Разработка и внедрение теплотехнической информационно-моделирующей системы доменного процесса Суханов, Евгений Леонидович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Доменный процесс был и остается в

обозримой перспективе основным переделом металлургического производства, что было подтверждено Международным конгрессом "Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке" (Москва, 1994 г.).

Концепция развития доменного производства изложена в документе "Федеральная программа технического перевооружения и развития металлургии России до 2000 г.", одобренного Правительством РФ. Предусматривается освоение новых и дальнейшее совершенствование существующих технологий доменного процесса.

Повышение конкурентоспособности отечественного доменного производства и отдельных доменных цехов за счет улучшения качества выплавляемого чугуна задаваемых марок и снижения материально-энергетических затрат стало актуальной проблемой. Решению этой проблемы путем совершенствования методов контроля и управления тепловым режимом современных доменных печей, оснащенных автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУ ТП), посвящена диссертационная работа.

Предложен принципиально новый подход к решению рассматриваемой задачи, основанный не на применении известных алгоритмов теплового состояния доменной печи или уникальных математических моделей, а на создании единой информационно-моделирующей системы обработки всей собираемой информации с использованием относительно простых адаптируемых моделей разного назначения.

Цель работы. Разработка и внедрение теплотехнической информационно-моделирующей системы доменного процесса, предназначенной для логико-математического анализа собираемой информации о работе доменной печи с целью оценки ее теплового

состояния и влияния переменных факторов на развитие основных процессов доменной плавки, что позволяет управлять качеством выплавляемого чугуна и решать задачи оптимизации доменного производства.

Критериями оптимизации могут быть допустимые пределы изменений химического состава выплавляемой марки чугуна, минимизация удельного расхода кокса или общих материально-энергетических затрат при разных ситуациях ведения доменной плавки.

Разработка и внедрение новой информационно-моделирующей системы доменного процесса потребовало решения серьезных научно-технических проблем и конкретных задач. Основные из них следующие:

1. Исследование современных доменных печей большого объема, оснащенных АСУ ТП, с целью выявления их особенностей как объектов контроля и управления тепловым режимом доменной плавки.

2. Выбор и разработка метода математического моделирования доменного процесса, пригодного для решения практических задач контроля и управления тепловым режимом печи путем логико-математического анализа собираемой информации о ходе доменной плавки.

3. Разработка надежного многовариантного способа проверки достоверности исходных данных и резервирования основной информации, необходимой для реализации выбранного метода математического моделирования доменного процесса.

4. Разработка методов определения по информации о работе печи теплофизических и других коэффициентов, которые характеризуют развитие теплообменных и восстановительных процессов доменной плавки при реальных условиях работы печи.

5. Разработка комплекса необходимых функционально-физических моделей разного назначения, метода их адаптации к реальным условиям работы доменной печи и методик использования отдельных моделей для решения конкретных задач оценки развития теплообменных и восстановительных процессов в разных зонах печи, прогноза влияния переменных факторов на тепловой режим плавки и расчета управляющих воздействий при оптимизации доменного производства.

6. Постановка и проведение опытно-промышленных испытаний, связанных с оценкой адекватности новых методов решения задач доменного производства и внедрением основных узлов разработанной информационно-моделирующей системы путем их включения в прикладное математическое обеспечение верхнего уровня АСУ ТП современных доменных печей большого объема.

Научная новизна работы. Проявилась в следующих разработках и научных достижениях:

1. Установлено, что современные доменные печи представляют собой сложные человеко-машинные технологические комплексы, которые обладают свойствами самоорганизации, причем, ведущая роль при управлении тепловым режимом доменной плавки остается пока за технологами. Выявлено, что при решении этих задач методами

математического моделирования требуется ''индивидуальный подход" к отдельным доменным печам, которые отличаются конструктивными и другими характеристиками, а также необходимость свертки собираемой информации в обобщенные показатели входных воздействий, состояния отдельных процессов доменной плавки и выходных параметров работы печи.

2. Установлено, что для математического моделирования гсплового режима печи пригодны только детерминированные зависимости, так как статистические характеристики рассматриваемого технологического комплекса, обладающего свойствами самоорганизации, отражают результаты ведения доменной плавки при конкретных условиях работы печи, а не объективные закономерности доменного процесса. Это послужило обоснованием применения известных закономерностей доменной плавки и развития теплообмена по высоте печи, теоретически найденных Б.И. Китаевым и экспериментально подтвержденных его последователями.

3. Исходя из объективных закономерностей доменного процесса, разработано два комплекса обобщенных показателей состояния теплообменных и восстановительных процессов в верхней и нижней золах печи, автоматически рассчитываемых при обработке собираемой информации. Применение таких обобщенных показателей позволило оценивать развитие основных процессов доменной плавки и прогнозировать влияние переменных факторов на тепловой режим печи, что явилось основой решения многих задач доменного производства.

4. Разработан метод оценки информационной (параметрической)

чувствительности сложных математических зависимостей (моделей и алгоритмов), которые используются при моделировании доменного процесса. С помощью этого метода были выявлены основные взаимосвязи теплового режима доменной плавки, необходимые для создания относительно простых функционально-физических моделей разного назначения, а также определялась пригодность известных алгоритмов теплового состояния доменной печи для решения практических задач ведения плавки.

5. Разработан оригинальный метод натурно-математического
моделирования доменного процесса, основанный на использовании
автоматически рассчитываемых обобщенных показателей и концепции
опорно-возмущенного движения. Это послужило основой создания
моделей оценки базового состояния доменного процесса в отдельных
зонах печи и функционально-физических моделей возмущенного

режима, позволяющих анализировать как статику, так и динамику теплового режима доменной плавки.

6. Разработаны многовариантный способ повышения достоверности исходных данных и многоуровневый метод адаптации основных расчетных моделей, что обеспечило возможность применения новой информационно-моделирующей системы для решения ответственных задач контроля и управления тепловым режимом доменной печи.

7. Разработана и внедрена теплотехническая информационно-моделирующая система, предназначенная для решения задач контроля и управления тепловым режимом доменной печи путем логико-математического анализа собираемой информации о работе доменной печи с целью оценки ее теплового состояния и влияния переменных факторов на развитие теплообменных и восстановительных процессов доменной плавки. На использовании результатов оценки теплового состояния печи и выявленных взаимосвязей доменного процесса при реальных условиях ведения плавки основан расчет управляющих воздействий, которые позволяют оптимизировать доменное производство.

Практическая ценность работы. Характеризуется результатами использования найденных решений и конкретных разработок следующими металлургическими комбинатами и организациями:

доменными лабораториями и отделами АСУ Новолипецкого металлургического комбината (НЛМК), Череповецкого металлургического комбината (ЧерМК) и Карагандинского металлургического комбината (КарМК) использованы методы расчета коэффициентов пофакторного анализа, позволяющих учитывать конкретные условия работы доменной печи за последний период ее работы, методы расчета перешихтовок с анализом их влияния на результаты плавки, методы оценки нагрева продуктов плавки и теплового состояния в отдельных зонах печи с применением автоматически рассчитываемых обобщенных показателей;

Всесоюзным научно-исследовательским и проектным институтом систем автоматического управления (ВНИПИСАУ-30) использованы научно-обоснованные рекомендации но совершенствованию систем отображения о ходе доменной плавки и прикладного математического обеспечения АСУ ТП при проектировании систем автоматизации доменной печи №9 объемом 5000 м³ металлургического комбината "Криворожсталь", доменной печи №6 объемом 3200 м³ НЛМК и доменной печи №5 объемом 5580 м³ ЧерМК (ныне АО "Северсталь");

ОЛО "Уральским институтом металлов" использовались методы ретроспективного анализа работы доменных печей ВПО "Союзметаллургпром" и прогнозирования развития доменного производства предприятий этого промышленного объединения;

высшими учебными заведениями УГТУ-УПИ и СибГГМА при преподавании дисциплин ''Автоматическое управление металлургическими процессами", выполнении студен гами-металлургами курсовых и дипломных проектов.

Копии актов внедрения и промышленных испытаний новых разработок даны в приложении диссертации.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на 12 Международных конгрессах и симпозиумах, 21 Общегосударственных и региональных конференциях и семинарах, а также на межотраслевых и областных совещаниях по проблемам металлургической теплотехники и при решении научно-практических задач создания АСУ ТП при строительстве доменных печей большого объема. Основные из них следующие:

Международного уровня: IV и V Конгрессы ИФАК (Варшава. 1969 г., Париж, 1972 г.); Советско-индийский симпозиум по черной металлургии (Донецк, 1982 г.); V симпозиум ИФАК/ИФИП (Ереван, 1986 г.); 5-я, 6-я и 8-я Международные конференции доменщиков (Острава, 1975, 1979 и 1989 гг.); Международная конференция "Новые и усовершенствованные технологии окускования сырья, производства чугуна и ферросплавов" (Варна, 1990 г.); Международный конгресс доменщиков (Гула, 1992 г.); Международная конференция ИКА1111-94 (Барнаул, 1994 г.); Научно-практическая конференция с международным участием "Современные проблемы и пути развития металлургии" (Новокузнецк, 1997 г.).

Общегосударственного и регионального уровня: II Всесоюзное совещание по автоматизации металлургических процессов в металлургии (Новокузнецк, 1963 г.); Научно-техническая конференция по основам автоматического управления доменным процессом (Днепропетровск, 1969 г.); Научно-технические семинары "Проблемы автоматизированного управления доменным производством" (Киев, 1973, 1975, 1977, 1979, 1981 и 1985 гг.); Научно-техническая конференция "Проблемы тепло- и массообмена в доменном производстве, при агломерации и обжиге окатышей" (Свердловск, 1978 г.); Всесоюзные совещания по проблемам автоматического управления (Тбилиси, 1969 г.; Ереван, 1972 г.; Москва, 1974 г.; Минск, 1977 г.); Конференция "Применение ЭВМ в металлургии"

металлургичсских процессов и агрегатов" (Свердловск, 1983 г.); Конференция "Повышение эффективности металлургического производства" (Новокузнецк, 1985 г.); Конференция "Эффективность внедрения новых технологических процессов в металлургии" (Свердловск, 1986 г.); Конференция "Социально-экономические проблемы коренного перелома эффективности развития производительных сил Кузбасса" (Кемерово, 1988 г.); Конференция "Создание и совершенствование энергосберегающих технологий в пирометаллургии" (Караганда, 1988 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в одной монографии, двух брошюрах, 168 статьях и докладах; по новым разработкам получено 5 авторских свидетельств. Результаты опытно-промышленных испытаний и внедрения новых разработок отражены в 18 зарегистрированных в ВНИЦИ отчетах по НИР, которые были выполнены при участии и под научным руководством соискателя.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка использованной литературы из 200 наименований. Работа изложена на 234 страницах, включая 63 рисунка и 25 таблиц.