Технические науки/12.Автоматизированные системы управления на производстве

К.т.н. Кривоносов В.А., Пирматов Д.С.

Старооскольский технологический институт им. А.А. Угарова, Россия;

ООО «МОСГИПРОМЕЗ», Россия

Поиск параметров оптимального режима обжига окатышей

в конвейерной обжиговой машине

Введение

В настоящее время окатыши широко используются при выпуске стали, горячебрикетированного железа и чугуна. На одном из этапов производства окатыши обжигают в конвейерной обжиговой машине (ОМ) для придания им прочностных характеристик [1,2]. Термообработка окатышей в зонах машины производится высокотемпературным теплоносителем, который подогревается теплом от сжигания природного газа. Стоимость природного газа каждый год непрерывно увеличивается, поэтому снижение удельного расхода природного газа на термообработку окатышей при заданной производительности машины с соблюдением требований регламента является актуальной задачей.

Структурная схема обжиговой машины ОК-306 приведена на рисунке 1. Обжиговая машины состоит из зон сушки, подогрева, обжига, рекуперации и охлаждения. В процессе термообработки окатыши перемещаются последовательно по всем зонам. Через обжиговую машину проходит сеть взаимосвязанных газоходов с переточными коллекторами, которые предназначены для транспортирования воздуха и продуктов сгорания по зонам. Прямой нагрев теплоносителя теплом от сжигания природного газа производится только в зоне обжига, в остальных же зонах для нужд технологического процесса используются вторичные источники тепла. В секциях зоны сушки и подогрева такими источниками тепла служат продукты сгорания и нагретый воздух, а в зонах охлаждения - охлаждающийся слой окатышей. Использование вторичных источников позволяет увеличить температуру слоя окатышей и воздуха на входе зоны обжига, что способствует снижению затрат природного газа.

Рис. 1 Структурная схема обжиговой машины ОК-306

Определение режима термообработки, в котором удельный расход природного газа на обжиг окатышей минимален при соблюдении требований технологического регламента, осложняется следующими факторами:

- отсутствие возможности непосредственного контроля параметров слоя в зонах машины (температура, влажность);

- действия возмущений, обусловленных изменениями среднего диаметра гранул окатышей, скорости движения паллет ОМ, средней влажности и теплофизических свойств окатышей, а также порозности слоя.

Эти факторы вынуждают эксплуатационный персонал вести термообработку по косвенным параметрам (температура теплоносителя в зонах), поддерживая режим при котором температура слоя окатышей в зонах ОМ находится в окрестностях середины регламентного диапазона. Такой режим обжига позволяет свести к минимуму опасность выхода температуры окатышей под действием возмущений за пределы регламента, но далеко не всегда обеспечивает минимальные затраты природного газа.

Поиск параметров оптимального режима

Одним из путей определения параметров оптимального режима обжига, который соответствует минимальному расходу природного газа при заданной производительности машины с соблюдением требований регламента, является разработка подсистемы статической оптимизации, основанной на математических моделях газодинамики и теплообмена в слое каждой из технологических зон [3,4].

Для организации процесса поиска параметров оптимального режима необходимо формализовать критерии оптимальности и ограничения на процесс управления в каждой из зон. При разработке процедуры поиска, необходимо учитывать следующее:

- математические модели зон ОМ нелинейные и могут содержать участки с локальными минимумами;

- изменение режима одной зоны или секции влияет на параметры режима смежных зон или секций.

В результате анализа установлено, что ряд управляющих воздействий влияет на режим в нескольких зонах одновременно. Поэтому поиск оптимальных параметров режима необходимо проводить по группам зон, объединенных общностью управляющих воздействий.

В первую группу зон отнесем секцию Ia зоны сушки, во вторую группу секции Ib, II и зона подогрева. Локальные целевые функция первой и второй групп зон имеют следующий вид:

(1)

где , - вектор управляющих воздействий и область его возможных значений соответственно.

Обеспечение максимальной температуры слоя перед зоной обжига, с учетом ограничений, позволит затратить минимальное количество природного газа на нагрев окатышей до регламентной температуры в зоне обжига. Поиск управляющих воздействий, соответствующих максимуму целевой функции, осуществлялся методом полного перебора. Для этого на возможный диапазон управления накладывалась сетка. Перебор значений управляющих воздействий выполнялся переходом по узлам сетки. Время поиска вполне допустимо, поскольку размерность вектора управляющих воздействий в первой и второй группах зон .

В третью группу зон включим все секции зоны обжига и зону рекуперации. Целевая функция в данной группе зон:

(2)

Зона обжига состоит из семи секций, в каждой из них по одному управляющему воздействию. Общая размерность вектора управляющих воздействий в третьей группе зон , что делает неэффективным использование метода полного перебора. Поэтому поиск управляющих воздействий выполняется методом декомпозиции, который позволяет разделить общую задачу на ряд более простых, решаемых на нижнем уровне системы. Взаимодействием подсистем нижнего уровня управляет координатор. Структурная схема двухуровневой системы принятия решений приведена на рисунке 2.

Для управляющих подсистем задана задача оптимизации:

, (3)

где - расходы природного газа на соответствующую пару горелочных устройств.

Температура слоя на выходе из каждой i-й секции зоны обжига должна достигать заданного координатором значения с точностью ε.

(4)

Рис. 2 Двухуровневая система принятия решений

Значения температуры задаются координатором с учетом характера нагрева слоя окатышей и ограничений технологического регламента. Изменение температуры слоя в зоне обжига аппроксимируется функцией (5).

(5)

,

где Т₁ и T₂ – постоянные времени переходного процесса;

t – время нахождения окатышей в зоне обжига.

Подставляя в уравнение (5) вместо t время пребывания окатышей в зоне обжига до выхода из рассматриваемой секции, получим заданные значения температур слоя на выходе каждой секции зоны обжига. Подсистемы нижнего уровня выполняют поиск оптимального значения управляющего воздействия (расхода газа на пару горелок) методом золотого сечения.

В четвертую и пятую группу зон входят зоны охлаждения I и II. Целевая функция четвертой и пятой групп зон имеет вид:

. (6)

При минимальной температуре слоя на выходе из четвертой и пятой групп зон, охлаждающий слой передает теплоносителю максимальное количество тепла. Нагретый таким образом теплоноситель поступает в зону обжига, где для разогрева его до температуры обжига окатышей будет израсходовано минимальное количество природного газа. Поиск управляющих воздействий, соответствующих максимуму целевой функции, выполняется методом полного перебора, поскольку .

Заключение

Разработанная подсистема статической оптимизации позволяет определить параметры режима обжига слоя в зонах, соответствующие минимальному удельному расходу природного газа при заданной производительности машины с соблюдением требований регламента. Снижение удельного расхода природного газа стало возможным за счет повышения эффективности контроля и управления режимом обжига на основе оценки неизмеряемых параметров слоя окатышей в зонах ОМ. Моделирование работы подсистемы статической оптимизации показало возможность уменьшения удельного расхода природного газа на 3,5 %.

Литература:

1. Юсфин Ю.С., Пашков Н.Ф. Металлургия железа: учебник для вузов. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. – 464 с.

2. Юсфин Ю.С., Базилевич Т.Н. Обжиг железорудных окатышей. – М.: «Металлургия», 1973. – 272 с.

3. Кривоносов В.А., Пирматов Д.С. Математическая модель процесса обжига окатышей по зонам обжиговой машины для оптимизации режима. // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т.6. - №5. С. 128-132.

4. Кривоносов В.А., Пирматов Д.С. Повышение эффективности контроля и управления температурным режимом в АСУ ТП обжиговой машины. // Десятая Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Энергосбережение. Экология. Новые технологии». – Старый Оскол, 2013. – C. 148-152.