Повышение производительности доменной печи при оптимизации автоматического управления подачей природного газа и технического кислорода в дутье

рудных материалов. Использование сочетания принципов нечеткого управления и экстремального регулирования позволило синтезировать программно реализованную устойчивую помехозащищенную систему автоматической оптимизации управления технологическими процессами, способную обеспечивать достаточно высокое качество оптимизации управления процессом в условиях неопределенности и недостаточности информации об объекте управления.

Предлагаемая САОУ технологическим процессом может быть использована при оптимизации управления в любой отрасли промышленного производства. При использовании САОУ ожидается увеличение текущей производительности агрегатов на 1,5-2%, и при наличии современных технических средств не требуется дополнительных больших капитальных денежных затрат на внедрение, поскольку система рассчитана на программную реализацию.

Список литературы

1. Достижение максимальной производительности оптимизируемого процесса измельчения руды при использовании принципов нечеткого экстремального управления / М.Ю. Рябчиков |и др.] // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2011. № 2. С. 5-9.

2. Батыршин И.З. Основные операции нечеткой логики. Казань: Отечество, 2001. 102 с.

3. Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский Л. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы. М.: Горячая линия - Телеком, 2004. 452 с.

4. Казакевич В.В., Родов А.Б. Системы автоматической оптимизации. М.: Энергия, 1977. 288 с.

Bibliography

1. Ryabchikov M.Y. Milling process maximal optimization system based on fuzzy logic. / M.Y. Ryabchikov [and others] // Vestnik MGTU, 2009 - №08 -p. 56-64.

2. Baturshin I.Z. Fuzzy logic base operations / I.Z. Baturshin - Kazan: Otechestvo, 2001 - 102 p.

3. Rutkovskaya D. Neural networks, genetic algorithms and fuzzy systems / D.Rutkovskaya, M.Pilinsky, L.Rutkovsky. - M.: Goryachaya linia - Telecom, 2004 - 452 p.

4. Kazakevich V.V. Automatic optimization system / V.V. Kazakevich, A.B. Rodov - M.:Energy, 1977 - 288 p.

УДК 669.16+658.011.56

Парсункин Б.Н., Сеничкин Б.К., Андреев С.М., Рябчиков М.Ю.

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ПРИРОДНОГО ГАЗА И ТЕХНИЧЕСКОГО КИСЛОРОДА

В ДУТЬЕ

Снижение удельного расхода дорогостоящего и дефицитного кокса и повышение производительности доменных печей являются наиболее приоритетными проблемами при управлении технологическим процессом доменной плавки.

В настоящее время основным видом альтернативной замены кокса, как источника тепловой энергии в доменном процессе, является природный газ, вдуваемый в доменную печь. Эффективность применения природного газа определяется величиной коэффициента замены кокса и приростом производительности печи.

Проведенные на доменных печах ММК исследования показали, что при всех равных условиях зависимости удельного количества кокса и производительности доменной печи от величины удельного количества природного газа имеют экстремальный вид. Положение экстремумов этих зависимостей определяется соотношением удельных количеств природного газа и технологического кислорода, используемого для обогащения дутья [1].

Экспериментальные зависимости часовой производительности доменной печи от величины отношения удельных количеств природного газа Упг и технологического кислорода Утк представлены на рис. 1 [1].

Анализ представленных на рис. 1 зависимостей показывает, что для обеспечения наибольшей производительности доменной печи при повышении удельного количества природного газа соотношение Ущ./ Утк следует уменьшать. Рекомендуемое рациональное значение соотношения Упг/ Ута в зависимости от ве-

личины удельного количества технологического кислорода представлено на рис. 2 [1].

♦ \А

\ В/-4

/ V А \ \/

'-У'

1

0,7 1 1,3 1,6

Отношение \/пгЛ/тк

Рис. 1. Зависимость производительности доменной печи от соотношения удельных количеств природного газа Vпг и технологического кислорода Утк:

1 - 60-79; 2 - 80 -99; 3 - 100-119; 4 - 120-140 м3/т чуг.

Учитывая результаты, представленные на рис. 1 и 2, можно сделать обоснованный вывод. Для каждой величины удельного количества технологическо-

го кислорода Утк, используемого для обогащения дутья, существует такое оптимальное значение удельного количества природного газа Упг, при котором производительность доменной печи достигает максимального значения при ожидаемом снижении удельного количества кокса. Наличие экстремального вида статических характеристик, определяющих зависимость производительности доменной печи от величины соотношения Упг/ Утк, является убедительным доказательством возможности и целесообразности использования для оптимизации управления подачей природного газа в доменную печь системы автоматической оптимизации управления (САОУ).

оптимизируемым параметром будет «часовая производительность доменной печи, т/ч» - независимым параметром следует считать «расход технологического кислорода, м3/ч».

Для определения влияния величины текущего расхода природного газа на производительность доменной печи при текущем расходе технологического кислорода необходимо от отношения Упг/ Утк перейти к кон -тролируемой величине расхода природного газа Упг(т).

В соответствии с рис. 1, зная величину удельного количества технологического кислорода и производительность доменной печи, логично определить текущее значение расхода природного газа.

Упг(т)_ (Уиг/ УТК)х Уиф)Рт,

где Уп^) - расход природного газа м3/ч; Рт - текущая производительность доменной печи.

Используя экспериментальные данные (см. рис. 1), можно определить статистическую зависимость производительности доменной печи от расхода природного газа для фиксированного удельного расхода технологического кислорода.

Зависимость производительности доменной печи от расхода природного газа при постоянном расходе технологического кислорода (линия 4 на рис. 1) представлена на рис. 3.

Рис. 2. Зависимость рационального соотношения Упг/Утк от удельного количества технологического кислорода, используемого для обогащения дутья

Данная система способна в условиях неопреде -ленности и недостаточности исходной информации определять и поддерживать максимально возможную текущую производительность доменной печи.

САОУ является простейшим интеллектуальным классом адаптивных самоприспосабливающихся автоматических систем управления, способных, благодаря поисковому принципу функционирования, обеспечивать эффективное достижение заданной цели оптимизации управления (в нашем случае достижения максимальной текущей производительности доменной печи).

Учитывая значительную инерционность процесса по каналу, «удельное количество природного газа -производительность доменной печи», когда постоянная времени процесса Т0 от 6 до 10 ч при времени запаздывания т3 от 1 до 3 ч [3], для оптимизации управления подачей природного газа при текущем значении Упг / Утк необходимо использовать дискретный (шаговый) режим работы ШСАОУ при продолжительности одного шага управления Тш > (Т0 +т3).

Такой режим функционирования ШСАОУ хорошо согласуется с дискретным поступлением информации о текущей производительности доменной печи, формирующейся после очередного (дискретного во времени) выпуска чугуна.

В рассматриваемой ШСАОУ подачей природного газа в доменную печь управляющим параметром является «расход природного газа», а управляемым или

140 135 т "Р ё iso о 0 § 125 1 ? “ 120 £ о Q. С 115

♦

4 у/ ♦ ' ♦

♦ \

; 7

/

♦

8500 10500 12500 14500 16500 18500 20500 22500 24500 Расход природного газа, мэ/ч

Рис. 3. Зависимость производительности печи от расхода природного газа при VTK=130 м3/т

Учитывая значительную инерционность оптими-зируемого процесса целесообразно при функционировании ШСАОУ расходом природного газа при определении максимальной производительности доменной печи использовать метод поиска по запоминанию экс -тремума приращений выходного параметра оптимизируемого процесса. Используемый метод позволяет значительно компенсировать негативное влияние инерционности и запаздывания на оперативность ра-боты ШСАОУ [2].

Если для изменения управляющего параметра (расхода природного газа) используется исполнительный механизм постоянной скорости Ким = const, то изменение выходного оптимизируемого параметра с учетом инерционности определяется уравнением [2]

S.

1

f 'х.. “х..

Л2 «

где ---- - общее приращение оптимизируемого па-

ЛХ

раметра при изменении управляющего воздействия на АХ при А2 - приращение производительности печи, А2 - приращение расхода природного газа.

В соответствии с дискретным (шаговым) режимом работы ИМ это приращение включает, в общем случае, две составляющие:

Л21 = ЬЯ* + Д2”, при Дги «Атп где Л71я - приращение выходного параметра за время изменения X (движения ИМ) в течение Дги - времени управляющего импульса; д 7 п - приращение выходного параметра за время остановки ИМ на время паузы.

•• • Т**Т0*• т*т ,

п ш 0 3 э шэ “

где Тш - продолжительность шага управления; Т0 -постоянная времени, характеризующая инерционность процесса; х3 - время запаздывания; Тэ - эквивалентная постоянная времени, принятая для удобства математического моделирования.

За время паузы Атп, когда исполнительный механизм неподвижен, оптимизируемый параметр во времени изменяется по экспоненте в соответствии с уравнением

( ж/ \

д =

/

1-е/

при

Т. <Т<Т+Т

т,„

где Дги - продолжительность управляющего импульса, когда Ат = Ким -Агп ; Агп - продолжительность паузы.

Х-, Х2 х3

Входной параметр, X Рис. 4. Принцип поискового процесса в ШСЭР по запоминанию максимума приращений выходного параметра оптимизируемого процесса

Затем приращение Д21 = 21 — 20 > 0 сравнивается с величиной Д20 = 0, поскольку процесс находили в установившемся состоянии и переходный режим отсутствовал.

^ * 1 [f (X)-20] =1 [11 -20] =1 [11 -¥0].

Следовательно, перед следующим шагом величина оптимизируемого параметра будет равна

21 (х) = 20 + А2г.

Принцип пошагового режима работы ШСАОУ по запоминанию максимума приращений оптимизированного параметра представлен на рис. 4.

В момент времени х = 0 оптимизируемый процесс находится в устойчивом состоянии. Это означает:

2,. 0 • 20 • ¥. = 0 • 10 • f *х0*. Затем ШСАОУ, в

принципе случайно, изменяет величину управляемого параметра (делает шаг) на величину Ах в направлении увеличения значения х от х0 до х1.

После остановки ИМ и изменении выходного параметра в момент движения ИМ на величину Ь.2н выходная величина по экспоненте (во времени) увеличивается на величину Ь.2п и через интервал времени цикла Тш (шага) становится равной Величина Тш

Поскольку А21 >А20, то принятое направление изменения оптимизируемого параметра соответствует принятой цели управления, поэтому оно считается правильным и должно быть сохранено на последующий шаг. Это приращение запоминается в ШСАОУ как максимально достигнутое за прошедший шаг

управления • 2™—^. ШСАОУ делает следующий шаг

в направлении увеличения управляющего параметра (расхода природного газа):

2* X'

Т.

Л Л2 Ло ^ Л Т

Здесь (гТ є (+ 1;-1) - знаковаяфункция, определяющая текущее направление управляющего воздействия.

В результате второго шага оптимизируемый параметр увеличивается на величину • 22 • • 221 •• 2" (см. рис. 4). Полученное значение приращения Дг2 сравниваетсяс величиной • 2•• • 1*.

Поскольку • 2 2 • • 21 • • 2 ”“, то выбранное направление изменения х(г) сохраняется и на последующий шаг изменения управляющего воздействия, а

7ШЇП г-ж

ф-1 запоминается • /2.

• х • 3* х •

Ла л

При следующем шаге

значения V • х .

I 3 опт

Полученное

Хз * I

приращение «23 • • 22 •• 2*',1 - , т.к. Ц • 2*

• 1 • 2*,2.

Если величина разности • 23 и • 2'— •• 22

станет больше принятой зоны нечувствительности ШСАОУ, то в системе произойдёт реверс ИМ, т.к. направление движения управляющего воздействия изменится на противоположное.

При реверсе ИМ запомненное максимальное зна-

22 •• 2*,-Х. сбрасывается и запоминается

чение

• 23, как начальное при выбранном противоположном направлении (уменьшении) изменение управляющего параметра.

После реверса величина оптимизируемого параметра (производительность печи) от величины 23 достигнет за один шаг значения 24. В ШСАОУ произойдёт сравнение двух приращений • 23 и • 24. Если • 23 •• 24, то принятое направление изменения управляющего воздействия сохранится и на последующий шаг в выбранном направлении. Если

• 2 4 • • 2 3 на величину большую, чем зона нечувствительности • 2н ШСАОУ, то в ШСАОУ произойдёт реверс ИМ. Управляющий параметр (расход природного газа) снова начнёт увеличиваться, а в каче-

2тах г г->

*.-1. будет запомнено значение • 24, как текущее значение на момент реверса. Это означает, что ШСАОУ вышла в окрестности экстремума и совершает поисковые движения в его окрестности.

Поскольку по мере достижения экстремума величины фиксируемых приращений будут уменьшаться в

связи с уменьшением разности между у • f * хi • и

2*хi *, величиина • 2 • — f’*хi •• 2*хi •* будет

Т0

пропорционально уменьшаться и в системе возникнет переходный режим.

Блок-схема рабочей программы для математического моделирования и реализации поискового режима ШСАОУ расходом природного газа с целью достижения максимальной производительности доменной печи представлена на рис. 5 [3].

Программа содержит два цикла. Первый отражает цикл периодов импульсного режима управления изменения выходного параметра (расхода природного газа)...........и •• • п . Второй цикл счёта времени

• • й • • i, где й - период дискретизации расчёта, I -

число периодов расчета, і

в каждом цикле

если

если...........и,* •*,

ТО X*

где х0 - начальное значение входного параметра в текущем цикле, равное конечному значению в предыдущем цикле; т0 - начальный момент времени последующего цикла (шага) управления, обычно равно 0.

Для приближённого решения дифференциальных уравнений в зависимости от изменения х

И,

Т.

d •

V * • * •

11

і > *• *:и Т

d •

V!-

используется метод Эйлера для объекта управления второго порядка.

дискретного режима управления ИМ.

Импульсный режим управления расходом природного газа (входным управляющим параметром) реализуется в соответствии с условием:

*0;• •„*, то х*• •• ............к *•

Рис. 5. Блок-схема программы расчета переходных процессов в ШСЭР по запоминанию максимума приращений выходного параметра оптимизируемого процесса увеличения производительности печи при управлении подачей природного газа

Использование ШСАОУ расходом природного газа с применением метода по запоминанию максимума приращений выходного параметра позволяет значительно повысить оперативность системы оптимизации управления за счёт практически полной компенсации негативного влияния инерционности и запаздывания на поисковый режим работы системы.

Следует добавить, что для функционирования рассматриваемой ШСАОУ в производственных условиях реальное положение и вид статистической характеристики оптимизируемого процесса не опреде-

• *

лены и не известны. Уникальность и высокая интеллектуальность рассматриваемой ШСАОУ заключается в том, что для определения и поддержания максимальной текущей производительности доменной печи в системе используются только два информационных сигнала: «текущий расход природного газа» и «текущее значение производительности доменной печи».

Система оптимизации управления расходом при -родного газа рассчитана на программную реализацию при использовании современных микропроцессорных регулирующих контроллеров МРК) и не требует дополнительных технических средств для реализации в производственных условиях.

Использование рассмотренной ШСАОУ позволит практически полностью исключить вмешательство технологического персонала в режимы управления расходом природного газа в печь и обеспечить максимально возможную производительность печи при текущих расходах технологического кислорода и природного газа.

Список литературы

Сеничкин Б.К., Бахчеев Н.Ф., Гостенин В.А. Энергетическая эффективность вдуваний в доменную печь природного и коксового газа // Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века: сб. науч. трудов. Магнитогорск. МГМА. 1996. Т. 2. 198 с.

Парсункин Б.Н., Бушманова М.В. Расчёты переходных процессов в системах экстремального регулирования с запоминанием экстремумов: учеб. пособие. Магнитогорск: МГТУ им. Г.И.Носова, 2001. 164 с. Применение математических методов и ЭВМ для анализа и управления доменным процессом. Товаровский Н.Г., Райх Е.Н., Шкодин К.К., Улахо-вич В.А. М.: Металлургия, 1978. 264 с.

Bibliography

Senichkin B.K, Bakhcheev N.F., Gostenin V.A. Power efficiency of natural and coking gas inflation in a blast furnace //Problems of development of Ural Mountains metallurgy on the boundary of the XXI century: T.2 the Collection of proceedings. Magnitogorsk. MGMA. 1996. - 198 pp. Parsunkin B. N, Bushmanova M.V. Transients design in systems of extreme regulation with storing of extrema: the Manual. - Magnitogorsk. MGTU of G.I.Nosov. 2001. - 164 pp.

Application of mathematical methods and the computer for the analysis and management of blast-furnace operation. Tovarovskiy N.G., Raykh E.N., Shkodin K.K., Ulakhovich V.A. Metallurgy, 1978. - 264 pp.

УДК 669.187.2.036.046.001.57 Агапитов Е.Б., Болкунова В.А., Шутов К.В.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ВОДООХЛАЖДАЕМОЙ ДОМЕННОЙ ФУРМЫ ПРИ НАЛИПАНИИ РАСПЛАВА ШЛАКА НА ЕЕ ПОВЕРХНОСТЬ

Стойкость применяемых воздушных фурм определяет технологический уровень доменного производства. Проблемы повышения стойкости фурм, анализ условий эксплуатации и причин выхода из строя являются одним из актуальных вопросов производства, так как до 38% простоев доменных печей прихо-дится на замену фурм. Срок их службы составляет для различных заводов от нескольких часов до 250260 суток. Качественно изготовленные и правильно эксплуатируемые фурмы при стабильной технологии доменной плавки имеют стойкость более года. Разработано множество технических решений для повышения стойкости воздушных фурм, методов контроля их текущего состояния и возрастной динамики выхода фурм из строя. Тем не менее, для многих предприятий, в том числе для ОАО «ММК», эта проблема остается актуальной.

При классификации характера разрушения фурм принято рассматривать три основные группы повреждений: трещины, износ и прогар.

Основными причинами прогара фурм является контакт их поверхности с жидким чугуном или шла -ком (рис. 1). На долю прогаров приходится до 75% случаев выхода фурм из строя при среднестатистиче-ский величине 58-63%. При этом случаи прогара носка снизу составляют около 70%, верха носка 23-25%, прогары носка сбоку, сопла или обечайки - 5-7%. Эффективным способом борьбы с прогарами считается утолщение носка.

Так как существующие решения по снижению прогаров не являются вполне очевидными, была предпринята попытка проанализировать тепловое

состояние фурмы при контакте с расплавом шлака с помощью численного моделирования.

Рис. 1. Характер прогара воздушной фурмы

Механизм термического повреждения фурмы можно предоставить следующим образом: при попадании на поверхность перегретого расплава и прилипании его к поверхности фурмы увеличивается плотность теплового потока (и соответственно температура стенки фурмы) выше некоторой критической величины. Начинается процесс парообразования, что временно улучшает охлаждение фурмы за счет затрат тепла на испарение воды. Считается, что в этот период коэффи-циент теплоотдачи может достигать 30-46 кВт/м2К вместо обычных 0,8-1,5 кВт/м2К. Дальнейшая стабилизация паровой прослойки обусловливает рост температуры стенки фурмы вплоть до ее термического разрушения. Упомянутая выше критическая плотность теплового потока зависит от формы, размеров и состояния поверхности охлаждаемой полости, давления, скорости охлаждающей среды.