«О повышении требований к метрологическому обеспечению газоаналитических систем «Гранат» при построении динамических нелинейных моделей технологических процессов»

Паринов С.П., Дубенский Б.М., Смирнов О.В. (ЦФТИ «Аналитик», г. Санкт-Петербург)

Газоаналитический комплекс (система) «Гранат» является многофункциональным аналитическим оборудованием, обеспечивающем решение следующих производственных задач:

• оперативный контроль технологических процессов;
• обнаружение аварийных ситуаций, обусловленных образованием взрывоопасных концентраций газа;
• экологический мониторинг выбросов в атмосферу.

Техническое обеспечение комплекса позволяет в той или иной мере решать эти задачи автономно либо как совместно с АСУТП. Связь и передача данных осуществляется по токовой петле и (или) по сети Ethernet. В качестве базового аналитического оборудования используется времяпролётный масс-спектрометр, позволяющий мгновенно определять содержание практически всех неорганических и большую часть органических газовых компонентов в анализируемых пробах. При решении практических задач количество одновременно регистрируемых газовых компонентов составляет не более 10, а время анализа в зависимости от его точности может изменяться от доли секунды до десятка секунд.

Достигнув высокого качества изготовления оборудования, наша фирма совместно с производственными коллективами обеспечила широкое внедрение комплексов (систем) «Гранат» на промышленных предприятиях России и за рубежом. В настоящее комплексы (системы) «Гранат» установлены на таких технологических объектах как сталеплавильные агрегаты (кислородные конверторы, установки вакуумной обработки металла), доменные печи, установки сухого тушения кокса КХП, ТЭЦ. Они успешно анализируют отходящие газы технологических агрегатов любого технологического объекта.

Только в этом году 11 газоаналитических комплексов и систем установлено на различных технологических агрегатах, включая ТЭЦ ПВС (ОАО «Северсталь») и одну из крупнейших доменных печей в мире — ДП № 9 (Криворожский металлургический комбинат). С вводом двух газоаналитических систем на ДП № 9 (объём 5000 м3) все наиболее крупные доменные печи СНГ (ДП № 5 ОАО «Северсталь» (5300 м3), ДП № 6 ОАО НЛМК (3600 м3) будут оснащены нашим газоаналитическим оборудованием.

Наличие информации о составе отходящих газов технологических агрегатов повышает эффективность оперативного управления технологическим процессом даже в рамках существующей организации системы управления (СУ), когда ведущим её звеном является оператор-технолог. В рамках действующих СУ оценка текущего состояния процесса выполняется оператором визуально по характеру изменения газовых компонентов либо комплексных показателей, формируемых на основании данных газового анализа. При этом существенную дисциплинирующую роль играет возможность ретроспективного восстановления динамики процесса за определённый прошедший период времени по данным архива управляющих воздействий и газового анализа.

Однако даже в рамках существующей СУ возможности масс-спектрометрического газового анализа используются не в полном объёме.
Исходя из этого, начаты работы по созданию алгоритмического обеспечения газоаналитических систем «Гранат» с выходом на непосредственный контроль выходных параметров различных технологических агрегатов. Работы планируется выполнять в тесном контакте со специалистами кафедр металлургии СПбГПУ (г. Санкт-Петербург) и ЛПУ (г. Липецк).
При этом мы ориентируемся в первую очередь на апробирование разрабатываемых на этих кафедрах методик и подходов. В этом отношении существенный интерес для нас представляет использование динамических нелинейных математических моделей. Поиск характерных особенностей динамики процесса, исследование условий их появления и их математическое описание с последующей идентификацией параметров таких моделей по данным о составе отходящих газовых потоках (в совокупности с данными других дискретно и непрерывно регистрируемых технологических сигналов) — это направление, которое, по нашему мнению, даст возможность получать существенную информацию о текущем состоянии технологического процесса. Представление динамики процесса в виде характерных фрагментов нисколько не исключает, а скорее дополняет обычный подход к описанию технологических процессов в условиях существенной информационной неопределённости — отсутствие в полном объёме достоверных данных о начальных параметрах процесса и наличие большого числа неконтролируемых возмущений.

Повышение уровня алгоритмизации функций контроля в ориентации на более полное использование газового анализа предъявляет дополнительные требования к метрологическому и техническому обеспечению газоаналитических комплексов «Гранат». Одновременно с выполнением газового анализа необходимо:

• поддерживать запаздывание («чистое» время запаздывания и инерционность) газового анализа на постоянном заданном уровне либо осуществлять контроль его текущих значений;
• определять текущую погрешность газового анализа.;

Решение первой задачи потребует использование специальной контрольно-регулирующей арматуры.
В техническом отношении это реализуемо. Однако следует учитывать, что запаздывание газового анализа определяется не только системой пробоотбора и пробоподготовки (СПиП), а также временем прохождения анализируемого газового потока по газоотводящему тракту до точки отбора. При этом состав газов, его температура и давление в газоходе могут меняться в широком диапазоне значений, что существенным образом сказывается на скорости потока. Таким образом, в качестве измерительного тракта выступает не только масс-анализатор с СПиП, но и часть газоотводящего тракта. Исходя из этого, в настоящее время рассматриваются вопросы модернизации программного и технического обеспечения газоаналитического комплекса «Гранат» с целью получения текущих данных о запаздывании газового анализа и инерционности всей системы.

Оценка погрешностей газового анализа выполняется посредством напуска и последующего анализа контрольных смесей. В настоящее время такая процедура выполняется через определённые заданные промежутки времени, когда технологический процесс непрерывен, либо по окончании очередного технологического периода для циклических процессов. Соответствующие операции выполняются и при поступлении инициативных сигналов о выходе режимных параметров газоаналитической стойки из заданных диапазонов их значений. При превышении погрешностей допустимого уровня производится поочерёдный напуск эталонных смесей и расчёт новых калибровочных коэффициентов.

Однако по ходу измерений процентного состава газовых проб информация о точности этих измерений отсутствует. Объясняется это тем, что используется методика расчёта относительного процентного состава. В этом случае оцифрованное значение каждого пика масс-спектра, соответствующего определённому газовому компоненту, умноженное на калибровочный коэффициент, нормируется на сумму регистрируемых пиков масс-спектра со своими калибровочными коэффициентами. Эта нормировка позволяет получать на каждом цикле измерения сумму оценок процентного состава газовой пробы, равную 100%.

Методика расчёта относительного процентного состава снимает жесткие требования к стабильности давления газовой пробы на входе в масс-спектрометр, и, как следствием этого, упрощает техническое исполнение СПиП. Но в тоже время она «скрывает» погрешности оценок каждого газовой компонента. В случае появления ошибки измерения какого-либо компонента, эта ошибка перераспределяется между значениями оценок остальных газовых компонентов — и в любом случае суммирование всех значений процентного состав даёт результат, равный 100%.

Возможны два варианта решения этой проблемы:

• переход к расчёту абсолютных значений процентного состава, т.е. отказ от нормировки пиков масс-спектра и выполнение жёсткой стабилизации давления газовой пробы на входе в масс-спектрометр;
• создание математической модели расчёта погрешностей газового анализа с привлечением данных о режимных параметрах газоаналитической стойки.

Оба эти варианта практически осуществимы и в настоящее время рассматривается степень эффективности практической реализации каждого из них. При этом речь идёт о статической погрешности многокомпонентного газового анализа. Метрологическое обеспечение промышленных масс-спектрометрических газоаналитических систем исходит из того, что динамическая погрешность отсутствует либо по абсолютной величине не превышает статическую ошибку. Это лежит в основе методики калибровки масс-спектрометров с использованием эталонных газовых смесей. Для оценки калибровочных коэффициентов в масс-анализатор последовательно напускаются одно- и многокомпонентные эталонные смеси с известными составами. Данные для обработки берутся только при выходе масс-спектра на установившейся уровень после напуска каждой эталонной смеси.

Это исходное предположение, хотя и основанное на теоретических соображениях об отсутствии факторов, значимо искажающих результаты газового анализа при изменении состава пробы во времени, должно быть экспериментально проверено. Без точного знания величины динамической погрешности газового анализа не может идти речь об его эффективном использовании для алгоритмизации управления на основе нелинейных динамических моделей. В первую очередь это относится к быстропротекающим процессам. По ходу конверторной плавки базовые траектории основных газовых компоненов претерпевают существенные изменения (проценты и десятки процентов) в течение очень коротких промежутков времени — даже не за минуты, а за секунды. Газовый анализ должен адекватно отражать не только воспроизводимый от плавки к плавке нестационарный характер динамики процесса, но и отклонения, связанные со спецификой протекания каждой отдельной конверторной плавки. Несмотря на то, что эти отклонения могут быть незначительными по величине и иметь высокочастотный характер, они несут информацию о реакции процесса на управляющие воздействия и о внутренних его закономерностях, например, об автоколебательном развитии процесса обезуглероживания. Для их воспроизведения газовый анализ должен обладать минимальной динамической погрешностью.

Определение динамических погрешностей любого многокомпонентного газоанализатора — непростая задача. Для этого необходимо на входе в анализатор точно воспроизводить изменения отдельных газовых компонентов по заданным траекториям либо точно контролировать их текущие значения во времени изменения процентного состава многокомпонентной газовой пробы. Последний вариант исключается, ибо предполагает наличие эталонного газоанализатора, по точности превосходящего калибруемый прибор. Можно было бы использовать газовый хроматограф, но по динамическому диапазону и инерционности он уступает масс-спектрометрам. Единственный путь — это создание малоинерционного смесительного устройства, обеспечивающего высокую эффективность перемешивания потоков чистых газов в условиях регулирования соотношения расходов этих газов. В настоящее время нам неизвестны устройства, которые обеспечивали бы высокую точность приготовления многокомпонентных смесей в динамике изменения их состава. Разработка такого рода устройств — наша ближайшая задача.

Учёт динамических характеристик необходим также при комбинации разных принципов измерения в рамках одной газоаналитической системы либо при объединении данных о составе газового потока, полученных от различных газоаналитических систем. Ориентируя газоаналитическую систему «Гранат» на решение экологических задач, предполагающих контроль вредных примесей на уровне микро концентраций, мы оказались перед дилеммой: использовать масс-спектрометрический метод измерения либо ориентироваться на комбинированную аналитическую аппаратуру, дополняя масс-спектрометр иными средствами измерения. Несмотря на заманчивость первого направления развития, мы посчитали, что расширение аналитических возможностей используемого нами масс-спектрометра приведёт к неоправданному усложнению оборудования и программно-алгоритмического обеспечения и, как следствие этого, к ухудшению эксплуатационных характеристик. Поэтому нами выбран второй путь модернизации газоаналитического оборудования. В качестве дополнительного способа контроля, по крайней мере, при определении малых концентраций СО, NO, NO₂, SO₂, выбран электрохимический принцип измерения.

Работа в этом направлении позволила нам на базе электрохимических датчиков создать автономные приборы серии «Аналитик»:
«Аналитик 001» (Аналитик 002«), «Аналитик 003», «Аналитик ЭМ».

Переносные газоанализаторы «Аналитик 001» («Аналитик 002») предназначены для проведения экологического мониторинга газовых выбросов и оценки эффективности сжигания газообразного топлива в топочных устройствах. Прибор «Аналитик 001» позволяет измерять 2 — 4 газовых компонента из следующего набора: О₂, СО, NO, SO₂, NO₂, H₂S; вес его — 3 кг. Прибор «Аналитик 002» ориентирован на измерения 4-6 выше перечисленных газовых составляющих; вес его — 7 кг. Кроме контроля газовых компонентов использование этих приборов даёт возможность измерять давление /разряжение в газоходе, температуру газов и окружающего воздуха, а также рассчитывать коэффициент избытка воздуха, коэффициент химического недожога топлива, потери тепла с уходящими газами, КПД агрегата.

Прибор «Аналитик ЭМ» относится к системам стационарного типа и выполняет те же функции, что и газоанализатор «Аналитик 001» («Аналитик 002»). Такой прибор позволяет непрерывно контролировать до 4-х газовых компонентов. Проверка достоверности газового анализа и калибровка прибора осуществляется в ручном либо автоматическом режиме. Укомплектован прибор системой отбора и подготовки газовых проб, обеспечивающей автоматическую очистку фильтров и отборного зонда от пыли.

Газоанализатор «Аналитик 003» предназначен для сигнализации о превышении содержания вредных примесей (окиси углерода, хлора, аммиака) в атмосфере рабочих зон ПДК, а также для определения уровня концентраций кислорода в рабочих помещениях. Стандартная комплектация этого прибора ориентирована на обслуживание до десяти первичных датчиков, устанавливаемых в разных местах, а общее количество таких датчиков может достигать шестидесяти. За счёт унификации исполнения прибора наращивание измерительных каналов достигается без значительного увеличения стоимости оборудования.

Назад