Оптимальное управление процессом обжига шихты во вращающихся трубчатых печах в производстве глинозема и попутной продукции

Работа выполнена в Федеральном бюджетном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете

В мировой алюминиевой промышленности основным сырьем для производства глинозема служат высококачественные бокситы, перерабатываемые по способу Байера. Развитие глиноземного производства в России ориентировано в основном на использование собственной сырьевой базы. Вследствие ограниченных запасов байеровских бокситов на глиноземных комбинатах России широко используется небокситовое высококремнистое сырье – нефелины. Усилиями отечественных ученых были достигнуты огромные результаты по созданию эффективных схем их комплексной переработки, получившие мировое признание. В соответствии с разработанной технологией все компоненты сырья без остатка используются для получения глинозема, портландцемента и содопоташной продукции. Благодаря этому, нефелиновое сырье остаётся конкурентоспособным по отношению к бокситовому сырью.

Дальнейшее повышение эффективности комплексной переработки нефелинового сырья, энергоэффективность процесса в целом, тесно связаны с совершенствованием систем управления процессом переработки, так как все остальные технологические ресурсы почти исчерпаны. Вклад в развитие и совершенствование алгоритмов управления объектами алюминиевой промышленности внесли специализированные научно-исследовательские и проектные организации, среди них «ВАМИ», «СибВАМИ», «Цветметавтоматика», «Союзцветметавтоматика» и др. Хорошо известны работы и достижения в области создания и освоения автоматизированных систем управления технологическими процессами в производстве глинозема и попутных продуктов таких крупных специалистов как В.М. Сизяков, Х.А. Бадальянц, Е.А. Беликов, Б.Г. Злоказов, И.М. Костин, М.В. Левин, Р.Г. Локшин, С.Г. Стародубровский, О.Н. Тихонов, О.А. Чащин и ряд других ученых.

Однако до настоящего времени остаются до конца нерешенными и требуют дальнейшего развития вопросы повышения качества управления в условиях отсутствия достаточной информации о параметрах процесса спекания нефелиновой шихты в трубчатых вращающихся печах. В связи с этим возникает необходимость в разработке высокоэффективной автоматизированной системы управления процессом спекания нефелиновой шихты в трубчатой вращающейся печи, позволяющей вести этот процесс наиболее эффективно.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетной тематикой НИР СПГУ по теме 6.30.020. «Разработка систем управления сложными техническими объектами с использованием математических моделей в контуре управления» (I кв. 2008 – IV кв. 2010 гг.).

Цель диссертационной работы – повышение качества управления процессом спекания нефелиновой шихты в трубчатой вращающейся печи при получении глинозема и переработке отходов с получением цементного клинкера.

Задачи исследований:

1. Анализ современного состояния и перспектив развития спекания нефелиновой шихты в трубчатых вращающихся печах, обжига сырьевой смеси при получении цементного клинкера попутного производства портландцементного клинкера .

2. Анализ существующих принципов построения автоматических систем управления трубчатыми вращающимися печами.

3. Экспериментальное исследование кинетики спекания нефелиновой шихты и обжига сырьевой смеси при получении цементного клинкера.

4. Разработка динамической математической модели трубчатой вращающейся печи, учитывающей цепную завесу печи, процессы пылеуноса и пылеулавливания.

5. Разработка системы управления процессом термической обработки нефелиновой шихты и обжигом сырьевой смеси при получении цементного клинкера в трубчатой вращающейся печи.

1. Показано, что одномерная математическая модель, учитывающая цепную завесу печи, процессы пылеуноса и пылеулавливания, позволяет с высокой степенью достоверности описать тепло-массообменные процессы в объеме, распределение концентраций реагирующих веществ, получить оптимальный температурный профиль печи.

2. Установлено, что включение регулятора, реализующего алгоритмы управления по прогнозирующей модели, в систему автоматического управления обеспечивает преимущество перед классическим ПИД регулированием за счет меньшей длительности переходного процесса и величины перерегулирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Для прогнозирования условий работы трубчатой вращающейся печи применяемой для спекания нефелинового сырья следует использовать усовершенствованную математическую модель процесса, учитывающую цепную навеску печи, процессы пылеуноса и пылеулавливания, позволяющую рассчитать пространственное распределение концентраций реагирующих веществ и температур в печи.

2.Для определения оптимального распределения температуры по длине печи следует решать задачу оптимизации с применением технологического критерия оптимизации (степени завершенности процесса) и уравнений связи варьируемых параметров с критерием оптимизации в виде разработанной детальной математической модели процесса спекания.

3. Повышение качества управления (по величине перерегулирования, времени переходного процесса) по сравнению с обычным ПИД – регулированием обеспечивается введением в структуру автоматизированной системы управления процессом спекания нефелиновой шихты в трубчатой вращающейся печи регулятора, реализующего алгоритмы управления по прогнозирующей модели.

1. Разработана структура многоуровневой системы автоматизированного управления процессом спекания нефелиновой шихты в трубчатой вращающейся печи, использующая математическую модель в качестве программного блока, который предсказывает поведение системы, что позволяет осуществлять адаптивное управление.

2. Предложены алгоритмы управления по прогнозирующей модели, для системы автоматического управления процессом спекания нефелиновой шихты в трубчатой вращающейся печи.

3. Научные результаты работы используются в учебном процессе химико-металлургического факультета СПГУ для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».

В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса и перспектив развития теории и практики обжига шихт во вращающихся трубчатых печах, описаны конструкции и режимы работы современных вращающихся печей, приводится математическое описание процессов протекающих при работе вращающихся печей, особое внимание уделено цепным завесам печей и их влиянию на процессы тепломассобмена в рассматриваемых аппаратах.

В пятой главе синтезируется система автоматического управления процессом обжига нефелиновой шихты в трубчатой вращающейся печи. В систему управления включены алгоритмы управления по прогнозирующей модели. Приведено сравнение регулятора, управляющего по прогнозирующей модели, и ПИД - регулятора.

Кинетические параметры химических реакций рассчитывались по результатам экспериментальных исследований убыли массы и скоростей тепловыделения путем решения обратной задачи с использованием специализированного программного комплекса ReaсtOp. Для обработки полученных экспериментальных данных в системе ReactOp была получена модель, с использованием модели реактора периодического действия, с заданным режимом изменения температуры. В качестве независимой переменной в данной модели было использовано время. Связь между временем и длиной печи была установлена в соответствии с формулой

,

(1)

где - текущее время реакции, мин; l– текущая длина печи, м; - скорость движения твердой фазы м/мин.

На основании этих данных путем решения обратной задачи в программном комплексе ReactOp с использованием метода нелинейного программирования были определены кинетические параметры и тепловые эффекты отдельных стадий. На рисунках ниже показано сопоставление экспериментальных данных и результатов моделирования с найденными значениями констант.

Рис. 1. Сопоставление экспериментальных (точки) и расчетных (сплошная кривая) данных изменения массы образца при нагреве сухой нефелиновой шихты.

Рис. 2. Сопоставление экспериментальных (точки) и расчетных (сплошная кривая) данных по скорости теплопоглощения (тепловыделения) при нагреве сухой нефелиновой шихты.

Рис. 3. Сопоставление экспериментальных (точки) и расчетных (сплошная кривая) данных изменения массы образца при нагреве сухой сырьевой смеси при получении цементного клинкера.

Рис. 4. Сопоставление экспериментальных (точки) и расчетных (сплошная кривая) данных по скорости теплопоглощения (тепловыделения) при нагреве сухой сырьевой смеси при получении цементного клинкера.

Математическая модель вращающейся трубчатой печи приведена к одномерному виду и реализована в программной среде Reactop Cascade. Ниже представлены результаты моделирования (рис.5-8) процессов спекания нефелиновой шихты и обжига сырьевой смеси при получении цементного клинкера с учетом всех соотношений по теплообмену и пылеуносу. Показано изменение содержание пыли по длине печи и температурные профили газовой и твердой фаз.

Рис. 5 Изменение содержания пыли по длине печи при спекании нефелиновой шихты.

Рис. 6 Изменение содержания пыли по длине печи при обжиге сырьевой смеси при получении цементного клинкера.

Рис. 7 Температурные профили газовой(1) и твердой(2) фазы при спекании нефелиновой шихты с учетом цепной завесы печи.

Рис. 8 Температурные профили газовой (1) и твердой (2) фазы при обжиге сырьевой смеси при получении цементного клинкера с учетом цепной завесы печи.

Из литературных источников известно, что различие в температуре между газом и материалом является одним из основных способов интенсификации теплообмена в трубчатой печи. Следует учитывать, что в подготовительных зонах эта разность должна быть максимальна, что необходимо для ускоренного протекания процессов сушки и прогрева слоя на всю глубину. В зоне спекания нужно выдержать материал при определенной температуре. Чрезмерный перегрев, испытываемый поверхностным слоем, может вызвать дополнительное оплавление мелких частиц шихты, твердеющих на поверхности футеровки. Поэтому разница температур между газом и материалом в зоне обжига должна быть минимальной, а интенсификация этой стадии процесса путем повышения температуры ограничена. Анализа полученных графиков, показывает, что характер поведения температур между газом и материалом по результатам моделирования процессов спекания нефелиновой шихты и обжига сырьевой смеси при получении цементного клинкера соответствует поведению, описанному в литературе.

ОБОСНОВАНИЕ ВТОРОГО ЗАЩИЩАЕМОГО ПОЛОЖЕНИЯ

В качестве критерия оптимизации при обжиге нефелиновой шихты принимаем концентрацию алюмината натрия на выходе из аппарата, которая должна быть максимальна. В качестве варьируемого управления мы рассматриваем профиль изменения температуры по длине печи:

,

(2)

,

(3)

,

(4)

При этом управления (значения температур в отдельных точках) будут отыскиваться в заданной области управления. Для каждого участка температурного профиля ограничения будут заданы отдельно. Это уже типичная задача поиска экстремума с ограничениями типа неравенств. Для решения такой задачи может быть использован метод нелинейного программирования, реализованный в программном комплексе ReactOp.

В качестве математической модели используем упрощенную модель, используя только уравнения, описывающие химические превращения в твердой фазе и концентрацию кислорода, приведенную к единице объема твердой фазы. Уравнения теплообмена между фазами используются с учетом заданного значения температуры твердой фазы, позволяющей рассчитать температуру газовой фазы. Заданное значение температуры твердой фазы является управлением, которое мы находим в процессе решения оптимальной задачи. В качестве начального приближения берем заданный профиль температуры, соответствующий режиму работы Пикалевского завода. Задаем в качестве ограничений верхний и нижний предел температуры на 20% отличающейся от номинальной температуры в каждой зоне. Ограничения различные для всех зон. Решаем задачу нахождения оптимального температурного профиля. На рисунке 9-10 представлены найденные оптимальные профили изменения температуры для обоих образцов шихты.

Для сырьевой смеси при получении цементного клинкера в качестве критерия оптимизации выбираем содержание трехкальциевого силиката на выходе из печи. Его концентрация должна быть максимальной.

,

(5)

Рис.– 9 Температурные профили газовой(2) и твердой(1) фазы при спекании нефелиновой шихты

Рис. 10 Температурные профили газовой (2) и твердой (1) фазы при обжиге сырьевой смеси при получении цементного клинкера

При синтезе системы управления всегда стоит задача создания такого управляющего устройства, при котором система удовлетворяла бы заданным требованиям к ее качеству. Использование управляющего устройства, реализующего алгоритм управления по прогнозирующей модели, позволяет предсказывать поведение объекта управления в будущем с учетом всех особенностей: запаздывания, измеряемых и не измеряемых возмущающих воздействий, зашумленности измеряемых параметров, входных и выходных ограничений и т. д.

На структурной схеме (рис. 11) представлен принцип построения системы управления на основе регулятора с прогнозирующей моделью. Регулятор включает в себя прогнозирующую модель и блок оптимизации и работает следующим образом (рис. 12):

1. Оценка. Для того чтобы просчитать следующий шаг регулятору необходима информация, которая включает в себя истинное значение контролируемой переменной и все внутренние переменные , которые влияют на поведение объекта управления в будущем. Чтобы получить эту информацию регулятор использует все прошлые и текущие измерения, и прогнозирующую модель.

Рис. 11. Структурная схема системы управления

Рис. 12. Принцип работы регулятора с прогнозирующей моделью

Модель объекта управления представлена в виде линейной стационарной системы и описывается уравнениями:

(4)

где - -мерный вектор состояния объекта; - -мерный вектор управляющих воздействий; - -мерный вектор измеряемых возмущающих воздействий; - -мерный вектор не измеряемых возмущающих воздействий; - вектор измеренных выходов объекта; - вектор неизмеренных выходов объекта. Общий -мерный выходной вектор , включает в себя векторы и .

Не измеряемые возмущающие воздействия моделируются как инвариантная во времени линейная система:

(5)

Система (5) обусловлена случайным гауссовским шумом с нулевым средним и единичной ковариационной матрицей.

Прогнозирующая модель получена при линеаризации нелинейной динамической системы, такой как:

(6)

при номинальных значениях , , , . В уравнениях (6) означает либо производную по времени (непрерывная модель), либо последующий элемент (дискретная модель). Линеаризованная модель имеет следующий вид:

(7)

Матрицы A, B, C, D модели получаются из матриц Якоби, входящих в уравнения (7).

На рис. 13 представлен переходный процесс при использовании регулятора с алгоритмом управления по прогнозирующей модели в сравнении с ПИД регулятором при подаче ступенчатого воздействия. Нужно отметить, что длительность переходного процесса и перерегулирование при использовании алгоритма управления по прогнозирующей модели на 5-10 % меньше, чем при ПИД регулировании.

Рис. 13. Переходный процесс при использовании регулятора с прогнозирующей моделью и ПИД регулятора

Диссертационная работа представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится новое решение актуальной для металлургической промышленности задачи - оптимальное управление процессом обжига шихты в трубчатой вращающейся печи в производстве глинозема и попутной продукции.

Основные результаты выполненных исследований сводятся к следующему:

1. Для моделирования параметров функционирования трубчатой вращающейся печи в зависимости от возмущающих и корректирующих воздействий используется математическая модель, учитывающая цепную завесу печи, процессы пылеуноса и пылеулавливания. При этом значение относительной ошибки моделирования не превышает 6%, что обеспечивает достаточную точность при моделировании.

2. Созданные алгоритмы управления трубчатой вращающейся печью позволяют повысить эффективность управления на 40-50% по величине перерегулирования и на 10-15% по времени стабилизации температуры, с помощью прогнозирующей математической модели, включенной в контур управления процессом спекания нефелиновой шихты.

3. Применение распределенной многоуровневой системы автоматизированного управления обосновано современными требованиями к устойчивости и надежности.

4. Стабилизация температуры в печи подтверждена имитационным моделированием подсистемы управления, что показало работоспособность предложенных алгоритмов управления с использованием прогнозирующей математической модели в контуре регулирования.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Шариков Ю.В. Кинетика химических превращений при спекании шихты в трубчатых вращающихся печах при производстве глинозема / Ю.В. Шариков, О.В. Титов // Записки Горного института, Проблемы рационального природопользования, Санкт-Петербург, 2011. Т.189 с. 324-327.

2. Титов О.В. Математическое моделирование обжига известково-нефелиновой и цементной шихты в трубчатых вращающихся печах // Записки Горного института, Проблемы рационального природопользования, Санкт-Петербург, 2011. Т.189 с. 320-324.

3. Шариков Ю.В. Математическое моделирование обжига известково-нефелиновой шихты в трубчатых вращающихся печах / Ю.В. Шариков, О.В. Титов // Металлург. № 5, 2011, с. 24-26.