Введение к работе
Актуальность работы. В соответствии с Президентской Стратегией становления и устойчивого развития Казахстана как суверенного независимого государства, ставшего на путь рыночной экономики, в Республике осуществляется переход к высшему пятому технологическому укладу. Отличительные особенности отого уклада - автоматизация технологических процессов с соответствующим программным и аппаратным обеспечением, системное проектирование, широкое распространение информационных услуг, вычислительной техники, использование новых высокоэффективных конструкций и технологических схем. Наиболее эффективным способом перехода к высшему технологическому укладу является трансфер современных технических решений и технологий военно-промышленного комплекса в базовые отрасли промышленности. Эта идея и положена в основу настоящей диссертации.
Технологические процессы на предприятиях горнодобывающей, металлургической промышленности, объектах энергетики относятся к категории достаточно сложных в управлении. Для поддержания технологического процесса в заданных пределах, контроля состояния их оборудования необходим большой объем информации, значительное количество регулирующих органов. Отдельные контуры регулирования, как правило, взаимосвязаны, но алгоритмы управления различны на разных режимах работы установки, например, в регулировочном диапазоне и при пусках - остановах. Разнообразие конструкций оборудования, технологических схем, обусловленное различными функциональными задачами, условиями эксплуатации, специфическими требованиями к качеству ведения технологического процесса, существенно затрудняет создание унифицированных систем их автоматизированного управления. Но благодаря прогрессу в области вычислительной техники в настоящее время появилась возможность создания универсальных технических средств для выполнения большинства управляющих и информационных функций, которые пригодны для
оснащения АСУ технологических процессов различных видов. При этом их переменной частью, с помощью которой осуществляется адаптация АСУ к конкретному объекту, является специальное программное обеспечение.
Одним из основных элементов в составе современных технологических схем, применяемых на предприятиях горнодобывающей, металлургической промышленности, энергетических объектах, во многом предопределяющих их высокую эффективность, являются конструкции с вихревым движением жидкости. Это вихревые аппараты сепарационного типа для разделения, классификации, сепарации пульпы, очистки воды, удаления шламов (гидроциклоны, классификаторы, центрифуги и т.п.), отличаются большим функциональным и конструктивным многообразием. В вихревых конструкциях резко интенсифицируется процесс сепарации твердой фазы, кроме того они органично вписываются в современные технологические схемы с гидравлическим регулированием основных параметров. Это позволяет отказаться от применения традиционных, но малопроизводительных отстойников гравитационного типа, занимающих к тому же большие площади. Наиболее эффективны вихревые аппараты с изменяемой геометрией, за счет чего существенно увеличивается диапазон их автоматического регулирования.
В работе рассматриваются также специальные типы вихревых водосбросов с закруткой потока на входе, что позволяет наиболее рационально решить основные проблемы при сопряжении бьефов - исключить возникновение кавитации, погасить избыточную кинетическую энергию сбросного потока, изменить направление течения потока, повысить надежность сооружения и др. При проектировании этих водосбросов возникает свой круг задач, нуждающихся в обстоятельном изучении и решении: усовершенствовать существующие конструкции, создать методы расчета и проектирования, учитывающие сложный трехмерный характер течения двухфазного (аэрированного) потока. Сформулированная выше научно - техническая проблема была решена применительно к предприятиям Восточно-Казахстанской области и на некоторых объектах энергетики.
Экспериментальные исследования гидравлики закрученных двухфазных (аэрированных, взвесенесущих) течений и вихревых конструкций чрезвычайно
затруднены, поэтому в работе принято "гибридное" моделирование - сочетание физических экспериментов с численными расчетами процессов на ЭВМ с использованием достаточно строгих математических моделей.
Таким образом, в работе комплексно решаются вопросы экологии и повышения эффективности базовых отраслей промышленности с привлечением новых технологий, новых методов гидравлического расчета конструкций с вихревым движением несущей фазы, разработкой принципиально новых конструкций и технологических схем, с элементами компьютерной диагностики и управления, что имеет важное народнохозяйственное значение.
Работа выполнялась в рамках региональной программы "Комплексная переработка минерального сырья, рациональное использование природных ресурсов и. проблемы экологии Восточного Казахстана" и в соответствии с тематическими планами КазНИИ Энергетики, Усть - Каменогорского педагогического института, КазГУ им. С.М.Кирова в период с 1978 по 1995 гг.
Цель работы. Разработка на основе теоретических исследований и "гибридного" моделирования методов расчета и проектирования конструкций с вихревым движением двухфазных (аэрированных, взвесенесущих) потоков; разработка новых вихревых конструкций, технологических схем и режимов их работы для базовых отраслей промышленности, а также комплексного программного обеспечения расчета, управления и диагностики.
Основные задачи исследований:
-провести сравнительный анализ различных конструкций с целью обосновать выбор оптимального устройства для соответствующей технологической схемы методом взвешенных оценок;
-усовершенствовать существующие и разработать новые конструкции аппаратов сепарационного типа и вихревых шахтных водосбросов,
- разработать комплекс методов расчета сложных трехмерных течений в
вихревых шахтных водосбросах, а также в технологических аппаратах
гидроциклонного типа с моделью "жидкость - твердая частица";
- разработать новые технологические схемы для базовых отраслей
промышленности с использованием конверсионных АСУ и приборного
обеспечения предприятий ВПК, дать рекомендации по выбору оборудования
программного и аппаратурного обеспечения для предлагаемых
технологических схем;
- разработать комплекс программных средств, обеспечивающих
управление технологическим процессом с использованием конверсионных АСУ
и соответствующего приборного обеспечения;
- разработать программное обеспечение, реализующее математические модели, описывающие трехмерное двухфазное течение в гидроциклонном технологическом оборудовании и вихревых шахтных водосбросах, с элементами пространственной графики с отображением расчетной информации в режиме реального времени.
Научная новизна работы. Для предприятий энергетики, горнодобывающей промышленности и цветной металлургии разработаны:
- принципиально новые подходы к расчетам сложных двухфазных
течений в аппаратах сепарационного типа;
- методы расчета основных параметров вихревых конструкций
сепарационного типа;
прикладное программное обеспечение, ориентированное на выполнение функций;
1. автоматического регулирования технологических параметров в
широком диапазоне нагрузок;
-
автоматического дискретного управления в режимах пуска и останова;
-
автоматического управления в аварийных ситуациях (технологической защиты) для предотвращения развития аварий и минимизации их вредных последствий;
4. получение и обработки информации о ходе технологического процесса, состояния оборудования и автоматических устройств;
- новые технологические схемы с использованием высокоэффективных
вихревых конструкций; -- -
автоматизированные системы управления технологическими процессами с применением вычислительной техники, приборного и программного обеспечения:
- новые конструкции аппаратов сепарационного типа с регулируемыми
конструктивными элементами, приспособленные для автоматизированного
управления;
методы расчета основных параметров вихревых конструкций сепарационного типа;
методы расчета новых конструкций вихревых водосбросов с элементами пространственного компьютерного моделирования, включая определение очертаний (конфигурации) спиральных камер и завихрителей на входе в вихревой водосброс, оценку их пропускной способности и условий гашения потока;
Практическая ценность Для внедрения в практику предложено:
новые технологические схемы гидрозслошлакоудаления ТЭС, гидрометаллургического и горнообогатительного производства Восточно
- Казахстанской области
а) с централизованным узлом осветления, классификации и
обогащения пульп;
б) с индивидуальными осветлительными, классификационными и
обогатительными гидравлическими аппаратами и установками;
новые конструкции гидроииклонов с регулируемыми конструктивными элементами, обратной конической вставкой;
способы эксплуатации оборотных систем гидрозолоудаления и пульп гидрометаллургического производства с использованием информационно-вычислительной системы управления и оперативной диагностики.
рекомендации по выбору схем и оборудования для систем гидрозолоудаления ТЭС, безаварийной работы электролизных ванн, повышения эффективности, долговечности и надежности оборудования обогатительных фабрик;
гидравлическая методика расчетов гидроциклонов и вихревых водосбросов;
технические средства и универсальное базовое программное обеспечение для АСУ технологических процессов базовых отраслей промышленности;
специализированное (прикладное) программное обеспечение, учитывающее особенности конкретных технологических схем и обеспечивающее адаптацию технических средств и базового программного обеспечения к конкретным объектам. Внедрение. Разработанные принципиальные технологические схемы внедрены на АО "УК СЦК" (разделительный процесс цинкового производства) и АО "УК ТМК" (технологическая линия очистки известкового "молока"). Проведены стендовые испытания рекомендуемых АСУ и соответствующего программного и приборного обеспечения на пилотной установке с использованием вихревой конструкции с регулируемыми элементами, выданы рекомендации по ее эффективной эксплуатации на действующей технологической линии (АО "Ульбинский металлургический завод"). Создан банк данных для автоматизированной системы диагностики и контроля состояния оборудования, определено влияние эксплуатационных факторов на характеристики технологического процесса, разработано программное обеспечение оптимального режима работы действующей технологической линии (АО "Ульбинский металлургический завод"). Проведен анализ повреждений, внедрен классификатор выявленных дефектов и программы хранения и обработки информации с рекомендуемыми мероприятиями, предотвращающими возникновение аварийных ситуаций на действующих технологических линиях (АО "Ульбинский металлургический завод").
Разработанные методы расчета вихревых водосбросов и методические рекомендации по их проектированию использовались в Алматыгидропроекте при проектировании водосбросных сооружений Майнакской ГЭС на реке Чарын и ряде других объектов
Автор защищает: . - теоретические основы гидравлического расчета закрученных двухфазных потоков в аппаратах сепарзционного типа и вихревых водосбросах с использованием гипотезы взаимного влияния концентраций твердой фазы на поле течения несущей среды;
-новые технологические схемы, оборудованные вихревыми установками, автоматизированными системами управления технологическими процессами с применением средств вычислительной техники и программного обеспечения;
новые типы вихревых аппаратов с регулируемыми конструктивными элементами, приспособленными для автоматизированного управления;
рекомендации по выбору технологических схем, оборудования (с применением метода взвешенных оценок) и прикладного программного обеспечения для предприятий горнодобывающей промышленности, цветной металлургии и энергетики;
математическую модель разделительного процесса в гидроциклоне, описывающую трехмерное течение несущей среды и учитывающую силы межфазного взаимодействия;
- новые конструкции заверителей гидроциклонов, применяемых в
промышленности, и усовершенствованные завихрители вихревых водосбросов.
Личный вклад автора в решение проблемы. Представленная работа является результатом многолетних исследований автора на кафедре математического обеспечения ЭВМ и вычислительной техники Восточно-Казахстанского Государственного Университета и лаборатории гидротехнических сооружений КазНИИ Энергетики.
Постановка проблемы формулирование всех задач поиск путей их решения теоретическими и экспериментальными путями, научные и
практические рекомендации, их анализ и внедрение, выводы осуществлены автором лично.
Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, доложены и получили одобрение: на II Республиканской конференции по проблемам вычислительной математики и автоматизации научных исследований (Алма - Ата, 1988 г.); на международной выставке товаров и услуг "Презентация Восточно-Казахстанской области" (Усть - Каменогорск, 1995 г.); на научном семинаре по проблемам вычислительной математики и функционального анализа при институте математики и механики АН Каз ССР под руководством академика У. М. Султангазина (Алма - Ата, 1982 г.); на ИВЦ УК СЦК, УК ТМК, Востокмашзавода, ЦЛА АО "Ульбинский металлургический завод", технических отделах Казгипроцветмета, ВНИИцветмета, в ОООС АО "АлтайЭнерго" (Усть - Каменогорск, 1986 - 95 гг.); на VIII Республиканской межвузовской научной конференции по математике и механике, посвященной 50 - летаю Казахского государственного университета им. СМ. Кирова (Алма -Ата, 1984 г.); на межвузовской конференции по применению вычислительной техники и математических методов в научных исследованиях (Алма - Ата, 1980 г.); на VIII конференции Института теоретической и прикладной механики СО АН СССР (Новосибирск, 1981 г.); на школе - семинаре по математике и механике.посвященной 60 - летию члена - корреспондента НАН РК К.А. Касымова (Алматы, 1995 г.); на Всесоюзном совещании - семинаре "Применение ЭВМ для обеспечения учебного процесса и управления образованием" (Свердловск, 1984 г.); на Всесоюзной научно - методической конференции "Педагогические аспекты компьютеризации и обучения в высшей школе" (Рига, 1988 г.); на Всесоюзной научно - практической конференции "Электронно - вычислительная техника в преподавании дисциплин физического цикла" (Омск, 1987 г.); на V областной научно-практической конференции "Информатика и вычислительная техника в учебном процессе и управлении" (Омск, 1988 г.); на VIII Республиканской научно - практической конференции "Новые информационные технологии в учебном процессе и управлении" (Омск, 1991 г.); на Региональном совещании - семинаре по внедрению в учебный
процесе активных методов, технических средств обучения и вычислительной техники (Усть - Каменогорск, 1986 г.); на конференции молодых ученых Всесоюзного научно - исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева {Ленинград, 1982 г.); на заседаниях научных семинаров лаборатории гидротехнических сооружений Каз НИИ Энергетики (Алматы, 1980 1995 гг.); кафедры математического обеспечения электронно -вычислительных машин и вычислительной техники Восточно - Казахстанского государственного университета; на секциях Ученого Совета КазНИИ Энергетики (1981 - 82, 1993, 1995 гг.).
Публикации. За период подготовки диссертационной работы автором опубликовано две монографии в издательстве "Гылым" и "Наука" (одна в соавторстве с Т.Х. Ахмедовым) и три учебных пособия общим объемом в 17 печатных листов, статьи и 4 методические рекомендации в союзных и республиканских изданиях объемом в б печатных листов, сделаны доклады на 9 Всесоюзных и 6 Республиканских конференциях, семинарах и совещаниях. Публикации посвящены гидравлическим и численным расчетам, внедрению новых информационных технологий (третья премия Госкомитета СССР по народному образованию за создание новых спецкурсов по направлениям, определяющим научно -технический и социальный прогресс СССР, 1988 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка использованной литературы и приложений общим объемом 480 стр. машинописного текста, в том числе, рисунков - 64, таблиц - 4. Приложение - 220 стр.