Введение к работе
Актуальность работы
Непрерывные технологические процессы с плотным фильтруемым слоем занимают значительное место в ряде отраслей промышленности (металлургия, химия, энергетика и т.д). Типичным примером таких процессов является получение железорудных окатышей в металлургическом производстве.
При проектировании и эксплуатации агрегатов встают вопросы оптимизации конструктивных и режимных параметров, размещения и реализации средств контроля и регулирования.
В связи с развитием вычислительной техники, важнейшим средством для решения этих задач является математическое моделирование. Использование представительных имитационных математических моделей позволяет всесторонне исследовать процесс с тем, чтобы затем правильно выбрать структуру агрегата, обеспечивающую минимальные затраты энергоресурсов и высокое качество выпускаемой продукции.
Весьма актуальна и задача создания математических моделей, работающих в составе систем управления на промышленных агрегатах. В этом случае, с помощью математических моделей технологического процесса и соответствующих алгоритмов, решаются задачи оптимизации по выбранным критериям. Кроме того, решаются задачи информационного обеспечения, позволяющие оператору технологу лучше вести технологический процесс, предоставляя ему дополнительную информацию, недоступную для прямого измерения.
Цель работы: разработка математических моделей, алгоритмов, программно-алгоритмических средств, необходимых для исследования и оптимизации конструктивных и режимных параметров непрерывного технологического процесса с плотным фильтруемым слоем (на примере термообработки окатышей на конвейерных машинах) и совершенствования на этой базе конструкции агрегата и тепловых режимов.
Достижение поставленной цели реализуется путем решения следующих задач:
разработки и реализации математической модели упрочнения окатышей в процессе их термообработки на конвейерной машине;
совершенствования алгоритма численной реализации метода расчета теплообмена в слое при термообработке окатышей на конвейерных машинах в статическом режиме;
разработки и численной реализации математической модели динамики и анализа теплообмена в слое окатышей в процессе их термообработки на конвейерных машинах с использованием этой модели;
разработки и реализации алгоритмов адаптации математических моделей;
разработки методики и анализа работы отдельных технологических зон обжиговой машины;
- разработки методики оптимизации конструктивных и режимных параметров
агрегата с целью минимизации удельных расходов тепла (топлива),
электроэнергии или максимизации производительности.
Научная новизна:
на базе комплексного подхода сформулированы требования и реализована усовершенствованная квазистационарная триадная имитационная математическая модель процесса термообработки окатышей, включающая взаимосвязанные процессы теплообмена и газодинамики с выходом на прогнозирование прочностных характеристик окатышей как одного из основных показателей качества продукции. Модель включает взаимосвязанные блоки моделирования процессов теплообмена, газодинамики и прогнозирования прочности окатышей;
разработана методика построения математической модели прочности, заключающаяся в использовании для построения таких моделей метода обобщенных переменных;
разработана и численно реализована динамическая математическая модель термообработки окатышей на конвейерных машинах, в основу которой положены уравнения теплообмена в дисперсном слое и прогнозирования прочности;
усовершенствован алгоритм численной реализации математической модели взаимосвязанных процессов теплообмена и газодинамики в направлении обеспечения устойчивости и повышения точности расчетов;
разработаны и реализованы алгоритмы адаптации имитационных математических моделей теплообмена и прогнозирования прочности окатышей на основе данных, полученных на промышленном объекте с возможностью решения этой задачи на работающем агрегате;
разработана методика анализа работы отдельных технологических зон обжиговой машины;
разработана методика численного эксперимента по оптимизации конструктивных и режимных параметров агрегата позволяющая минимизировать удельный расход топлива, электроэнергии или максимизировать производительность. Применительно к данной методике осуществлена формулировка критериев оптимизации и соответствующих ограничений;
предложены показатели для оценки обжигового агрегата с точки зрения эффективности использования электрической энергии.
Практическая ценность диссертации заключается:
- в разработке программно-алгоритмических средств, с помощью которых
осуществляется детальный анализ процесса обжига окатышей и
совершенствование конструктивных параметров, температурно-тепловых
режимов, разработка на их основе алгоритмов оптимизации процесса
термообработки железорудных окатышей на конвейерных машинах;
в возможности прогнозировать развитие взаимосвязанных теплообменных и газодинамических процессов в ходе термообработки окатышей и качество получаемого продукта с помощью математических моделей как на стадии проектирования агрегатов, так и в процессе их промышленной эксплуатации;
в решении вопросов производства качественного окускованного сырья и ресурсосбережения при реализации новых конструктивных решений и режимов термической обработки окатышей;
в применении оригинальных технических предложений при проектировании новых и реконструкции действующих обжиговых машин.
Материалы диссертации использованы при реконструкции обжиговой машины ОК-306 Лебединского ГОКа, а также при разработке и создании на ней, совместно со специалистами фирмы Сименс (Германия), двухуровневой АСУ ТП процесса термообработки окатышей. Они использованы также при подготовке совместно фирмами Сименс, Уралмаш, НПВП ТОРЭКС технико-коммерческого предложения на создание новой обжиговой машины ОК-315 для Лебединского ГОКа.
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на Международном семинаре "Моделирование, современные технологии, экспертные системы и системы управления в области тепло- массообмена" (Екатеринбург 1996), на региональной презентации фирмы Сименс в г. Старый Оскол (28-29 января 1997г.), на Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии, системы управления и электроника" (Екатеринбург 25 апреля 1997г), на Международной выставке-конференции "Рудоподготовка, обогащение и обезвоживание руд и минералов" (Москва 28-29 января 1998 г., совместно с фирмой Сименс), на научно-технической конференции "Информационные технологии и электроника " (Екатеринбург 15-16 декабря 1997г.), иа Уральской региональной конференции "Системы радиоэлектроники, связи и управления" (Екатеринбург 3-4 мая 1995г.), а также на Международной конференции "С творческим наследием Б.И. Китаєва в XXI век" (Екатеринбург 11-13 ноября 1998г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 164 наименований, приложения, изложена на 211 страницах, содержащих 118 страниц основного текста, 52 иллюстрации, 6 таблиц:
