Содержание к диссертации
Введение
1. Краткий анализ принципов автоматического управления аэродинамическим и температурным режимами работы печи кипящего слоя (КС) при обжиге металлургического сырья 13
1.1 Краткая характеристика технологического процесса обжига в кипящем слое и особенности обжига никелевого файнштейна в печи КС с форкамерой . 13
1.2 Анализ технических решений по автоматизации процесса обжига никелевого файнштейна и аналогичных видов металлургического сырья в печи КС с форкамерой 20
1.3 Актуальность разработки новых способов и систем автоматического управления процессами обжига никелевого файнштейна в печи КС. Формулировка цели работы, критериев и ограничений управления и вопросов исследования 28
Выводы по главе 1 31
2 Изучение закономерности изменения температуры в форкамере печи от содержания серы в загружаемом никелевом файнштейне и оборотных пылях 33
2.1 Разработка математической модели непрерывного прогнозирования содержания серы в исходной шихте 33
2.2 Формирование алгоритма периодической подстройки параметров математической модели оценки содержания серы в шихте 43
Выводы по главе 2 46
3 Математическая модель процесса обжига никелевого фаинштеина в печи КС с форкамерои 49
3.1 Структура математической модели процесса обжига никелевого файнштейна в печи КС с форкамерой 49
3.2 Экспериментальное исследование динамических характеристик процесса обжига никелевого файнштейна в КС с форкамерой 57
3.3 Параметрическая идентификация математической модели обжига по результатам экспериментальных исследований 63
3.4 Статические характеристики процесса обжига никелевого файнштейна в печи КС 75
Выводы по главе 3 84
4 Разработка функциональной схемы системы автоматического управления температурным и аэродинамическим режимами процесса обжига никелевого файнштейна в печи КС с форкамерой 86
4.1 Подсистема оценки содержания серы в загружаемой в форкамеру шихте 88
4.2 Подсистема диагностики параметров динамической характеристики каналов подачи управляющих воздействий в печь КС с форкамерой 88
4.3 Подсистема расчета оптимальных настроек ПИ-контроллера-регулятора 102
4.4 Подсистема управления расходом шихты с самонастраивающимся регулятором-контроллером 102
4.5 Подсистема управления потоком дутья в печь КС с форкамерой 103
Выводы по главе 4 108
Заключение
Список использованных источников 113
- Краткая характеристика технологического процесса обжига в кипящем слое и особенности обжига никелевого файнштейна в печи КС с форкамерой
- Разработка математической модели непрерывного прогнозирования содержания серы в исходной шихте
- Структура математической модели процесса обжига никелевого файнштейна в печи КС с форкамерой
- Подсистема оценки содержания серы в загружаемой в форкамеру шихте
Введение к работе
Актуальность темы:
Процессы обжига никелевого файнштейна в печах кипящего слоя (КС) и последующего сульфатхлорирующего обжига полученного огарка относятся к важнейшим переделам производства никеля из окисленных руд.
Установлено, что увеличение температуры обжига файнштейна выше 1050 С приводит к укрупнению огарка оплавлением, а снижение ее ниже 800 С приводит к переизмельчению. Укрупнение и переизмельчение огарка обусловливают нарушение известных нормальных условий псевдоожижения по Тодесу, что является одной из главных причин появления риска возникновения тяжелых технологических нарушений, требующих проведения ресурсоемких операций на восстановление работоспособности печи КС и вспомогательного оборудования. К таким результатам часто приводит появление значительных перепадов давления кислородно-воздушной смеси под подинами форкамеры и реакционной зоны печи КС. Например, чрезмерное снижение количества шихты, подаваемой в форкамеру печи, приводит к снижению аэросопротивления форкамеры. При этом скорость восходящего потока в ней возрастает до критической, когда образуется фонтанирующий восходящий поток воздуха из форкамеры. Данный поток, как насос, увлекает с собой в газоотводящий тракт все мелкие частицы из форкамеры, а также витающие над реакционной зоной печи КС частицы с крупностью 0,14-^-0,07 мм, доля которых составляет от 4 % до 30 % от общей массы шихты в реакторе КС.
Из изложенного видно, что при обжиге в КС никелевого файнштейна необходимо с минимальной динамической и статической ошибками управлять температурным режимом и аэродинамикой псевдоожижения из условия
минимизации пылевыноса, а также исключения возможных потерь работоспособности печи КС и потери металлов.
КС как объект управления относится к классу непрерывных многомерных и многокритериальных динамических объектов. Неконтролируемые возмущения, отсутствие возможности оперативного получения текущей информации о качестве получаемого огарка, и значительное (2-3 часа) запаздывание в получении информации о составах компонентов исходной шихты существенно усложняют задачу качественного управления рассматриваемым процессом обжига.
Известные способы и автоматические системы управления температурным и аэродинамическими режимами обжига измельченного никелевого файнштейна, не учитывают нестациоиариостей состава компонентов шихты и транспортного запаздывания подачи шихты в форкамеру печи КС. Устранение этих недостатков известных САУ-КС позволит получить:
сокращение потерь цветных металлов и улучшение экологической безопасности переработки окисленных руд за счет сокращения выбросов пылей и сернистых газов;
повышение надежности непрерывной работы печи КС за счет повышения качества управления аэродинамическим и температурным режимами процесса обжига никелевого файнштейна в КС с форкамерой;
повышение объемов качественного огарка после обжига измельченного файнштейна.
Этим объясняется актуальность решения задачи создания высококачественной системы автоматического управления температурным и аэродинамическим режимами обжига в КС измельченного никелевого файнштейна из окисленных руд.
7 Цель работы и научно-технические вопросы исследования:
стабилизация качества получаемого огарка на регламентированном уровне, управление аэродинамикой форкамеры и реакционной камеры печи КС из условия минимизации выбросов пыли и сернистого газа, а также повышения надежности непрерывного функционирования процесса обжига в КС за счет совершенной компьютерной системы автоматического управления.
Достижение этой цели требует рассмотрения следующих научно-технических вопросов:
исследование закономерности изменения температуры в форкамере печи КС от содержания серы в загружаемом измельченном файнштейне (далее шихта) полученном из окисленных никелевых руд;
разработка математической модели процесса обжига и никелевого файнштейна; модельные и экспериментальные исследования динамических и статических характеристик каналов управления аэродинамическим и температурным режимами управления процессом обжига никелевого файнштейна в печи КС с форкамерой;
разработка алгоритмов автоматической стабилизации аэродинамических и температурных режимов обжига файнштейна;
разработка структуры и алгоритма функционирования самонастраивающегося контроллера-регулятора для компенсации нестационарностей характеристик тракта загрузки шихты в печь КС;
разработка функциональной схемы интегрированной системы автоматического управления температурным и аэродинамическим режимами обжига измельченного никелевого файнштейна из окисленных руд в печи КС с учетом частотных свойств каналов управления и удовлетворения выбранных целевых функций управления при заданных технологических ограничениях;
8 испытания разработанных алгоритмов функционирования подсистем САУ в реальных условиях обжига файнштейна в печи КС-1 ОАО «Южуралникель».
Исследования проводились в соответствии с региональной программой «Экологическая безопасность населения Оренбургской Губернии», утвержденной Минэкологии и Минфином России от 1997 г., гранта губернатора Оренбургской области «Экологически безопасная технология переработки окисленных никелевых руд Буруктальского месторождения и тематическими планами НИР МИСиС и ОДО «Научно учебного производственного комплекса «КАГУС» на 2002-2006 г.г. (хоздог. 417/02-1 и 480/04-М).
Методы исследования. Теоретические результаты работы обоснованы математически с использованием теории вероятностей, методов математического описания химико-металлургических процессов, методов современной теории автоматического управления, параметрическая идентификация математических моделей процесса обжига проводилась с использованием пассивных и активных экспериментов на реальном объекте. Теоретические положения также подтверждены расчетами по компьютерной модели и испытаниями подсистем регулирования и алгоритмов на реальной печи КС с форкамерой.
Научная новизна:
на основе анализа состояния техники и необходимости выполнения цели решения актуальной задачи, сформулированы целевые критерии управления и технологические ограничения;
для информационной поддержки базовых законов управления процессом обжига установлена закономерность изменения температуры в форкамере печи КС в зависимости от содержания серы в загружаемой в печь шихте -никелевом файнштейне и оборотной пыли;
разработаны способы автоматического управления температурным и аэродинамическим режимами процесса обжига измельченного никелевого файнштейна в печи КС с форкамерой (патент № 2265779. Бюлл. 34 от
10.12.2005 г. и патент № 2293936. Бюлл. 5 от 20.02.2007 г.).
разработана структура и алгоритм функционирования
самодиагностирующегося и самонастраивающегося контроллера-
регулятора для компенсации диагностируемой
нестационарности параметров характеристики канала управления «шихта
- температура огарка» (патент на изобретение по заявке № 2001115574 от
30.11.2006 г.).
разработаны блок-схема интегрированной САУКС и алгоритмы
функционирования системы автоматического управления
аэродинамическим и температурным режимами процесса обжига
измельченных никелевых файнштейнов в печи КС с форкамерой,
удовлетворяющая 2-м предложенным в работе целевым критериям
управления при заданных технологических ограничениях.
Практическая значимость работы заключается в том, что реализация результатов, полученных в диссертационной работе, приведет к достижению значительного улучшения качества огарка, повышению надежности непрерывного функционирования процесса обжига и улучшению экологической ситуации за счет снижения пыле и газо-выбросов.
10 Реализация результатов работы. По результатам выполненной
диссертационной работы составлено и принято ОАО «Южуралникель»
техническое задание (ТЗ) на создание «Компьютерной АСУ ТП обжигового
цеха (1-ая очередь КАСУ-ТП на участке измельчения файнштейна - обжиг в
печах кипящего слоя). Москва - Орск. 2005 г., с-100.
Испытания отдельных подсистем и алгоритмов в промышленных условиях
подтвердили снижение динамической ошибки управления температурным
режимом в 3-4 раза и снижение пылевыбросов на 20-30%.
Результаты работы используются также в учебном процессе при подготовке
специалистов в ВУЗе по специальности «Автоматизация технологических
процессов и производств в металлургии».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе, в изданиях по перечню ВАК РФ - 4 работы.
Работа выполнялась в соответствии с региональной программой «Экологическая безопасность населения Оренбургской Губернии», утвержденной Минэкологии и Минфина от 1997г., гранта губернатора Оренбургской области - «Экологически безопасная технология переработки окисленных руд Буруктальского месторождения» и тематическим планом НИР МИСиС на 2002-2006гг. (Хоз.договора №417/02-1 от 23.10.02 и №480/04-М от 07.06.2004г.).
В первой главе работы проведен анализ современного состояния вопроса автоматического управления процессом обжига измельченного никелевого файнштейна в печах кипящего слоя. В результате проведенного анализа сформулированы вопросы исследования, направленные на решение актуальной задачи повышения эффективности и экологической безопасности переработки окисленных никелевых руд за счет совершенствования способа и системы
автоматического управления процессом обжига вторичного файнтштейна в КС с форкамерой.
Во второй главе: установлена закономерность изменения температуры в форкамере печи КС от содержания серы в измельченном никелевом файнштейне; построена математическая модель косвенного непрерывного контроля содержания серы в шихте и предложен алгоритм подстройки параметров указанной модели, через интервалы времени, научно обоснованные автором экспериментами на реальной печи КС-1.
В третьей главе: приведена структура математической модели
рассматриваемого процесса; проведена идентификация математической модели
и определены неизвестные параметры динамических характеристик печи по
различным каналам управления, полученные экспериментальными
исследованиями на промышленных печах КС с форкамерой, а также приведены результаты изучения статических характеристик процесса на его математической модели при использовании различных каналов управления.
В четвертой главе: разработан эффективный способ автоматического управления скоростями восходящих потоков в форкамере и реакционной камере печи КС (патент №22293936 на изобретение "Способ управления процессом обжига металлургического сырья в печи кипящего слоя и её остановки" Опубл. в бюлл.№2 от 20.01.2007г.); разработаны несколько вариантов (они анализируются в гл.4 для включения одного из них в ТЗ создаваемой системы) самонастраивающийся контроллер для компенсации квазинестационарностей аэродинамических характеристик печи КС и тракта загрузки шихты в печь; определены расчетные формулы для самонастройки параметров нового контролера по патенту по заявке №2006142214 от 30.11.2006г; разработаны структурно-функциональная схема и алгоритм функционирования системы управления; проведена проверка работоспособности разработанных алгоритмов автоматического управления с использованием реальных характеристик
12 каналов воздействия на температуру обжигаемого никелевого файнштейна и алгоритма стабилизации аэродинамики в камерах печи КС(акт испытания от 20.04.2004г). Приведено описание промышленной реализации интегрированной системы автоматического управления процессом; реализованная на базе непрерывного измерения содержания серы в шихте, загружаемой в форкамеру, и регулировании давления под подиной форкамеры в зависимости от реального количества поступающей шихты в форкамеру печи; разработаны программно-техническое обеспечение системы управления; приведены результаты промышленных испытаний новых способов контроля серы в исходной шихте и стабилизации скоростей восходящего потока дутья из условия уменьшения пылевыноса, а также испытаниями в лабораторных условиях кафедры подтверждена эффективность разработанного совместно с ИПУ РАН адаптивного контролера.
Следует отметить, что последний 3-й год функционирует в реальном масштабе времени в системе регулирования в составе лаборатории кафедры "Компьютерные информационные и управляющие системы автоматики" ГТУ "Московский институт стали и сплавов"
Краткая характеристика технологического процесса обжига в кипящем слое и особенности обжига никелевого файнштейна в печи КС с форкамерой
В основу процессов в кипящем слое заложен принцип псевдоожижения. Как известно, [1,3], образование псевдоожиженного или кипящего слоя происходит, если через слой сыпучего материала, лежащего на подине специальной конструкции, продувать газ или раствор. Независимо от продуваемого газа или раствора, сопротивление КС принято оценить как аэродинамические или гидравлическое, т.к. большинство закономерностей из гидродинамики подходят для правомерного описания поведения частиц в псевдоожиженном слое и при подаче газа для псевдоожижения [1,5,9].
Нормальное течение процесса обжига обеспечивается тогда, когда обжигаемый материал находится в псевдоожиженном состоянии. Это состояние наступает при определенной скорости восходящего потока воздуха, при которой подъемная сила воздуха равняется общему весу сыпучего материала [1,7,8-15].
При рассмотрении условий образования кипящего слоя различают минимальную критическую скорость """кр, при которой слой сыпучего материала переходит из неподвижного в псевдоожиженное состояние и максимальную критическую скорость Г"13" , при которой псевдоожиженный слой переходит во взвешенное состояние со свободным витанием частиц вплоть до выноса из реакционной зоны печи кипящего слоя. Максимальная критическая скорость в десятки раз больше минимальной критической скорости. Для наглядности изложенного на рис. 1.1 приведен общий вид графика псевдоожижения, отражающий взаимосвязи скоростей восходящих потоков, давления или расхода кислородно-воздушной смеси (КВС) через КС.
Печь для обжига в кипящем слое (рис. 1.2) представляет собой цилиндрическую шахту КС-1, выложенную в плотном железном кожухе и футерованную огнеупорным кирпичом. Стенки нижней части, в которой происходит обжиг, обычно кессонированы (по разработанному автором техническому решения кессонирование не требуется - см. патент), а верхняя часть расширяется до свода печи.
Главной частью печи является подина - 2 с отверстиями или соплами, представляющая собой устройство для равномерного распределения воздуха, подаваемого снизу в кипящий слой. Подина имеет такую конструкцию, чтобы при минимальном сопротивлении обеспечивалось равномерное распределение воздуха по горизонтальному сечению слоя, а зернистый материал не проваливался через отверстие для прохода воздуха и эти отверстия не засорялись. Площадь подины Si реакционной камеры печи КС относится к площади ее форкамеры 8ф как Sn/S(j, 10 +- 35.
Подина изготавливается из жароупорного бетона, в которой заделаны стальные трубы воздухораспределительных сопел. Она разделена на две части: рабочую или реакционную камеру и форкамеру или загрузочную камеру, куда подается отдельно от рабочей камеры воздух и поступает исходная шихта. Раздельная подача воздуха в две части подины позволяет создавать повышенную скорость псевдоожижения в той части подины, куда неравномерно поступает влажный тяжелый материал - шихта, основное назначение форкамеры печи — аэролифтовая транспортировка загружаемого материала или шихты в реакционную камеру печи КС.
Общая схема цепи агрегатов для проведения процесса обжига никелевого измельченного файнтштейна в печи КС с форкамерой 17 Восходящий поток дутьевого воздуха, проходящий через загруженный слой материала, поддерживает материал в состоянии псевдоожижения и вступает с ним во взаимодействие. Часть более мелких частиц (обычно более 20% от общего их объема в шихте) выносится потоком газа из кипящего слоя и продолжает взаимодействовать с ним во взвешенном состоянии над слоем, а часть уносится в газоход.
При высоких температурах процесс теряет устойчивость — начинается бурное тепловыделение, частицы расплавляются и происходит спекание материала, что может привести к преждевременной остановке печи. При низких температурах уменьшается динамический напор газа и возможно выпадение наиболее крупных частиц на подину - появляется кусочек расплава, являющийся центром образования спеков [9-17]. Кроме того, при снижении температуры процесс окисления замедляется, что приводит к ухудшению качественных показателей процесса.
Таким образом, температура кипящего слоя является наиболее важным параметром, который определяет количественные и качественные показатели процесса с одной стороны и характеризует устойчивость и надежность кипящего слоя с другой.
Как уже ранее отмечалось, изменения количества поступающей шихты в форкамеру, приводит к снижению или увеличению сопротивления форкамеры к прохождению дутьевого воздуха. Это, соответственно, обуславливает уменьшение или возрастание скорости восходящего потока в форкамере до критически максимального значения. При этом скорость может возрасти до VmaxKp, т.е. до выноса частиц, в первую очередь, витающих над слоем кипящего слоя. При скорости восходящего потока снижении ниже минимально допустимого, форкамера как бы "запечатывается" шихтовыми материалами в ней, приводя печь практически в нерабочее состояние. При этом возникает возможные варианты неработоспособности печи КС из-за расплавления материала в форкамере и/или возрастания давления под подиной основной реакционной зоны печи, а следовательно роста скорости восходящего потока до "1ах при котором активируется вынос частиц из КС.
Анализ практики ведения процесса обжига полидисперсной металлургической шихты в кипящем слое показал, что на многих объектах цветной металлургии, процесс обжига осуществляется следующим образом: технолог участка обжиговых печей, руководствуясь технологической инструкцией, на основе априорной информации о перерабатываемых полидисперсных материалах и собственного опыта выбирает технологический режим процесса обжига: расход шихты, расход дутьевого воздуха, температуру кипящего слоя, состав и количество выхода огарка, концентрацию и количество выхода сернистого газа, разряжение под сводом печи и др. - представляющие собой задание на каждую смену. Мастер смены на основе накопленного им опыта и навыков, собственного представления о технологическом процессе обеспечивает поддержание заданного технологического режима путем изменения потока загружаемой шихты - воздействием на шибер шихтового бункера или изменением скорости ленты дозатора, например, типа «Агроэскорт». Одновременно устанавливает также рабочую величину расхода дутья КВС под подину Фрабд . Вышеописанный способ ведения процесса обжига является довольно грубым и несовершенным. Поэтому приводит к значительным отклонениям экологических и качественных показателей получаемого огарка.
Актуальность и сложность создания высоэффективных систем автоматического управления процессом обжига полидисперсных материалов в кипящем слое является причиной появления многих работ, посвященных автоматизации указанного технологического процесса [4-7,19-37].
Разработка математической модели непрерывного прогнозирования содержания серы в исходной шихте
В основу процессов в кипящем слое заложен принцип псевдоожижения. Как известно, [1,3], образование псевдоожиженного или кипящего слоя происходит, если через слой сыпучего материала, лежащего на подине специальной конструкции, продувать газ или раствор. Независимо от продуваемого газа или раствора, сопротивление КС принято оценить как аэродинамические или гидравлическое, т.к. большинство закономерностей из гидродинамики подходят для правомерного описания поведения частиц в псевдоожиженном слое и при подаче газа для псевдоожижения [1,5,9].
Нормальное течение процесса обжига обеспечивается тогда, когда обжигаемый материал находится в псевдоожиженном состоянии. Это состояние наступает при определенной скорости восходящего потока воздуха, при которой подъемная сила воздуха равняется общему весу сыпучего материала [1,7,8-15].
При рассмотрении условий образования кипящего слоя различают минимальную критическую скорость """кр, при которой слой сыпучего материала переходит из неподвижного в псевдоожиженное состояние и максимальную критическую скорость Г"13" , при которой псевдоожиженный слой переходит во взвешенное состояние со свободным витанием частиц вплоть до выноса из реакционной зоны печи кипящего слоя. Максимальная критическая скорость в десятки раз больше минимальной критической скорости. Для наглядности изложенного на рис. 1.1 приведен общий вид графика псевдоожижения, отражающий взаимосвязи скоростей восходящих потоков, давления или расхода кислородно-воздушной смеси (КВС) через КС.
Печь для обжига в кипящем слое (рис. 1.2) представляет собой цилиндрическую шахту КС-1, выложенную в плотном железном кожухе и футерованную огнеупорным кирпичом. Стенки нижней части, в которой происходит обжиг, обычно кессонированы (по разработанному автором техническому решения кессонирование не требуется - см. патент), а верхняя часть расширяется до свода печи.
Главной частью печи является подина - 2 с отверстиями или соплами, представляющая собой устройство для равномерного распределения воздуха, подаваемого снизу в кипящий слой. Подина имеет такую конструкцию, чтобы при минимальном сопротивлении обеспечивалось равномерное распределение воздуха по горизонтальному сечению слоя, а зернистый материал не проваливался через отверстие для прохода воздуха и эти отверстия не засорялись. Площадь подины Si реакционной камеры печи КС относится к площади ее форкамеры 8ф как Sn/S(j, 10 +- 35.
Подина изготавливается из жароупорного бетона, в которой заделаны стальные трубы воздухораспределительных сопел. Она разделена на две части: рабочую или реакционную камеру и форкамеру или загрузочную камеру, куда подается отдельно от рабочей камеры воздух и поступает исходная шихта. Раздельная подача воздуха в две части подины позволяет создавать повышенную скорость псевдоожижения в той части подины, куда неравномерно поступает влажный тяжелый материал - шихта, основное назначение форкамеры печи — аэролифтовая транспортировка загружаемого материала или шихты в реакционную камеру печи КС.
Общая схема цепи агрегатов для проведения процесса обжига никелевого измельченного файнтштейна в печи КС с форкамерой 17 Восходящий поток дутьевого воздуха, проходящий через загруженный слой материала, поддерживает материал в состоянии псевдоожижения и вступает с ним во взаимодействие. Часть более мелких частиц (обычно более 20% от общего их объема в шихте) выносится потоком газа из кипящего слоя и продолжает взаимодействовать с ним во взвешенном состоянии над слоем, а часть уносится в газоход.
При высоких температурах процесс теряет устойчивость — начинается бурное тепловыделение, частицы расплавляются и происходит спекание материала, что может привести к преждевременной остановке печи. При низких температурах уменьшается динамический напор газа и возможно выпадение наиболее крупных частиц на подину - появляется кусочек расплава, являющийся центром образования спеков [9-17]. Кроме того, при снижении температуры процесс окисления замедляется, что приводит к ухудшению качественных показателей процесса.
Таким образом, температура кипящего слоя является наиболее важным параметром, который определяет количественные и качественные показатели процесса с одной стороны и характеризует устойчивость и надежность кипящего слоя с другой.
Как уже ранее отмечалось, изменения количества поступающей шихты в форкамеру, приводит к снижению или увеличению сопротивления форкамеры к прохождению дутьевого воздуха. Это, соответственно, обуславливает уменьшение или возрастание скорости восходящего потока в форкамере до критически максимального значения. При этом скорость может возрасти до VmaxKp, т.е. до выноса частиц, в первую очередь, витающих над слоем кипящего слоя. При скорости восходящего потока снижении ниже минимально допустимого, форкамера как бы "запечатывается" шихтовыми материалами в ней, приводя печь практически в нерабочее состояние. При этом возникает возможные варианты неработоспособности печи КС из-за расплавления материала в форкамере и/или возрастания давления под подиной основной реакционной зоны печи, а следовательно роста скорости восходящего потока до "1ах при котором активируется вынос частиц из КС.
Анализ практики ведения процесса обжига полидисперсной металлургической шихты в кипящем слое показал, что на многих объектах цветной металлургии, процесс обжига осуществляется следующим образом: технолог участка обжиговых печей, руководствуясь технологической инструкцией, на основе априорной информации о перерабатываемых полидисперсных материалах и собственного опыта выбирает технологический режим процесса обжига: расход шихты, расход дутьевого воздуха, температуру кипящего слоя, состав и количество выхода огарка, концентрацию и количество выхода сернистого газа, разряжение под сводом печи и др. - представляющие собой задание на каждую смену. Мастер смены на основе накопленного им опыта и навыков, собственного представления о технологическом процессе обеспечивает поддержание заданного технологического режима путем изменения потока загружаемой шихты - воздействием на шибер шихтового бункера или изменением скорости ленты дозатора, например, типа «Агроэскорт». Одновременно устанавливает также рабочую величину расхода дутья КВС под подину Фрабд . Вышеописанный способ ведения процесса обжига является довольно грубым и несовершенным. Поэтому приводит к значительным отклонениям экологических и качественных показателей получаемого огарка.
Актуальность и сложность создания высоэффективных систем автоматического управления процессом обжига полидисперсных материалов в кипящем слое является причиной появления многих работ, посвященных автоматизации указанного технологического процесса [4-7,19-37].
Структура математической модели процесса обжига никелевого файнштейна в печи КС с форкамерой
Математическое моделирование динамических и статических свойств металлургических процессов является одним из основных вопросов при синтезе систем автоматического управления с использованием средств современной вычислительной техники.
Как показано в работах [2,3,5,15-16-17,38,41,52], процесс обжига металлургической шихты в кипящем слое в общем случае может быть описан системой нелинейных дифференциальных уравнений, позволяющих найти зависимость между выходным показателем процесса с одной стороны и входными и режимными переменными — с другой.
В соответствии с решаемой актуальной задачей, важнейшей выходной координатой модели является температура кипящего слоя, поэтому структура математической модели должна включать уравнения материальных балансов по основным реагентам и теплового баланса процесса [4].
Для структурного описания математической модели процесса обжига шихты никелевого файнштейна был использован подход, подробно описанный в [18,25,31, 33].
В нашем случае процесс обжига в КС предлагается представить в 2 этапам математическое описание процесса управления температурным режимом (1-ый этап) и описание процесса стабилизации гидродинамики в камерах печи КС (2-й этап), согласно условиям (1.1) и графику на рис. 1.2.
Учитывая отсутствие достаточных данных по кинетике отдельных реакций в реальном процессе обжига никелевого файнштейна в кипящем слое, а также учитывая, что на 1-ом этапе исследований, в основном, решается задача управления тепловым режимом печи. В последующем химизм процесса представляется суммарным уравнением частичного окисления некоторого общего сульфидного компонента шихты с условной формулой MemSn [53,63]: a.iMemijSni + а202 = biMemiSnl + t Me O + b3S02, (3.1) где MemnSni - суммарный сульфидный компонент огарка; Mem2On2 — суммарный окисленный компонент огарка - продукт окислительного взаимодействия в процессе обжига (не учитывающий тех окислов шихты, которые прошли в процессе окислительно-восстановительной плавки в 2-х зонной печи Ванюкова [63], т.е. до обжига в печи КС).
Коэффициенты aj, bj и индексы т;, nj зависят от минералогического состава шихты и от химизма процесса обжига никелевого файнштейна в кипящем слое. Для суммарной реакции (3.1) определяют скорость процесса по макроскопической константе скорости реакции К. Для упрощения математического описания процесса обжига шихты никелевого файнштейна в кипящем слое принимаем известные допущения [4,19]: в реакционном пространстве аппарата имеет место идеальное перемешивание реагентов; химизм процесса представляется суммарным уравнением (3.1) частичного окисления эквивалентного сульфидного компонента шихты; в кипящем слое отсутствует распределение параметров процесса по пространственным координатам реакционной камеры печи КС и координатам внутри реагирующей частицы; средний размер частиц, средняя эквивалентная поверхность окисления и толщина пленки окислов постоянны во всех режимах процесса; количество веществ покидающих КС пропорциональны их количествам в кипящем слое;
GTCp GTCp GrCp Совокупность уравнений (3.27), представляющая собой систему нелинейных дифференциальных уравнений первого порядка, определяет структуру математической модели процесса обжига шихты измельченного никелевого файнштейна в кипящем слое, связывающую входные переменные процесса Фш, С3Ш, Фд, W с его режимными переменными С5ЭК, С02, К и t -температурой материала (огарка) в слое КС.
Продолжением построения математической модели процесса является определение численных значений неизвестных коэффициентов уравнений математической модели (3.27) по экспериментальным характеристикам процесса обжига измельченного никелевого файнштейна, полученным в условиях промышленной печи кипящего слоя на ОАО «ЮУНК».
Методы экспериментального исследования динамических свойств объектов управления, в основном, базируются на анализе частотных или переходных характеристик объекта при единичных ступенчатых входных возмущениях [72,75-80].
Исследования проводились (при проведении наладочных работ компьютерной системы автоматического дозирования дозаторами типа «Агроэскорт», по договору НИР №417/02-01) в промышленных обжиговых печах КС на ОАО «ЮУНК» по каналам: 1) расход шихты - температура материала в кипящем слое («Фш -1»); 2) расход дутьевого воздуха — температура материала в кипящем слое («Фд»). Чистота эксперимента обеспечивалась стабилизацией материальных и тепловых потоков, кроме t - температуры в кипящем слое. При этом, величина возмущений выбиралась из условия работы печей КС по заданному технологическому регламенту и на одном из возможных начальном стационарном режиме, например при:
В ходе эксперимента, не меняя Фд и Csm, в канале «расход шихты -температура огарка» расход шихты снижали с 2500 кг/час до 2000 кг/час. При этом автоматическими приборами регистрировалась температура кипящего слоя t в различных зонах печи.
Для уменьшения влияния начальных условий на результаты эксперимента, а также учитывая существенную нелинейность объекта, с достижением нового установившегося режима меняли знак единичного скачка возмущающего воздействия [75].
Аналогичный эксперимент был проведен по каналу «расход дутья -температура материала в КС (огарка)» «Фд - t», где не меняя Фш и С8Ш, расход дутьевого воздуха повышали с 3000 мЗ/час до 5000 м3/час, затем, с достижением установившегося состояния, снижали до 3000 м3/час. При этом непрерывно регистрировали термопарой температуру огарка в кипящем слое.
Подсистема оценки содержания серы в загружаемой в форкамеру шихте
Как было сказано ранее, при обжиге в КС никелевого файштейна необходимо с высокой точностью (минимальной динамической и статической ошибками) управлять температурным режимом и аэродинамикой псевдоожижения из условия минимизации пылевыпоса, а также исключения возможных потерь работоспособности печи КС, т.е. достижения целевых функций управления Fi и F2 — см. выражение 1.3.
Однако на температурный режим процесса существенное влияние оказывают возможные в промышленных условиях колебания содержания серы в шихте.
Как следует из результатов изучения статических зависимостей изменения температуры кипящего слоя от содержания серы в шихте, флуктуации концентрации серы порядка 2-3 % приводят к изменению температуры кипящего слоя на 30-40 С. С учетом необходимости поддержания температуры в достаточно узком диапазоне значений 900-1085 С такие колебания химсостава шихты приводят к достаточно серьезным возмущениям технологического процесса, т.е. отклонениями крупности получаемого огарка от заданного регламента.
Таким образом, при компенсации значительных колебаний серы в шихте может возникнуть необходимость изменять температуру кипящего слоя в достаточно широком диапазоне (100-285 С). При этом необходимо обеспечить быстродействие управления, обеспечивающего перевод процесса обжига в новый температурный режим, а также предотвращение при этом нарушения аэродинамических режимов функционирования форкамеры и реакционной камеры.
Как было сказано ранее, печь КС с форкамерой можно описать в виде двух соединенных последовательно инерционных звеньев (3.28). Изменение концентрации серы в шихте вызовет соответствующее изменение сначала температуры в форкамере, а лишь затем, после поступления материала из форкамеры в печь, в реакционной зоне КС. Причем, исходя из соотношения размеров камеры печи и форкамеры, Т с примерно в 5-6 раз больше, чем Т . То есть канал "Фш ±" примерно в 5-6 раз более быстродействующая, чем канал "0lu " (рис. 2.1). Таким образом, в целях обеспечения оперативного устранения негативного влияния флуктуации концентрации серы в шихте на температурный режим печи необходимо осуществлять соответствующую коррекцию подачи шихты, исходя из изменения температуры в форкамере. Это позволит устранить негативные последствия колебания состава шихты еще на этапе пребывания материала в форкамере и не допустить колебания температуры в реакционной зоне печи КС. С учетом результатов исследования динамических характеристик печи, время коррекции не должно превышать 40 мин.
В главе 2 было получено регрессионное уравнение (2.2), связывающее температуру в форкамере с концентрацией серы в шихте, а также расходом шихты и количеством подаваемого дутья. Это уравнение будет использовано для косвенной оперативной оценки концентрации серы в шихте, поступающей в форкамеру, и выработке корректирующих управляющих воздействий по подаче шихты с целью опережающей стабилизации температурного режима обжига в печи кипящего слоя.
Поскольку печь КС является сложным нестационарным объектом, параметры которого подвержены различного рода изменениям с течением времени, то для обеспечения качественного управления необходимо использовать адаптивные алгоритмы, обеспечивающие подстройку оптимальных значений контроллера-регулятора под изменяющиеся параметры печи.
Существующие алгоритмы обеспечивают идентификацию объекта управления путем подачи на объект возмущающих воздействий определенного вида, например ступенчатых, с фиксацией реакции объекта на эти возмущения.
Недостатком этого метода является использование моделей с недостаточным числом параметров, которые не учитывают всех свойств объекта, что приводит к установке не соответствующих объекту настроек и, как следствие, плохому качеству управления.
На вход подается пробное ступенчатое воздействие, измеряются параметры переходного процесса, по ним определяются параметры Ко, Ть Т2, т0, п принятой модели объекта управления и, наконец, по параметрам принятой модели определяются оптимальные настройки регулятора-контроллера.
Недостатком описанного способа является, во-первых то, что из пяти параметров Ко, Ть Т2, т0, п принятой модели объекта по кривой переходного процесса определяется только часть этих параметров. Например, заранее принимается п=0 и определяются Ко, Т2, т. или принимается п=1, т0=0 и определяются Ко, Tj, Т2 или принимается п=1 и определяются Ко, Ті, Т2, т0 и т.д. Во-вторых, для принятой модели используются п небольшого порядка (п 4) причем само значение п не определяется по кривой переходного процесса, а задается априорно. В-третьих, в качестве критерия оптимальности настроек регулирующего контроллера принимается минимум среднеквадратичной ошибки регулирования, существенно влияющей на целевую функцию управления Fb определенной выражением (1.З.), т.к. через температуру огарка управляется величина отклонения Сьш от заданного С50Г зад . Переходные процессы в системах, настроенных по этому критерию, имеют достаточно малую ошибку регулирования и приемлемое время переходного процесса. Однако, сама система, настроенная по этому критерию, может находиться близко к границе устойчивости. Поэтому при ошибках идентификации параметров модели неизбежно возникающих из-за шумов или изменения собственных параметров реального объекта управления в процессе его функционирования, найденные по этому критерию настройки регулятора могут не обеспечивать требуемое качество управления или даже выводить систему за границу устойчивости.
Недостатком этого способа является характер возмущения вносимого пробным сигналом в работу регулируемого технологического процесса. Пробный сигнал изменяет значение управляющего воздействия на некоторую величину, которая тем больше, чем выше уровень шумов. В течение времени настройки системы значение регулируемой величины будет отклоняться от своего номинального значения. После окончания процесса настройки потребуется еще некоторое время, чтобы вернуть регулируемую величину к своему номинальному значению. Кроме того, в этом способе требуется определять производную регулируемой величины, которая в условиях помех вычисляется с большой погрешностью [74].
Таким образом, предложено было снизить уровень и уменьшить время возмущения вносимого пробным сигналом в процессе настройки системы автоматического управления и увеличение помехозащищенности.
