Процедура оптимизации режимов вельц-процессов

УДК 62-51

ПРОЦЕДУРА ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ ВЕЛЬЦ-ПРОЦЕССОВ

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

Рассмотрен общий вид экстремальных характеристик режимов вельц-печи. Дан метод идентификации указанных характеристик по статистическим данным эксплуатации. На основе построенных характеристик предложена процедура оптимизации режима вельц-процесса, состоящая в удержании дутья на траектории крутого восхождения, движении по траектории крутого восхождения и реверсе движения в случае снижения эффективности вельц-процесса. Предложенная процедура позволит достичь максимальной производительности вельц-печи при минимизации затрат.

Ключевые слова: вельц-процесс, вельц-печь, оптимизация.

Введение

Крупнейшим производителем цинка в Российской Федерации является ОАО «Челябинский цинковый завод» (ОАО «ЧЦЗ»). ОАО «ЧЦЗ» работает по классической гидрометаллургической схеме: обжиг цинковых концентратов, выщелачивание огарка с очисткой растворов и электролитическое осаждение цинка с последующим переплавом катодов. Первой стадией указанной схемы производства цинка является обжиг цинковых концентратов и некондиционных вторичных видов сырья (коллективные концентраты, окисленная руда, кеки, шламы и др.). Самой эффективной технологией утилизации цинкосодержащего вторичного сырья является вельц-процесс.

Вельц-процесс применяется для переработки материалов с низким содержанием летучих металлов путем нагревания их во вращающейся трубчатой печи до температуры, при которой извлекаемый металл возгоняется. Возогнанный металл увлекается газами, образующимися в печи, и улавливается в виде пыли.

Ведущей научной организацией в РФ по исследованию и практическому внедрению технологии вельц-процессов в цинковом производстве является инженерный центр ОАО «ЧЦЗ». Процесс вельцевания цинковых кеков рассмотрен в работах [1-14].

В настоящей работе рассматривается решение оперативной задачи оптимизации режимов вельц-печи на основе построения экстремальных характеристик.

1. Автоматизация режимовми вельц-печи

В настоящее время, как правило, вельц-процесс является автоматизированным. На рис. 1 в качестве примера приведена экранная форма диспетчера АСУ ТП вельц-печи № 5 ОАО «ЧЦЗ».

Автоматизация позволяет осуществлять контроль и управление параметрами технологического процесса, а также сбор и хранение значений параметров. Данные эксплуатации можно обрабатывать статистическими методами с целью выявления зависимостей технологических параметров, позволяющих улучшить качество режимов вельц-процесса.

2. Общий вид экстремальных характеристик вельц-печи

На рис. 2 приведен общий вид экстремальных характеристик вельц-печи. Характеристики представляют собой зависимости выработки вельц-окиси от объема дутья и расхода коксовой мелочи. Дутье используется для интенсификации процессов горения углерода (коксовой мелочи) и окисления паров цинка, а также поддержания необходимой температуры в реакционной зоне печи.

На рис. 2 приняты следующие обозначения: Wо - выработка вельц-окиси; Wоmax - максимально возможная выработка вельц-окиси; Ук - расход коксовой мелочи; О2 - объем дутья; £кр - траектория крутого восхождения.

Рис. 1. Экранная форма диспетчера АСУ ТП вельц-печи № 5 ОАО «ЧЦЗ»

Я ^к

Рис. 2. Общий вид экстремальных характеристик вельц-печи

Экстремум указанной зависимости достигается при оптимальном соотношении дутья и коксовой мелочи. Так, при недостатке дутья наблюдается неполное выгорание кокосовой мелочи и уменьшение выработки тепловой энергии, что снижает энергетическую эффективность печи. При избыточной подаче дутья тепло выдувается из печи, что также снижает ее эффективность.

Пропорциональное увеличение подачи дутья и коксовой мелочи в соответствии с линией крутого восхождения (Хкр) приводит к росту выработки вельц-окиси. Однако рост возможен до определенного уровня (Жотах), определяемого составом загружаемой шихты и производительностью печи. Дальнейшее увеличение подачи дутья и коксовой мелочи является нецелесообразным, так как приводит к нерациональному использованию ресурсов.

3. Идентификация экстремальных характеристик

Аналитическая форма записи зависимости объема производимой вельц-окиси от объема подаваемого дутья и расхода коксовой мелочи, представленной на рис. 2, имеет вид:

Ко = °0 + а\К - а2

где аI (1 е [0, 4]) - искомые структурные параметры зависимости.

Для нахождения параметров а, можно применить метод Ньютона решения нелинейных уравнений, который заключается в следующем. Предположим, что известно начальное приближение вектора параметров а = а0. Тогда в окрестности точки а0 соотношение (1) можно разложить в линейный ряд [7]:

>> = W0 [я]

1=о

где х = (02, Vк) - вектор переменных; а - вектор структурных параметров нелинейного уравнения (1); Да, = а, - а0 - искомые коэффициенты зависимости (2); gi - частные производные по параметрам а,.

Частные производные определяются по формулам:

дК

gо =1;

дао

дК

gl = Vк;

да1

дК ч2

g2= "

дК

gз = 2а2

дК

g4 = = 2а2 Vк

Значения коэффициентов Да, линейной зависимости

а1Л = а, о +Даг, 1е[0,4].

Далее, рассматривая вектор параметров а! как начальное приближение для следующего шага решения, повторим процедуру решения задачи. В результате будет получено следующее приближение решения а2. Рекуррентно повторяя указанную процедуру решения, получим последовательность решений

а0, аь а2, ...

Если последовательность (9) сходится:

к

то она сходится к искомому решению.

Таким образом, можно построить экстремальные характеристики вельц-процесса на множестве экспериментальных данных по выработке вельц-окиси, объему дутья и расходу коксовой мелочи.

4. Процедура оптимизации режима вельц-процесса

На основе построенных экстремальных характеристиках оператору вельц-печи ставится задача оптимизации режима вельц-процесса. Процедура оптимизации режима вельц-процесса заключается в следующем.

1. Удержание дутья на траектории крутого восхождения:

- увеличить подачу дутья в случае, если

дК

> 0;

д02 ' ' '

- уменьшить подачу дутья в случае, если

ÖW

< 0.

2. Движение по траектории крутого восхождения: увеличить подачу дутья и расход коксовой мелочи, если

dW dW

-0 = 0; -0 > 0.

ÖO2 ÖZ^ V 7

3. Реверс движения по траектории крутого восхождения: уменьшить подачу дутья и расход коксовой мелочи, если

ÖW ÖW ÖE

= 0; = 0; —^ < 0,

ÖO2 Z Z

где Екр - эффективность вельц-процесса, определяемая по соотношению W

Ер = / •

к

Заключение

При автоматизации управления вельц-процессом наряду с задачами контроля и стабилизации режимных параметров целесообразно решать оперативную задачу оптимизации режимов. В работе предлагается процедура оптимизации с использованием экстремальных характеристик, представляющих собой зависимость выработки вельц-окиси от объема дутья и расхода коксовой мелочи. Рассмотрен алгоритм идентификации указанных характеристик по статистическим данным эксплуатации. Предложенная процедура оптимизации позволит достичь максимальной производительности вельц-печи при минимизации затрат.

Литература

1. Абдеев, М.А. Вельцевание цинк-свинецсодержащих материалов /М.А. Абдеев, А.В. Колесников, Н.Н. Ушаков. - М.: Металлургия, 1985. - 120 с.

2. Об оптимальном управлении процессом вельцевания цинковых кеков / А.Р. Вернергольд, Л.С. Казаринов, О.В. Колесникова, Д.А. Шнайдер // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2008. - Вып. 7, № 3 (103). - С. 54-56.

3. Вернергольд, А.Р. Лингвистический подход к оптимизации управления вельц-процессом / А.Р. Вернергольд, Л.С. Казаринов, О.В. Колесникова //Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2008. - Вып. 8, № 17 (117). - С. 61-65.

4. Вернергольд, А.Р. Энергоэффективное управление вельц-процессом / А.Р. Вернергольд, Л.С. Казаринов, О.В. Колесникова // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2010. -№ 22 (198). - С. 75-78.

5. Давидсон, А.М. К вопросу расчета теплообмена в трубчатых вращающихся печах / А.М. Давидсон, А.Л. Рутковский //Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. -1999. - № 3. - С. 65-67.

6. Исследование тепломассопереноса по основным зонам вельц-печи / Н.П. Динцис, А.М. Давидсон, Г.А. Епутаев, Н.В. Ходов //Цветная металлургия. - 1977. - № 2. - С. 98-101.

7. Казаринов, Л.С. Системные исследования и управление (когнитивный подход): науч.-метод. пособие /Л.С. Казаринов. - Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ: Издатель Т. Лурье, 2011. - 524 с.

8. Казаринов, Л.С. Автоматизированное управление эффективностью вельц-процессов на основе оптимальной коррекции параметров технологических режимов / Л.С. Казаринов, А.Р. Вернергольд, О.В. Колесникова // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2010. - Вып. 11, № 2 (178). - С. 73-78.

9. Казаринов, Л.С. Система автоматизированного управления эффективностью вельц-процессов /Л.С. Казаринов, А.Р. Вернергольд, О.В. Колесникова //Интеграция науки и производства. - 2010. - № 5. - С. 60-61.

10. Козлов, П.А. Вельц-процесс / П.А. Козлов. - М. : Издат. дом «Руда и металлы», 2002. -176 с.

11. Лисиенко, В.Г. Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология: справ. издание: в 2 кн. / В.Г. Лисиенко, Я.М. Щелоков, М.Г. Ладыгичев; под ред. В.Г. Лисенко. - М.: Теплотехник, 2004. - 588 с.

12. Рутковский, А.Л. Моделирование процесса плавления шихты в вельц-печи / А.Л. Рутков-ский, А.А. Саакянц, Т.В. Старикова // Известия вузов. Цветная металлургия. - 2005. - №1. -С. 66-68.

13. Ходов, Н.В. Разработка и исследование способа вельцевания с циркуляцией коксика клинкера в системе «газовый поток - шихта»: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Н.В. Ходов. -Орджоникидзе, Сев.-Кавказ. горно-металлург. ин-т., 1974. - 30 с.

14. Ходов, Н.В. Математическое описание работы вельц-печи, как объекта с распределенными параметрами /Н.В. Ходов, Г.А. Епутаев, А.М. Давидсон // Труды Северо-Кавказского горнометаллургического института. - 1973. - Вып. XXXIII. - С. 17-19.

Казаринов Лев Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой автоматики и управления, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск); kazarinov@ait.susu.ac.ru.

Вернергольд Александр Рудольфович, главный энергетик, ОАО «Челябинский цинковый завод» (г. Челябинск); arv@zinc.ru.

Колесникова Ольга Валерьевна, канд. техн. наук, доцент кафедры автоматики и управления, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск); olgavpopova@rambler.ru.

Поступила в редакцию 12 сентября 2014 г.

Bulletin of the South Ural State University Series "Computer Technologies, Automatic Control, Radio Electronics"

2014, vol. 14, no. 4, pp. 143-148

THE OPTIMIZATION PROCEDURE OF ROTARY-KILN OPERATIONS

L.S. Kazarinov, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, kazarinov@ait. susu. ac. ru,

A.R. Vernergold, JSC "Chelyabinsk Zinc Plant", Chelyabinsk, Russian Federation, arv@zinc.ru,

O. V. Kolesnikova, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, olgavpopova@rambler.ru

Rotary-kiln externum characteristics are considered. Identification method of rotary-kiln externum characteristics by using statistical data is proposed. Optimization procedure of rotary-kiln operations is proposed. The optimization procedure includes: retention of blowing on the trajectory of high-production gradient, motion along the trajectory and reverse motion in case of rotary-kiln efficiency decrease. The procedure contributes to high rotary-kiln productivity and cost minimization.

Keywords: rotary-kiln operations, optimization

References

1. M.A. Abdeev, A.V. Kolesnikov, N.N. Ushakov. Vel'tsevanie tsink-svinetssoderzhaschikh mate-rialov [Processing of Zinc and Lead-Bearing Materials]. Moscow, Metallurgy Publ., 1985. 120 p.

2. Vernergold A.R., Kazarinov L.S., Kolesnikova O.V., Shnayder D.A. [The Optimal Control of Rotary-Kiln Process]. The Bulletin of South Ural State University. Ser. Computer Technology, Control, Electronics, 2008, vol. 7, no. 3

3. Vernergold A.R., Kazarinov L.S., Kolesnikova O.V. [Linguistic Approach to Optimization of

Rotary-Kiln Process Control]. The Bulletin of South Ural State University. Ser. Computer Technology, Control, Electronics, 2008, vol. 8, no. 17

4. Vernergold A.R., Kazarinov L.S., Kolesnikova O.V. [Energy Efficient Control of Rotary-Kiln Process]. The Bulletin of South Ural State University. Ser. Computer Technology, Control, Electronics, 2010, no. 22

5. Davidson A.M., Rutkovskiy A.L. [On the Question of Calculating Heat Transfer in Tube Rotary-Kilns]. The Bulletin of Universities: Non-Ferrous Metallurgy, 1999, no. 3, pp. 65-67.

6. Dintsis N.P., Davidson A.M., Eputaev G.A., Hodov N.V. [Research of Heat-and-Mass Transfer in the Main Zones of Rotary-Kiln]. Nonferrous Metallurgy, 1977, no. 2, pp. 98-101.

7. Kazarinov L.S. Sistemnye issledovaniya i upravlenie (kognitivnyy podhod): nauchno-metodicheskoe posobie [System Studies and Management (Cognitive Approach): Research Tools]. Che-ljabinsk, South Ural St. Univ. Publ., 2011. 524 p.

8. Kazarinov L.S., Vernergold A.R., Kolesnikova O.V. [Automated Control of Rotary-Kiln Process Energy Efficient on Based Optimal Correction of Technological Operation Parameters]. The Bulletin of South Ural State University. Ser. Computer Technology, Control, Electronics, 2010, no. 2

9. Kazarinov L.S., Vernergold A.R., Kolesnikova O.V. [Automated Control System of Rotary-Kiln Process Energy Efficient]. Integration of science and production, 2010, no. 5, pp. 60-61.

10. Kozlov P.A. Vel'ts-protsess [Rotary-Kiln Process]. Moscow, Ore and Metals Publ., 2002. 176 p.

11. V.G. Lisienko, Y.M. Schelokov, M.G. Ladygichev Vrashchayushchiesya pechi: teplotekhnika, upravlenie i ekologiya: Spravochnoe izdanie: v 2-h knigakh / [Rotary Kiln: Heating Equipment, Control and Ecology: Reference Edition: in 2 books]. Moscow, Heating Engineer Publ., 2004. 588 p.

12. Rutkovskiy A.L., Saakyants A.A., Starikova T.V. [Simulation of Furnacing Process in Rotary-Kiln]. The Bulletin of Universities: Non-Ferrous Metallurgy, 2005, no. 1, pp. 66-68.

13. Hodov N.V. Razrabotka i issledovanie sposoba vel'tsevaniya s tsirkulyatsiey koksika klinkera v sisteme "gazovyj potok-shihta": avtoreferat dissertatsii [Development and Research of Rotary-Kiln Process with Coke Fines Circulation in System «Gas Flow-Furnace»: abstract of a thesis]. North Caucasian mining and metallurgical institute, Ordzhonikidze, 1974. 30 p.

14. Hodov N.V., Eputaev G.A., Davidson A.M. [Mathematical description of Rotary-Kiln Operations as an Object with Distributed Parameters]. The Bulletin of North-Caucasian Mining and Metallurgical Institute, 1973, vol. XXXIII, pp. 17-19.

Received 12 September 2014