автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизированное проектирование параметров процесса термообработки углеродных материалов во вращающейся печи

На правах рукописи

КОВАЛЕВА Мария Александровна

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ВО ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

Специальность: 05.13.12 Системы автоматизации проектирования (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владикавказ - 2013

1 г СЕН 2013

005532914

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический университет)»

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Мешков Е.И.

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор, начальник управления научных исследований ФГБОУ ВПО СКГМИ (ГТУ) Хосаев Х.С.

к.т.н., заместитель заведующего отделом научно-технических разработок и внедрений НПК «Югцветметавтоматика» Сошкин Г.С.

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»

Защита диссертации состоится « 20 » сентября 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.246.01 при ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)» по адресу: 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, СКГМИ (ГТУ). Факс: (8672) 407-203. E-mail: info@skgmi-gtu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке СКГМИ (ГТУ).

Автореферат разослан «8» июля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.246.01 к.т.н. доц.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Производство спецсталей, цветных металлов, производство твердых сплавов, химическое производство, полупроводниковая промышленность, атомная энергетика, космическая техника, - все эти отрасли являются возрастающими потребителями материалов на основе углерода.

Эффективными направлениями решения задачи увеличения выпуска продукции следует считать совершенствование системы планирования и управления на основе применения экономико-математических методов, использования персональных компьютеров, разработкой систем автоматизированного проектирования. В настоящее время уровень развития вычислительной техники и научных исследований по технологии электродного производства позволяет синтезировать и решать сложные высокоинформативные математические модели технологических процессов, совершенствовать алгоритмы и методы их решения с целью анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР.

Одной из основных технологических операций в производстве электродной продукции является процесс прокалки углеродного материала при высокой температуре. Из всех известных в настоящее время технологических агрегатов для прокаливания кокса наибольшее распространение в промышленности трубчатые вращающиеся печи, которые характеризуются наименьшей стоимостью, простотой обслуживания, высокой производительностью, требуют минимальных затрат на обслуживание.

Создание высокоэффективной САПР возможно лишь на основе достаточно полного изучения свойств объекта проектирования, его характеристик, закономерностей процесса. Процесс в таких печах характеризуется сочетанием комплекса элементарных процессов: всех видов теплообмена, пиролизом прокаливаемого материала, горения топлива, материала с выделение летучих веществ, движением газа и материала, изменением структуры и свойств материала. Поэтому методология и математические модели такого процесса могут быть использованы для исследования и совершенствования многочисленных процессов в металлургической и горной промышленности при отработки карьера.

Важность совершенствования технологии электродного производства, современный уровень развития вычислительной техники и создание высокоинформативных, комплексных математических моделей технологических процессов, широкое применение барабанных вращающихся печей и универсальность процесса прокаливания углеродных материалов в них, а так же необходимость автоматизации технологической подготовки производства, -определяет актуальность темы настоящей диссертационной работы.

Цель работы: разработка алгоритмов и более точной и информативно комплексной математической модели процесса прокалки углеродного сырья, позволяющие автоматизировать проектирование параметров процесса термообработки углеродных материалов во вращающейся печи, а так же показать возможность применения разработанных методик для проектирования теплообменных процессов в других технологиях.

Объект исследования: система автоматизированного проектирования параметров процесса термообработки сыпучих материалов во вращающейся печи барабанного типа.

Предмет исследования: алгоритмы и математические модели технологического процесса для синтеза и анализа проектных решений термообработки нефтяного кокса во вращающейся печи.

Методы исследования включают в себя: методы автоматизированного проектирования и управления, моделирования технологических процессов; математическое программирование, зональный метод расчёта теплообмена в объектах с распределёнными параметрами, имитационное моделирование, корреляционны и регрессионный анализ, алгебру угловых коэффициентов излучения, интегрирование по контуру поверхностей теплообмена, методы статистической обработки данных; исследования промышленных объектов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Получены новые зависимости плотности потока топлива и содержания кислорода в газе, а так же длины факела от макрокинетической константы скорости, содержание кислорода в дутье и коэффициента избытка дутья, позволяющие проектировать параметры процесса горения газообразного топлива в кинетическом режиме.

2. Предложена методология расчёта и замены газообразного топлива сжиженным газом, позволяющая обеспечить резервным топливом промышленные агрегаты без изменения конструкций горелок.

3. Синтезированы машинно-ориентированные алгоритмы расчета угловых и обобщенных угловых коэффициентов излучения, зон выделяемых во вращающейся печи барабанного типа, в соответствии с зональным методом моделирования ее тепловой работы, позволяющая учитывать тепловые потоки между всеми зонами печи, а не только между смежными зонами.

4. Разработана методология определения температурного поля напряжений от действия отрицательной температуры среды в горном массиве, позволяющая рассчитать термодинамические параметры невзрывчатых разрушающих составов, необходимые для разрушения горных пород, и на основании этого корректировать составы для эффективной их работы.

Практическая значимость и ценность проведенных исследований заключается в использовании их для решения широкого круга практических

задач высокотемпературной теплотехники металлургической и горной промышленности.

С целью автоматизированного проектирования процессов термообработки сыпучих материалов в барабанной вращающейся печи разработан специальный программный продукт «Вращающаяся барабанная печь», который в отличие от неспециализированных программ, которые не могут охватить весь диапазон разнообразных процессов, протекающих при термообработке во вращающихся печах, позволяет оперативно выполнять синтез и анализ проектных конструкторских и технологических решений.

Синтезированный модульный программный комплекс и разработанные эффективные численные расчётные методы позволяют: проводить анализ экспериментальных исследований с целью повышения достоверности и возможности переноса результатов модельных экспериментов на натурные условия; проводить глубокие аналитические и численные исследования термогазодинамических и тепловых процессов на любых этапах проектирования отработки карьеров в сезонный период.

Результаты работы приняты для промышленного использования на ОАО «ТИЗ» (Терского известкового завода), что позволяет получить экономический эффект при полном объеме внедрения более 702 тыс. рублей в год.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в работе, подтверждается использованием законов теплофизики, сохранения массы химических компонентов, количества движения и энергии, теории численных методов; тестированием разработанного программного обеспечения, исследованием устойчивости и сходимости решений; соответствие результатов расчётов и экспериментальных данных.

Личное участие автора. Проведён критический анализ математических моделей предложенных различными отечественными и зарубежными исследователями. Автором лично или с участием соавторов разработаны и апробированы: общая математическая модель факельного выгорания топлива; математическая модель для расчета длины факела и распределение плотности потока топлива, концентрации кислорода по всей его длине; программный комплекс решения предложенной общей математической модели; протестирован разработанный программный комплекс, на известных результатах модельных экспериментов; рассчитаны температурные, газодинамических и излучающих характеристик различных высокотемпературных химически процессов во вращающейся печи и в горных породах при отработке карьеров.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15 научных трудах, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Апробация и внедрение результатов. Основные результаты работы

докладывались и обсуждались на: VI Международной конференции: «Инновационные технологии для устойчивого развития горных территорий» Владикавказ, 2007; XII Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза, 2008г.; X Международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века», Воронеж, май 2009; ежегодных научно-технических конференциях и семинарах в 2007-2012 гг., проводимых в СКГМИ (ГТУ), Владикавказ; технические совещания ОАО «ТИЗ» (Терского известкового завода), г. Владикавказ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 172 наименований и 3 приложений. Объем работы составляет 130 страниц машинописного текста, включающий 30 иллюстрации и 6 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость. Сформулированы цель и задачи исследований. Представлены основные научные положения, выносимые на защиту. Дается описание структуры и содержания диссертации. Дана общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе проанализировано состояние математического моделирования процессов термообработки в барабанных вращающихся печах. Эффективным для исследования и проектирования различных процессов является математическое моделирование. Благодаря значительному росту быстродействия и объема памяти, вычислительной техники появилась возможность существенно развить математические модели печных агрегатов, увеличить число учитываемых и варьируемых факторов, повысить точность расчетов, избежать многих упрощений, которые приходилось принимать в прежних моделях, наиболее эффективно проводить исследования закономерностей технологических процессов, вести поиск оптимальных режимов технологических систем.

Известны уравнения, описывающие кинетику прокалки, процессов горения топлива, материала в потоке движущегося газа, процессов выделения летучих веществ из углеродного материала, а также формирования его качества.

Необходимо выполнить синтез математических моделей процессов термообработки во вращающейся печи на примере процесса прокаливания углеродных материалов с созданием и применением при его исследовании машинно-ориентированных алгоритмов и программного продукта. Для повышения точности расчета теплообмена за счет учета переноса тепла по оси

печи, необходимо разработать математические модели и алгоритмы расчета угловых коэффициентов излучения. С целью проведения автоматизированного проектирования параметров процесса прокалки углеродных материалов во вращающейся барабанной печи, необходимо создать программный продукт.

Во второй главе представлены математические модели для автоматизированного проектирования параметров термообработки в барабанной вращающейся печи. Получено уравнение выгорания газообразного топлива в кинетическом режиме. Условие непрерывности потоков газа и дутья в одномерном факеле описывается следующим уравнением

5 • IV = 5 • IV + Б • — <Ь + 5 ■ Я• [V • С;Г сЬс,

(1)

где 51 - поперечное сечение факела (потока), м2; IV - объемная плотность потока газообразного топлива, м3/(с- м2); С"'" - текущая величина объемной доли кислорода в данном поперечном сечении факела, м3/м3; х - текущая координата факела, м; Рк - макроконстанта, определяющая линейную скорость выгорания топлива, 1/м.

После преобразования уравнения (1) получим дифференциальное уравнение выгорания топлива в одномерном факеле

(1\У с!х

а-1 -1К + 1У

1 а

' Р

■ 1К, или

(2)

где ¿у, - теоретический объем кислорода, необходимый для сжигания единицы топлива, м3/м3; 1Уп - начальное значение плотности потока топлива в факеле, м3/(с- м2); - доля кислорода в дутье; а - начальный коэффициент избыта дутья.

Аналитическое решение уравнения (2) для различных значений а имеет следующий вид

IV

= цг (сг-1)-ехр(-£ л-) 0 а — ехр(—В-х)

при аф 1,

(3)

где В = Рк-(а-I)/

1

а

IV = Щ

г\

к

+ 1

, при а= 1.

(4)

Р

Уравнение (4) представляет в основном только теоретический интерес, т.к. реально на практике топливо всегда сжигают с а > 1.

Аналитическое выражение зависимость доли потока топлива у, сгоревшего в факеле до поперечного сечения х от начала факела

у = I -

а-\1

(5)

чехр(-5-х)

Полученные зависимости являются математической моделью процесса выгорания газообразного топлива в одномерном факеле. Она позволяет рассчитывать степень выгорания топлива и длину факела, исследовать влияние основных факторов на процесс горения газообразного топлива и обоснованно подходить к его расчётам в промышленных агрегатах.

Во вращающейся печи в пределах каждого участка выделяют по три зоны: поверхность слоя материала (материал), поверхность футеровки (кладка) и объёмную газовую зону (газ), как показано на рисунке 1.

» ■ 11

я И я+2 ! ;(+»-! П" 2я-1 2л

шИ т'2 ! № ' /гт 1 1 (тяг! !!!■!'■ т-п-1

5,-1 1 2 /-1 1 / 1| И-1 2,> 2 >,• п

- 1 1 '

! / ! ! 2 /I / 1/+1 РЯ-1: +4! :

Рисунок 1 - Схема выделения зон рабочего объёма вращающейся печи

К замкнутой системе теплообмена рабочего пространства печи относятся ещё две поверхностные зоны - две воображаемые поверхности торцовых зон (торец 1 и торец 2)./, II, III - кладка, материал, газ; Я— внутренний радиус печи; р- центральный угол сегмента; 1,2, ...,j, ..., п- номера участка; 1, 2, ..., ..., п- номера зон материала, и + 1, п + 2, ..., у' + и,..., п- номера зон кладки; 2л + 1,2и + 1- номера торцовых зон; т+1, т + 2, ..., у' + от, ... , т + п - номера газовых зон. Общее количество зон системы теплообмена / составляет / = Ъп + 2, в том числе поверхностных зон материала п, поверхностных зон кладки п, поверхностных торцовых зон 2 и объёмных газовых зон п. Зоны материала, кладки и торцов составляют замкнутую систему поверхностных зон с общим количеством зон т = 2п + 2.

Предложена усовершенствованная последовательность расчёта и формирования матриц угловых коэффициентов излучения зон первого участка печи и со всех зон системы теплообмена, выделяемых в рабочем объёме вра-

щающейся печи барабанного типа, для моделирования её тепловой работы зональным методом. Расчёт теплообмена излучением основан на применении геометрических, обобщенных и разрешающих обобщённых угловых коэффициентов излучения. Синтезирована универсальная зависимость для определения обобщенных угловых коэффициентов излучения и выражается формулой

ФкА = <Рк,1 ехР

;=1

(6)

где (рк)— угловой коэффициент излучения; кр - коэффициент поглощения газа; ]- номер газовой зоны, расположенной между к-ъш излучателем и ;'-ым приёмником излучения; б - эффективная длина пути луча в газовой зоне; а -количество объёмных зон, через которые проходит излучение.

Анализ зависимостей позволил синтезировать следующие зависимости для расчёта значений общих коэффициентов поглощения:

-при к = \,2 ..., т\ 1 = 1,2..., т = ехр -при /( = 1,2..., т; ¡ = т +1...,] Йь.ехр

- при к = т + \ ...,/; 1 = 1,2..., т фк = <рк ехр

- при к= т + \..., I; г = «7 + 1 ..., 1 фкл ехр

ч

¡=р

И щ

т крр

(7)

Т^.ц-к

т рч рр К1=Р /

где р, ц - номер излучателя и приёмника, введены для написания алгоритмов.

Разработанные зависимости расчёта коэффициентов излучения использованы для составления компьютерных программ и позволяют выполнять автоматизированный расчёт радиационного теплообмена во вращающейся барабанной печи.

При проектировании математических моделей теплофизических процессов приходится часто учитывать движение среды, решать совместно уравнения теплопереноса и уравнения движения. Математические модели технологической системы «Прокаливание углеродных материалов во вращающейся печи» барабанного типа включает следующие уравнения: уравнения физико-химических превращений, уравнения теплообмена, усовершенствованные в

диссертационной работе уравнения процесса выгорания газообразного топлива в одномерном факеле и расчёта коэффициентов излучения.

В работе также предложена методология расчёта и замены газообразного топлива сжиженным газом. Все промышленные агрегаты, работающие на природном газе, должны быть обеспечены резервным топливом. Традиционно для этой цели использовали мазут, однако трудности, связанные с применением этого вида топлива, заставляют искать возможность использования альтернативного резервного топлива. Одним из таких вариантов может быть применение сжиженного углеводородного газа (СУГ), что позволит существенно упростить эксплуатацию действующего оборудования котельных, улучшить условия труда и обеспечить быстрый и простой переход с природного газа на СУГ. Устойчивая работа газогорелочных устройств характеризуется работой горелок без отрыва и проскока пламени при полноте выгорания газа, близкой к 100%. При этом необходимо, чтобы взаимозаменяемые газы работали в идентичных условиях по газовой динамике, что приводит к необходимости обеспечения идентичного расхода воздуха через горелку и равенства скоростей газов (природного и СУГ) на входе и выходе из горелки. Учитывая близкие значения скоростей распространения пламени для природного газа и СУГ это обеспечит одинаковую длину факела заменяемых газов и исключит проскок пламени.

Взаимозаменяемость газов без нарушений нормальной работы горелок допустима при отклонении числа Воббе одного газа от значения числа Воб-бе для другого на 5-7%. Чтобы обеспечить эквивалентный режим работы, выбираем из инструкции по эксплуатации диаметр трубопровода СУГ на линии газа горелки при работе на природном газе и рассчитываем сечение трубопровода СУГ. При пересчете давления и диаметра трубопровода СУГ можно заключить, что замена природного газа на СУГ при выборе горелок типа ГМГм возможна.

Полученные зависимости в дальнейшем использованы для составления компьютерных программ и позволяют выполнять автоматизированный расчёт для замены газообразного топлива сжиженным газом, без изменения конструкции горелки.

В третьей главе разработаны алгоритмы для автоматизированного проектирования параметров термообработки в барабанных вращающихся печах. Математические модели для проектирования тепловых процессов, полученные во второй главе, позволяют рассчитать основные параметры факельного горения газообразного топлива. Блок схема алгоритма решения математической модели горения газообразного топлива в кинетическом режиме в факеле представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Блок-схсма алгоритма расчета сжигания газообразного топлива

Результатом реализации этого алгоритма являются основные расчетные параметры этого процесса. Исходными данными алгоритма являются: начальная плотность потока топлива, W0; удельный расход кислорода на сжигание топлива, L02 ; начальный коэффициент избыта дутья, а; длина факела, L,¡;, степень недожига топлива, ту, первое приближение макроконстанты скорости горения топлива, Рк. Выходными параметрами реализации алгоритма при заданной длине факела являются: расчетное значение макроконстанты скорости горения, Рк (для выбора горелки); значение коэффициента избыта дутья, аТ0К;плотности потока топлива, IV; концентрации кислорода, Col', Доля выгоревшего топлива у в зависимости от координаты по длине факела. Перечисленные выходные данные рассчитываются для двух условий: а-1; а>\.

С целью реализации этого алгоритма и проведения автоматизированного расчёта разработан в среде визуального программирования MathCad 14 программный модуль, позволяющий рассчитать сжигание газообразного топлива в кинетическом режиме в одномерном факеле.

С целью автоматизированного расчёта радиационного теплообмена во вращающейся печи барабанного типа разработан в среде визуального про-

граммирования Delphi 8 программный модуль, обеспечивающий формирование матриц различного вида угловых коэффициентов излучения и коэффициентов радиационного обмена, входящий в программный продукт «Вращающаяся барабанная печь»

Алгоритм определения обобщённых коэффициентов излучения представлен в виде блок-схемы на рисунке 3.

Исходными данными алгоритма являются: настроечные коэффициенты, конструктивные размеры, первое приближение значений зональных температур и т.д.

На рисунке 4 приведена укрупнённая блок-схема последовательности расчётов для автоматизированного проектирования процесса прокаливания углеродного материала в барабанной вращающейся печи с использованием разработанных алгоритмов.

Рисунок 3 - Алгоритм определения Рисунок 4 - Укрупнённая блок-схема коэффициентов излучения и алгоритма расчёта процесса прокаливания радиационного обмена в барабанной вращающейся печи

Синтезирован программный продукт «Вращающаяся барабанная печь», применение которого позволит оперативно прорабатывать необходимое количество проектных вариантов и повысить качество принимаемых проектных решений.

В четвертой главе было проведено тестирование алгоритмов для автоматизированного проектирования параметров процесса термообработки сыпучих материалов в барабанной вращающейся печи. Методом имитационного моделирования с применением синтезированной математической модели, выполнена идентификация программного продукта «Вращающаяся барабанная печь» для прокалки нефтяного кокса в барабанной вращающейся пе-

Важные режимные параметры, оказывающие определяющее влияние на качество прокалённого продукта, — распределение температур материала, газа и футеровки, а также комплекс других параметров не доступны прямому измерению и могут быть рассчитаны решением математической модели исследуемого процесса. Наиболее значимыми параметрами в печи являются расход топлива, производительность комплекса, время пребывания материала в печи и расхода воздуха. Отклонения значений параметров вычисли-

тельного эксперимента от значений оценок математических ожиданий этих параметров промышленного эксперимента не превышает 4%.

Решение математической модели при значениях входных контролируемых параметров, аналогичных параметрам промышленного эксперимента, приведено на рисунке 6.

—..

/

/ \ ч ч

/ \ \ \ "X

..... V \Г _____Ы---

О 10 30 40

Длима печи, м

- Температура материала —О- Выделение летучих

--Температура ram —Угар углерода кокса

Рисунок 6 - Распределение по длине вращающейся печи температуры материала и газа, выделяющихся летучих веществ и угара материала

Результат параметрической идентификации подтверждает адекватность математической модели реальному процессу и возможность использования разработанной модели и алгоритма ее решения для автоматизированного проектирования параметров процесса прокаливания углеродных материалов в барабанной вращающейся печи, и обеспечить высокоэффективное управление технологическим процессом с минимизацией суммарных потерь уменьшением расхода природного газа.

Математические модели, полученные во второй главе, позволяют рассчитать полное выгорание топлива. Построение системы уравнений этой модели и решение их на персональном компьютере реализовано с применением пакета прикладных программ MathCad. На рисунке 7 приведены зависимости степени выгорания от длины факела при различных значениях макроконстанты Рк , остальные параметры соответствуют предыдущему расчету. Из графика следует, что увеличение параметра Рк при прочих равных условиях приводит к сокращению длины факела, т.е. увеличивается скорость горения. Это свидетельствует о том, что с ростом Рк факел горит в кинетическом режиме и его длина соответственно сокращается.

На рисунке 8 приведены зависимости степени выгорания от длины факела при различном начальном коэффициенте избытка дутья при Рк = 3.5. Остальные параметры оставлены без изменения.

Из данных рисунка 8 видно, что увеличение начального коэффициента избытка дутья при прочих равных условиях увеличивает скорость выгорания факела. Аналогичные результаты получены при исследовании влияния увеличения содержания кислорода в дутье, т.к. влияние этих факторов, по сути, идентично.

Длина факела, и

Длина факела, м

И* = 1.й

5 № = 3.5: 3 для Н< =7.5

к-к-х <1 = 1.3; осо... = 1.5

Рисунок 7 - Влияние макроконсшты Рк на степень выгорания факела

Рисунок 8 - Влияние коэффициента избытка дутья а на степень выгорания факела у по длине факелах

Для газообразного топлива макроконстанте Рк можно интерпретировать следующим образом

¡\ =

Л-С - «О в!

(8)

где константа т - доля негорючих компонентов в газообразном топливе.

Тогда, имея экспериментально измеренную длину факела при определенном расходе топлива Ы, м3/с, из (4) можно определить численное значение макроконстанты скорости реакции горения топлива к, м2/с, что в свою очередь позволяет найти зависимость длины факела от расхода топлива для исследуемой печи. Эта зависимость для описанных условий эксперимента при т = 0.1 имеет вид, представленный на рисунке 9. Её использование необходимо для оптимизации управления ходом технологического процесса.

Исследовано влияние основных параметров факела на степень выгорания топлива, что позволяет обосновано подходить к расчетам выгорания газообразного топлива в промышленных агрегатах.

22 20

го

| 18 го

■е-

ч:

14 12

1.4x10** 1.8х103 2,2x10"' 2.6х103

Рйсход топлива, мЗ/ч

Рисунок 9 - Зависимость длины факела Ьф, м, от расхода топлива О/, м3/ч, при рассчитанном значении макроконстанты скорости реакции горения топлива к = 7389 м2/ч, в условиях экспериментов на печи прокалки кокса

Взаимозаменяемость газов рассчитана для газомазутной горелки типа ГМГ-5м. С целью сравнительного анализа показателей работы горелок на газе и СУГ и получения исходных данных для расчетов процессов горения, выполнен расчет полного выгорания природного газа и СУГ.

В соответствии с режимными характеристиками горелки получена математическая модель, связывающая давление природного газа на входе в горелку с её теплопроизводительностью:

Р,„,, (0 = Ю6, Шд2 +23,149(9-28,686 (9)

где Рпр.г - давление природного газа, Па.

Для принятой доверительной вероятности у=0,99 критерий Фишера расчетный ^расч= 1,317-103, а табличный критерий Фишера Егл6л= 5,849. Поэтому модель значима с принятой доверительной вероятностью. В соответствии с режимными характеристиками горелки получена математическая модель, связывающая давление природного газа на входе в горелку с его расходом:

К,Ж,,,,) = 1,061 ■ 10 3 Р^ + 0,236^,. - 2,924 (10)

где Р„р г - давление природного газа, Па. Связь расходов газа и воздуха

.9,908 (I!)

у

у- X.................................

У у

.

Взаимозаменяемость газов без нарушений нормальной работы горелок допустима при отклонении числа Воббе одного газа от значения числа Воб-бе для другого на 5-7%, которое определяется:

Ноо П2)

где \Уо„р г, ¡Уосуг - соответственно, число Воббе для природного газа и СУГ Пересчитав взаимозаменяемость природного газа и СУГ по теплотворности, получили что взаимозаменяемость газов без нарушений нормальной работы горелок, исходя из (11), составляет: % = 0,664 %

На рисунках 10 и 11 представлены рабочие характеристики для природного газа и СУГ.

Полученные характеристики горелок позволяют выбрать необходимые режимы работы на рассматриваемых видах топлива, а найденные математические модели дают возможность легко пересчитать эти характеристики при изменении состава газов.

Рисунок 10 - Расходная Рисунок 11 - Расходная

характеристика горелки для характеристика горелки для СУГ

природного газа

На основании выполненных исследований можно сделать однозначный вывод о технической допустимости взаимозаменяемости природного газа на СУГ для горелок типа ГМГм без изменения их конструкции путем перестройки режима сжигания газов.

В главе так же представлен алгоритм определения оптимальных параметров процесса представлен на рисунке 12.

Рисунок 12 Алгоритм определения оптимальных параметров процесса

Исходными данными алгоритма являются: температура отходящих газов Т0/, температура материала на выходе из печи Тм\ скорость движения материала со; расход загружаемого материала, G„; газа, G/, воздуха, G„; разрежение в печи, Р.

Математические модели, разработанные в предыдущих разделах позволяют определить оптимальные значения параметров процесса. В качестве критерия оптимизации принимаем минимум угара прокаленного материала в рабочем пространстве печи. При этом необходимо обеспечить заданное качество прокаленного материала, которое определяется величиной пикно-метрической плотности прокаленного материала и его удельным элетросо-противлением.

Математическая цель оптимизации формулируется следующим образом

q -» min, dH>d\, (13) Р ^ Р*>

где q - угар материала в рабочем пространстве печи, %; dn - пикнометриче-ская плотность, г/см3; р- и удельное элетросопротивление, Ом-м прокаленного материала.

Знаком * обозначены заданные по технологии значения параметров.

Задача решается следующим образом:

1. Выбираем начальный уровень значений независимых переменных, входящих. Варьируем шаг по каждой переменной;

2. Методам планирования эксперимента находим с помощью полученных в главе 2 моделей оценки коэффициентов линейных моделей;

3. Решая задачу с учетом ограничений методом линейного программирования определяем оптимальные значения параметров прокалки углеродистого сырья: С„ , С,, ,Ов; Р .

С целью выбора оптимальной скорости ю„*, поставленная задача может быть решена при различных значениях сом, отличающихся от со„ (4-5 вариантов, из которых выбирается лучший.).

В пятой главе, представлены экспериментальные исследования тепловых процессов, происходящих на верхних горизонтах отрабатываемых нерудных месторождений открытым способом. При проектировании процессов статического разрушения горных пород требуется знать характер изменения их тепловых характеристик в зависимости от температуры среды. Это позволит рассчитать термодинамические параметры невзрывчатые разрушающие составы, необходимые для разрушения горных пород, и на основании этого корректировать составы для эффективной их работы.

Нижней границей охлажденных пород, подвергшихся в течение хотя бы короткого времени (не менее суток) отрицательной температурой, служит изотермическая поверхность с температурой 0°С. Полученные расчетные данные глубины охлаждения полностью согласуются с данными практики. Представленная модель учитывает фазовые переходы проникновения температуры в плоскость уступов и их влияние на разрушающее действие.

В лабораторных условиях термодинамическим методом, были проведены исследования по определению теплового равновесия, теплоотдачи, глубины проникновения «холода» и скорости теплового потока в массиве при различных значениях температуры среды, теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности как горных пород, так и льда.

Одновременное действие основных параметров (Тр, °С; I, сут.) на глубину охлаждения (/?, м) иллюстрируется на трехмерном графике, представленного на рисунке 13.

г, суш

50 40 30 20 10 0 . ^

" 1 ■■■ 1 1 1 ' ........ ~ о

Л,.и «

Рисунок 13 - Влияние температуры среды и продолжительность ее воздействия на глубину охлаждения

Измерение температур осуществлялось термопарами, которые вставлялись в пробуренные шпуры малой глубины (10-12см), расположенные, соответственно, на расстоянии 5, 10 и 20 см от стенок трещин со льдом, представлено на рисунке 14.

Рисунок 14 - Модель формирования температурного поля разрушения поверхностного слоя пород в режиме отрицательных температур

Наблюдение в течении двух лет за состоянием экспериментальных участках уступов показывает, что за это время от суммарного действия указанных напряжений произошло разрушение на глубину более 820 мм, а сам профиль уступов напоминает сплошную линию.

Вычисленные значения температурного поля полностью согласуются с параметрами в реальных условиях. На предприятиях были установлены от-

Вч<) А

корректированные границы промерзания в нарушенных породах от динамического воздействия.

Выполненные исследования позволили решить актуальную проблему разрушения (отбойки) пород в осенне-зимний период. На базе полученных данных выданы рекомендации предприятиям по сохранности уступов (берм), обеспечивающих безопасность работающих и качество отбиваемого массива, разработана математическая модель расчета тепловыделения в реальных условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические и технологические решения по разработке математических моделей, алгоритмов и программного продукта для автоматизированного проектирования параметров процесса термообработки сыпучих материалов в барабанной вращающейся печи с целью автоматизации синтеза и анализа конструкторских и технологических решений и повышения эффективности промышленной технологии прокалки углеродных материалов.

Основные теоретические и практические результаты диссертации заключаются в следующем.

1. Разработаны математические модели для САПР процессов термообработки во вращающейся печи на примере процесса прокаливания нефтяного кокса с созданием и применением при его проектировании машинно-ориентированных алгоритмов и программного продукта для промышленной вычислительной техники.

2. Предложена методология расчёта и замены газообразного топлива сжиженным газом, с целью обеспечения резервным топливом промышленных агрегатов без изменения конструкций горелок.

3. С целью создания программного продукта «Вращающаяся барабанная печь» усовершенствованы и разработаны математические модели и машинно-ориентированные алгоритмы: расчета факельного сжигания в кинетическом режиме газообразного топлива для определения оптимальных параметров горения; - алгоритмы расчёта и формирования матриц угловых и обобщенных коэффициентов излучения всех зон системы теплообмена, выделяемых в рабочем объёме вращающейся печи барабанного типа, с целью моделирования её тепловой работы зональным методом.

4. Синтезирован общий алгоритм решения комплексной математической модели технологической системы «Прокаливание нефтяного кокса во вращающейся печи».

5. Для автоматизированного проектирования процесса прокаливания нефтяного кокса в барабанной вращающейся печи с использованием разработанных алгоритмов разработан программный продукт «Вращающаяся барабанная печь» - средство автоматизированного проектирования параметров

процесса термообработки сыпучих материалов. Установлена адекватность комплексной математической модели реальному процессу.

9. Выполнены проектные расчеты замены газообразного топлива на СУГ для различных горелок, которые показали возможность использования резервного топлива (СУГ) без изменения конструкций горелки.

10. Предложена методика определения распространения температурного поля напряжений от действия отрицательной температуры среды, наличия «льда» в трещинах, поверхностного слоя пород и сил «тектоники».

11. Рекомендована экономико-математическая модель по определению рациональной области применения технологических способов оформления бортов и уступов, был получен на ОАО «ТИЗ» (Терского известкового завода) экономический эффект при полном объеме внедрения не менее 702 тыс. рублей в год.

12. Программный продукт «Барабанная вращающаяся печь» внедрен в НПК «Югцветметавтоматика», с предполагаемым экономическим эффектов 1200 тыс. рублей в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Работы в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Рутковский А.Л., Мешков Е.И., Ковалева М.А., Бекаревич A.A. Математическое моделирование процесса факельного сжигания газообразного топлива. // Цветные металлы. Москва-2009. -№1. - С. 75-78.

2. Мешков Е.И., Герасименко Т.Е., Ковалёва М.А. Алгоритмы расчёта и формирования матриц геометрических и обобщённых угловых коэффициентов излучения рабочего пространства вращающейся печи барабанного типа. // Известия вузов. Цветная металлургия. Москва. 2009. - № 5 - С. 55 - 60.

3. В.Н. Пустобриков, О.Ч. Хугаев, A.JI. Рутковский, М.А. Ковалева Исследование процесса разупрочнения поверхностного слоя пород в режиме отрицательных температур среды. // Естественные и технические науки. Мо-сква,—2011. - №4. - С. 342-349.

Публикации в других научно-технических изданиях

4. Ковалева М.А., Рутковский А.Л., Алейникова В.П., Степанова С.С. Исследование и выбор параметров взаимозаменяемости при сжигании природного газа и сжиженных углеводородных газов. // Цветная металлургия. Москва. 2007. - №10. - С.34-38.

5. Рутковский А.Л., Мешков Е.И., Давидсон A.M., Зурабов А.Т., Ковалева М.А. Исследование процесса факельного сжигания газообразного топлива. // Инженерно-физический журнал. Белоруссия, Минск. 2009. - Т. 82 .-№ 1. -С. 134- 140.

6. Rutkovskii A. L., Meshkov Е. I., Davidson А. М., Zurabov А. Т., Kovaleva М. A. Investigation of the process of jet burning of gaseous fuel. // Journal of en-

gineering physics and thermophysics, USA, New York. 2009. - Volume 82, Number 1,-P. 133-139.

7. M. A. Kovaleva, E. I. Meshkov, Т. E. Gerasimenko. Algorithms of calculation and formation of matrices of the geometrical and generalized angular radiation coefficients for the working space of a rotating furnace. // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. USA, New York. 2009. - Volume 50, Number 5. - P. 500506.

8. M.A. Ковалева, B.H. Пустобриков, A.J1. Рутковский, О.Ч. Хугаев Исследование тепловых процессов при охлаждении скальных пород в карьерах.// СОО АНВШ РФ, Сборник научных трудов. Владикавказ. 2011. - №9. -С. 9-14.

9. В.Н. Пустобриков, О.Ч. Хугаев, A.JI. Рутковский, М.А. Ковалева Тре-щинообразование поверхностного слоя пород воздействием температуры. // Труды молодых ученных. РАН. Владикавказский центр. 2011 - №3-4 -С. 85-94.

10. Мешков Е.И., Герасименко Т.Е., Ковалева М.А. Математическая модель и алгоритм ее решения для системы автоматизированного проектирования процесса прокаливания углеродных материалов в барабанной вращающейся печи. // Цветная металлургия. Москва. 2012. - №4. - С.53-56.

Материалы межвузовских и международных конференций:

11. Ковалева М.А., Рутковский A.JL, Алейникова В.П., Степанова С.С. Исследование и выбор параметров взаимозаменяемости при сжигании природного газа и сжиженных углеводородных газов. // Инновационные технологии для устойчивого развития горных территорий: Тез. докл. IV Междунар. конф. 28-30 мая 2007. - г. Владикавказ, 2007. - С. 697-700.

12. Ковалева М.А., Рутковский A.JI. Исследование процесса факельного сжигания газообразного топлива математическим моделированием. // XII Международная научно-практическая конференция «Современные технологии в машиностроении»: Тез. докл. декабрь 2008. - г. Пенза, 2008. - С. 61-67.

13. Рутковский A.JI, Болотаева И.И., Ковалева М.А. Машинно-ориентированный алгоритм расчета плотности теплового потока через двухслойную плоскую стенку. // XII Международная научно-практическая конференция «Современные технологии в машиностроении»: Тез. докл. декабрь 2008. - г. Пенза, 2008. - С. 70-73.

14. Ковалева М.А., Рутковский A.JI. Алгоритмы расчёта теплообмена во вращающейся печи барабанного типа. // X Международная научно-техническая конференция «Кибернетика и высокие технологии XXI века»: Тез. докл май 2009. - г. Воронеж, 2009. - С. 869-875.

15. Мешков Е.И., Ковалёва М.А. Алгоритмы расчёта обобщённых угловых коэффициентов излучения во вращающейся печи. // Молодая мысль: Наука. Технологии, Инновации: Докл. I межвуз. науч. конф. - г. Братск. - 2009 - С 310-314.

Подписано в печать 04.07.13. Формат бумаги 60x80 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Печать на ризографе. Усл. п.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № i Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Изд-во «Терек». Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)»

КОВАЛЕВА Мария Александровна

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ВО ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

Специальность: 05.13.12-Системы автоматизации проектирования (технические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201361161

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Мешков Е.И.

Владикавказ - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 Состояние математического моделирования САПР процессов термообработки в барабанных вращающихся печах

1.1 Анализ методов математического моделирования и проектирования процессов термообработки в барабанной вращающейся печи Выводы по главе 1

9

36

Глава 2 Разработка математических моделей для САПР

термообработки в барабанной вращающейся печи 37

2.1 Математические модели факельного сжигания газообразного топлива 37

2.2 Математические модели для расчета угловых коэффициентов излучения 45

2.3 Математические модели для проектирования взаимозаменяемости газа и сжиженного топлива 50

2.4 Комплексная математическая модель термообработки

во вращающейся печи барабанного типа 53

Выводы по главе 2 57

Глава 3 Разработка алгоритмов для САПР термообработки в барабанных вращающихся печах

3.1 Алгоритмы для проектирования факельного сжигания газообразного топлива

3.2 Машинно-ориентированные алгоритмы расчёта коэффициентов излучения и коэффициентов радиационного теплообмена

3.3 Алгоритм решения моделей комплекса «Прокаливание нефтяного кокса во вращающейся печи»

Выводы по главе 3

58

58

61

65 68

Глава 4 Эксплуатация алгоритмов для САПР процессов термообработки сыпучих материалов в барабанной вращающейся печи 69

4.1 Проектирование технологии процесса термообработки углеродных материалов в барабанной вращающейся печи 69

4.2 Проектирование взаимозаменяемости природного газа

на сжиженный для горелок различного типа 73

4.3 Определение оптимальных параметров процесса 78 прокалки углеродных материалов в барабанной вращающейся печи

Выводы по главе 4 83

Глава 5 Применение разработанных методов проектирования

для аналогичных тепловых процессов в горной 84 промышленности

5.1 Исследование распространения температурного поля напряжений от действия отрицательной температуры среды, наличие «льда» в трещинах, поверхностного слоя 85 пород

5.2 Исследование тепловой модели промерзания массива в

системе «воздух - массив» 101

5.3 Температурное поле поверхности массива в осенне-зимний период 105

5.4 Определение теплофизических свойств при различных тепловых режимах 108 Вывод по главе 5 128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 129

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 131

ПРИЛОЖЕНИЯ 149

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Производство спецсталей, цветных металлов, производство твердых сплавов, химическое производство, полупроводниковая промышленность, атомная энергетика, космическая техника, - все эти отрасли являются возрастающими потребителями материалов на основе углерода.

Эффективными направлениями решения задачи увеличения выпуска продукции следует считать совершенствование системы планирования и управления на основе применения экономико-математических методов, использования персональных компьютеров, разработкой систем автоматизированного проектирования. В настоящее время уровень развития вычислительной техники и научных исследований по технологии электродного производства позволяет синтезировать и решать сложные высокоинформативные математические модели технологических процессов, совершенствовать алгоритмы и методы их решения с целью анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР.

Одной из основных технологических операций в производстве электродной продукции является процесс прокалки углеродного материала при высокой температуре. Из всех известных в настоящее время технологических агрегатов для прокаливания кокса наиболее распространены в промышленности трубчатые вращающиеся печи, которые характеризуются наименьшей стоимостью, простотой обслуживания, высокой производительностью, требуют минимальных затрат на обслуживание.

Создание высокоэффективной САПР возможно лишь на основе достаточно полного изучения свойств объекта проектирования, его характеристик, закономерностей процесса. Процесс в таких печах характеризуется сочетанием комплекса элементарных процессов: всех

видов теплообмена, пиролизом прокаливаемого материала, горения топлива, материала с выделение летучих веществ, движением газа и материала, изменением структуры и свойств материала. Поэтому методология и математические модели такого процесса могут быть использованы для исследования и совершенствования многочисленных процессов в металлургической и горной промышленности при отработки карьера.

Важность совершенствования технологии электродного производства, современный уровень развития вычислительной техники и создание высокоинформативных, комплексных математических моделей технологических процессов, широкое применение барабанных вращающихся печей и универсальность процесса прокаливания углеродных материалов в них, а так же необходимость автоматизации технологической подготовки производства, - определяет актуальность темы настоящей диссертационной работы.

Цель работы: разработка алгоритмов и более точной и информативной комплексной математической модели процесса прокалки углеродного сырья, позволяющие автоматизировать проектирование параметров процесса термообработки углеродных материалов во вращающейся печи, а так же показать возможность применения разработанных методик для проектирования теплообменных процессов в других технологиях.

Объект исследования: система автоматизированного проектирования параметров процесса термообработки сыпучих материалов во вращающейся печи барабанного типа.

Предмет исследования: алгоритмы и математические модели технологического процесса для синтеза и анализа проектных решений термообработки нефтяного кокса во вращающейся печи.

Методы исследования включают в себя: методы автоматизированного проектирования и управления, моделирования

технологических процессов; математическое программирование, зональный метод расчёта теплообмена в объектах с распределёнными параметрами, имитационное моделирование, корреляционный и регрессионный анализ, алгебру угловых коэффициентов излучения, интегрирование по контуру поверхностей теплообмена, методы статистической обработки данных; исследования промышленных объектов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Получены новые зависимости плотности потока топлива и содержания кислорода в газе, а так же длины факела от макрокинетической константы скорости, содержание кислорода в дутье и коэффициента избытка дутья, позволяющие проектировать параметры процесса горения газообразного топлива в кинетическом режиме.

2. Предложена методология расчёта и замены газообразного топлива сжиженным газом, позволяющая обеспечить резервным топливом промышленные агрегаты без изменения конструкций горелок.

3. Синтезированы машинно-ориентированные алгоритмы расчета угловых и обобщенных угловых коэффициентов излучения, зон выделяемых во вращающейся печи барабанного типа, в соответствии с зональным методом моделирования ее тепловой работы, позволяющие учитывать тепловые потоки между всеми зонами печи, а не только между смежными зонами.

4. Разработана методология определения температурного поля напряжений от действия отрицательной температуры среды в горном массиве, позволяющая рассчитать термодинамические параметры невзрывчатых разрушающих составов, необходимые для разрушения горных пород, и на основании этого корректировать составы для эффективной их работы.

Практическая значимость и ценность проведенных исследований

заключается в использовании их для решения широкого круга

практических задач высокотемпературной теплотехники металлургической и горной промышленности.

С целью автоматизированного проектирования процессов термообработки сыпучих материалов в барабанной вращающейся печи разработан специальный программный продукт «Вращающаяся барабанная печь», который в отличие от неспециализированных программ, которые не могут охватить весь диапазон разнообразных процессов, протекающих при термообработке во вращающихся печах, позволяет оперативно выполнять синтез и анализ проектных конструкторских и технологических решений.

Синтезированный модульный программный комплекс и разработанные эффективные численные расчётные методы позволяют: проводить анализ экспериментальных исследований с целью повышения достоверности и возможности переноса результатов модельных экспериментов на натурные условия; проводить глубокие аналитические и численные исследования термо-газодинамических и тепловых процессов на любых этапах проектирования отработки карьеров в сезонный период.

Результаты работы приняты для промышленного использования на ОАО «ТИЗ» (Терского известкового завода), что позволяет получить экономический эффект при полном объеме внедрения более 702 тыс. рублей в год.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в работе, подтверждаются использованием законов теплофизики, сохранения массы химических компонентов, количества движения и энергии, теории численных методов; тестированием разработанного программного обеспечения, исследованием устойчивости и сходимости решений; соответствием результатов расчётов и экспериментальных данных.

Личное участие автора. Проведён критический анализ математических моделей предложенных различными отечественными и

7

зарубежными исследователями. Автором лично или с участием соавторов разработаны и апробированы: общая математическая модель факельного выгорания топлива; математическая модель для расчета длины факела и распределение плотности потока топлива, концентрации кислорода по всей его длине; программный комплекс решения предложенной общей математической модели; протестирован разработанный программный комплекс, на известных результатах модельных экспериментов; рассчитаны температурные, газодинамических и излучающих характеристик различных высокотемпературных химически процессов во вращающейся печи и в горных породах при отработке карьеров.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15 научных трудах, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Апробация и внедрение результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: VI Международной конференции: «Инновационные технологии для устойчивого развития горных территорий» Владикавказ, 2007; XII Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза, 2008г.; X Международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века», Воронеж, май 2009; ежегодных научно-технических конференциях и семинарах в 2007-2012 гг., проводимых в СКГМИ (ГТУ), Владикавказ; технических совещаниях ОАО «ТИЗ» (Терского известкового завода), г. Владикавказ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 172 наименований и 3 приложений. Объем работы составляет 130 страниц машинописного текста, включающий 30 иллюстрации и 6 таблиц.

Глава 1 Состояние математического моделирования САПР процессов термообработки в барабанных вращающихся печах

1.1 Анализ методов математического моделирования и проектирования процессов термообработки в барабанной

вращающейся печи

Создание методологии научного исследования, основанного на анализе физико-химических эффектов в химико-технологических системах, является одной из важнейших проблем. Поэтому развитие работ по моделированию химико-технологических процессов в аппаратах и создание методологии научного исследования, основанной на анализе физико-химических эффектов, автоматизации исследований и применению мощной быстродействующей вычислительной техники и информационных технологий позволит ускорить процесс создания систем автоматизированного проектирования (САПР) сложных химико-технологических комплексов и систем управления ими.

Задача проектирования является многокритериальной, причем некоторая часть критериев, как правило, не формализована полностью. Это вызывает необходимость решать проблемы, связанные с разработкой и усовершенствованием вычислительных методов, алгоритмов и процедур.

Необходимым начальным этапом автоматизированного проектирования при этом становится математическое описание объекта управления. Оно выполняется на основании физических и химических законов, которым подчиняются управляемые процессы.

Известно, что сам метод математического моделирования позволяет разрабатывать математические модели технологических систем и систем управления ими в виде некоторого функционального оператора, осуществляющего в общем случае нелинейные преобразования. Таким образом, развитие работ по моделированию химико-технологических процессов, автоматизации исследований и применению современной

вычислительной техники и информационных технологий становится необходимым условием дальнейшего развития автоматизированного проектирования сложных технологических объектов и систем управления ими [1].

Основу математического обеспечения САПР технологического процесса составляют алгоритмы и методики решения задач технологического проектирования. В соответствии с алгоритмами разрабатывают впоследствии программное обеспечение и выполняют автоматизированное проектирование.

Принципы и понятия математического моделирования в последнее время получили существенное развитие. Оно связано с интенсивным применением информационных технологий и вычислительной техники. Использование мощных программных комплексов при расчете процессов и аппаратов химической технологии дает возможность значительно сократить время от исследования процесса до его внедрения в промышленность. Построение математической модели объекта может производиться несколькими методами: аналитическим, экспериментальным и экспериментально-аналитическим [2-5].

Одним из основных этапов автоматизированного проектирования

является разработка алгоритмов поставленных задач. Система

рассматривается как "черный ящик", т. е. как система, содержание которой

неизвестно, и определяется состав входных и выходных параметров, в

соответствии с рисунком 1.1. Далее выполняется разделение системы на

части и определяется способ управления. Ввиду сложности

технологических процессов при их проектировании обычно вводится ряд

упрощающих допущений. В этом случае осуществляется анализ

взаимосвязи входных и выходных параметров без рассмотрения физико-

химических закономерностей самого процесса. В этих случаях на

основании экспериментальных данных с помощью статистических

методов составляется регрессионная модель процесса, адекватно

описывающая реальный технологический процесс на некотором интервале изменения его параметров [6].

Возмушения

2

, .1 I

Входы X

М7

У Выходы

и

Управляющие воздействия Рисунок 1.1- Элемент химико-технологической системы

Для моделирования систем с распределенными параметрами [71 используют уравнения с частными производными, которые выводятся на основании фундаментальных законов сохранения энергии для соответствующих физических величин. Это обусловлено возможностью использования моделей для анализа статических и динамических характеристик объекта, выбора критериев оптимальности и ограничений, решения задач прогнозирования и оценки точности [8,9].

Основной проблемой в области проектирования систем управления сложными технологическими объектами является создание методов, рассчитанных на использование вычислительной техники и принципов системного анализа.

Успешное математическое моделирование печных агрегатов было бы невозможным без создания конкретных методик расчета тепловых процессов в печах, обобщения практических данных о работе печных агрегатов, анализа опыта по проектированию печей.

В 50-е годы Е.Г. Двейрин впервые в мировой практике применил

электронную цифровую машину для расчетов металлургических печей

[10]. Первые работы проводились на быстродействующей вычислительной

машине марки М-2, были созданы математические модели, выполнены

и

исследования нагрева металла в методической печи, проведен анализ теплов�