Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований 5
1.1. Конвертерное производство в цветной металлургии 5
1.2. Газоходная система конвертерного производства 14
1.2.1. Межцеховая газоходная система 15
1.2.2. Газоходная система металлургического цеха 17
1.3. Опыт создания автоматических систем управления газовыми потоками 20
1.4. Постановка задачи исследования 24
ГЛАВА 2. Газоходная система как объект управления, синтез системы нижнего уровня управления 30
2.1. Математическая модель газоходной системы 33
2.1.1. Расчет статического режима функционирования газохода 36
2.1.2. Моделирование статического режима работы газохода конвертера 38
2.2. Динамическая математическая модель газоходной системы 39
2.2.1. Элемент газохода 48
2.2.2. Зазор между напыльником и конвертером 52
2.2.3. Конвертер 55
2.2.4. Дымосос 56
2.2.5. Динамическая модель газоходной системы 58
2.2.6. Результаты моделирования 59
2.3. Синтез систем управления газовым режимом 65
2.3.1. Методика синтеза регулирующего устройства 65
2.3.2. Параметрический синтез регуляторов 73
2.4. Выводы по главе 2 77
ГЛАВА 3. Синтез автоматической системы управления эвакуацией газа 78
3.1. Структура среднего уровня АСУ 79
3.1.1. Адаптивный блок 79
3.1.2. Блок выбора режима 85
3.2. Математическая модель газоходной системы 86
3.2.1. Модель разбавления газа в статическом режиме 87
3.2.2. Динамическая модель эвакуации газа конвертерного передела 92
3.3. Синтез адаптивной системы управления 96
3.3.1. Критерий эффективности функционирования АСУ 96
3.3.2. Синтез экстремального регулятора 99
3.3.3. Функционирование экстремальной системы управления в динамических режимах 103
3.3.4. Функционирование АСУ в обстановке помех 107
3.4. Синтез блока выбора режима функционирования АСУ 111
3.5. АСУ при измерении температуры газа 113
3.6. Выводы по главе 3 122
ГЛАВА 4. Синтез верхнего уровня управления газовыми потоками конвертерного передела 123
4.1. Структурная схема системы управления верхнего уровня 123
4.2. Имитационная модель газоходной системы конвертирования 129
4.3. Выводы по главе 4 130
Заключение 132
Литература 134
Приложение 140
- Конвертерное производство в цветной металлургии
- Математическая модель газоходной системы
- Динамическая модель эвакуации газа конвертерного передела
- Структурная схема системы управления верхнего уровня
Введение к работе
В настоящее время на отдельных переделах промышленных
предприятий цветной металлургии широко применяются конвертерные процессы, как в вертикальных, так и горизонтальных агрегатах. К достоинствам плавок в них относятся: высокая производительность, относительная простота конструкции, многолетний опыт работы и др. Существенными недостатками конвертеров являются: периодичность их работы, трудность улавливания конвертерных газов связанную с конструкцией агрегата. Последний недостаток особенно остро чувствуется при применении вертикальных конвертеров, так как фурма опускается сверху через его горловину. [13, 24, 49,91]
От эффективности работы газоходной системы конвертерного производства зависит рентабельность последнего[100]. Это обусловлено необходимостью значительного разбавления серосодержащих конвертерных газов так как в противном случае может возникать выброс диоксида серы в цех, что нарушает экологические нормы и технику безопасности и на фоне пристального внимания общественности и контролирующих органов государства к проблеме снижения выбросов в атмосферу промышленными предприятиями, приводит к значительным убыткам [33]. Снижение рентабельности заставляет предприятия цветной металлургии искать замену конвертерным процессам и модернизировать производство. Эксплуатация газоходной системы конвертеров характеризуется низкими технико-экономическими показателями, к которым относятся: неконтролируемый
выброс конвертерных газов при низких разрежениях в газоходе во время переходных процессов (загрузка материала, изменение положения фурмы и др.) и низкие концентрации сернистого ангидрида в газе во время стационарных режимов технологического процесса (продувка расплава) [1]. Повышение эффективности работы газоходной системы является весьма актуальной задачей, решение которой возможно путем создания автоматической системы управления АСУ газовым потоком конвертерного производства, практически исключив человека из процесса управления [8]. Однако, на производстве отсутствуют научно-обоснованные технические решения по созданию указанной автоматической системы, учитывающей технологические особенности конвертирования [49,4].
Исследования, представленные в данной работе, выполнялись в рамках перечня научных направлений Российской Федерации: «Энергосбережение», «Компьютерное моделирование» и «Снижение риска и уменьшение последствий природных и техногенных катастроф»; а также в рамках Гранта РФФИ «Поддержка ведущих научных школ» (проект № 00-15-99070л); научных направлений: 6.30.022 «Исследование теоретических основ и разработка экологически безопасных ресурсосберегающих процессов комплексной переработки металлосодержащего сырья и продуктов» (2002-2004) и 6.30.021 «Исследование теоретических основ, разработка ресурсосберегающих, экологически безопасных технологий с применением компьютерного моделирования в производстве цветных металлов» (2005-2007).
Конвертерное производство в цветной металлургии
Производство цветных металлов выдвигает особые требования к конструкциям металлургических агрегатов в силу особых свойств перерабатываемых материалов. Конвертерный процесс не является исключением. Для переработки сульфидных расплавов в цветной металлургии применяют два основных вида конвертеров: горизонтальный и вертикальный, значительно отличающихся по конструктивному исполнению. Оба вида конвертеров относятся к агрегатам периодического действия, что в первую очередь связано с заливкой в них исходных продуктов и удалением переработанных. [95, 97,99] Горизонтальные конвертеры получили широкое распространение в нашей стране и за рубежом. Агрегат представляет собой горизонтально расположенный цилиндр с фурменным поясом и горловиной в центре. Дутье подается снизу через расплав, в который вдувают воздух, в некоторых случаях обогащенный кислородом. [88,94,95,97,99]
Вертикальные конвертеры, пришедшие из черной металлургии в цветную, также успешно применяются для конвертирования сульфидных расплавов. Агрегат представляет собой цилиндр, расположенный вертикально. Дутье подают сверху, через запускаемую в горловину конвертера фурму. Продувку ведут техническим кислородом (95%). [30,35,60,61]
В обоих агрегатах образуется сернистый ангидрид (SCh, диоксид серы) в качестве газовых продуктов плавки. Но в вертикальном конвертере концентрация SO2 выше в силу того, что используется технический кислород [61].
Вертикальные конвертеры привлекают несложностью конструкции, относительной компактностью оборудования, освоенностью их изготовления, возможностью значительной интенсификации процесса конвертирования при применении чистого кислородного дутья и, следовательно, максимального использования серы из богатых по сернистому ангидриду газов относительно небольших объемов. Эти конвертеры успешно эксплуатируются на комбинате "Североникель", на Побужском никелевом заводе и др. [43]
Для продувки расплавов используются кессонированные фурмы, которые устанавливают на определенном расстоянии от поверхности ванны. Давление кислородного дутья находится в пределах 80-130 кПа. Конвертеры оборудуются механизмами поворота в вертикальной плоскости до 360. Скорость поворота может изменяться в широких пределах (0,01-2,0 мин-1 ). Металл выпускается через летку, а шлак - через горловину. [23]
В соответствии с технологией, разработанной институтом «Гипроникель» в 1969-1970 гг. в конвертерах проводится автогенная плавка медного концентрата, полученного при флотации медно-никелевого файнштейна (69-70% меди, 4-5% никеля,3-4% железа; 20-21% серы[100]), и последующее конвертирование штейна до черновой меди. [23] Эта технология была освоена на комбинате «Североникель» в начале 80-х гг. [100].
Продувку расплава необходимо вести на оптимальной высоте расположения фурмы над расплавом. При этом необходимо контролировать температуру процесса, поддерживая ее не ниже 1200-1250 С загрузкой холодных присадок[60]. Отмечается четкая зависимость роста — температуры расплава в конвертере от удельного расхода кислорода. [61] Основными задачами конвертирования являются удаление серы и снижение содержания никеля менее 0,85%). При этом окисляются и примеси -железо и кобальт.
Математическая модель газоходной системы
Конвертерные газы от переработки сульфидных материалов отличаются высоким содержанием диоксида серы (SO г), который вреден для окружающей природы и здоровья человека. Задача газоходной системы -улавливать и транспортировать образующиеся газы на переработку в сернокислотный цех (СКЦ). При переходных режимах функционирования конвертера (загрузка материалов, изменение положения фурмы и др.) возникают резкие изменения количество образующихся газов. Это приводит к выбросам их через зазор между напыльником и горловиной конвертера, что недопустимо. [60] Автоматическая система управления позволяет избежать этого путем стабилизации давления в напыльнике, но для эффективной ее работы необходимо, что бы параметры устройства управления были оптимальные.
В данной главе представлено описание синтеза нижнего уровня системы управления газовым режимом конвертерного передела который решает задачу стабилизации параметров газового тракта на заданном уровне. Для отыскания оптимальных настроек регуляторов была составлена математическая модель газоходной системы металлургического цеха, как объекта управления для нижнего уровня иерархии. При составлении модели были использованы литературные и экспериментальные данные, статические зависимости газоходной системы и уравнения газовой динамики.
Функциональная схема автоматической системы управления нижнего уровня представлена на рис.2.1. Схема составлена с учетом конфигурации газоходов металлургического цеха. [61] В цехе находятся четыре вертикальных конвертера. Из них в работе участвуют не более двух. Причем обычно в режиме плавки работает только один конвертер. При этом если второй конвертер работает в режиме загрузки (выгрузки), то достигается наиболее стабильной концентрации сернистого ангидрида в конвертерных газах. [56] Поэтому в качестве объекта управления ОУ принята газоходная система с одним работающим конвертером (см. рис.2.1). На рис.2.1 приняты следующие обозначения: ОУ,- - объект управления; УС,- - устройство сравнения; УУ,- - устройство управления; ИМ, - исполнительный механизм (двигатель); Рн , Рф - задания на разрежение (Па); е, - ошибка (Па); ft -частота питающего напряжения двигателя дымососа (Гц); СУ, - частота вращения двигателя (рад/с); (/=1,2). Как следует из рис.2.1 система управления разрежением в газовом тракте состоит из двух контуров управления: 1 и 2. Управление дымососами осуществляется с помощью мощных преобразователей частоты. Таким образом заданный режим разрежения в напыльнике обеспечивается частотой вращения дымососа со\ управляемой контуром 1, а функционирование газоходной системы под разрежением обеспечивается системой управления разрежением перед электрофильтром (контур 2). Расчет системы управления разрежением произведен по предложенной методике параметрического синтеза ПИ- регулятора.
Для составления динамической модели объекта управления предварительно необходимо составить математическую модель объекта в статическом режиме. [36, 59] Это позволяет облегчить нахождение параметров дифференциальных уравнений, описывающих динамический режим работы объекта управления[17].
Газоходы металлургического цеха в основном проходят на открытом воздухе, они имеют значительную длину и площадь поверхности, а температура газов в газоходе велика (до 500 С). [60,94] Все это способствует интенсивному теплообмену газохода с окружающей средой. Значительная потеря тепла по ходу движения газов обуславливает необходимость учета условий теплообмена при составлении модели газохода. Довольно сложную задачу движения газа по трубам при наличии теплообмена, как известно, можно описать уравнениями в частных производных [65, 66]. При определенных допущениях уравнения параметров газа вдоль оси канала можно получить из уравнений газовой динамики [21] :
Динамическая модель эвакуации газа конвертерного передела
Выбор параметров вспомогательной прямой а и Ь, осуществляется так, чтобы экстремум-максимум критерия Ф пришелся на область слабого разбавления конвертерных газов, что даст возможность избежать их выброса в цех. Выбор конкретного типа экстремального регулятора и, в конечном счете, выбор той или иной стратегии поиска экстремума критериальной функции определяется рядом факторов, обусловленных, прежде всего, свойствами объекта управления. [11] Газоходная система конвертера, совместно с приборами измерения и исполнительными механизмами, характеризуются значительным запаздыванием и инерционностью. Входные воздействия на объект управления определяются условиями ведения технологического процесса и представляют собой относительно медленно меняющиеся случайные функции времени, содержащие высокочастотные помехи. Для подобных случаев целесообразно использовать дискретные экстремальные регуляторы, так как непрерывные экстремальные системы обладают сравнительно низкой помехозащищенностью. [16] Например, если при движении к экстремуму на характеристику Ф(РН) накладываются высокочастотные помехи, то система будет совершать ложные реверсы, что значительно ухудшает ее динамические свойства. Обозначим разрежение в газоходе Рн как и- управляющее воздействие экстремального регулятора. С целью повышения помехозащищенности применяют дискретные ЭСУ шагового типа, в которых значение экстремального показателя Ф измеряется дискретно, через определенные интервалы времени At, называемые шагами.[15] В зависимости от результатов сравнения величин Ф в начале и в конце каждого шага, осуществляют изменение управляющего воздействия и в соответствии с алгоритмом [16] где Un+l = sign(AOn + 8)signJ7„ - функция переключения на и+1-м шаге квантования по времени; ип и ип+1 - величина управляющего воздействия на п-ш и и+1-м шаге квантования по времени соответственно; Аи- величина изменения управляющего воздействия на каждом шаге квантования по времени; ДФл - приращение критерия эффективности на я-м шаге; 5 - зона нечувствительности экстремального регулятора. Нетрудно заметить, что при сравнительно большой величине Дм обеспечивается достаточно надежное измерение приращения критерия эффективности, что способствует повышению быстродействия и помехозащищенности системы, но приводит к увеличению временных потерь на поиск экстремума. Величина шага квантования по времени At ограничена: при очень большом шаге в системе могут появиться ошибки из-за дрейфа статической характеристики Ф(м); при слишком малом шаге на правильность работы системы помимо запаздывания информации о выходных показателях, обусловленного инерционностью объекта, могут также оказывать влияние высокочастотные помехи. Таким образом, оптимальные величины Аи и At выбираются, исходя из конкретных условий работы системы.
Для повышения быстродействия системы целесообразно применять стратегию поиска при переменном шаге управления Аи. В частности, можно так сформулировать критерий эффективности: при переходе в зону недопустимых режимов работы объекта управления происходила смена его знака, например, с положительного на отрицательный. Тогда при Ф 0 шаг квантования может быть равным Ащ, а при Ф 0 - равным Ащ, причем Ащ Аи2. Последнее условие обеспечивает сокращение времени выхода системы в зону допустимых режимов без увеличения потерь на поиск. Алгоритм поиска экстремума для этого случая запишется в виде [16]
Структурная схема системы управления верхнего уровня
Система управления газовыми потоками конвертерного производства должна решать поставленные перед ней задачи управления вне зависимости от технологических операций, выполняемых конвертером [32]. Технологические операции конвертера, как отмечалось в главе 1, различаются по объему выделяемых газовых продуктов, и, следовательно, режимы работы газоходной системы при этом различаются. Гибкость системы управления во время стационарного режима продувки расплава обеспечивается применением дискретной экстремальной системы управления на среднем уровне, описанной в главе 3. При других технологических операциях в конвертере выполнение задачи управления (см. главу 1) достигается за счет правильного выбора режима функционирования АСУ, каждому из которых соответствует свое разрежение в напыльнике.
Выбор режима функционирования газоходной системы конвертерного передела в соответствии со схемой АСУ (см. рис.13) возложен на верхний уровень иерархии. Помимо этого на верхнем уровне устанавливаются все значения заданий, используемые в системе управления. На нем осуществляется оперативный контроль и управление системой в целом. На рис.4.1 изображена структурная схема верхнего уровня иерархии АСУ и его связи с объектом и другими уровнями управления. Основным элементом верхнего уровня АСУ является экспертная система (ЭС), собирающая информацию от датчиков, установленных на оборудовании конвертера, и делающая вывод о виде операции, которая проводится в нем. Информация об операции Зэ поступает на информационно-управляющий экран пульта оператора с сигнализацией вывода. Затем значение технологической операции 3, проводимой в конвертере, поступает на средний уровень управления. При помощи информационно-управляющего экрана устанавливается вектор заданий на разрежение Vp для различных режимов функционирования АСУ, задание на разрежение и предельное значение температуры перед электрофильтром. В задачу экспертной системы (ЭС) входит определение технологической операции производимой в конвертере посредством обработки косвенных технологических данных [20]. Косвенными технологическими данными в случае газоходной системы конвертерного производства будут сигналы датчиков, установленных на конвертере и вспомогательном оборудовании.
Основной технологический режим конвертера - это продувка расплава [34]. Он характеризуется вертикальным положением чаши конвертера, опущенной фурмой и наличием расхода дутья. Следовательно, сигнал от датчика положения фурмы, датчика положения конвертера и информации о наличии дутья однозначно определяют эту технологическую операцию. Правильно определить технологическую операцию продувки расплава важно для достижения оптимальных параметров газоудаления, поскольку во время продувки выделяется основное количество сернистого ангидрида [60], а экстремальная система управления, оптимизирующая газовый режим, согласно главе 2, включается именно в это время.
Отсутствие дутья и поднятая фурма характерны для всех остальных вспомогательных операций [60]. Для операции загрузки флюса характерно включенное подающее устройство, для слива щлака и черновой меди характерны повалка конвертера в одну сторону, а для вывалки никелевого шлака - в другую. По датчику положения конвертера экстремальная система определяет вид операции. В табл.4.1 представлены технологические операции и соответствующие им значения датчиков оборудования. Соответствующие датчики изображены на рис.4.2. В табл.4.1 так же показаны соответствия между технологическими операциями в конвертере и режимом функционирования газоходной системы. Так для продувки расплава -экстремальный режим функционирования газохода. Для остальных технологических операций установлены постоянные значения задания на разрежение в напыльнике, величины которых при разных режимах заранее устанавливается оператором.
