Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ использования математических моделей в системах управления доменными печами и их комплексами, методов оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов. Постановка задач исследования 12
1.1 Сырьевые и теплоэнергетические аспекты современной доменной плавки 12
1.2 Применение математических моделей в системах управления доменными печами и их комплексами 19
1.3 Состояние вопроса оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов комплекса доменных печей 25
1.4 Постановка задач исследования 31
Глава 2. Структура и функциональное моделирование системы оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в доменном производстве 34
2.1 Содержательная постановка задачи оптимального распределения сырьевых и энергетических ресурсов в доменном цехе 34
2.2 Разработка схемы оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов комплекса доменных печей 39
2.3 Функциональная модель автоматизированной системы оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов доменного цеха 43
2.4 Выводы 54
Глава 3. Математическая модель и алгоритмы решения задач оптимального распределения сырьевых и энергетических ресурсов в комплексе доменных печей 55
3.1 Математическая постановка задачи 55
3.2 Математическое обеспечение расчёта показателей, характеризующих тепловой, шлаковый и газодинамический режимы доменной плавки 60
3.3 Математическое обеспечение задачи выбора оптимального состава доменной шихты 76
3.4 Математическое обеспечение задачи оптимального распределения топливно-энергетических ресурсов 80
3.5 Выводы 84
Глава 4. Разработка и описание программного обеспечения для решения задач оптимального управления сырьевыми и топливно-энергетическими ресурсами комплекса доменных печей 86
4.1 Методы проектирования и реализации программного обеспечения по управлению топливно-энергетическими ресурсами в доменном производстве 86
4.2 Программное обеспечение системы оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов 98
4.3 Примеры решения задач оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в комплексе доменных печей 111
4.4 Выводы 119
Заключение 121
Список литературы 123
Приложение А. Пофакторный анализ показателей доменной плавки 137
Приложение Б. Акты испытаний пакетов прикладных программ 138
Приложение В. Акты приёмки в опытную эксплуатацию программного обеспечения 148
Приложение Г. Акт внедрения результатов работы в учебный процесс 164
- Сырьевые и теплоэнергетические аспекты современной доменной плавки
- Функциональная модель автоматизированной системы оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов доменного цеха
- Математическое обеспечение задачи оптимального распределения топливно-энергетических ресурсов
- Примеры решения задач оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в комплексе доменных печей
Сырьевые и теплоэнергетические аспекты современной доменной плавки
Металлургия Российской Федерации, являясь базовой отраслью, должна обеспечить развитие экономики страны, ее важнейших составляющих – машиностроения, химии, энергетики, транспорта, строительства и др. По производству чугуна, стали, Россия входит в первую пятерку стран мира. Для сохранения лидирующих позиций России на мировом рынке металлов и удовлетворения потребностей в металлопродукции на внутреннем рынке в стране принята «Стратегия развития черной металлургии России на 2014-2020 годы и на перспективу до 2030 года» [1]. Этот документ определяет сценарии улучшения структуры, технологий, экологической обстановки на металлургических предприятиях России и ориентирует предприятия на повышение энергоэффективности технологий получения металлопродукции высокого качества. Решение этих главных задач обеспечивается целенаправленной, деятельностью на всех стадиях металлургического производства от подготовки рудного сырья до получения готовой продукции.
Для чёрной металлургии важными стадиями производства является доменный передел. Эта технология достаточно энергоёмка, она потребляет 48,6 % различных видов топлива из теплового баланса интегрированного металлургического комбината, что предписывает необходимость снижения энерго-и ресурсоёмкости получаемой продукции. При этом прогнозируется, что к 2020 году спрос на основные виды металлоизделий возрастет с достижением уровня 390 кг стали/человека.
Ожидается, что за счет использования энергоэффективных технологий произойдет снижение общего расхода топлива с уровня 2007 г. до 2020 г. на 14 %, а электроэнергии на 28 % при достижении удельных расходов энергопотребления до 20-25 ГДж/т продукции за счет применения энергосберегающей техники и технологий.
К сожалению, удельный расход топлива на одну тонну проката в нашей стране выше на 25 %, чем в Японии и на 37,5 %, чем в странах Европейского союза [2].
Причиной отставания является как использование физически изношенного оборудования и морально устаревших технологий, так и низкий уровень внедрения научных достижений в области энерго- и ресурсосбережения. Такая ситуация сложилась во многих отраслях народного хозяйства, поэтому главная цель развития как чёрной металлургии, так и многих других отраслей промышленности в России – их преобразование в динамично развивающиеся, высокотехнологичные и конкурентоспособные отрасли, интегрированные в мировую металлургию в рамках международного разделения труда [1].
На новом витке развития науки и техники формирование отечественной металлургии происходит в новых условиях [3]:
1. Практически сформировались рынки сырья и топлива. При этом исчезновение экономических границ между государствами привело к тому, что импорт сырья и экспорт готовой продукции стали обычным явлением отечественной металлургии.
2. В мире происходит сокращение, а в некоторых регионах и исчезновение месторождений железных руд. Это привело к тому, что наиболее крупные металлургические комбинаты страны, построенные вблизи месторождений железной руды, вынуждены работать на привозном сырье.
3. В России и мире изменяются требования к экологической чистоте металлургического производства. Производительность, как важный принцип плановой экономики, уступила своё место энерго- и ресурсосбережению.
4. В ближайшее время производство чёрных металлов альтернативными способами не изменится. Об этом свидетельствует тот факт, что в течение последних 20 лет доля чёрных металлов, производимых во всем мире внедоменным путем, не превышала 5-6 %.
Факторами, которые ограничивают развитие чёрной металлургии в России и большинстве других стран, являются в настоящее время дефицит сырьевых и топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и техногенное загрязнение окружающей среды [4-5].
Высокий уровень конкуренции на мировом рынке привёл к тому, что снижение себестоимости продукции за счёт повышения энергетической эффективности и снижения тепловых потерь при использовании ТЭР на предприятиях чёрной металлургии стало одним из направлений выживания. Это связано с тем, что доля затрат на ТЭР (электроэнергия, природный газ, технологический кислород, коксующийся уголь, мазут и др.) в общей смете затрат на производство продукции составляет более 30 %. При этом энергетические затраты на предприятиях чёрной металлургии в европейских странах составляют 18-22 %. Наиболее крупными потребителями ТЭР на металлургических комбинатах являются доменные и прокатные производства. К электроёмким производствам относятся электросталеплавильные цеха, кислородные станции. Объём потребляемых ТЭР на производство единицы продукции называется энергоёмкостью, в чёрной металлургии это объём ТЭР на производство одной тонны стали (Гкал/т). Например, энергоёмкость на ПАО «ММК» – 7 Гкал/т, а величина энергоёмкости на ведущих металлургических комбинатах за рубежом составляет 5 Гкал/т.
Энергоёмкость металлопродукции определяется качеством поставок материальных и энергетических ресурсов, техническим состоянием агрегатов и их соответствием мировому уровню развития науки и техники, конъюнктурными факторами, экологическими ограничениями и др.
Для выработки стратегии уменьшения энергоёмкости производимой продукции в переменных условиях используется принцип доминирующего звена. В чёрной металлургии таким звеном является производство чугуна. Доменное производство является самым энергоёмким среди переделов чёрной металлургии, на его долю приходится 50-75 % энергетических затрат предприятий полного цикла. Поэтому экономия энергетических ресурсов при производстве чугуна на 1 % снижает энергоёмкость производства стали на 0,5-0,75 % [6].
Крупнейшие доменные цеха России имеют в своем составе несколько печей.
В таблице 1.1 приведены сведения о показателях работы за 2016 и 2017 годы трёх крупнейших в России доменных цехов – Магнитогорского металлургического комбината (ММК, ПАО «ММК»), Новолипецкого металлургического комбината (НЛМК, ПАО «НЛМК») и Череповецкого металлургического комбината (ЧерМК, ПАО «Северсталь»)1. Сведения, приведённые в таблице, показывают масштабность и объём материальных и энергетических затрат доменного передела, а доменное производство России по уровню применяемой технологии находится на мировом уровне [7].
Доменный цех ММК имеет в своем составе 8 работающих печей, имеющих полезный объём от 1370 до 2014 м3, а доменный цех НЛМК включает 6 печей объёмом от 1000 до 4291 м3. Годовое производство чугуна в доменном цехе ММК достигает 10,2 млн., при этом выпускается 3,5 млн т/год побочной продукции – шлака и около 36,7 млн м3/сут. доменного газа. Для снабжения цеха рудными материалами, потребность цеха агломератом составляет 10,56 млн т/год, привозных окатышей – 6,47 млн т/год, кокса – 6,51 млн т/год. В доменные печи нужно подать доменного дутья – 38,5 млн м3/сут, природного газа – 3,46 млн м3/сут., технологического кислорода для обогащения дутья – 3,82 млн м3/сут. Потребность доменного цеха в электроэнергии составляет 85,5 млн кВтч/сут.
Функциональная модель автоматизированной системы оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов доменного цеха
При проектировании автоматизированной системы оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов доменного цеха (АИС ОРТЭР) была использована методология функционального моделирования и графическая нотация IDEF0. Данная методология рекомендована Госстандартом России для описания структуры и функций информационной системы, а также для представления потоков информации и материальных объектов, связывающих эти функции.
Методология IDEF0 предназначена для создания описания информационной системы и её внешнего окружения до определения окончательных требований к ней. При этом заложенные в неё методы, правила и процедуры дают возможность описывать любые системы, а не только информационные. IDEF0 применяется на ранних этапах создания систем и позволяет предотвратить возможные ошибки при дальнейшей разработке и сопровождении систем.
В основе IDEF0 лежит методология структурного анализа и проектирования SADT (Structural Analysis and Design Technique), предложенная Дугласом Т. Россом [98-102]. IDEF0-модель описывает, какие функции выполняет система и что она производит. На модели указывается, какая информация используется для управления, а также какие ресурсы и средства применяются для исполнения её функций.
Достоинством методологии IDEF0 является то, что она обеспечивает возможность обмена информацией о рассматриваемой системе на языке, понятном не только разработчику системы, но и специалисту-эксперту в предметной области. Это реализуется за счёт графического представления модели в виде иерархии диаграмм, что обеспечивает компактность, строгость и точность представления информации.
Функциональная модель разработана с использованием программного обеспечения Ramus Educational и содержит более 200 блоков на пяти уровнях декомпозиции. В целях описания разрабатываемой информационной системы далее будет рассмотрено несколько верхних уровней функциональной модели.
Верхний уровень модели показывает основные потоки информации, которые проходят через проектируемую систему, её внешний вид представлен на рисунке 2.3. На этом уровне показано, что разрабатываемая система принимает на вход отчетные показатели работы доменных печей в базовом периоде и условия работы в проектном периоде. Результаты решения задачи оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов представляются в численном и графическом виде.
Интерфейс управления состоит из четырёх компонентов: математической модели доменного процесса УрФУ-ММК, математической модели системы оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в доменном цехе, требований пользователей, а также технологической инструкции доменного цеха и блока нормативно-справочной информации (НСИ).
Математическая модель доменного процесса УрФУ-ММК включает набор алгоритмов и уравнений для расчета и оценки показателей теплового, газодинамического, дутьевого и шлакового режимов плавки, а математическая модель оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов предназначена для определения оптимальных значений расхода сырья и топлива на каждой доменной печи.
Технологическая инструкция доменного цеха является главным руководящим документом, который определяет единые технологические правила и практические приемы для персонала доменного цеха по организации производственного процесса в целях получения требуемого производства чугуна заданного качества при минимизации удельных расходов сырья, энергетических и трудовых затрат, а также обеспечением безопасности труда обслуживающего персонала.
Блок НСИ включает информацию о корректировочных коэффициентах (не определяемых по модели процесса), насыпных массах кокса, агломерата, окатышей и других шихтовых материалов, о потерях давления по тракту горячего дутья, набор эмпирических коэффициентов, используемых в алгоритмах, допустимые значения показателей, характеризующих тепловой, шлаковый и газодинамический режимы доменной плавки и т.п.
Механизмами функциональной модели являются аппаратно-программное обеспечение в составе информационно-вычислительного центра АСУ (ИВЦ АСУ) и технолог доменного цеха в составе технологической группы доменного цеха (ДЦ).
Согласно методологии функционального моделирования IDEF0, информационная система разбита на несколько взаимосвязанных подсистем, представленных на рисунке 2.4.
Функция «Подготовить данные базового периода» (А1) является первым подготовительным этапом для решения задачи оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов комплекса доменных печей. Декомпозиция блока А1 представлена на рисунке 2.5.
Функциональный блок А11 служит для выбора отчётного периода (месяц и год), который принимается в качестве базового. Для выбранного периода осуществляется выборка среднемесячных данных о работе доменного цеха, при этом в качестве источника выступает централизованная база данных АСУ доменного цеха.
Отчетные данные в базе формируются специалистами инженерно-технологический группы доменного цеха ежемесячно с помощью существующих программных модулей и утверждаются начальником цеха. При этом они содержат информацию по основным разделам доменного производства: – конструктивные размеры доменной печи; – технико-экономические показатели работы печей; – физические свойства, химический состав и расходы загружаемых шихтовых материалов и кокса; – характеристики колошникового газа; – химические составы и характеристики топливно-энергетических ресурсов (комбинированного дутья); – химический состав и температура жидких продуктов плавки; – контролируемые показатели теплового, дутьевого, газодинамического и шлакового режима доменной плави (из системы АСУ ТП); – учёт простоев и состояния технологического оборудования.
По полученным данным в блоке А12 осуществляется расчет показателей хода теплообменных, восстановительных и газодинамических процессов, процессов шлакообразования. Отчётные и расчётные показатели служат для расчета коэффициентов передачи линеаризованной математической модели оптимального распределения сырья и топлива в комплексе доменных печей по методике, представленной в работах [30, 43]. Коэффициенты позволяют оценить влияние отклонений параметров шихты и дутья, продуктов плавки как на технико экономические показатели доменного процесса (расход кокса и производительность печи), так и на показатели теплового, газодинамического и шлакового режимов плавки. Полученный из базы данных массив показателей работы, а также рассчитанные по модели доменного процесса УрФУ-ММК комплексные показатели и коэффициенты составляют данные базового периода. Декомпозиция блока А12 представлена на рисунке 2.6.
Математическое обеспечение задачи оптимального распределения топливно-энергетических ресурсов
На этом этапе планирования работы доменных печей и цеха в целом решается задача оптимального распределения инжектируемого топлива и технологического кислорода между отдельными печами с учётом технологических ограничений на работу каждого агрегата в отдельности и имеющихся резервов топливно-энергетических ресурсов.
При решении задачи используются полученные на предыдущем этапе оптимальные расходы компонентов шихты на каждой доменной печи. Поиск оптимальных расходов топливно-энергетических ресурсов сводится к задаче линейного программирования, т.к. анализ нелинейности доменного процесса показал, что при решении задач планирования работы доменного цеха в силу относительно небольшого отклонения входных переменных от их базовых значений, достаточно использовать линеаризованные зависимости [89].
Алгоритм расчёта оптимального распределения ТЭР в комплексе доменных печей представлен на рисунке 3.4, где очевидны назначение и функции отдельных этапов.
Факторами, влияющими на расход кокса, при заданном соотношении долей шихты, являются характеристики дутья (температура, влажность, содержание кислорода, расход природного газа) и свойства кокса.
При этом свойства кокса являются входными контролируемыми, но неуправляемыми переменными, определяемыми технологией производства кокса.
Температура дутья также является входной переменной и определяется типом и техническим состоянием воздухонагревателей, а также их количеством. Влажность является сезонной величиной, т.к. доменные печи в нормальном режиме работают без дополнительного увлажнения дутья.
В этом случае управляющими воздействиями являются только расход природного газа и содержание кислорода в горячем дутье. В качестве цели перераспределения природного газа и кислорода принято получение максимального экономического эффекта от вдувания природного газа и обогащения дутья кислородом с учётом их цен, и экономии кокса.
Расход природного газа и технологического кислорода обычно изменяются совместно в заданном технологической инструкцией соотношении для поддержания теоретической температуры горения на фурмах. Но для получения максимального экономического эффекта переменными целевой функции являются расходы и природного газа, и кислорода, а поддержание теоретической температуры горения на фурмах в допустимых пределах описывается ограничением в виде двойного неравенства.
Учитываются представленные ранее технологические ограничения на тепловой, шлаковый и газодинамический режимы доменной плавки, а также качество выплавляемого чугуна на каждой доменной печи в отдельности. При выборе основных ограничений на работу доменной печи использовались физическое обоснование и классификация лимитирующих факторов при инжекции топлив в доменные печи, представленные в работах Б.И. Китаева и его учеников [91, 92].
При решении задачи оптимального распределения природного газа возникает необходимость оценки и корректировки шлакового режима доменных печей, что обусловлено корректировкой расхода кокса и, соответственно, изменением поступления в печь золы кокса. В связи с этим предусмотрена итерационная процедура корректировки оптимального состава доменной шихты в проектном периоде, которая предусматривает проверку на значения основности и вязкости конечного шлака в заданных пределах. При нарушении ограничений осуществляется повторная процедура определения оптимального состава доменной шихты, либо исключение из расчётов определенных ограничений.
Таким образом, определяются оптимальные значения расходов сырьевых и топливно-энергетических ресурсов на каждой из печей цеха в проектном периоде с учётом технологических, экономических и организационных требований.
Примеры решения задач оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в комплексе доменных печей
Рассмотрим вариант решения задачи оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов с помощью разработанного программного обеспечения. В таблицах 4.2 и 4.3 приведены три варианта основных показателей работы доменных печей и цеха в целом, в каждом варианте представлены усредненные месячные данные.
Первый вариант выступает в качестве базового периода работы доменных печей в модели оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов и основывается на фактических данных о работе цеха. Для него производится расчет технико-экономических показателей работы, комплекса показателей теплового, газодинамического и шлакового режимов, а также набор коэффициентов передачи.
Второй вариант – проектный период, он основывается на данных за период, следующий непосредственно за базовым. Для этого периода выбор состава железорудной части шихты, расхода флюсов, характеристик комбинированного дутья, прогнозирование технико-экономических показателей работы доменных печей и цеха в целом осуществлялись по традиционной методике, т.е. без использования программного обеспечения выбора оптимальных расходов сырьевых и топливно-энергетических ресурсов. Для него также рассчитывается комплекс основных показателей работы, а его входные переменные (температура и влажность горячего дутья, химический и гранулометрический составы железорудных материалов и другие) используются для расчета оптимальных значений расходов сырья и топлива на каждой доменной печи.
Третий вариант выполнен с использованием разработанной автоматизированной системы и представляет собой оптимальное распределение сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в условиях работы проектного периода. При этом расходы природного газа и технологического кислорода, отдельных компонентов шихты могут корректироваться в большую или меньшую сторону при постановке задачи оптимизации. Так, резерв доменного цеха по природному газу увеличен на 1,5 %, по агломерату на 1 % в сравнении с фактическими расходами в проектном периоде.
Анализ показателей работы в базовом и проектном периодах, а также оптимальных значений в проектном периоде позволяет сделать следующие основные выводы:
1. Сокращение расхода кокса в среднем по цеху на 2,7 кг/т чугуна при оптимальном распределении сырья и топлива за счет увеличения расхода природного газа на 1,2 м3/т чугуна и исключения из шихты кварцита. Исключение кварцита осуществляется за счёт снижения основности агломерата с 1,78 до 1,74.
2. При увеличении поступления агломерата в проектном периоде, он заменяет собой более дорогостоящие Михайловские окатыши. При увеличении резерва цеха по природному газу, он заменяет собой более дорогостоящий кокс.
3. Показатели теплового, газодинамического и шлакового режимов на всех доменных печах в оптимальном варианте находятся в допустимых пределах. При этом в базовом периоде теоретическая температура горения на печи 10 ниже минимально допустимой 1900 С, поэтому оптимальные значения расхода природного газа, кислорода и кокса подобраны таким образом, чтобы повысить теоретическую температуру горения на этой печи.
4. В проектном периоде на печи 7 отмечается низкая общая степень уравновешивания шихты, которую можно объяснить снижением доли окатышей в шихте на 6 %. Оптимальные значения соотношения долей агломерата и окатышей подобраны для поддержания степени уравновешивания в допустимых пределах.
5. На печах 4 и 7 высокие массовые доли кремния в чугуне, что указывает на повышенный расход топлива. При оптимальном распределении топливно-энергетических ресурсов уменьшаются расходы природного газа и кокса с целью поддержания теплового состояния в нижней части печи на заданном уровне, что также приводит к снижению расхода топливно-энергетических ресурсов.
6. Повышение технико-экономических показателей работы цеха не означает улучшения показателей на всех без исключения печах. Так, при определении оптимального состава шихты, характеристик дутья и при заданных на цех резервах сырья и топлива производство чугуна на отдельных печах даже уменьшается (печи 2, 4, 6, 7 и 8), а расход кокса возрастает (печь 10). При этом в целом по цеху удельный расход кокса снижается за счёт оптимального выбора состава железорудного сырья, флюсов и характеристик комбинированного дутья. В целом при оптимальном распределении сырья и топлива стоимость загружаемых ресурсов (значение целевой функции) уменьшается на 0,7 % в сравнении с проектным периодом работы.
Рассмотрим другой вариант задачи, когда при известных показателях работы в базовом периоде необходимо найти оптимальные расходы топливно-энергетических ресурсов на отдельных доменных печах. При определении оптимальных значений требуемое производство в цехе, резервы по природному газу и технологическому кислороду равны значением базового периода. Производство чугуна на отдельных печах также поддерживается на уровне базового периода, поэтому решение задачи осуществляется только изменением расходов природного газа на отдельных доменных печах.
В таблице 4.4 представлены основные показатели работы доменных печей в базовом периоде работы, а в таблице 4.5 их оптимальные значения в этом же периоде.
Сравнение показателей работы в базовом периоде и их оптимальных значений позволяет сделать вывод о снижении среднего удельного расхода кокса с 436 кг/т чугуна до 435 кг/т чугуна только за счёт оптимального распределения природного газа в комплексе доменных печей. При таком распределении природного газа значения показателей теплового, газодинамического и шлакового режимов соответствуют нормальному режиму доменной плавки.