Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 10
1.1. Обжиг сульфидных концентратов в кипящем слое 10
1.2. Основные узлы установок кипящего слоя, применяемые при обжиге сульфидного никелевого концентрата 15
1.3. Время пребывания в печах кипящего слоя 21
1.4. Кинетические особенности процесса окисления никелевых сульфидных материалов в кипящем слое 24
1.5. Основные цели и задачи исследования 35
Глава 2. Совершенствование математического описания кинетики процесса обжига сульфидногоникелевого концентрата 37
2.1. Вывод кинетического уравнения процесса обжига сульфидного никелевого концентрата 37
2.2. Оценка возможности применения полученного уравнения для описания экспериментальных кривых 42
2.3. Симплексно-интервальный метод расчета параметров уравнений, описывающих закономерности кинетики металлургических процессов 45
2.4. Вывод кинетического уравнения в симплексно-интервальной форме 47
Глава 3. Совершенствование математического описания структуры потока в аппаратах с кипящим слоем 49
3.1. Изучение структуры потоков в аппарате с механическим перемешиванием 49
3.2. Вывод математической модели реального аппарата непрерывного действия с механическим перемешиванием 50
3.3.Вывод математической модели реального аппарата непрерывного действия с механическим перемешиванием в симплексно-интервальной форме 54
3.4.Распределение времени пребывания частиц в каскаде аппаратов с неидеальным режимом перемешивания потока 56
3.5. Экспериментальное изучение закономерностей времени пребывания в печи КС 58
3.5.1 Печь кипящего слоя для обжига сульфидного никелевого концентрата 58
3.5.2. Печь кипящего слоя соединенная последовательно с трубчатой печью64
3.5.3. Печь кипящего слоя с циклонами возврата для сульфатизирующего обжига пиритного концентрата 67
3.6. Исследование гидродинамики потоков реакционной смеси в аппаратах кипящего слоя 74
3.7. Исследование процесса пылевыноса с использованием холодной модели печи КС 79
3.7.1. Обжиговая пыль 79
3.7.2. Унос материала из печи КС 81
3.7.3. Физическое исследование 83
3.7.4. Исследование пылевыноса полидисперсного материала 88
3.7.5. Устройство для очистки газа 92
4. Создание САУ 95
4.1. Моделирование в Aspen Plus 95
4.1. Создание модели 96
4.2.Моделирование в динамическом режиме 100
4.2.1. Создание модели со стабилизацией потока дутья 101
4.2.2. Модель со стабилизацией потока концентрата 105
4.2.3. Модель со стабилизацией соотношения расходов входящих потоков. 107
4.3. Синтез системы управления на основе нечеткой логики 111
4.3.1 Анализ современных методов разработки моделей управления в нечеткой среде 112
4.3.2 Формирование базы знаний интеллектуальной подсистемы 118
4.3.3. Разработка нечеткой системы управления 119
4.4. Разработка мультисистемного подхода к автоматизации процесса обжига 129
Заключение 135
Литература 136
- Кинетические особенности процесса окисления никелевых сульфидных материалов в кипящем слое
- Печь кипящего слоя для обжига сульфидного никелевого концентрата
- Исследование пылевыноса полидисперсного материала
- Разработка нечеткой системы управления
Введение к работе
Актуальность работы. Аппараты кипящего слоя применяют для обжига сульфидных материалов в производстве меди, цинка, никеля. Печи КС отличаются простотой конструкции, высокой производительностью, механизацией и автоматизацией процесса, обеспечивают высокую эффективность использования отходящих газов.
Практическое осуществление обжига металлургических концентратов определяется их физико-химическими свойствами, термодинамикой и кинетикой окислительных процессов. При этом на процесс обжига влияет вся совокупность названных факторов с их сложными взаимосвязями. В заводских условиях окислительный обжиг сульфидных материалов в печах кипящего слоя отличается непостоянством химического состава сырья, что в сочетании с малым временем пребывания частиц в аппарате при значительном тепловом эффекте окислительных реакций придает им, как объектам управления, существенную нелинейность. Эффективное управление процессом обжига сульфидных материалов определяется регулированием загрузки расходных материалов, расхода и концентрации кислорода в обогащенном дутье с достижением среднесменной производительности технологического агрегата и заданного качества выходного продукта.
Значительный вклад в совершенствование алгоритмов управления процессом обжига в печах кипящего слоя внесли такие ученые, как И.А. Буровой, В.Н. Горин А.Ф. Астафьев, Ю.В. Алексеев, В.Г. Айнштейн, Г.К. Борескова, Г.М Кучин, И.Ф. Дэвидсон, Д. М. Харрисон. Однако многие прикладные вопросы, связанные с исследованием процесса обжига металлургических концентратов в аппаратах кипящего слоя, такие как: моделирование процесса повышения качества управления, отсутствие достаточной информации о параметрах процесса остаются недостаточно разработанными. Совершенствование существующих моделей и систем автоматического управления имеет большое практическое значение для повышения эффективности работы оборудования, что подтверждает актуальность темы диссертации.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной тематикой НИР Горного университета по теме 6.30.020 «Разработка систем управления сложными техническими объектами с использованием математических моделей в контуре управления» (I кв. 2008 – IV кв. 2010 гг.), а также с грантом Горного университета «Подготовка диссертации на соискание ученой степени кандидата наук» (2009).
Цель работы – разработка системы автоматического управления процесса обжига металлургических концентратов в печи кипящего слоя, позволяющей обеспечивать стабилизацию качества получаемого продукта на регламентированном уровне и повышение надежности непрерывного функционирования процесса.
Идея работы – с целью повышения качества управления процессом обжига при синтезе системы автоматического управления в печи кипящего слоя следует использовать усовершенствованную математическую модель, учитывающую конечность времени пребывания частиц в аппарате, отклонение от режима идеального перемешивания.
Основные задачи исследований:
1. Анализ современного состояния и перспектив развития процесса обжига металлургических концентратов в печах кипящего слоя.
2. Исследование кинетических особенностей процесса окисления никелевых сульфидных материалов в кипящем слое.
3. Совершенствование математического описания кинетики обжига сульфидного никелевого концентрата и структуры потоков в аппаратах с кипящим слоем
5. Создание математической модели процесса обжига на основе результатов исследования кинетики процесса и структуры потока в печи кипящего слоя.
6. Разработка программы адаптации математической модели.
7. Исследование процесса обжига путем моделирования процесса в различных условиях.
8. Анализ существующих принципов построения автоматических систем управления печами кипящего слоя.
9. Разработка системы автоматического управления процессом обжига в печи кипящего слоя с использованием современных программных средств.
Методика исследований. В работе были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований. Математическая модель процесса построена с использованием современных методов математического моделирования. Экспериментальные данные собраны в ходе теплотехнического обследования различных промышленных печей с использованием средств технологического контроля, а также путем лабораторного физико-химического анализа отобранных технологических проб. При выборе и разработке системы управления процессом использованы современные методы теории автоматического управления и параметрической идентификация математических моделей процесса обжига. Для моделирования процессов, протекающих в печи кипящего слоя, построения системы управления, обработки массивов данных использовались современные пакеты компьютерного моделирования: MatLab, Aspen Plus, Aspen Dynamics, Fluent, Gambit, Autodesk Inventor, ReactOp, RTD.
Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в следующем:
1. Показано, что математическая модель, учитывающая конечность времени пребывания частиц в аппарате совместно с кинетикой процесса десульфуризации, позволяет с высокой степенью достоверности описать закономерности изменения показателей процесса в зависимости от параметров работы печи, содержания компонентов в слое, а также от состава, температуры и количества оборотной пыли.
2. Показано, что анализ процесса с помощью его детальной математической модели, позволяет выявить каналы управления для компенсации действующих на процесс возмущений и обеспечить функционирование процесса в оптимальном режиме.
3. Установлено, что создание мультисистемы автоматического управления, обеспечивает повышение надежности непрерывной работы печи КС за счет повышения качества управления режимом обжига никелевого концентрата.
Основные защищаемые положения:
1. С целью повышения точности математической модели процесса обжига в печи кипящего слоя, следует использовать кинетическую модель процесса, основанную на применении симплексно-интервального метода и программного комплекса ReactOP.
2. Для учета неидеальности перемешивания частиц в аппарате и реального распределения твердой фазы при создании модели процесса обжига для промышленных печей кипящего слоя, необходимо использовать ячеечную модель структуры потоков.
3. С целью повышения качества управления режимом обжига никелевого концентрата следует использовать мультисистему автоматического управления, основанную на применении нечеткой логики совместно с системой стабилизации потоков.
Практическая значимость работы:
-
Предложена усовершенствованная модель процесса обжига никелевых концентратов в печи кипящего слоя в среде ReactOP с использованием симплексно-интервального метода, позволяющего рассчитывать значения параметров процесса на ограниченном интервале времени.
-
Реализация предложенной мультисистемы управления позволит уменьшить динамическую ошибку управления температурным режимом в 2-3 раза и уменьшить количество выносимой пыли на 10-15%.
-
Научные результаты работы используются в учебном процессе химико-металлургического факультета Горного университета для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».
Достоверность научных результатов. Приводимые результаты, выводы и рекомендации обоснованы путем сопоставления результатов численных расчетов и производственных данных, что подтверждается хорошей сходимостью результатов математического моделирования и экспериментальных исследований параметров и режимов работы печей КС. Эффективность предложенной САУ на основе нечеткой логики подтверждена в ходе сопоставления с результатами полученными ранее.
Апробация работы. Содержание и основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на ежегодной научной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» СПГГУ 16 марта 2007, на 3-й интернациональной летней школе DAAD в Фрайберской горной академии (доклад на тему «Моделирование и имитация технологических процессов») 2008 г., на «Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса» 2-3 апреля 2009 г., на конференции «Инновационные технологии, моделирование и автоматизация в металлургии», на международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» 10-13 марта 2009 г., на конференции молодых ученых в рамках «Петербургской технической ярмарки 2011» 15-17 марта 2011 г., на международной научной специализированной конференции в Германии в г. Фрайберг в 2011 г., на научных семинарах кафедры АТПП СПГГУ 2009-2012 г. г.; научно-технических советах по работе с аспирантами СПГГУ 2009-2012 г. г.
Личный вклад автора состоит в анализе существующих способов управления печами кипящего слоя, обработке данных заводского технологического контроля, компьютерном моделировании, обработке и обобщении результатов исследований, в апробации достигнутых результатов и подготовке публикаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получен 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка. Содержит 126 страниц машинописного текста, 64 рисунка, 11 таблиц, библиография включает 127 наименований.
Кинетические особенности процесса окисления никелевых сульфидных материалов в кипящем слое
Цель окислительного обжига — максимальное удаление серы из сульфидных материалов. Оно достигается реакцией между сульфидом никеля и свободным кислородом:
2Ni3S2 + 702 = 6NiO + 4S02, которая является основной реакцией десульфуризации, приводящей к образованию закиси никеля и сернистого ангидрида [4,5].
Следует учитывать, что, помимо химических факторов, на предпочтительный путь окисления сульфидов оказывают влияние и чисто кинетические факторы, например скорость диффузионных процессов, которая в свою очередь является функцией физической структуры сульфидов и окислов. При затруднительном доступе кислорода к реакционной зоне из-за образования плотного слоя продуктов реакции в ядре обрабатываемой частицы могут происходить процессы, не соответствующие внешним условиям: диссоциация сульфида с образованием металла, взаимодействие между сульфидом и окислом и т.д.
На практике процесс окисления сульфидов никеля (десульфуризацию) ведут при 900-1150 С. Низший сульфид никеля при 550 С превращается в р-фазу - твердый раствор на основе №283, а при 790 С плавится. Односернистый никель претерпевает фазовое превращение с поглощением тепла в количестве 630 кал/моль при температуре около 350 С, а при 1000 С плавится. В то же время образующаяся окисная фаза №0 выделяется в кристаллическом состоянии, так как температура плавления ее значительно выше температуры в слое. Металлический никель и его сульфид при температуре обжига взаимно растворимы, что создает дополнительные кинетические трудности процесса десульфуризации с образованием металла. Напротив, закись никеля в сульфиде практически нерастворима и при образовании сразу выделяется в самостоятельную кристаллическую фазу.
Окисление NiS происходит по таким же схемам, однако NiS менее устойчивое соединение, поэтому более вероятно предварительное разложение его на №з8ги серу и такое же протекание последующих реакций, как и для №3S2.
Приведенные схемы превращения сульфидов никеля в продукты окисления в зависимости от температуры весьма условны. Речь может идти о преимущественном пути того или иного превращения в зависимости от условий окисления.
Если сульфид металла нагревать в присутствии окислителя (воздуха, например), то при очень низких температурах окисление его практически не наблюдается. При дальнейшем повышении температуры можно по наличию выделяющегося сернистого ангидрида заметить окисление, протекающее с очень малой скоростью. Наконец, при дальнейшем повышении температуры наступает момент резкого скачка скорости окисления — вспышка или воспламенение материала. Необходимым условием окисления сульфида является дальнейшее самопроизвольное, без подачи тепловой энергии извне, течение процесса. С момента воспламенения процесс окисления сам обеспечивает себя теплом за счет протекания экзотермических реакций.
Таким образом, температура воспламенения сульфида металла — это минимально необходимая температура для быстрого самопроизвольного течение процесса окисления его.
Температура воспламенения определяется термодинамическими и кинетическими факторами. Чтобы процесс обеспечивал сам себя теплом, надо иметь значительный положительный тепловой эффект реакций окисления сульфида металла. Интенсивное окисление сульфида может осуществляться только при температурах выше температуры его воспламенения. Поэтому вопросам, связанным с воспламенением различных сульфидов, посвящено значительное количество работ.
Температуры воспламенения низшего сульфида никеля разной крупности в свободно насыпанном состоянии в атмосфере воздуха:
Крупность, мм -0,25+0,15 -0,15+0,105 -0,105+0,075 -0,075 вост., С 760 740 680 665
Из приведенных данных следует, что с уменьшением крупности частиц сульфида никеля температура воспламенения снижается. С увеличением влажности воздуха до определенного предела температура воспламенения сульфидов цинка и свинца, например, возрастает на 25—30 С, а пирита — снижается. Разбавление воздуха сернистым ангидридом приводит к повышению температуры воспламенения. Увеличение скорости нагрева сульфида приводит к значительному снижению температуры его воспламенения.
Температура воспламенения в кипящем слое выше, чем в стационарном, на 25—70 С: для Cu2S — на 40 С, для ZnS — на 70 С, что связано с различием условий теплопередачи в кипящем и стационарном слоях от частиц сульфида к газовой фазе и от слоя в целом — к горячему спаю термопары. В кипящем слое теплопередача выражена в значительно большей степени.
Температуру воспламенения различных сульфидов крупностью частиц 0,075— 0,1 мм в атмосфере воздуха в насыпном слое можно характеризовать следующими значениями, С: Fe7S8 444; Cu2S 445; NiS 573; CoS 574; ZnS 623; Ni3S2 680.
Таким образом, экспериментальные данные показывают, что температура воспламенения сульфида металла не является постоянной величиной даже для одного и того же вещества, но определяется комплексом физико-химических факторов (вид сульфида, крупность его частиц, величина удельной поверхности, внешние условия окисления и т.д.).
На рисунке 1.5 представлены зависимости, характеризующие окисление неокатанного и окатанного концентратов с использованием воздушного дутья при различной температуре и содержании серы в шихте [4,5].
Никелевый концентрат, полученный флотационным разделением файнштейна, по гранулометрическому составу обычно постоянен; крупность его частиц, как правило, составляет меньше 75 мкм, поэтому практически нет необходимости в исследовании влияния крупности частиц концентрата на результаты десульфуризации его при обжиге. Крупность частиц концентрата лимитируется не условиями обжига, а условиями разделения файнштейна.
Изучение влияния крупности частиц натурального никелевого концентрата или файнштейна на кинетику десульфуризации затруднительно из-за химической неоднородности различных классов крупности этих материалов. На рисунке 1.6 представлены кинетические кривые, характеризующие окисление Ni3S2 воздухом. Из приведенных данных следует, что зависимость скорости десульфуризации сульфида никеля от крупности частиц носит сложный характер, так как при 900 С для фракций сульфида крупнее 0,15 мм кинетические кривые в координатах Е—т имеют явно выраженную S образность. Такая форма кинетической кривой в большей степени характерна для наиболее крупных частиц —0,36+0,25 мм, слабо выраженная S-образность отмечается для частиц крупностью — 0,15 + 0,075 мм, а для частиц — 0,075 мм она делается малозаметной.
Возрастание скорости десульфуризации сульфида никеля при сравнительно низких температурах и практическое отсутствие этого возрастания при высоких температурах, а также усиление индукционности процесса с увеличением крупности материала объясняется факторами неизотермического начального окисления и увеличением реакционной поверхности вследствие расплавления и деформации частиц.
Печь кипящего слоя для обжига сульфидного никелевого концентрата
Опыты с загрузкой в слои индикатора проводились на комбинате "Североникель" на промышленной печи КС площадью пода 24 м2. На рис. 3.4 -3.6 представлены результаты этих опытов. Условия опыта: давление дутья в воздушной камере 0,45 кгс/см2; загрузка шихты 12 т/ч; расход воздуха 21500 м3/ч; температура в слое 1140 С
В течение опыта гранулометрический состав закиси изменялся несущественно. Эквивалентный диаметр частиц закиси никеля составил 0,33— 0,35 мм. В качестве индикатора приняли медь медного концентрата, полученного при разделении файнштейна методом флотации. Было загружено 2,5 т медного концентрата за 11 мин. Медный концентрат загружали в смеси с обычной шихтой через свод загрузочной камеры. Выфужали закись никеля с интервалом 3—5 мин с уровня пода в противоположной стороне от загрузки. Концентрация меди в закиси никеля перед загрузкой медного концентрата была 3,11%. За концентрацию индикатора приняли разность содержаний меди в закиси никеля после начала зафузки и до начала зафузки медного концентрата [4,5].
Анализ полученных кривых говорит о том, что перемешивание твердой фазы в интенсивном кипящем слое отличается от идеального, при котором все частицы слоя имеют одинаковую возможность первыми уйти в выгрузку. Исследования показывают, что имеет место явное отклонение от идеального перемешивания в промышленном кипящем слое. Это проявляется и в несколько повышенной концентрации серы в закиси никеля в районе загрузки шихты по сравнению с закисью никеля на выгрузке, и во времени запаздывания появления индикатора.
По гипотезе, выдвинутой П. Ребу, каждой частице необходимо некоторое время транспорта (тт) от загрузки к выгрузке. Лишь по истечении этого времени свежезагруженные частицы и любые другие в слое имеют равную вероятность покинуть кипящий слой. Этому представлению соответствует уравнение П. Ребу: х _ g( Hr)/(rQ-rr)
Приведенные ниже графики были получены при использовании программного пакета «RTD», с помощью которого обрабатывались результаты экспериментов.
RTD (Residence Time Distribution), позволяющая решать задачи синтеза сложных моделей структуры потоков из элементарных блоков и решать обратную задачу нахождения параметров моделей по экспериментальным данным.
Расчетным путем найдены значения среднего времени пребывания частиц в слое, величина дисперсии кривых функций распределения, а также определено число ячеек для ячеечной модели
Возможность использования полученных выше зависимостей для описания закономерностей времени пребывания элементов потока в печи кипящего слоя и значения параметров С0, т0 и т определялись графическим методом, с использованием полученного уравнения в главе 2.2.
Хорошее спрямление экспериментальных данных полученных и для других экспериментальных кривых свидетельствует о возможности использования предложенной модели для описания закономерностей времени пребывания элементов потока в печах кипящего слоя с целью учета отклонения от режима идеального перемешивания.
Исследование пылевыноса полидисперсного материала
Изучение поведения монофракций, как составляющих материала моделирующего огарок, открыло возможность перехода к экспериментам с полидисперсным материалом.
Характеристики пылевыноса в зависимости от времени эксперимента при номинальном дутье (70 нм3/ч) и от интенсивности дутья (при времени эксперимента 5 минут) приведены на рисунке 3.28. При этом величина пылевыноса представляет собой некоторое среднее значение из приведенных для монофракций, составляющих полидисперсный материал.
Видно, что обе зависимости носят характер насыщения, когда при увеличении времени эксперимента (или интенсивности дутья) свыше определенного значения увеличение пылевыноса уже не происходит. Из рисунка 3.28 б следует, что рабочий режим лежит на восходящей части кривой, и отклонение от него будет приводить к заметному изменению величины пылевыноса.
Модель позволяет определять удельное значение моментальной массы материала, выносимого при данных условиях из кипящего слоя. При этом целесообразно исследовать диапазон ±30 % от номинального дутья. Если принимать рабочий объем дутья на модели 70 нм3/ч, то границы интервала 50-90 нм3/ч. Результаты такого рода экспериментов приведены на рисунке 3.31.
Необходимо отметить, что в силу затрат времени на набор значимой массы пыли в пылесборнике не удается измерить моментальный пылевынос в интервале от 0 до 30 секунд эксперимента. Другими словами ошибка при взвешивании малых навесок в этом случае резко ухудшает точность анализа, поэтому начальной точкой кривых является значение пылевыноса на 30 секунде от начала эксперимента.
В начальный период эксперимента (при наличии в слое полного набора фракций) моментальное значение пылевыноса при отклонении дутья на ±30 % от номинального расхода изменяется значительно от 7,2 до 17,8 г/сек, т.е. не менее чем в 2,5 раза (при характерном значении для номинального дутья в 11,5 г/сек). С удалением от начала эксперимента интервал между максимальным и минимальным дутьем сокращается и доходит (к 10-ой минуте) до 0,42 г/сек.
Таким образом, при установившемся режиме псевдоожижиения, уносе подавляющего количества материала мелких фракций и отсутствии загрузки новых порций песка нивелируется отклонение интенсивности дутья. В условиях неустановившегося «кипения» интенсивность выноса частиц -0,25 мм сильно зависит от количества, подаваемого в слой дутья.
При анализе содержания двух мелких классов (-0,1 мм и -0,25 +0,1 мм) в собираемой пыли обнаружено, что существует период нестабильности, который состоит во «всплеске» содержания указанных фракций в начальный период эксперимента, а впоследствии содержание приближается к среднему значению и происходит стабилизация выхода всех фракций во времени.
Данный факт можно использовать для анализа стабильности «кипения» реального слоя в печи КС. Для этого необходимо провести моментальные (проводимые за короткий промежуток времени) отборы пыли из газоходной системы, сопоставить их с дутьевым режимом и крупностью получаемого огарка и определить характерную для данного агрегата и режима величину выхода установленной пылевой фракции. На наш взгляд наиболее показательным является класс -0,25+0,1 мм, так как его распределение при условиях псевдоожижения свойственных исследуемым печам КС наиболее равномерно между пылью и огарком (на уровне 30 %). Любое отклонение выхода данного класса может рассматриваться как нарушение режима работы печи с переходом в режим «передува» или чрезмерного укрупнения огарка.
Важным параметром, влияющим на поведение слоя и пылевынос, является заполнение модели материалом, которое может оцениваться по высоте слоя в спокойном состоянии. Как и в опытах с монофракциями высота слоя оценивалась в пересчете на реальный агрегат.
Зависимость пылевыноса от интенсивности дутья при различной высоте слоя приведена на рисунке 3.30. При увеличении высоты слоя наблюдается, во-первых, повышение общего сопротивления системы подина-слой, что сказывается на увеличении расхода дутья, при котором происходит переход от фильтрующего к кипящему слою. Во-вторых, при одном и том же объеме подаваемого воздуха пылевынос уменьшается с повышением заполнения модели. В-третьих, при рабочем объеме дутья разница в пылевыносе весьма заметна, доходит до 14 %, а значения изменяется в ряду 44, 39, 34, 30 %, т.е. увеличение заполнения агрегата (при уменьшении порозности) благоприятно сказывается на снижении уноса полидисперсного материала из слоя.
Таким образом, в результате экспериментов на физической модели определены закономерности изменения пылевыноса в зависимости от времени пребывания материала в агрегате, интенсивности дутья и степени заполнения печи. Установлено, что даже незначительные отклонения (в пределах ±30 %) в дутьевом режиме от номинального объема воздуха приводят к заметному изменению пылевыноса. Обнаружена область нестабильного кипения, характеризующаяся изменением выхода мелких классов в пылевой составляющей. Предложен способ косвенной оценки стабильности псевдоожижения слоя по содержанию в пыли класса -0,25+0,1 мм.
Разработка нечеткой системы управления
Входные переменные выбираются на основе комплексного анализа объекта моделирования, а также на основе известных данных об объекте и условиях его эксплуатации таким образом, чтобы они (переменные) оказывали наибольшее влияние на выходные переменные. Основное требование, предъявляемое к входным переменным, - это достаточная управляемость, под которой понимается возможность установить нужный уровень фактора и стабилизировать его в течение всего опыта.
Выходные переменные - это реакция объекта на входные воздействия.
Выбор этих функций определяется целью исследования, которая может представлять собой оптимизацию экономической (стоимость, производительность), технологической (точность, качество, быстродействие), конструктивной (габариты, надежность) или другой характеристики объекта.
Выбор факторного пространства и базы правил для НСУ осуществлялся на основе уже имеющихся результатов [71].
Входные факторы: XI - скорость загрузки концентрата текущая, т/ч.
Измеряется с помощью тензометрических весов в диапазоне 0...50 т/ч. Предусмотрено также дискретное управление исполнительным механизмом загрузки в режиме «вкл/откл».
Управление загрузкой осуществляют путем изменения напряжения на двигателе тарельчатого питателя концентрата в диапазоне 0...250 В. Измерительный контур скорости массопотока концентрата характеризуется неформализуемыми случайными возмущениями, например, в случае налипания концентрата на ленту конвейера, под которым установлен весовой тензометрический датчик.
Х2 - скорость загрузки оборотной пыли текущая, т/ч.
Судить о ее величине можно лишь косвенно путем измерения напряжения на двигателе тарельчатого питателя в диапазоне 0...250В.
Количественные оценки загрузки пыли отягчены ошибками более высокими, чем при измерении XI.
ХЗ - температура в слое, С (0...15000, ТХА). Измерение проводят в двух точках около стенки печи КС. Два регистрирующих прибора типа КСУ дают возможность отслеживать параметр как непрерывно (но только в одной точке), так и дискретно, примерно через 2,5 минуты (после обегания всех 12 точек многоточечного показывающего прибора). Возникающая задержка в показаниях прибора измеренной температуры, по оценке операторов-технологов, является приемлемой для оперативного управления процессом.
Вследствие того, что температурный режим существенным обра зом влияет на основные технологические параметры процесса обжита и определяет не только количественные и качественные показа-тели процесса, но и устойчивость кипящего слоя, поддержание её на заданном уровне является одной из основных задач управления процессом обжига.
Х4 - динамика и направление изменения температуры, С/мин.
Определяют по тем же приборам КСУ. Выбор представительных величин данного параметра зависит от квали-фикационного уровня оператора.
Х5 - пульсация давления в рабочей камере, мм вод. столба.
Измерение непрерывное, учитывается амплитуда колебаний и направление изменения общего давления в рабочей камере. В нормальном режиме работы печи КС расход воздуха и его давление поддерживают постоянным. Увеличение амплитуды колебаний Х5 наблюдают на фоне некоторого среднего их уровня при нормальном протекании процесса. Переменная несет в себе полуколичественный смысл, т.к. учитывается только резкое отклонение от нормального протекания процесса в ту или иную сторону.
Х6 - время, в течение которого учитывалась история про цесса при принятии решения, мин.
Этот параметр отражает физическое поло жение процесса в пространстве состояний, направление его движения и динамику. Учитывает поведение температуры, служит для формирования стратегии последующего выбора режима управления печью КС, т.е. от величины этого параметра зависит, будет ли процесс переведен на новый режим, или он останется на прежнем. Служит косвенным критерием физико- химического состояния кипящего слоя, т.к. по величине температуры можно судить о наличии или отсутствии в печи «горючего», а по ее динамике - о стадии протекания процесса (стадия «прожарки», малая загрузка сульфидного никелевого концентрата и т.д.). Носит неформализованный в количественном смысле характер и при выработке управляющего воздействия учитывается в зависимости от уровня квалификации оператора-обжигальщика.
В качестве выходных факторов (управляющий воздействий) были выбраны основные управляющие воздействием на процесс обжига в печи КС. Ими являются величины уставок скоростей загрузки сульфидного никелевого концентрата (Y1) и оборотной пыли (Y2). С переменными XI и Х2, имеющими тот же смысл, наименования и точность измерения, Y1 и Y2 разнесены во времени.
Выбор Y1 и Y2 в качестве управляющих переменных обусловливает в полном объеме управление процессом обжига, вклю-чая и его производительность. С одной стороны, при ПОСТОЯН--НОМ расходе воздуха величины этих переменных и их соотно-тпение полностью определяют ход процесса окислительного об-жига, т. к. они формируют материальный и тепловой балансы ра боты агрегата, а с другой - определяют напряженность тепло- вого режима печи КС, совокупным отражением которого является температура кипящего слоя, от величины которой, в свою очередь, напрямую зависит производительность объекта управления в целом.
Основные выходные и входные параметры процесса представлены в таблице 4.5
Известно, что ограничение на величину отклонения, которое каждому ее значению ставит в соответствие число из интервала [0;1], характеризуется функцией принадлежности обычно обозначаемой ц(х;) где Xj - базовая переменная. На практике часто используют линеаризованную функцию принадлежности треугольного вида. Тогда для выбранных переменных можно, используя введенные термы составить набор линеаризованных функций принадлежности. В качестве примера на рисунке 4.17 показана скорость загрузки концентрата, т/ч u(G), охватывающий весь интервал возможного изменения отклонения.
Присвоим выбранным термам следующие численные значения Нулевая = -2; Малая = -1; Средняя = 0; Большая = 1; Очень большая = 2 (таблица)
Похожие диссертации на Моделирование и управление процессом обжига металлургических концентратов в печах кипящего слоя
