Энергоэффективное управление вельц-процессом

УДК 62-51

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ВЕЛЬЦ-ПРОЦЕССОМ

А.Р. Вернергольд, Л.С. Казаринов, О.В. Колесникова

POWER EFFICIENT MANAGEMENT OF ROTARY PROCESSES

A.R. Vernergold, L.S. Kazarinov, O.V. Kolesnikova

В статье рассматривается двухуровневая постановка задачи управления эффективностью вельц-процессов, состоящая из системы нижнего уровня, которая осуществляет стабилизацию параметров режимов, и системы верхнего уровня, которая осуществляет адаптивное управление вельц-процессами, исходя из критерия максимума его эффективности.

Ключевые слова: велъц-процесс, вельц-печь, автоматизированное управление.

A two-level rotary kiln automation management system is considered. Stabilization of regime parameters at the low level is achieved. Adaptive control at the higher level is implemented. Algorithms of obtaining general rotary kiln efficiency are given.

Keywords: rotary process, rotary kiln, automated control.

Введение

В настоящее время в цинковом производстве управление вельц-печью, как правило, ведется машинистом-оператором в ручном режиме. Недостатком ручного управления является то, что параметры режимов при ведении вельц-процессов могут изменяться в широких пределах в рамках технологических допусков. Однако для достижения оптимальности процесса необходимо удерживать его вблизи оптимальных значений параметров. Это можно достичь лишь на основе автоматизированного управления параметрами режимов.

В работе предлагается двухуровневая постановка задачи управления эффективностью вельц-процессов, состоящая из системы нижнего уровня, которая осуществляет стабилизацию параметров режимов, и системы верхнего уровня, которая осуществляет адаптивное управление вельц-процессами, исходя из критерия максимума его эффективности.

1. Краткая характеристика системы автоматизированной стабилизации параметров режимов вельц-процессов

На рис. 1 представлена схема автоматизированного регулирования значений базовых режимных параметров, определяющих тепловой баланс вельц-печи.

Рис. 1. Структура автоматизированной системы регулирования

Здесь: Т'

о

верх :

7тВЫХ О

м ’ - соответственно темпе-

ратура в верхней головке вельц-печи, температура материала при сходе вельц-печи, заданные как номинальные значения согласно технологической схеме ведения процесса вельцевания цинковых кеков; Тварх, 7у ых - соответственно реальные значения температуры в верхней головке вельц-печи, температуры материала при сходе вельц-печи, измеренные соответствующими приборами, передаваемые в блок регулирования Я и используемые при автоматизированном регулировании; АРш,

Вернергольд Александр Рудольфович - начальник цеха КИП, главный метролог ОАО «Челябинский цинковый завод»; arv@zinc.ru

Казаринов Лев Сергеевич - д-р техн. наук, профессор, декан приборостроительного факультета ЮУрГУ; кагаппоу@ак. Биэи. ac.ru

Колесникова Ольга Валерьевна — канд. техн. наук, доцент кафедры автоматики и управления ЮУрГУ; popova_ov@ait.susu.ас.га

Vernergold Alexander Rudolfovich - head of Control and Measuring Apparatus Facility, chief metrologist of «Chelyabinsk Zinc Plant» (open joint stock company); arv@zinc.ru

Kazarinov Lev Sergeevich - PhD, professor, dean of Electronics Faculty of SUSU; kazarinov@ait.susu.ac.ru

Kolesnikova Olga Valerjevna - PhD, assistant professor of Automation and Control Department of SUSU; popo va__o v@ait.susu.ac.ru

АУК, Д КСаС) - отклонения соответственно расхода шихты, коксовой мелочи, известняка в пересчете на оксид кальция на входе печи от номинальных значений, определяемых технологической схемой ведения вельц-процесса, используемые как регулирующие параметры на процессы в вельц-печи; Ув - расход воздуха на вельц-печь.

Автоматизированная система регулирования (см. рис. 1) обеспечивает стабилизацию параметров режимов относительно базовых параметров,

определяющих тепловой баланс вельц-печи 7верх,

Г““. уем самьш стабилизируются все процессы, происходящие в вельц-печи, что обеспечивает управляемость ее режимами.

В основе системы автоматизированной стабилизации параметров режимов вельц-процессов лежат факторные модели возможных отклонений от технологического регламента, непосредственно влияющих на эффективность вельц-процесса. Особенность предлагаемых факторных моделей состоит в том, что в них учтены качественные признаки вельц-процессов, измеряемые в порядковых шкалах.

2. Постановка задачи оптимизации режимов вельц-печи

Для решения задачи оптимизации режимов вельц-печи необходимо сформировать целевую функцию оптимизации.

Факторная зависимость целевой функции от действующих факторов представляется в виде

5

*0=0)

/=1

где g0 - линейная свертка нормированных показателей расходов шихты и коксовой мелочи; я, -неизвестные коэффициенты; х, - значение /-го действующего фактора в относительных единицах.

Постановка задачи оптимизации режимов вельц-печи следующая: maxg0,

5

х0=1>

(=1

V1™11 < V < VШ л1 — I — !

х,тш , х,тах - соответственно минимальное и максимальное значение г-го действующего фактора.

Целевая функция задачи оптимизации строится на основе линейной свертки нормированных показателей расходов шихты и коксовой мелочи:

£о =“ш£ш +ак&.

где а„

а„

удельные веса, определяющие зна-

чимость нормированных показателей в составе общей целевой функции.

Нормированный показатель загрузки шихты в печь определяется по формуле

р _ рПИП

я = —.

г>ш ртах _ рШ1п ' '

ш ш

Нормированный показатель загрузки шихты в печь определяет непрерывную шкалу изменения загрузки gш е [0,1]. При gш - 0 работа вельц-печи осуществляется при минимальной производительности. При £ш = 1 производительность вельц-печи соответствует верхнему значению проектной мощности печи. Оценка величины §ш в автоматизированной системе регулирования вельц-печью (АСУ ВП) осуществляется непрерывно по соотношению (4).

Инверсный нормированный показатель расхода коксовой мелочи определяется по формуле V _кшах

= _К ---------

*к утт ___у^тах х 7

Нормированный показатель расхода коксовой мелочи определяет непрерывную шкалу изменения загрузки gк е [0,1]. При gк = 0 работа вельц-печи осуществляется при максимальном расходе коксовой мелочи. При gк = 1 работа вельц-печи -при минимальном расходе. Оценка величины gк АСУ ВП осуществляется непрерывно по соотношению (5).

На удельные веса накладываются условия нормирования:

аш >0; ак >0; аш+сск =1.

Выбор весов аш, ак может быть осуществлен на основе различных соображений. Так, например, в соответствии с работой [1], где указывается, что «в затратах на получение цинка в виде вельц-возгонов доля затрат на коксовую мелочь составляет 25 %», можно рекомендовать следующие веса нормированных показателей в составе общей целевой функции: аш = 0,75, ак = 0,25.

Действующими факторами при решении задачи оптимизации являются:

- расход шихты Рт, 15 <РШ <24 т/ч;

- расход коксовой мелочи Ук, 1,8 <УК <11,1 т/ч; -расход известняка (оксида кальция) КСао,

0 <УСао ^5 т/ч;

- расход воздуха V,,:

а) сжатого Увсж, 0 <УВСЖ <5 тыс. нм3/ч;

б) вентиляторного Уътт, 0 <Р'ввенг <10 тыс. нм3/ч; -температура в верхней головке вельц-печи

Т’всрх; 600 <Тве?х <800 °С;

- температура материала при сходе вельц-печи Гмвых, 1000 <ГМВЬК <1200 °С.

Задача (2) является типовой задачей линейного программирования и решается стандартными методами.

Общая процедура оптимизации параметров режимов вельц-процесса реализует метод крутого восхождения в соответствии со следующими этапами:

Энергоэффективное управление вельц-процессом

1. Задаются начальные значения показателей в базовой точке идентификации процесса 5 = 0. Для базовой точки все значения х1 = 0.

2. Составляется план активного эксперимента, в соответствии с которым производятся зондирующие изменения значений параметров х,.

3. На основе метода наименьших квадратов производится идентификация зависимости (1).

4. Решается задача (2) и находится оптимальное решение хир,.

5. В соответствии с направлением движения

х/ =(1-0х*+&срГ

осуществляется изменение параметров режима по шагам.

При этом для каждого шага I осуществляется оценка достигнутого значения g0(l) .

6. Проверяется условие оптимальности достигнутого решения. Решение будет оптимальным, если для полученного решения не наблюдается нарушение ограничений, определяемых явно для вектора х и других параметров, которые определяются неформально машинистом-оператором в процессе регулирования режима.

Режим считается оптимальным, если для формализованных компонент вектора х коэффициенты влияния равны нулю либо совпадают с оптимальными значениями формального решения задачи (2), а сами режимные параметры вельц-процесса удовлетворяют неформальным ограни-

чениям, определяемым машинистом-оператором.

7. Если полученное решение не признано оптимальным, то полученная точка х; ор, принимается в качестве следующей базовой точки идентификации х 5+] и осуществляется переход к п. 2.

В противном случае осуществляется «останов» - задача оптимизации режима решена.

3. Результаты экспериментального

исследования

На основе разработанных алгоритмов было проведено экспериментальное исследование по данным эксплуатации вельц-печи № 5 ОАО «Челябинский цинковый завод». Результаты экспериментального исследования приведены на рис. 2, 3.

Так, на рис. 2 представлена зависимость нормированного показателя расхода коксовой мелочи.

Для того чтобы из эффективных режимов работы вельц-печи выделить оптимальный, необходимо ввести соответствующую целевую функцию. Была рассмотрена целевая функция вида (3) при различных значениях весов аш, ак, составляющих ее нормированных показателей (рис. 3).

При весе нормированного показателя производительности аш = 0,75 и нормированного показателя по расходу коксовой мелочи ак = 0,25 оптимальным получается режим максимальной производительности (точка А, рис. 3). При обратном соотношении весов: а = 0,25, а = 0,75 опти-

Рш, т/ч

Рис. 2. Зависимость инверсного нормированного показателя расхода коксовой мелочи от производительности вельц-печи по шихте

0,6 0,5 5 0,4 0,3 0,2

- 1 -4 | А

— — .В.

С #--- — — - —* . ^ ' 2 "

''— "~3

! I ! . .1

19,4 19,6 19,8 20,0 20,2 20,4 20,6 20,8 21,0 21,2

Р , т/ч

ш"

Рис. 3. Целевая функция: 1 - при сгш = 0,75, огк = 0,25; 2 - при аш = 0,5, а„ = 0,5; 3 - при ош = 0,25, а„ = 0,75

мальным получается режим при минимальном расходе коксовой мелочи (точка С, рис. 3). При равенстве весов нормированных показателей оптимальной является средняя точка области Парето, где снижение расхода коксовой мелочи и рост производительности сбалансированы по величине (точка В, рис. 3).

Выбор оптимального решения осуществляется в зависимости от целевой установки ведения вельц-процесса, которая задается технологами.

Заключение

Вследствие значительного воздействия возмущающих факторов на режимные параметры вельц-процессов решение задач оптимизации режимов

необходимо осуществлять на основе двухуровневой постановки задачи управления. На нижнем уровне должна решаться задача стабилизации параметров режимов вельц-печи. На верхнем уровне решается задача экстремального управления по критерию максимальной производительности печи при снижении энергетических затрат.

Литература

1. Козлов, П.А. Велъц-процесс / П.А. Козлов -М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2002.

2. Лисиенко, ВТ. Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология: справ, изд.: в 2 кн. / ВТ. Лисиенко, Я.М. Щелоков, МТ. Ладыгичев; под ред. ВТ. Лисиенко. - М.: Теплотехник, 2004.

Поступила в редакцию 11 июня 2010 г.