Введение к работе
Актуальность работы.
В мировой алюминиевой промышленности основным сырьем для производства глинозема служат высококачественные бокситы, перерабатываемые по способу Байера. Развитие глиноземного производства в России ориентировано в основном на использование собственной сырьевой базы. Вследствие ограниченных запасов байеровских бокситов на глиноземных комбинатах России широко используется небокситовое высококремнистое сырье – нефелины. Усилиями отечественных ученых были достигнуты огромные результаты по созданию эффективных схем их комплексной переработки, получившие мировое признание. В соответствии с разработанной технологией все компоненты сырья без остатка используются для получения глинозема, портландцемента и содопоташной продукции. Благодаря этому, нефелиновое сырье остаётся конкурентоспособным по отношению к бокситовому сырью.
Дальнейшее повышение эффективности комплексной переработки нефелинового сырья, энергоэффективность процесса в целом, тесно связаны с совершенствованием систем управления процессом переработки, так как все остальные технологические ресурсы почти исчерпаны. Вклад в развитие и совершенствование алгоритмов управления объектами алюминиевой промышленности внесли специализированные научно-исследовательские и проектные организации, среди них «ВАМИ», «СибВАМИ», «Цветметавтоматика», «Союзцветметавтоматика» и др. Хорошо известны работы и достижения в области создания и освоения автоматизированных систем управления технологическими процессами в производстве глинозема и попутных продуктов таких крупных специалистов как В.М. Сизяков, Х.А. Бадальянц, Е.А. Беликов, Б.Г. Злоказов, И.М. Костин, М.В. Левин, Р.Г. Локшин, С.Г. Стародубровский, О.Н. Тихонов, О.А. Чащин и ряд других ученых.
Однако до настоящего времени остаются до конца нерешенными и требуют дальнейшего развития вопросы повышения качества управления в условиях отсутствия достаточной информации о параметрах процесса спекания нефелиновой шихты в трубчатых вращающихся печах. В связи с этим возникает необходимость в разработке высокоэффективной автоматизированной системы управления процессом спекания нефелиновой шихты в трубчатой вращающейся печи, позволяющей вести этот процесс наиболее эффективно.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной тематикой НИР СПГУ 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.).
Цель диссертационной работы – повышение качества управления процессом спекания нефелиновой шихты в трубчатой вращающейся печи при получении глинозема и переработке отходов с получением цементного клинкера.
Задачи исследований:
1. Анализ современного состояния и перспектив развития спекания нефелиновой шихты в трубчатых вращающихся печах, обжига сырьевой смеси при получении цементного клинкера попутного производства портландцементного клинкера .
2. Анализ существующих принципов построения автоматических систем управления трубчатыми вращающимися печами.
3. Экспериментальное исследование кинетики спекания нефелиновой шихты и обжига сырьевой смеси при получении цементного клинкера.
4. Разработка динамической математической модели трубчатой вращающейся печи, учитывающей цепную завесу печи, процессы пылеуноса и пылеулавливания.
5. Разработка системы управления процессом термической обработки нефелиновой шихты и обжигом сырьевой смеси при получении цементного клинкера в трубчатой вращающейся печи.
Идея работы – с целью повышения качества управления процессом спекания нефелиновой шихты в трубчатой вращающейся печи следует использовать усовершенствованную математическую модель, учитывающую цепную завесу печи, процессы пылеуноса и пылеулавливания для синтеза системы автоматического управления процессом спекания нефелиновой шихты в трубчатой вращающейся печи.
Научная новизна работы.
1. Показано, что одномерная математическая модель, учитывающая цепную завесу печи, процессы пылеуноса и пылеулавливания, позволяет с высокой степенью достоверности описать тепло-массообменные процессы в объеме, распределение концентраций реагирующих веществ, получить оптимальный температурный профиль печи.
2. Установлено, что включение регулятора, реализующего алгоритмы управления по прогнозирующей модели, в систему автоматического управления обеспечивает преимущество перед классическим ПИД регулированием за счет меньшей длительности переходного процесса и величины перерегулирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Для прогнозирования условий работы трубчатой вращающейся печи применяемой для спекания нефелинового сырья следует использовать усовершенствованную математическую модель процесса, учитывающую цепную навеску печи, процессы пылеуноса и пылеулавливания, позволяющую рассчитать пространственное распределение концентраций реагирующих веществ и температур в печи.
2.Для определения оптимального распределения температуры по длине печи следует решать задачу оптимизации с применением технологического критерия оптимизации (степени завершенности процесса) и уравнений связи варьируемых параметров с критерием оптимизации в виде разработанной детальной математической модели процесса спекания.
3. Повышение качества управления (по величине перерегулирования, времени переходного процесса) по сравнению с обычным ПИД – регулированием обеспечивается введением в структуру автоматизированной системы управления процессом спекания нефелиновой шихты в трубчатой вращающейся печи регулятора, реализующего алгоритмы управления по прогнозирующей модели.
Методика исследований. В процессе работы проводились экспериментальные исследования кинетики химических превращений при термической обработке шихты при получении глинозема и цементного клинкера. Эксперименты проводились с использованием установки синхронного термического анализа (TG DSC) STA-429 фирмы NETZSCH. Проводился также рентгенофазовый анализ образцов шихты с использованием рентгеновского дифрактрометра XRD –6000 (Shimadzu). Для математического моделирования протекающих в трубчатой вращающейся печи процессов, построения системы управления, обработки данных использовались современные компьютерные пакеты моделирования ReactOp, MATLAB.
Практическое значение работы.
1. Разработана структура многоуровневой системы автоматизированного управления процессом спекания нефелиновой шихты в трубчатой вращающейся печи, использующая математическую модель в качестве программного блока, который предсказывает поведение системы, что позволяет осуществлять адаптивное управление.
2. Предложены алгоритмы управления по прогнозирующей модели, для системы автоматического управления процессом спекания нефелиновой шихты в трубчатой вращающейся печи.
3. Научные результаты работы используются в учебном процессе химико-металлургического факультета СПГУ для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».
Достоверность научных результатов Приводимые результаты, выводы и рекомендации обоснованы путем сопоставления результатов численных расчетов с экспериментальными и производственными данными, а также применением современных инструментальных методов анализа, компьютерных пакетов моделирования. Эффективность предложенных мероприятий подтверждена в ходе опытно-промышленных испытаний и по итогам внедрения.
Апробация работы. Содержание и основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на международной научной специализированной конференции в Германии в г. Фрайберг в 2009 г.; на научной конференции студентов и молодых ученых в СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова в 2008г.; научных семинарах кафедры АТПП СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2008-2010 г.г.; на научно-технических советах по работе с аспирантами СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2008-2010 г.г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Содержит 124 страницы машинописного текста, 46 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 92 наименования и приложения на 6 страницах.
