Файл: Теория планирования эксперимента.docx

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет мехатроники и автоматизации

Кафедра электротехнических комплексов

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА

по теме:

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА

Дисциплина «Теория планирования эксперимента»

Выполнил:

Магистрант 2 курса, ___________«___»_____________2022 г. Савлук И.Г.

Проверил: д.т.н.,

профессор кафедры ЭТК _________ «___»___________2022 г. Порсев Е.Г.

Новосибирск, 2022

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 4

2 ПРОГРАММА НИР 5

3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ 6

3.1. РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ АНАЛИЗ 7

4 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 9

4.1 Предпосылки к обоснованию параметров 9

4.2. Характеристики используемых приборов 10

4.4. Определение доверительных границ числа повторности опытов 12

4.5.Планирование эксперимента 12

4.6 Составление феноменологического уравнения 17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 18

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 19

ВВЕДЕНИЕ

В результате исследования были сформулированы объект и предмет исследования, была произведена постановка цели и задач исследования.

Во второй главе была сформирована программа НИР с октября 2022 г. по март 2023 г, которая включает в себя три этапа.

В третьей главе были приведены и обоснованы теоретические предпосылки исследования, была выбрана функция отклика и факторы, влияющие на неё.

В четвёртой главе было проведено планирование эксперимента, а именно:

Произведён выбор измерительных приборов;
Рассчитана погрешность проводимых измерений;
Произведён расчёт повторности производимых опытов в эксперименте;
Составлены матрица эксперимента, рандомизированная матрица, план эксперимента.

1 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объект исследования: автоматизированный комплекс получения водородного топлива

Предмет исследования: установление параметров производительности процесса получения водорода.

Цель исследования: Повышение выходного количества синтез-газа и водородного топлива водородного комплекса.

Задачи исследования:

Обзор действующей автоматизированной системы.
Анализ системы управления процессом.
Проектирование модернизированного комплекса.
Провести оценку экономической эффективности и рентабельности модернизации.

2 ПРОГРАММА НИР

Таблица 1 – Программа НИР

Наименование этапа	Исполнители, соисполнители	Календарные сроки	Краткая схема исследований
Создание автоматизированного комплекса получения водородного топлива	Руководитель и отв. Исполнитель: Мятеж С.В. Савлук И.Г.	октябрь 2022 г. – декабрь 2023 г.	Определение структуры системы, составление математической модели, математическое планирование эксперимента и его непосредственное проведение.
1. Задание на работу (цели и задачи). Патентно-информационный поиск и систематизация научно-технических материалов по теме диссертационной работы.		Октябрь 2022 г.	Составление списка источников. Аналитический обзор источников.
2. Разработка математической модели.		январь 2023 г. – сентябрь 2023 г.	Разработка математической модели
3. Написание теоретической и расчетной частей работы. Подготовка публикаций		Октябрь 2022 г. – март 2023 г.	Написание теоретической и расчетной частей работы.

3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

В совремменой промышленности в огромных количествах производиться технологические газы для различных химических синтезов, получения водорода (для процессов нефтепереработки и нефтехимии, гидрирование жиров, углеводородов, питание топливных элементов), получения восстановительных газов (для восстановления руд, создания защитной атмосферы, ведение доменной плавки).

Химическая технология располагает рядом методов получения водорода и водородосодержащих газов (синтез-газ) из газообразного и твердого топлива.

Установки по производству водорода и синтез газа входят в состав практически все нефтеперерабатывающих и нефтехимических комплексов.

Для крупнотоннажного производства водорода и синтез - газа в настоящее время наиболее распространенным и перспективным является метод каталитической конверсии метана и его гомологов.

3.1. РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ АНАЛИЗ

Используя ресурсы крупнейшей в России электронной библиотеки научных публикаций, статей и патентов «eLIBRARY». [1]. было проведено ретроспективное патентно-информационное исследование в области разработки эффективной системы производства водорода способом конверсии метана. Данный анализ проводился с целью изучения тенденций технического развития связанных с данной темой.

На данную тему найдено 879 статей, диссертаций и патентов за последние 20 лет. Результаты представлены на рисунке 1 в виде гистограммы.

Рисунок 1 – Тенденция развития систем автоматического эффективного управления конверсией метана в синтез-газ и водород
По рисунку 1 видно, что пик публикаций приходится на период с 2016 по 2020 годы, из этого следует, что в настоящее время данная тема актуальная. Результат выполненного ретроспективного анализа является подтверждением актуальности рассматриваемой темы за счет роста публикаций, преимущественно в период с 2016 по 2020 г.
Объект исследования:

Система управления производства водорода конверсией метана.

Предмет исследования:

Процесс конверсии метана в синтез-газ и водород.

Цель исследований:

Повышение эффективности систем управления производства водородного топлива с помощью использования моделей исполнительных механизмов, работающих в реальном времени.

Задачи исследований:

1) Анализ различных вариантов составления модели электропривода насосов и сравнение их показателей качества, а также потребляемых ресурсов для качественного производства водорода.

2) Разработка системы управления насосным агрегатом подачи воздуха и газа в производительном резервуаре.

3) Анализ эксплуатационных режимов работы установки, сравнение показателей качества при различных заданных параметрах, и оценка эффективности работы системы управления с моделью SCADA системы.

4 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Предпосылки к обоснованию параметров

Для системы управления насосным агрегатом важны такие параметры как время регулирование

, величина перерегулирования, так же важно соблюдать уровень напора и подачи жидкости. Для этого в смесительной установке всасывающий насос должен поддерживать стабильный расход чистого воздуха и газа. с возможностью регулирования числа оборотов вала. Такой производительности соответствует центробежный, моноблочный, одноступенчатый насосный агрегат двухстороннего входа. Система управления должна на протяжении всей времени работы установки поддерживать заданный уровень компонентов, за это отвечает группа датчиков расходомеров. Схемы технологического процесса и измерительного тракта представлены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1 – Принципиальная схема установки производства водорода методом паровой конверсии 1 – печь риформинга; 2 – реактор гидрообессеривания; 3 – адсорберы; 4 – реактор предриформинга; 5 – реактор конверсии СО; 6 – блок короткоцикловой адсорбции (КЦА)

4.2. Характеристики используемых приборов

Для проведения эксперимента необходим программный продукт MatLab, с подключенными библиотеками “OPC Link”, “OPC Toolbox”, “Linear analysis”, а также среда разработки SCADA системы “Trace Mod”, в которой написана рабочая программа для работы установки. Поскольку эксперимент проводится путем моделирования, физические датчики так же будут реализованы в модели путем эмуляции.

Таблица 2 – Метрологические характеристики используемых приборов.

Наименование прибора	Предел измерений	Класс точности
Датчик давления АИР-30М	0,025 кПа…16 МПа	1
Ультразвуковой расходомер SITRANS FUG1010	0,012…461 куб.м/мин	0,1

Таблица 2.1 – Технологические характеристики датчика давления АИР-30М

Модель Параметры	АИР-30М
Класс взрывозащиты	IP68
Диапазон измерения давления	0,025 кПа…60 МПа
Предел допускаемой основной погрешности, %	0,25
Напряжение питания, В	31.8
Верхний предел измерений, МПа	2
Выходной сигнал, мА	4-20
Гарантийный срок службы, лет	3
Цена, р	5000

Таблица 2.2 – Технологические характеристики расходомера SITRANS FUG1010

Модель Параметры	АИР-30М
Класс взрывозащиты	IP68
Диапазон измерения давления	0,012…461 куб.м/мин
Предел допускаемой основной погрешности, %	0,1
Напряжение питания, В	12-42 DC
Выходной сигнал, мА	4-20
Гарантийный срок службы, лет	3
Цена, р	5000

Предельная и абсолютная ошибка исходя из числа и класса точности приборов, используемых в экспериментальном тракте:

где k – число приборов в измерительном тракте;

– предел измерения прибора;

– класс точности прибора.

Предельная относительная ошибка определяется как сумма отношения абсолютных ошибок к действительным значениям измеряемых величин:

4.4. Определение доверительных границ числа повторности опытов

В связи с тем, что для определения функции отклика производятся замеры несколькими приборами, за относительную ошибку принято значение предельной ошибки, т. е.