Подход к формированию перечня параметров модели многомерного технологического объекта на примере доменной печи

УДК 004.94+005

ПОДХОД К ФОРМИРОВАНИЮ ПЕРЕЧНЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ МНОГОМЕРНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА НА ПРИМЕРЕ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

А. В. Сучков

В статье рассматривается подход к формированию набора параметров многомерного технологического объекта на базе системного анализа. В качестве примера приводится моделирование процессов в доменной печи, рассмотрен перечень параметров существующей математической модели с использованием разработанной методики

Ключевые слова: системный анализ, доменная печь, математическая модель

На практике при описании и управлении многомерным технологическим объектом возникает проблема определения необходимого множества его параметров. Здесь под многомерным понимается такой объект, для описания которого используется большое (достигающее сотен) число параметров, взаимосвязи между которыми на функциональном уровне не известны. Отметим, что формирование такого множества в первую очередь необходимо для построения моделей объекта.

Для решения поставленной задачи

целесообразно использовать методологию системного анализа [1,2]. Как известно, при применении этого подхода необходимо

сформировать цель решения проблемы, которая в данном случае состоит в формировании такого набора параметров объекта, который позволяет идентифицировать этот объект и осуществлять эффективный контроль и управление его технологическими процессами. Идея предлагаемой методики основана на декомпозиции цели на ряд подцелей для получения функций и задач. На каждом уровне для декомпозиции используется формальная модель. Для получения полного разбиения цели используется полная модель. Так как число ее элементов может быть очень большим, что приводит к чрезмерной размерности формируемого дерева, то полную модель детализируют в соответствии с реальной ситуацией и получают содержательную модель, в которую включают только те компоненты, которые важны для реализации поставленной цели. Тогда каждый элемент разбивается на столько элементов, сколько компонентов включено в содержательную модель.

Перейдем к вопросам реализации рассмотренного подхода для решения задачи определения набора параметров. Глобальная цель разрешения проблемной ситуации рассмотрена выше; это первый уровень дерева. На втором уровне предлагается глобальную цель разбить на подцели в соответствии с моделью конечных продуктов объекта. В [1] предлагается выделять полезные конечные продукты и отходы. Третий уровень

Сучков Андрей Владимирович - УФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, инженер, е-шаіі; a_suchkov@list.ru

дерева предусматривает разбиение подцелей на компоненты в соответствии с набором технологических процессов, реализующихся при получении конечных продуктов. На четвертом уровне осуществляется декомпозиция компонентов третьего уровня с учетом этапов каждого технологического процесса. В общем случае можно выделить по крайней мере три этапа: 1) начальный

прогнозирование течения процесса, 3) выбор

решения по управлению. На шестом уровне формируется множество параметров,

соответствующих каждой ветви дерева. Схема формирования набора параметров многомерного технологического объекта приведена на рисунке.

Схема формирования набора параметров

Отметим еще раз, что в реальных объектах рассмотренные выше модели должны быть уточнены. Рассмотрим применение предложенной

методики к задаче формирования параметров

доменной печи для целей управления.

На втором уровне необходимо разбить глобальную цель с учетом конечных продуктов. Полезным продуктом является чугун, а отходами (побочными продуктами) - шлак и колошниковый газ. Тогда получаем три подцели:

• обеспечение производства чугуна с

заданными свойствами;

• производство шлака с учетом требований

экономики, нормального протекания

процесса и окружающей среды;

• производство колошникового газа с учетом

требований экономики, нормального

протекания процесса и окружающей среды.

На третьем уровне нужно выделить технологические процессы, протекающие в объекте и необходимые для производства конечных продуктов. В первую очередь это процесс массообмена, в результате которого из железной руды и других ингредиентов получают чугун. Отметим, что данный процесс сопровождается химическими процессами окисления,

восстановления и другими. Массообмен и химические процессы осуществляются при определенном распределении температур в объеме доменной печи, которое характеризует процессы теплообмена. Так как в печи происходит противоточное движение газа (снизу вверх) и шихты (сверху вниз), необходим учет соответствующих процессов динамики.

Таким образом, в доменном производстве конечные продукты получают в результате следующих основных процессов:

• массообмена и химических реакций;

• теплообмена;

• газодинамики, динамики твердых тел и расплавов.

Следует отметить, что при нормальных условиях работы доменной печи нет необходимости в регулировании параметров последней группы процессов, кроме того, существующие математические модели движения шихты не позволяют в достаточной степени полно описать движение материала [3]. Далее процессы динамики и соответствующие параметры не рассматриваются.

Четвертый уровень дерева предусматривает выделение этапов реализации процесса. Для доменного производства можно выделить четыре этапа: 1) вход процесса, 2) протекание процесса в верхней части печи, 3) протекание процесса в нижней части печи, 4) выход процесса.

Пятый уровень служит для классификации параметров и его элементы соответствуют описанным выше для общего случая.

Рассмотрим группы параметров, которые сформированы на применительно к одному выходному продукту - чугуну.

1. Процессы теплообмена.

1.1. Вход процесса.

1.1.1. Прогнозирование течения процесса.

1.1.1.1. Температура шихты на колошнике.

1.1.1.2. Температура природного газа, угольной пыли и других видов топлива, подаваемых в горн.

1.1.1.3. Характеристики кокса.

1.1.1.4. Конструктивные параметры доменной печи.

1.1.2. Выбор решения по управлению.

1.1.2.1. Состав железорудной части шихты, содержание влаги.

1.1.2.2. Объем природного газа,

угольной пыли и других видов топлива, подаваемых в горн.

1.1.2.3. Содержание влаги в дутье.

1.1.2.4. Содержание кислорода в дутье.

1.1.2.5. Температура дутья.

1.1.2.6. Расход дутья.

1.1.2.7. Количество известняка в шихте.

1.1.2.8. Рудная нагрузка.

1.2. Теплообмен в нижней зоне доменной печи.

1.2.1. Контроль и анализ хода процесса.

1.2.1.1. Состав и температура газа на границе между зонами.

1.2.1.2. Состав и температура шихты на границе между зонами.

1.2.2. Прогнозирование течения процесса.

1.2.2.1. Температура фурменного очага.

1.2.2.2. Оптимальная величина тепла, приходящего в нижнюю зону.

1.3. Теплообмен в верхней зоне доменной печи.

1.3.1. Контроль и анализ хода процесса.

1.3.1.1. Количество пыли, поступающее из нижней части печи.

1.3.1.2. Количество пыли, уносимое колошниковым газом.

1.3.1.3. Состав и температура газа на границе между зонами.

1.3.1.4. Состав и температура шихты на границе между зонами.

1.3.2. Прогнозирование течения процесса.

1.3.2.1. Интегральная характеристика теплового состояния верхней зоны.

1.3.3. Выбор решения по управлению.

1.3.3.1. Уровень засыпи.

1.4. Выход процесса.

1.4.1. Контроль и анализ хода процесса.

1.4.1.1. Температура и состав чугуна.

1.4.1.2. Температура и состав шлака.

1.4.1.3. Температура и состав колошникового газа.

2. Процессы массообмена и химических реакций.

2.1. Вход процесса.

2.1.1. Прогнозирование течения процесса.

2.1.1.1. Конструктивные параметры доменной печи.

2.1.1.2. Характеристики кокса.

2.1.1.3. Состав природного газа,

угольной пыли и других видов топлива, подаваемых в горн.

2.1.2. Выбор решения по управлению.

2.1.2.1. Состав железорудной части

шихты, содержание влаги.

2.1.2.2. Объем природного газа,

угольной пыли и других видов топлива, подаваемых в горн.

2.1.2.3. Рудная нагрузка.

2.1.2.4. Содержание влаги в дутье.

2.1.2.5. Содержание кислорода в дутье.

2.1.2.6. Расход дутья.

2.1.2.7. Количество известняка в шихте.

2.2. Массообмен и химические процессы в верхней зоне доменной печи.

2.2.1. Контроль и анализ хода процесса.

2.2.1.1. Количество пыли, поступающее из нижней части печи.

2.2.1.2. Количество пыли, уносимое колошниковым газом.

2.2.1.3. Состав шихты на границе между зонами.

2.2.1.4. Состав газа на границе между зонами.

2.2.2. Прогнозирование течения процесса.

2.2.2.1. Степени использования газов CO и H2.

2.2.2.2. Интегральная характеристика теплового состояния верхней зоны.

2.3. Массообмен и химические процессы в нижней зоне доменной печи.

2.3.1. Контроль и анализ хода процесса.

2.3.1.1. Состав шихты на границе между зонами.

2.3.1.2. Состав газа на границе между зонами.

2.3.1.3. Степень прямого

восстановления.

2.3.2. Прогнозирование течения процесса.

2.3.2.1. Температура фурменного очага.

2.3.2.2. Оптимальная величина тепла, приходящего в нижнюю зону.

2.4. Выход процесса.

2.4.1. Контроль и анализ хода процесса.

2.4.1.1. Состав чугуна.

2.4.1.2. Состав шлака.

2.4.1.3. Состав колошникового газа.

Необходимо отметить, что часть приведенных на нижнем уровне параметров являются обобщенными (например, состав железорудных материалов), и могут быть конкретизированы, что не представляет сложности.

Как видно из приведенного списка параметров, сформированных на нижнем уровне применительно к получению чугуна в качестве выходного продукта, большая часть входных величин оказывает влияние сразу на несколько видов процессов, происходящих в доменной печи. При рассмотрении образования шлака и колошникового газа в качестве выходных продуктов на нижнем уровне получен аналогичный список параметров, что также подтверждает взаимосвязанность всех процессов в доменной печи и невозможность рассмотрения процессов в доменной печи независимо друг от друга при построении модели.

Используя полученный набор величин можно оценить те или иные модели доменного процесса с точки зрения применяемых в них параметров. В данном случае это необходимо для выбора модели в качестве основы поддержки принятия решений. Наиболее известные математические модели доменного процесса были рассмотрены в [4]. Рассмотрим балансовую модель, разработанную в Институте металлургии УрО РАН [3,5]. Можно сделать вывод о том, что большая часть параметров, список которых сформулирован выше с помощью системного подхода, присутствует в модели. Особенностью балансовых моделей, в том числе и рассматриваемой, является ориентированность на начальное и конечное состояние системы, необходимые параметры при этом рассчитываются на основе материальных и тепловых балансов. При этом часть величин, таких как уровень засыпи, интегральная характеристика теплового состояния верхней зоны, оптимальная величина тепла, приходящего в нижнюю зону отсутствуют в данной модели.

Для частичной компенсации данных недостатков было решено дополнить модель расчетом таких комплексных показателей как индексы теплового состояния доменной печи [5,6]. Они характеризуют распределение тепла в объеме доменной печи и позволяют определять оптимальное количество тепла для нормального хода процесса. Кроме того, изменение индекса теплового состояния верхней зоны позволяет

оценивать перепад давлений в верхней зоне и связанную с ним опасность верхнего подвисания шихты.

Помимо полноты набора параметров для моделей, безусловно, должны рассматриваться и другие характеристики, такие как скорость

вычислений (при наличии программной реализации), простота настройки, практическая опробованность и доказанная адекватность для различных условий. Для создания системы

поддержки принятия решений по управлению

доменной печью по совокупности характеристик была выбрана рассмотренная модель, разработанная в Институте металлургии УрО РАН. Общие проблемы создания такой системы рассмотрены в [4].

Предложенный подход к определению перечня параметров модели на основе системного подхода

является достаточно универсальным и может быть использован при разработке и оценке моделей многомерных технологических объектов для металлургии и ряда других отраслей промышленности.

Литература

1. Основы системного анализа / Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко. - Томск: Изд-во научно-технической литературы, 2001. - 389 с.

2. Анфилатов В.С. Системный анализ в

управлении: учеб. пособие / В.С. Анфилатов, А.А. Емельянов, А.А. Кукушкин; под ред. А.А. Емельянова. -М.: Финансы и статистика, 2007. - 368 с.

3. Основы теории и технологии доменной плавки / А.Н. Дмитриев, Н.С. Шумков, Л.И. Леонтьев, О.П. Онорин. - Екатеринбург: УрО РАН, 2005. - 545 с.

4. Сучков А.В. Проблемы построения системы поддержки принятия решений для доменного производства // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2009. - Т.5, № 10. - С 72-81.

5. Развитие трехуровневых АСУ ТП в металлургии (коксовые и бескоксовые процессы): учебное пособие / Лисиенко В.Г., Суханов Е.Л., Морозова В.А., Дмитриев А.Н., Загайнов С.А., Пареньков А.Е. - М.: Теплотехник, 2006. - 328 с.

6. Теплотехника доменного процесса / Б.И. Китаев, Ю.Г. Ярошенко, Е.Л. Суханов, Ю.Н. Овчинников, В.С. Швыдкий. - М.: «Металлургия», 1978. - 248 с.

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

THE APPROACH TO FORMATION OF THE LIST OF PARAMETERS OF MODEL OF MULTIDIMENSIONAL TECHNOLOGICAL OBJECT ON THE BLAST FURNACE EXAMPLE

A.V. Suchkov

In article the approach to formation of a set of paramétrés of multidimensional technological object on the basis of the system analysis is considered. As an example modelling of processes in a blast furnace is resulted, the list of parametres of existing mathematical model with use of the developed technique is considered

Key words: system analysis, blast furnace, mathematical model