного моделирования;
– метод декомпозиции;
– теории адаптивных систем управления;
– натурные испытания на производстве.
При разработке моделей каскада экстракционных колонн, а также алгоритма функционирования АСУ, использовался программный комплекс Matlab.
Научная новизна данной работы заключается в том, что:
1. Разработана математическая модель каскада экстракционных колонн, описывающая динамику прохождения органической фазы, позволяющая синтезировать и испытывать алгоритмы управления действующими аппаратами. Модель основана на использовании нейронечёткой логики, позволившей существенно увеличить ее точность в условиях ограниченного количества экспериментальных данных в сравнении с традиционными методами (полиномиальными, сплайн и т.д.);
2. Разработан алгоритм управления системы стабилизации потока органической фазы в каскаде экстракционных колонн, отличающийся одновременным управлением частотами вращения валов двигателей насосов и напором, что позволило повысить производительность и надёжность работы каскада экстракционных колонн.

8
3. Разработан алгоритм, отличающийся применением нейронечеткой
логики в математической модели каналов управления для решения задачи адаптации системы стабилизации потока органической фазы в каскаде экстракционных колонн, что позволило повысить производительность и надёжность работы каскада экстракционных колонн.
Практическая значимость работы заключается в том, что основная часть полученных результатов исследований внедрена на производстве, что подтверждено актом внедрения результатов диссертационных исследований, представленном в приложении Г. Разработанные алгоритмы, вошедшие в состав САУ экстракционного каскада, приняты в промышленную эксплуатацию приказом по РХЗ от 19.05.2014, что подтверждается актом внедрения, представленном в приложении Г. Внедрение модернизированной САУ стабилизации ОФ на РХЗ позволило повысить качество управления каскадом экстракционных колонн, сократить количество внеплановых остановок технологического оборудования, а также увеличить межремонтные сроки насосного оборудования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель каскада экстракционных колонн, описывающая динамику прохождения органической фазы и позволяющая синтезировать и испытать алгоритмы управления действующими аппаратами. Главным отличием модели от существующих является использование нейронечёткой логики, позволившей существенно увеличить точность модели в условиях ограниченного количества экспериментальных данных в сравнении с другими методами (полиномиальными, сплайн и т.д.).
2. Алгоритм управления системы стабилизации потока органической фазы в каскаде экстракционных колонн, отличающийся одновременным управлением частотами вращения вала двигателей насосов и напором, что обеспечивает существенное демпфирование расхода органической фазы в каскаде экстракционных колонн. Данный алгоритм универсален и может использоваться в задачах двухканального управления.

9
3. Алгоритм адаптации системы стабилизации потока органической фазы
в каскаде экстракционных колонн с применением нейронечеткой логики, позволяющий существенно снизить низкочастотные колебания расхода потока органической фазы, а также повысить производительность и надёжность работы каскада экстракционных колонн.
Проверка на адекватность подтверждается ошибкой аппроксимации экспериментальных зависимостей, которая не превышает 0,5%, а также успешными испытаниями разработанных алгоритмов в условиях действующего производства.
Основные положения и результаты диссертационных исследований были представлены в докладах на следующих конференциях:
– Школа-конференция молодых атомщиков Сибири, г. Томск, 5-6 октября 2011.
– Международная заочная научно-практическая конференция, г. Тамбов, 31 мая 2012.
– Российская научно-практическая конференция, г. Железногорск, 24–25 октября 2012.
– Всероссийская научно-практическая конференция, приуроченная к 105- летию со дня рождения Б.В. Громова, г. Томск, 1 – 3 октября 2014.
– VI Международная научно-практическая конференция «Физико- технические проблемы атомной науки, энергетики и промышленности», г. Томск, июнь 2014.
– Российская научно-практическая конференция, г. Железногорск, октября 2015.
По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе: 4 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК; 1 статья в зарубежном издании; 8 тезисов докладов на Российских и Международных конференциях.
В первой главе диссертационной работы раскрывается тема объекта исследования. Проводится анализ состояния отрасли, обозревается технология

10
производства оксидов урана, используемая на РХЗ. Завершается глава анализом
технологического процесса переработки оксидов урана.
Вторая глава посвящена математическому моделированию каскада
экстракционных колонн. Выбирается методология моделирования. Оговариваются допущения, принятые в модели. Далее аппроксимируются экспериментальные данные, полученные на действующем оборудовании. Используя современный подход с применением нейронных сетей с нечёткой логикой, была получена адекватная имитационная модель каскада экстракционных колонн. Глава завершается проверкой адекватности полученной модели КЭК.
В третьей главе описывается процесс синтеза автоматизированной системы стабилизации расхода органической фазы (ССР ОФ). Рассматриваются предпосылки создания такой системы: эволюция АСУ ТП на РХЗ и опыт предыдущих исследователей. Используя модель каскада экстракционных колонн, разрабатывается и исследуется двухконтурная двухканальная система автоматизированной стабилизации расхода органической фазы. В конечном итоге сравниваются вновь созданная автоматизированная ССР ОФ и действующая на РХЗ автоматизированная система. Глава завершается анализом полученных результатов.
Четвертая глава имеет практическую направленность: в ней описан процесс внедрения полученных результатов на РХЗ. Начинается глава с описания технической базы для реализации ССР ОФ. Рассматриваются этапы внедрения системы в технологический процесс. Завершается глава расчётом экономического эффекта от внедрения ССР ОФ.
В заключении диссертационной работы приведены основные выводы по результатам проделанной работы.