Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Riadenie procesu splyňovania uhlia s využitím PLC

Ján Kačur, Marek Laciak
 
 
V príspevku je prezentovaná štruktúra integrovaného riadiaceho systému stabilizačnej a optimalizačnej úrovne. Riadiaci systém je automatizovaný, postavený na báze priemyselného automatu (PLC) a rozsiahleho monitorovacieho systému. Stabilizačné regulátory umožňujú stabilizovať veličiny na vstupe – objemový prietok okysličovadla, v modeli uhoľného sloja – teploty a na výstupe – koncentrácie zložiek produkovaného plynu na požadovanej hodnote. Extremálne regulátory sú zapojené v kaskáde s uvedenými regulátormi pre stabilizáciu. Algoritmus optimálneho riadenia je založený na princípe optimalizácie so spätnou väzbou bez matematického modelu. Optimalizačná úroveň experimentálnou cestou hľadá optimálne parametre vstupov do splyňovacieho procesu tak, aby bol dosiahnutý sledovaný cieľ.
 
Tento príspevok vznikol ako jeden z výstupov projektu APVV 0582-06, ktorého cieľom bolo overiť technológiu podzemného splyňovania uhlia v laboratórnych podmienkach. Porovnanie alternatív splyňovania a výsledky z ostatných experimentov sú uvedené v rozsiahlych výskumných správach projektu a odborných príspevkoch.
 

1. Technológia procesu podzemného splyňovania uhlia

 
V súčasnosti je na celom svete v zásobe vyše 909 biliónov ton uhlia, ale uhlie dostupné pre tradičný spôsob ťažby predstavuje len 15 %. Technológia podzemného splyňovania uhlia (UCG – Uderground Coal Gasification) sa stále vyvíja a poskytuje alternatívu konvenčného podzemného dobývania uhlia. Podzemné splyňovanie uhlia je proces, ktorý môže byť z environmentálneho, ale aj z ekonomického hľadiska atraktívny a v budúcnosti môže mať rozsiahle použitie. Táto technológia je tiež menej nákladná ako konvenčné dobývanie uhlia. Pri priemyselnom splyňovaní je potrebné vybudovať sústavu vrtov – minimálne jeden injekčný a jeden produkčný vrt – a systémy na čistenie a uskladňovanie produkovaného plynu. Produkovaný plyn, obsahujúci prevážne vodík a oxidy uhoľnatý a uhličitý, sa nazýva syngas (synthesis gas). Potrebné sú aj zariadenia na transformáciu plynu na požadovanú formu energie (palivo, elektrina) a systémy na automatické riadenie procesu splyňovania.
 
Dostupná literatúra o podzemnom splyňovaní uhlia poskytuje informácie najmä o geológii ložiska, použitej technike splyňovania alebo o matematickom modelovaní procesov splyňovania (model pohybu fronty termického rozkladu, model tvorby syngasu a pod.). Chýbajú však štúdie, ktoré by riešili otázku automatizovaného riadenia procesu splyňovania uhlia.
 
Uhlie je splyňované pod zemou okysličovadlom (vzduch alebo zmes kyslíka, vzduchu, popr. vodnej pary), ktoré je vháňané do reakčnej zóny vytvorenej v uhoľnom sloji cez injekčný vrt. Horúce plynné reakcie produktov sú nútené postupovať cez uhoľné ložisko do výstupného (produkčného) vrtu, kde sú odťahované z podzemia na povrch. Na povrchu môže byť plyn čistený na priame použitie ako vykurovací plyn, alebo môže byť použitý na výrobu iných chemických produktov. Proces UCG predstavuje získanie priestorovo a tepelne rozloženej reakčnej zóny v uhoľnom sloji, v ktorej sa prekrývajú regióny uhoľnej oxidácie, uhoľnej redukcie a uhoľnej pyrolýzy.
 
Schematický princíp procesu UCG je zobrazený na obr. 1. Na obrázku sú ukázané základné chemické reakcie a rozloženie reakčných zón definované teplotami. Vstupujúci vzduch (okysličovadlo) spôsobuje, že uhlie horí, exotermický proces uvoľňuje teplo a spotrebováva kyslík. Plyn vznikajúci v oxidačnej zóne postupne prechádza cez redukčnú a pyrolýznu zónu, kde je pri absencii kyslíka premenený na plyn spáliteľný endotermickými reakciami, ktoré absorbujú teplo [1].
 

2. Funkcia PLC v riadiacom systéme procesu UCG

 
Navrhnutý riadiaci systém pre riadenie a monitorovanie procesu UCG bol overený v laboratórnych podmienkach na dvoch experimentálnych zariadeniach – generátoroch (G1 a G2). Programovateľný automat (PLC) B&R X20 je súčasťou riadiaceho systému. Zostava PLC obsahuje systémový modul so 400MHz procesorom Intel® Celeron a jeho súčasťou je komunikačné rozhranie pre komunikáciu PLC s PC prostredníctvom sériovej linky RS-232 a sieťového protokolu TCP/IP. Prehľad všetkých používaných modulov v zostave PLC spoločne s ich stručným popisom a použití v riadiacom systéme je uvedený v tab. 1.
 
Riadiace algoritmy boli naprogramované v prostredí B&R Automation Studio pomocou jazyka Automation Basic [2].
 
Riadiaci systém paralelne vykonáva niekoľko nepretržitých cyklov. Sú to samostatné cyklické moduly (algoritmy), ktoré zabezpečujú tieto operácie:
  • vypínanie a zapínanie kompresorov tak, aby bol tlak v nádobe udržaný medzi minimálnou a maximálnou hodnotou,
  • stabilizáciu prietoku vzduchu na žiadanú hodnotu pomocou servoventilu,
  • stabilizáciu teploty v modeli uhoľného sloja,
  • stabilizáciu koncentrácie CO a O2 v produkovanom plyne na žiadanú hodnotu pomocou prietoku vzduchu,
  • stabilizáciu koncentrácie O2 v produkovanom plyne na žiadanú hodnotu pomocou ventilátora na výstupe,
  • extremálnu reguláciu pre maximalizáciu teploty, koncentrácie CO, výhrevnosti a pomeru CO/(CO+CO2) vo vyrobenom plyne,
  • optimálne riadenie procesu UCG (feedback optimal control) [4], [5].
Stromová štruktúra projektu riadiaceho systému je zobrazená na obr. 2. V tejto štruktúre sú na ľavej strane zobrazené jednotlivé moduly I/O PLC a na pravej strane cyklické moduly s riadiacimi algoritmami. Každý modul sa dá osobitne konfigurovať a na jeho porty je možné napojiť premenné z riadiacich algoritmov. Riadiace algoritmy sú umiestnené v tzv. cyklických moduloch s pevne nastavenou periódou, pričom každý modul má svoj názov podľa svojho významu. Po skompilovaní projektu sa binárny kód odošle na PLC a ten ho cyklicky vykonáva. Premenné, ktoré sú z PLC odosielané do PC, musia byť v projekte deklarované ako globálne. Zároveň je nevyhnutné tie isté premenné nakonfigurovať na PC v prostredí aplikácie OPC Configurator.
 
Na obr. 3 je znázornená zjednodušená bloková schéma celého systému pre monitorovanie a riadenie procesu splyňovania uhlia, ktorá pozostáva zo štyroch základných blokov. Blok splyňovací generátor predstavuje experimentálne zariadenie, na vstupe ktorého je znázornený prívod okysličovadla a na výstupe potrubie s odsávaným produkovaným plynom spaľovaným v spaľovacej komore. Blok zariadenia pre meranie a reguláciu predstavuje meracie prístroje a zariadenia (tlakomery, prietokomery, ventily, termočlánky atď.). Blok PLC zahŕňa zostavu PLC podľa tab. 1 a algoritmy riadiaceho systému. Posledným blokom je monitorovací systém, ktorý je implementovaný na PC a jeho komunikácia s PLC je zabezpečená prostredníctvom RS-232.
 
Na obr. 4 je zobrazená podrobnejšia schéma pripojenia jednotlivých zariadení pre meranie a reguláciu k PLC. Pripojené boli zariadenia s analógovými prúdovými a analógovými napäťovými signálmi a zariadenia s dvojstavovou reguláciou. V schéme je taktiež zobrazený princíp prepojenia riadiaceho systému (PLC) s monitorovacím systémom (PC) prostredníctvom rozhrania B&R PVI.
 
PLC je prostredníctvom sériovej linky (RS-232) spojený s počítačom, na ktorom je spustená aplikácia monitorovacieho a riadiaceho systému procesu UCG. Táto aplikácia bola vytvorená v prostredí Promotic a je určená pre vizualizáciu procesu splyňovania v laboratórnych podmienkach. Monitorované procesné veličiny sú zobrazované v jednotlivých obrazoch v grafickej a tabuľkovej podobe. Základným obrazom monitorovacieho systému je obraz „generátor“ (obr. 5), ktorý operátor využíva na monitorovanie vstupov a výstupov pri splyňovaní na obidvoch generátoroch (G1 a G2). Ďalším dôležitým obrazom pre monitorovanie a riadenie procesu je obraz „teploty“ (obr. 6), ktorý je najčastejšie sa aktualizovaným obrazom a zobrazuje aktuálne (okamžité) hodnoty teplôt zo všetkých pripojených termočlánkov. Okrem spomínaných obrazov monitorovací systém obsahuje ešte tieto obrazy:
  • obraz „riadenie splyňovania“,
  • obraz „trendy koncentrácie plynov“,
  • obraz „trendy teplôt“,
  • obraz „rýchlosti ohrevu“.
Monitorovací systém taktiež umožňuje archivovať údaje do databázových súborov pre off-line vyhodnotenie experimentov. PLC s monitorovacím a riadiacim systémom komunikuje prostredníctvom rozhrania PVI (PVI Manager) a nastaveného PVI OPC Servera.
 

3. Algoritmy riadiaceho systému procesu UCG

 
Cieľom riadiaceho systému procesu UCG pri jeho overovaní v laboratórnych podmienkach je zabezpečiť, aby vyrobený plyn – syngas – dosahoval čo najvyššiu výhrevnosť, t.j. zabezpečiť čo najväčší obsah horľavých zložiek v produkovanom plyne. Pre dosiahnutie tohto cieľa bolo potrebné vytvoriť tieto algoritmy riadiaceho systému (obr. 7):
  • diskrétny PI regulátor pre stabilizáciu objemového prietoku okysličovadla na vstupe experimentálneho zariadenia,
  • PI regulátor pre stabilizáciu koncentrácií výhrevných zložiek produkovaného plynu riadeným prietokom okysličovadla na vstupe do experimentálneho zariadenia,
  • PI regulátor pre stabilizáciu koncentrácie kyslíka v produkovanom plyne riadením výkonu odsávacieho ventilátora na výstupe z experimentálneho zariadenia,
  • PI regulátor pre stabilizáciu teplôt v uhoľnom modeli experimentálneho zariadenia riadeným prietokom okysličovadla na vstupe do experimentálneho zariadenia,
  • extremálne regulátory pre riadenie teploty a koncentrácie CO a pomeru CO/(CO + CO2),
  • algoritmus optimálneho riadenia pre optimálne riadenie procesu UCG podľa zvoleného kritéria (extremálne algoritmy).
Všetky uvedené regulátory sú umiestnené na PLC ako samostatné cyklické moduly. Vybrať regulátor a nastaviť jeho parametre je možné v prostredí monitorovacieho systému, ktorý je implementovaný na PC [3].
 
V priebehu splyňovania je zloženie produkovaného plynu funkciou teploty v reakčnej zóne a objemového množstva okysličovadla na vstupe. Stabilizačné regulátory umožňujú stabilizovať veličiny na vstupe – objemový prietok okysličovadla, v modeli uhoľného sloja – teploty a na výstupe – koncentrácie zložiek produkovaného plynu na požadovanej hodnote.
Napríklad udržiavanie vyšších teplôt v splynovacom kanáli modelu uhoľného sloja má pozitívny vplyv na chemické reakcie pri výrobe syngasu. Podobne aj stabilizácia koncentrácie CO na vyššie hodnoty pozitívne vplýva na výhrevnosť produkovaného plynu. Extremálne regulátory sú zapojené v kaskáde s uvedenými regulátormi pre stabilizáciu.
 
Algoritmus optimálneho riadenia je založený na princípe optimalizácie so spätnou väzbou bez matematického modelu. Optimalizačná úroveň experimentálnou cestou hľadá optimálne parametre vstupov do splyňovacieho procesu tak, aby bol dosiahnutý sledovaný cieľ. Aplikovaná bola jednoduchá gradientná optimalizačná metóda s obmedzeniami, ktorá bola prispôsobená pre optimalizáciu riadiacich veličín splyňovacieho zariadenia. Hlavným cieľom pri overovaní riadiacieho algoritmu optimálneho riadenia bola maximalizácia výhrevnosti vyrobeného plynu [5].
 

4. Bezpečnosť experimentálneho zariadenia a riadiaceho systému

 
Navrhnuté experimentálne zariadenie je prioritne určené len pre výskum technológie procesu splyňovania uhlia, čo ale nemôže znížiť požiadavky na jeho bezpečnú prevádzku. Pri prevádzaní experimentov na zariadení boli vypracované špeciálne bezpečnostné predpisy pre operátorov. V týchto predpisoch je predovšetkým zahrnutá bezpečnosť a ochrana zdravia pri práci. Pracovníci majú k dispozícii prístroje pre meranie koncentrácií nebezpečných plynov v ovzduší. V prípade zvýšenej koncentrácie oxidu uhoľnatého je v predpisoch uvedený detailný postup činností pre elimináciu rizika otravy plynom. Experimentálne zariadenie je umiestnené v hale, ktorá je dostatočne odvetrávaná a produkovaný plyn – syngas je spálený v spaľovacej komore.
 
PLC s riadiacim systémom je umiestnený v rozvádzacej skrini, v ktorej je elektrická inštalácia zabezpečená podľa noriem STN 33 2000. Bezporuchová činnosť riadiaceho a monitorovacieho systému je zabezpečená:
  • pravidelným testovaním algoritmov systému,
  • kontrolou funkčnosti meracích prístrojov a zariadení,
  • kontrolou správnosti zapojenia elektrických prístrojov v rozvádzacej skrini,
  • overovaním funkčnosti a správneho pripojenia termočlánkov do modulov PLC.
Zapojenie sa kontroluje a overuje pred každým experimentom. V priebehu experimentu sú merané procesné veličiny overované vzhľadom na technologické medze. Pri ich prekročení sa spustí vizuálny alarm a porušenie technologickej medze je zaznamenané v databáze.
 

5. Záver

 
Realizácia procesu podzemného splyňovania na reálnom uhoľnom ložisku si vyžaduje nielen znalosť geológie a samotného procesu, ale aj investície potrebné na vybudovanie systémov pre monitorovanie a automatické riadenie procesu splyňovania. V príspevku je prezentovaná štruktúra integrovaného riadiaceho systému stabilizačnej a optimalizačnej úrovne. Riadiaci systém je automatizovaný, postavený na báze priemyselného automatu (PLC) a rozsiahleho monitorovacieho systému.
 
Uvedený riadiaci systém bol overený na experimentálnom splyňovacom zariadení v dvoch rôznych generátoroch. Fyzikálny model uhoľného sloja bol zostavený v korelácii s reálnymi podmienkami skutočného podzemného ložiska. Pri implementácii riadiaceho systému do procesu UCG v reálnom ložisku je potrebná jeho adaptácia.
 
Tento príspevok vznikol ako jeden z výstupov projektu APVV 0582-06, ktorého cieľom bolo overiť technológiu podzemného splyňovania uhlia v laboratórnych podmienkach. Porovnanie alternatív splyňovania a výsledky z ostatných experimentov sú uvedené v rozsiahlych výskumných správach projektu a odborných príspevkoch.
 
Poďakovanie:
Táto práca bola podporená projektom aplikovaného výskumu APVV 0582-06 a grantmi VEGA s číslom 1/0365/08, 1/0404/08 a 1/0567/10 zo Slovenskej vedeckej grantovej agentúry.
 
Literatúra:
[1] ANON: Underground Coal Gasification Program. Booz, Allen & Hamilton, Inc., Report ERDA 77-51/4 on Contract No. EX-76-C-01-2343, US Energy Research and Development Administration, 1977, 31 pp.
[2] KOSTÚR, K. – KAČUR, J.: The Monitoring and Control of Underground Coal Gasification. In: Acta Montanistica Slovaca, 1335-1788, 2008, 13, s. 111-117.
[3] LACIAK, M. – KAČUR, J.: Automatizovaný systém riadenia podzemného splyňovania uhlia v laboratórnych podmienkach. AT&P Journal, 8/2009, pp. 47–52, ISSN 1336-233X.
[4] KOSTÚR, K.: The Structure Of Control For Underground Coal Gasification. In: ICCC‘2009: Proceedings of 10th International Carpathian Control Conference, Zakopane, Poland, May 24-27, 2009, AGH Krakow, pp. 219-222, ISBN 83-89772-51-5.
[5] LACIAK, M. - KAČUR, J.: Optimálne riadenie procesu splyňovania uhlia v laboratórnych podmienkach. In: AT&P Journal, 4/2010, ISSN 1336-233X.
 
Ing. Ján Kačur, Ing. Marek Laciak, PhD.,
Technická univerzita v Košiciach,
Fakulta baníctva, ekológie,riadenia a geotechnológií,
ústav riadenia a informatizácie výrobných procesov
 
Lektorovala: Ing. Marie Martinásková, Ph.D.,
ústav přístrojové a řídicí techniky,
Fakulta strojní ČVUT v Praze
 
Obr. 1. Schématické znázornenie reakčných zón podzemného splyňovania
Obr. 2. Stromová štruktúra projektu riadiaceho systému v prostredí B&R Automation Basic
Obr. 3. Bloková schéma monitorovacieho a riadiaceho systému
Obr. 4. Schéma pripojenia zariadení pre meranie a reguláciu na riadiaci systém
Obr. 5. Obraz monitorovacieho systému s názvom „generátor“
Obr. 6. Obraz monitorovacieho systému s názvom „teploty“
Obr. 7. Štruktúra zapojenia algoritmov riadiaceho systému v procese splyňovania
 
Tab. 1. Konfigurácia PLC v riadiacom systéme