автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Прогнозирующая система управления процессом охлаждения технологических газов плавильных электропечей

На правах рукописи

Бискуб Константин Николаевич

ПРОГНОЗИРУЮЩАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ ПЛАВИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 АВГ 2013

005532080

На правах рукописи

Бискуб Константин Николаевич

ПРОГНОЗИРУЮЩАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ ПЛАВИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования«Норильский индустриальный институт» (г. Норильск)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Писарев Александр Иванович

Мурыгин Александр Владимирович,

доктор технических наук, профессор, Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева, зав. кафедрой

Информационно-управляющих систем

Черняк Зиновий Александрович,

доктор технических наук, Технический директор ЗАО «ПРОМТЕХ»

Ведущая организация:

ФГАБОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск

Защита состоится «20» сентября 2013 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.249.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева» по адресу: 660014, г. Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский рабочий», 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева.

Автореферат разослан «20» августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кузнецов Александр Алексеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. По уровню выбросов вредных веществ в атмосферу цветная металлургия превосходит все сырьевые отрасли промышленности, создавая высокую экологическую проблему в районах действия металлургических предприятий.

Норильск занимает восьмую позицию рейтинга среди десяти самых загрязняемых городов мира. Содержание загрязняющих веществ в атмосфере Норильска редко бывает ниже 4-5 ПДК (предельно допустимая концентрация), доходя до 25,8 ПДК (диоксид азота), 35,6 ПДК (диоксид серы) и даже 120 ПДК (формальдегид).

Одним из источников загрязнения атмосферы в металлургии являются выбросы неочищенных технологических газов плавильных электропечей. Постоянный рост производства цветных металлов привел к увеличению объема выброса технологических газов четырех плавильных электропечей Надеждинского металлургического завода до уровня 1600 млн. м3 в год. При этом более 5 % этого объема выбрасывается в атмосферу без какой-либо очистки в результате аварийного отключения газоочистительного оборудования.

Результаты исследований, проведенных в области эксплуатации систем управления процессом очистки технологического газа, свидетельствуют об актуальности совершенствования методов и средств предотвращения аварийных отключений технологического оборудования.

Проблемам совершенствования систем газоочистки посвящены работы Л.В. Чекалова, С.П. Жебровского, М.Н. Швеца, АЛО. Пирогова, А.З. Рыжавского, Т.П. Братова, из зарубежных ученых можно выделить В. Страуса, Н.Селла, Ф. Керри, К. Озмера, которые занимались выявлением основных факторов, влияющих на температуру технологического газа, моделированием процесса охлаждения технологических газов в сруббере-охладителе и способами, позволяющих снизить незапланированные отключения газоочистительного оборудования.

Однако в известных работах не содержится решение проблемы эффективного управления технологическими процессами газоочистки и предотвращения аварийных отключений технологических систем плавильных электропечей.

Таким образом, разработка систем управления процессом охлаждения технологических газов, повышающих эффективность газоочистки, является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы - разработка прогнозирующей системы управления (ПСУ) процессом охлаждения технологических газов, обеспечивающей предотвращение аварийных отключений технологического оборудования за счет прогнозирования температуры технологических газов при возникновении возмущений. Задачи исследования:

1. Проведение анализа существующих методов очистки технологических газов и систем автоматического управления газоочистки.

2. Разработка математической модели процесса охлаждения технологического газа.

3. Разработка прогнозирующей системы автоматического управления охлаждением технологического газа в процессе их очистки.

4. Разработка верхнего уровня программного обеспечения для интеграции системы управления охлаждением технологического газа в АСУ ТП предприятия.

5. Проведение теоретических и экспериментальных исследований прогнозирующей системы управления процессом охлаждения технологического газа.

з

I

Объект исследования - процесс охлаждения технологического газа плавильной электропечи.

Предмет исследования - управление температурой технологических газов плавильной электропечи.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса охлаждения технологического газа плавильных электропечей.

2. Вычислительный алгоритм для адаптации параметров математической модели процесса охлаждения технологического газа плавильных электропечей.

3. Пакет прикладных программ для управления процессом охлаждения технологического газа плавильных электропечей.

Научная новизна:

1. Получена математическая модель (ММ) процесса охлаждения технологического газа плавильных электропечей, которая учитывает следующие факторы: расход распылительной воды, подаваемой в скруббер, положение аварийной задвижки скруббера-охладителя, температура в печи, положения входных и выходных запирающих клапанов рукавных фильтров, положение направляющей задвижки перед дымососом, расход воздуха на 1-й, 2-й ступени дожига СО. При этом учитывает динамику переходных процессов и нелинейность поведения объекта.

2. Разработаны ММ прогнозирующих регуляторов объекта газоочистки для различных режимов управления на основе ранее полученной ММ объекта управления, использующие следующие управляющие воздействия: расход распылительной воды, подаваемой в скруббер, положение аварийной задвижки скруббера-охладителя и расход воздуха на 1-й ступени дожига СО.

3. Разработан алгоритм постоянной адаптации параметров ММ объекта газоочистки с использованием наблюдающего устройства, который позволяет повысить точность управления объектом газоочистки. При этом адаптируются исключительно те параметры ММ, которые позволяют в первую очередь снизить ошибку прогнозирования, учитывая наличие шумов в сигналах входных факторов ММ объекта управления.

Достоверность полученных результатов, защищенная приоритетом авторских публикаций, подтверждена корректным применением математического аппарата в ходе проведения моделирования процесса охлаждения технологических газов плавильных электропечей и удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных значений научных результатов.

Значение для теории. Разработана ММ процесса охлаждения технологических газов плавильных электропечей.

Значение для практики. Разработана и внедрена в практическую эксплуатацию прогнозирующая система управления процессом охлаждения технологических газов плавильных электропечей, позволяющая стабилизировать температуру технологических газов для снижения аварийных отключений газоочистительного оборудования.

Реализация результатов работы. В процессе работы над диссертацией было создано программное обеспечение (ПО № 2011610292, «Прогнозирующая система управления процессом охлаждения технологических газов плавильной электропечи (версия 2.0)»), выполняющее функции прогнозирующей системы управления. Прогнозирующая система управления процессом охлаждения технологических газов плавильной электропечи была внедрена в производство Надеждинского металлургического завода имени Б.И. Колесникова.

Методы исследования. Задачи решались на основе методов современной теории управления, корреляционного, регрессионного анализа и параметрической оптимизации. При разработке программного обеспечения системы управления использовался лицензионный программный продукт Microsoft Visual С++ 6.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на II Региональной научной конференции «Научный потенциал Норильского промышленного района - XXI век» (Норильск, 2009), II Международной научно-практической конференции «Роль науки в устойчивом развитии общества» (Тамбов, 2010), XV Международной научно-практической конференции «Наука и современность - 2012», (Новосибирск, 2012), II Международной научно-практической конференции «Перспективы и темпы научного развития» (Тамбов, 2012), VI Международной научно-практической конференции» Перспективы развития информационных технологий» (Новосибирск, 2012), VIII Всероссийской научно-практической конференции «Стратегия устойчивого развития регионов России» (Новосибирск, 2012), VI Международной научной конференции «Актуальные вопросы современной науки» (Санкт-Петербург, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них: статей в рецензируемых изданиях по списку ВАК - 3; статей в сборниках научных работ - 8.

Объем н структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 147 страниц текста, 66 рисунка и 7 таблиц. Список литературы содержит 129 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика проблемы, обоснована актуальность выбранной темы, определены цель и задачи исследования. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассмотрено современное состояние изучаемого вопроса.

Системы управления процессами очистки технологического газа, существующие в настоящее время, не всегда эффективны, что приводит к «выбросам» в атмосферу неочищенных, ядовитых газов в объеме 25000 м3 в день в результате работы одной плавильной электропечи.

Для исключения выбросов неочищенного газа в атмосферу предусмотрена газоочистка, которая осуществляется в два этапа. Первый этап происходит в мокром механическом пылеуловителе - скруббере-охладителе, в котором улавливается крупная фракция пыли. Второй этап очистки осуществляется в сухом механическом пылеуловителе — рукавном фильтре, в котором улавливается более мелкая фракция пыли.

На рисунке 1 изображена технологическая схема охлаждения и очистки газов плавильных электропечей. Газ из электропечи по газоходу поступает в скруббер-охладитель и попутно дожигается через три ступени дожига СО. Охлаждённый в скруббере газ по двум газоходам поступает на вторую ступень очистки - в рукавный фильтр, в котором улавливается пыль за счёт фильтрации газов через пористые перегородки рукавов.

Рисунок 1 — Технологическая схема охлаждения и очистки газов плавильных электропечей: 1 - три ступени дожига СО; 2 - клапан аварийно свечи;

3 - регулятор распылительной воды; 4 - регулятор распылительного воздуха;

5 - распылительные форсунки; 6 - запирающие клапаны рукавных фильтров А и В; 7 - дымосос; 8 - направляющая задвижка; 9 - аварийная задвижка

При температуре технологических газов на выходе скруббера выше 260 °С запирающие клапаны рукавных фильтров закрываются (т.к. срабатывает автоматика безопасности) и весь неочищенный газ поступает в атмосферу через клапан аварийной свечи, минуя очистку в рукавных фильтрах. На рисунке 2 приведен пример аварийного срабатывания автоматики отключения рукавных фильтров.

а) температура в печи; б) температура на выходе скруббера-охладителя; в) положение запорных клапанов рукавных фильтров

В ходе исследований были выявлены следующие причины возникновения критических значений температуры технологических газов в 260 °С, в ходе которых происходит аварийные отключения технологических систем охлаждения и очистки газов:

1. Резкий рост температуры отходящих газов в результате заливки конвертерного шлака, сопровождающегося стремительным ростом температуры в плавильной электропечи.

2. Включение системы очистки газов после останова, при котором возникает тепловой удар по рукавным фильтрам вследствие неточной первичной установки управляющих воздействий, а именно ошибки в расчетах объема технологического газа и расходах охлаждающей воды скруббера-охладителя и расхода 1-й ступени дожига СО.

3. Неустранимые «выдувы», вызванные непродолжительными (не более 20 секунд) и сильными (до +30 кгс/м2 или +300 Па) скачками давления, приводящими к резкому росту температуры в печи и соответственно резкому росту отходящих газов. Такие процессы возникают в большинстве случаев при засыпании влажного материала в печь и при перевороте шихтового материала в печи во время плавки.

Снижение количества аварийных отключений возможно за счет прогнозирующей системы управления, основной целью которой является поддержание постоянного значения температуры технологических газов плавильной электропечи.

Прогнозирующая система управления должна решать следующие задачи:

1. Прогнозировать на 15 минут (на время переходных процессов) температуру технологических газов.

2. Осуществлять автоматическое управление установками очистки технологических газов по прогнозу для максимальной стабилизации их температуры. При этом управление может осуществляться следующим образом:

а) управление только расходом распылительной воды;

б) управление только первой ступенью дожига СО;

в) совместное управление 1-й ступенью дожига СО и расходом воды.

3. Производить автоматические кратковременные отключения с последующим включением установки очистки газов длительностью до 1 часа для очищения рукавных фильтров от накопившейся пыли.

Во второй главе на основании выполненных теоретических исследований разработана модель охлаждения технологических газов плавильных электропечей. Модель позволяет прогнозировать температуру технологических газов при возникновении возмущений.

Были определены основные факторы, которые влияют на температуру технологических газов на выходе скруббера-охладителя Тскр. Исходя из технологии ведения процесса охлаждения технологических газов, на рисунке 3 представлен перечень управляющих воздействий и измеряемых возмущений, влияющих на регулируемый параметр.

Возмущения

Тп 7* ц ^-(.'1 /¡0 Z11 Р2СД ^ЗС

0) :э § (

о 03 [ г,г

8 § £ < о ^ . ^ЛГР

пз <о 1 'и::

о

5; <9 \

Регулируемая величина

Рисунок 3 - Структурная схема объекта управления (скруббера-охладителя)

где расход распылительной воды, подаваемой в скруббер; 7.ЛКГ - положение аварийной задвижки; Тп - температура в печи; Z01, , -положения входных и выходных запирающих клапанов рукавных фильтров А и В; 2Н — положение направляющей задвижки; Рхсд, Ргсд, Ръсд — расход воздуха на 1-й, 2-й и 3-й ступени дожига СО.

Для создания математической модели определялась степень влияния перечисленных факторов на ТС№ при помощи взаимных корреляционных функций:

— ! \ ^Х^СКР! ~ Теш-) (*/'«) Кт^, (г) - " .- при Г > 0 ,

где г - временной сдвиг; N - объем выборки;

1скр! — значения регулируемого параметра на ¡-м шаге; Тскр - среднее значение регулируемого параметра; - значения .¡-ого фактора на ¡-ом шаге; х/ - среднее значение .¡-ого фактора; <тт - среднеквадратическое отклонение регулируемого параметра; о, — среднеквадратическое отклонение ]-го фактора.

Для выявления влияния отдельных факторов на выходной параметр проведены активные эксперименты. В процессе исследований один из факторов (за исключением температуры в печи) ступенчато изменялся, а все остальные были стабилизированы. Пример графиков взаимных корреляционных функций представлен на рисунке 4.

.до г. Г, С

400 200 300 , 400

Рисунок 4 - Графики взаимных корреляционных функций: а) канал «температура в печи - температура на выходе скруббера»; б) канал «расход распылительной воды - температура на выходе скруббера»

В таблице 1 сведены основные показатели взаимных корреляционных функций по каждому фактору.

Показатели взаимных корреляционных функций по факторам

Таблица 1

№ n/n Фактор Xj Экстремум функции кта,х, (г)> еД- Временной сдвиг г,, с

1 T +0.98 0

2 F 1 ГВ -0.91 201

3 7 ABP -0.82 235

4 7 +0.91 203

5 Zoi +0.93 195

6 7 10 +0.82 240

7 Zu +0.83 234

8 ZH +0.75 151

9 F Г1СД -0.83 163

10 F Г2СД -0.87 140

11 F гзсд -0.16 123

Как видно из представленной выше таблицы и графиков взаимных корреляционных функций, между факторами д:,и Тскр имеется либо положительные, либо отрицательные зависимости с соответствующими задержками, но отсутствует зависимость между хп и Тск[,.

Рассчитанные зависимости в свою очередь соответствуют технологии управления скруббером-охладителем, так как замечено в ходе продолжительной эксплуатации этим объектом, то есть распылительная вода и воздух дожига СО понижают температуру технологических газов плавильной печи. В то время как температура в печи, запорные клапаны рукавных фильтров и направляющая задвижка повышают температуру технологического газа. Отсутствие зависимости между расходом воздуха 3-й ступени дожига СО и температурой технологических газов объясняется тем, что место подключения трубопровода 3-й ступени дожига СО к газоходу находится ближе к аварийной заслонке «свече», чем к скрубберу-охладителю.

На основании проведенных исследований автором предлагается эмпирическая математическая модель скруббера-охладителя с учетом динамики переходных процессов, которую можно выразить следующей-системой уравнений:

'W('-4)!dt + V0(t -r„) = К0тп (/);

- Z„ (t)K6 (ZmZm +Zl0Zn)x ■x(Kl + FrB (t)K2 + Fv:j,K, + Flc/]Kt + ZABPK5);

TldVl(t-T,)/dt + Vi(t-Tl) = U(t);

Tckp {t) = yo{t-h) + ^{t~^) + TCKn,

где тп (г) - переменная температура в печи;

Т0 — постоянная времени реакции по каналу «температура в печи — температура технологических газов»;

т0 - время запаздывания реакции по каналу «температура в печи - температура технологических газов»;

2т, 2(л, 2Ю, 2И - относительные положения входных и выходных запирающих клапанов первого и второго рукавных фильтров соответственно;

2И (г) - переменное положение направляющей задвижки;

2ЛВР - относительное положение аварийной задвижки;

Ррв (0 _ переменный расход распылительной воды, подаваемой в скруббер;

Р\сд > расход воздуха на первой и второй ступени дожига СО;

Кц...К5— коэффициенты регрессии;

К6 — нормирующий коэффициент;

Тх — постоянная времени реакции по каналам «положение направляющей задвижки

- температура технологических газов», «положения запирающих клапанов - температура технологических газов», «расход распылительной воды - температура технологических газов» и т.п.;

г, - время запаздывания реакции по каналам «положение направляющей задвижки

- температура технологических газов», «положения запирающих клапанов - температура технологических газов», «расход распылительной воды - температура технологических газов» и т.п.;

У0((-т0),У,{1-т,),и(1)-промежуточные переменные;

Тскр (/) - переменная температура технологических газов на выходе скруббера-охладителя;

ТСКР0 - начальная температура технологических газов в скруббере-охладителе.

В качестве входных переменных модели приняты: температура в печи, относительное положение направляющей задвижки и расход распылительной воды. Выходная переменная —температура технологических газов на выходе скруббера-охладителя.

Структурная схема модели скруббера-охладителя приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Структурная схема модели скруббера-охладителя

На схеме приняты следующие обозначения блоков: К0...К6- пропорциональные блоки; £ — блоки суммирования; П — блоки перемножения;

—-—, —---передаточные функции инерционных блоков;

Г0у +1 7^5 +1

е~'°", е-'1* - передаточные функции блоков запаздывания.

Разработанная математическая модель скруббера-охладителя учитывает следующие характеристики объекта управления:

1. Статические показатели (коэффициенты регрессии К0...К5).

2. Динамические показатели поведения объекта (постоянные времени реакции Т0, Т{ и время запаздывания реакции г0, г,).

3. Нелинейность поведения объекта (наличие в регрессионной модели произведений между факторами).

Представленные выше характеристики математической модели позволяют ее использовать в прогнозирующей системе управления (ПСУ) для управления инерционным скруббером-охладителем в реальном времени.

Для точной оценки параметров математической модели объекта управления был использован метод наименьших квадратов (МНК-идентификация), т.е. метод оценки параметров математической модели путем минимизации квадратической ошибки:

{т{м)гтэ.)

^ /=о

где М ={ко, Т0, Т,, г0, г,}- точка многомерного пространства (параметры

математической модели скруббера-охладителя); т(м)~ рассчитанное значение температуры технологических газов на выходе скруббера-охладителя на ¡-шаге; Тэ, - экспери-

ментальное значение температуры технологических газов на выходе скруббера-охладителя на ¡-шаге.

В качестве алгоритма МНК-идентификации математической модели используется градиентный спуск первого порядка.

Уточненные параметры математической модели J(M), найденные при помощи

МНК-идентификации, имеют следующие значения: К0 =0.31; К\ =453.3; ^=-42.3; К} =-0.018; К4 =-0.018; К5=-0.25; Т0=Ъс; К6= 0.5; г0=10с; 7; = 278с; г,=87с; Г =-212

На рисунке 6 представлены графики теоретических и экспериментальных значений температуры технологических газов на выходе скруббера-охладителя.

Вычисленный индекс корреляции Я ■■

К^-г,)2

! 0.95 показывает достаточно

хорошее совпадение теоретических и экспериментальных данных.

260 255 250 245 240 235 230 225 220

т V

СА7"

1,С

Экспериментальные значения Рассчитанные значения

Рисунок 6 - Экспериментальные и рассчитанные значения температуры газов на выходе скруббера-охладителя

Использование представленной модели позволяет построить прогнозирующую систему управления, которая значительно улучшает качество регулирования температуры технологических газов.

В третьей главе разработана прогнозирующая система управления процессом охлаждения технологических газов плавильной электропечи.

Для достижения минимальной ошибки управления был выполнен синтез автоматического регулятора, математическая модель которого представлена в виде системы уравнений:

Г0</К0 (/ - г0)/Л + Уд (< - г0) = тп (I)К0■ Щ = \/{к2к6гн (1)(гтг01+2,0ги));

х{() = к6ги((){гтг01 + г10гп)х Х(К1 + Р1СДК, + РгсдКА + глврК,);

Тскр

Рг (0 = а (0- (б, 0--г,) ■+Г» (<- Го) ■+ Тст ); (0=^(0^(0-

где О — задающее воздействие, обычно равное 230 °С;

Ки - коэффициент передачи в ветви интегрирования;

/', ((), г,), 02(<) - промежуточные переменные.

Регулятор построен по принципу комбинированного регулирования, в нем реализуется одновременно регулирование по возмущению и отклонению, что обеспечивает наиболее высокую точность регулирования, при этом происходит компенсация контролируемых возмущений. При этом в качестве управляющего воздействия выступает расход распылительной воды, а в качестве контролируемых возмущений - температура в печи, положение направляющей задвижки, запорные клапаны рукавных фильтров, расход 1-й и 2-й ступени дожига СО. Структурная схема математической модели прогнозирующего регулятора для реализации функции регулирования расходом распылительной воды представлена на рисунке 7.

■ Г'Г'уГ-.;!.'»'",'"К,- !

М............

.............ьчмь

•'•П.Ч

ълп >-

Рисунок 7 - Структурная схема прогнозирующего регулятора: £)"' - блок вычисления обратной величины

Разработанные модели объекта управления и регулятора позволяют реализовать прогнозирующую систему управления, структурная схема которой представлена на рисунке 8.

Прогнозирующая ал

a управления —

Прогнозатор

Адаптивный наблюдатель

Регулятор

Возмущения

~Я —'-«' Fi "fi) '-Ц ' !<Ж

; 1 1 M I

Скруббер-охладитель

Регупируетя величина

Рисунок 8 - Структурная схема прогнозирующей системы управления

ПСУ состоит из четырех блоков.

Блок «Адаптивный наблюдатель» представляет собой устройство наблюдения, адаптирующее все параметры математической модели скруббера-охладителя (ММСО) с целью минимизации ошибки прогнозирования. К таким параметрам относятся регулируемая величина, возмущения и управляющие воздействия. В качестве алгоритма оптимизации параметров ММСО используется градиентный спуск.

Блок «Прогнозатор» — устройство прогнозирования температуры технологических газов скруббера-охладителя, использующее его математическую модель.

Блок «Регулятор» — прогнозирующий регулятор, использующий математическую модель прогнозирующего регулятора, может иметь различное количество управляющих воздействий в зависимости от режима управления.

Блок «Скруббер-охладитель» - объект управления.

Важной особенностью прогнозирующей системы управления является наличие в структуре системы блока «Адаптивный наблюдатель», который позволяет дополнительно компенсировать следующие возмущения:

1. Нестабильность параметров модели объекта управления и характеристик датчиков.

2. Снижение герметичности установки очистки газов во время ее отключения из-за

изнашивания запирающих клапанов рукавных фильтров и направляющей задвижки

перед дымососом.

В четвертой главе решена задача интеграции прогнозирующей системы управления в АСУ ТП предприятия Надеждинского металлургического завода имени Б.И. Колесникова, а также представлены результаты экспериментальных исследований.

Верхний уровень АСУ ТП реализуется на рабочих станциях и серверах, он осуществляется специализированным программным обеспечением, которое обеспечивает обратную связь между диспетчером или оператором и элементами нижнего уровня АСУ ТП.

Отличительная особенность разработанной системы управления - возможность взаимодействия с большинством SCADA-систем и встраиваемость в АСУ ТП предприятия за счет использования промышленного стандарта связи, например ОРС. Разработка велась на языке высокого уровня Microsoft Visual С++ 6.

Схема интеграции прогнозирующей системы управления в АСУ ТП представлена на рисунке 9.

Wintern ИТ limuty

-N

ore - «шн1

I СШ:0С*}М

ÖPC - eepsep

WinCC

ГММЧЮ ст&т&я

Cöt& 14:1^.1-У *>! ЙЙЫНШ

trxtlifiirfot В ttem&

Ктпртпезры Sitmem S^mHc S7«W

Рисунок 9 - Схема интеграции системы управления

ПСУ встраивается в структуру под управлением промышленного контроллера Siemens Simatic S7 400 на станциях операторов электропечи, на которых установлены SCADA-системы Siemens WinCC 5.0. В ПСУ реализована клиент-серверная архитектура, позволяющая взаимодействовать с нею нескольким одинаковым операторским станциям, которые связаны единой сетью передачи данных и подключены к контроллеру. Схема информационной системы плавильной электропечи и установок охлаждения и очистки газов представлена на рисунке 10.

Сеть гвгродвчи данимх WXHWfflWBftW»

процесса f;itiwjf>j,if fi/terrtci

Л(хумышпенхви швь РтЮш-ОР

Датчики и исполнительные механизмы, установленные на технологическом \ оС-оручЪвании ткттыюи ычишцътк'Щ! и с» уатлюво* охтхФи-шя и очистки гаю я

Рисунок 10 — Схема информационной системы плавильной электропечи и установок охлаждения и очистки газов

Интерфейс состоит из двух частей: индикаторной кнопки и окна системы. На рисунке 11 представлена мнемосхема «ЭП-1. Газоудаление» и ее элементы, которые автоматически контролируются и регулируются.

4 5 6 7 8 9

?." 1

Рисунок 11 - Мнемосхема системы управления на станции оператора

На рисунке 11 приняты следующие обозначения:

1 - индикаторная кнопка, интегрированная в существующую мнемосхему «ЭП-1. Газоудаление» (элемент предназначен для запуска системы, отображения основного окна и вывода короткой информации о режиме управления системы);

2 - контроль возмущения - температуры под сводом печи (контур датчика - TI-1827);

3 - регулирование управляющего воздействия - локальный контур регулирования (ЛКР) расходом 1-й ступени дожига СО (контур JIKP - FIC-1836 и контур датчика - FI-1835);

4 - контроль возмущения - расхода 2-й ступени дожига СО (контур датчика — FIC-1833);

5 - контроль возмущения - расхода 3-й ступени дожига СО (контур датчика - F1C-1831);

6 - регулирование управляющего воздействия - ЛКР расходом распылительной воды скруббера-охладителя (контур ЛКР-Р1С-1814 и контур датчика - FI-1813);

7 - регулирование управляющего воздействия - ЛКР положением аварийной задвижки (контур ЛКР - TIC-1818);

8 - контроль регулируемой величины - температуры перед рукавными фильтрами (контур виртуального датчика-TIC-1826);

9 - контроль возмущений - положений запирающих клапанов перед и после рукавных фильтров (контуры клапанов -HS-1807.1, HS-1807.2, HS-1809.1, HS-1809.2);

10 - контроль возмущения - положения направляющей задвижки (контуры задвижки - Р1С-1830).

Разработанная система и ее интерфейс могут быть легко интегрированы в существующие системы автоматического управления и диспетчеризации процессов газоочистки плавильных электропечей.

Были проведены несколько экспериментальных исследований разработанной системы управления по сравнению с предыдущим алгоритмом управления и ручным управлением.

Основная задача первого экспериментального исследования заключалась в определении и сравнении эффективности управления с использованием ПИ-регулятора и управления с использованием прогнозирующей системы.

Для уточнения качественных показателей работы и надежности разработанной прогнозирующей системы были проведены промышленные испытания, цель которых -определение способности компенсировать возмущения различных алгоритмов управления. В качестве искусственного возмущения использовался скачок расхода первой ступени дожига СО с уровня 12000 нм3/ч до 16000 нм3/ч.

График изменения расхода первой ступени дожига СО представлен на рисунке 12.

Рисунок 12 — График изменения расхода первой ступени дожига СО В ходе первого этапа исследования процесс управления происходил с помощью контроллера, реализующего ПИ-закон регулирования с оптимальными параметрами, а в ходе второго этапа - на основе новой прогнозирующей системы. Результаты проведенного эксперимента представлены в виде графиков на рисунке 13.

ПИ-регулятор

Прогнозирующая система управления

За^ашч снстт 230.0 С

Т

системе 1200с

Рисунок 13 - Сравнительные графики результатов активного эксперимента при управлении ПИ-регулятором и прогнозирующей системы управления: а) динамика расхода распылительной воды во время управления ПИ-регулятора; б) динамика температуры технологических газов во время управления ПИ-регулятора; в) динамика расхода распылительной воды во время управления прогнозирующей системы; г) динамика температуры технологических газов во время управления прогнозирующей системы

Экспериментальные исследования новой прогнозирующей системы управления показали существенное улучшение качественных показателей управления по сравнению с типовой системой, работающей по ПИ-алгоритму .Таким образом, произошло снижение среднеквадратической ошибки управления с 16,9 до 3,0 °С и среднемодульной ошибки - с 13,5 до 2,0 °С.

Основная задача второго экспериментального исследования заключалась в определении и сравнении эффективности управления с использованием знаний оператора-технолога и управления с использованием прогнозирующей системы.

В ходе этих исследований была собрана статистика, результаты которой представлены в таблице 2. Данные были рассчитаны на основе недельной статистики управления технологическими объектами газоочистки. Это в сумме составляло 20 восьмичасовых рабочих смен, в процессе которых все 5 операторов-технологов поочередно управляли технологическим процессом с использованием и без использования прогнозирующей системы управления.

Таблица 2

Сравнительный анализ видов уп равления

Характеристики управления регуляторов Без использования ПСУ С использованием ПСУ

Время управления 38 % (8 смен) 62% (12 смен)

Количество аварийных режимов 7 аварий 1 авария

Общая продолжительность аварийных режимов 689 с 99 с

Как видно из таблицы 2, система использовалась в 62 % времени (12 смен). При этом во время автоматического управления газоочисткой аварийный режим (отключение рукавных фильтров из-за высокой входной температуры) наступил однажды, когда происходила чистка газохода. Продолжительность аварийного отключения составляло 99 с. В ручном режиме управления газоочистка находится в 38 % времени (8 смен). При этом было насчитано 7 аварийных отключений, в ходе которых весь неочищенный технологический газ выбрасывался в атмосферу через аварийную заслонку (рисунок 1, позиция 2). Общая продолжительность аварийных отключений составляло 689 секунд.

Таким образом, вероятность появления разового аварийного отключения газоочистки в восьмичасовую рабочую смену без использования ПСУ составляет 79 %, с использованием ПСУ - 8 %, т.е. улучшение приблизительно в 10 раз. Среднее время разового аварийного отключения в восьмичасовую рабочую смену без использования ПСУ составляет 91 с, с использованием ПСУ - 8 с, т.е. улучшение приблизительно в 11 раз. Экспериментальные исследования показали снижение вероятностей аварийных отключений по сравнению с управлением технологическим процессом оператором-технологом.

В итоге, tía основе двух подробных исследований можно сделать вывод, что новая система управления за счёт прогнозирующей математической модели технологического процесса лучше компенсирует тепловые возмущения, чем ПИ-регулятор и оператор-технолог.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На улучшение качества управления процессом охлаждения технологических газов плавильных электропечей влияет отсутствие резких изменений возмущений (температура, объем технологических газов и т.п.) и точность математической модели регулятора, компенсирующего эти возмущения.

2. Разработана математическая модель процесса охлаждения технологических газов плавильных электропечей, которая позволяет учитывать статические и динамические показатели поведения объекта, а также нелинейность поведения объекта, что значительно улучшает качество регулирования температуры технологических газов.

3. Разработан алгоритм прогнозирующего управления объектом газоочистки, который применяется для оптимизации всех адаптируемых параметров математической модели: коэффициентов регрессии, постоянных времени и величин времени запаздывания.

4. Разработана прогнозирующая система управления процессом охлаждения технологических газов плавильной электропечи, интегрированная в структуру АСУ ТП с помощью промышленного контроллера Siemens Simatic S7 400, SCADA-системы Siemens WinCC 5.0.

5. Экспериментальные исследования ПСУ показали, что вероятность появления разового аварийного отключения газоочистки в восьмичасовую рабочую смену без использования ПСУ составляет 79 %, с использованием ПСУ - 8 %, среднее время разового аварийного отключения в восьмичасовую рабочую смену без использования ПСУ составляет 91 с, с использованием ПСУ - 8 с.

6. Результаты работы внедрены в производство на Надеждинском металлургическом заводе имени Б.И. Колесникова (ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель»).

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Бискуб К.Н., Писарев А.И. Математическая модель охлаждения технологических газов плавильных электропечей / К.Н. Бискуб, А.И. Писарев. - Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия «Информатика. Телекоммуникации. Управление», 2010. Вып. 6(113)2010, с. 81-87.

2. Бискуб К.Н. Прогнозирующая система управления процессом охлаждения технологических газов плавильной электропечи / К.Н. Бискуб. - Экология и промышленность России, 2012, с. 26-29.

3. Бискуб К.Н.. Адаптивный наблюдатель прогнозирующей системы управления процессом охлаждения технологических газов плавильной электропечи / К.Н. Бискуб. - Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева / Под ред. проф. И.В. Ковалева, СибГАУ. -Вып. 2 (48). - Красноярск, 2013.-е. 165-171.

Прочие основные публикации по теме диссертации:

4. Бискуб К.Н., Писарев А.И. Утилизация технологических газов плавильный обед-нительных электропечей / К.Н. Бискуб, А.И. Писарев. - «Научный потенциал Норильского промышленного района». Сб. науч. статей. - Норильск, НИИ, 2009, с. 3-9.

5. Бискуб К.Н. Прогнозирующая система управления процессом охлаждения технологических газов плавильных электропечей / К.Н. Бискуб. - «Роль науки в устойчивом развитии общества». Сб. трудов 2-й международной научно-практической конференции. - Тамбов, 24-25 декабря 2010, с. 125-128.

6. Бискуб К.Н. Основной функции системы управления процессом охлаждения технологических газов плавильной электропечи / К.Н. Бискуб. - «Наука и современность». Сб. науч. статей - Новосибирск, 2012, с. 85-91.

7. Бискуб К.Н. Интеграция системы управления охлаждением технологических газов плавильной электропечи в существующую информационную систему / К.Н. Бискуб. - «Перспективы и темпы научного развития», Сб. науч. статей — Тамбов, 2012, с. 45-48.

8. Бискуб К.Н. Основной интерфейс системы управления процессом охлаждения технологических газов плавильной электропечи / К.Н. Бискуб. - «Перспективы развития информационных технологий», Сб. науч. статей - Новосибирск, 2012, с. 88-93.

9. Бискуб К.Н. Экологическая проблема аварийного отлучения газоочистительного оборудования плавильных электропечей / К.Н. Бискуб. - «Стратегия устойчивого развития регионов». Сб. науч. статей - Новосибирск, 2012, с. 137-141.

10. Бискуб К.Н. Применение адаптивного наблюдателя прогнозирующей системы управления процессом охлаждения технологических газов плавильной электропечи / К.Н. Бискуб. - Международный научно-исследовательский журнал - Екатеринбург, 2013, с. 63-67.

11. Бискуб К.Н. Адаптивные системы управления / К.Н. Бискуб. - «Актуальные вопросы современной науки». Сб. трудов 6-й международной научной конференции. - Санкт-Петербург, 30-31 мая 2013, с. 7-16.

Разработка, зарегистрированная в Реестре программ для ЭВМ РФ:

12. Биекуб К.Н. Прогнозирующая система управления процессом охлаждения технологических газов плавильной электропечи (версия 2.0) / Св-во гос. Регистрации № 2011610292 от 12.10.2010.

ЛР №021341 от 19.05.99. Подписано в печать 10.07.2013. Формат 60x84 1/16. Гарнитура Times New Roman. Печать плоская. Бум. для. копир.-мн.ап. Физ.печ.л. 1,5. Усл.печ.л. 1,3. Уч.-изд.л. 1,12. Тираж 100 экз. Заказ №99.

Редакционно-издательский отдел ФГОУВПО «НИИ» 663310, Норильск, ул. 50 лет Октября, 7. E-mail: RlQ@norvuz.ru

Отпечатано в отделе ТСОиП ФГОУВПО «НИИ»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «НОРИЛЬСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ» ФГБОУ ВПО «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА М.Ф. РЕШЕТНЕВА»

На правах рукописи

04201361294

Бискуб Константин Николаевич

ПРОГНОЗИРУЮЩАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ ПЛАВИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент, Писарев Александр Иванович

Красноярск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.................................................................4

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДУЕМОЙ ПРОБЛЕМЫ.........................10

1.1. Характеристика технологического процесса утилизации технологических газов плавильных электропечей.....................................11

1.2. Анализ процесса охлаждения технологических газов плавильных электропечей как объекта управления.........................................................22

1.3. Анализ существующих систем управления процессов охлаждения технологических газов...................................................................................31

1.3.1. Контроль и автоматизация пылеулавливающих установок..........................................33

1.3.2. Типовое решение автоматизации мокрой очистки газов...............................................36

1.4. Выводы.....................................................................................................38

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ В СКРУББЕРЕ-ОХЛАДИТЕЛЕ ПЛАВИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ....................................40

2.1. Скруббер-охладитель как объект моделирования...............................40

2.2. Разработка математической модели процесса охлаждения технологических газов в скруббере-охладителе.........................................43

2.3. Выводы.....................................................................................................57

ГЛАВА 3. ПРОГНОЗИРУЮЩАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ ПЛАВИЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ....................................................................58

3.1. Особенности металлургических процессов как объектов автоматического управления и регулирования...........................................58

3.2. Разработка прогнозирующей системы управления процессом охлаждения технологического газа плавильной электропечи...................61

3.3. Выводы.....................................................................................................93

ГЛАВА 4. ИНТЕГРАЦИЯ ПРОГНОЗИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ И ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ ПЛАВИТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ В АСУ ТП ПРЕДПРИЯТИЯ................................................................................................94

4.1. Схема интеграции ПСУ в АСУ ТП предприятия.................................94

4.2. Интерфейс информационной системы плавильной электропечи ....101

4.2.1. Запуск системы................................................................................................................105

4.2.2. Режимы управления системы.........................................................................................107

4.2.3. Описание основных функций системы.........................................................................112

4.3. Результаты экспериментальных исследований разработанной системы управления очистки и охлаждения технологических газов плавильной электропечи..............................................................................121

4.4. Выводы...................................................................................................129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................130

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................133

ПРИЛОЖЕНИЕ 1............................................................................................146

ПРИЛОЖЕНИЕ 2............................................................................................147

ПРИЛОЖЕНИЕ 3............................................................................................148

ПРИЛОЖЕНИЕ 4............................................................................................149

АСУ ТП

АСУ ММ ОЭП-1 УОГ-1

пж

АРМ МНК ПСУ

SCADA

ОРС ЖР РФ

ПИ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Автоматическая система управления технологическими процессами Автоматическая система управления Математическая модель Электрообеднительная печь №1 Установка очистки газа №1 Программируемый логический контроллер Автоматизированное рабочее место Метод наименьших квадратов Прогнозирующая система управления Supervisory Control And Data Acquisition (диспетчерское управление и сбор данных) OLE for Process Control Локальный контур регулирования Рукавные фильтры Пропорциональный, интегральный, дифференциальный

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. По уровню выбросов вредных веществ в атмосферу цветная металлургия превосходит все сырьевые отрасли промышленности, создавая высокую экологическую проблему в районах действия металлургических предприятий.

Норильск занимает восьмую позицию рейтинга среди десяти самых загрязняемых городов мира. Содержание загрязняющих веществ в атмосфере Норильска редко бывает ниже 4-5 ПДК (предельно допустимая концентрация), доходя до 25.8 ПДК (диоксид азота), 35.6 ПДК (диоксид серы) и даже 120 ПДК (формальдегид).

Одним из источников загрязнения атмосферы в металлургии являются выбросы неочищенных технологических газов плавильных электропечей. Постоянный рост производства цветных металлов привел к увеличению объема выброса технологических газов четырех плавильных электропечей Надеждинского металлургического завода до уровня 1600 млн. м в год.

Результаты исследований, проведенных в области эксплуатации систем управления процессом очистки технологического газа, свидетельствуют об актуальности совершентсвования методов и средств предотвращения аварийных отключений технологического оборудования.

Проблемам совершенствования систем газоочистки посвящены работы Л.В. Чекалова, С.П. Жебровского, М.Н. Швеца, А.Ю. Пирогова,

A.З. Рыжавского, Т.П. Братова, из зарубежных ученых можно выделить

B. Страуса, Н. Селла, Ф. Керри, К. Озмера и др. Однако в известных работах не содержится решение проблемы эффективного управления технологическими процессами газоочистки и предотвращения аварийных отключений технологических систем.

Таким образом, разработка систем управления процессом охлаждения технологических газов, повышающих эффективность газоочистки, является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы - разработка прогнозирующей системы управления (ПСУ) процессом охлаждения технологических газов, обеспечивающей предотвращение аварийных отключений технологического оборудования за счет прогнозирования температуры технологических газов при возникновении возмущений.

Задачи исследования:

1. Проведение анализа существующих методов очистки технологических газов и систем автоматического управления газоочистки.

2. Разработка математической модели процесса охлаждения технологического газа.

3. Разработка и исследование прогнозирующей системы автоматического управления охлаждением технологического газа в процессе их очистки.

4. Разработка верхнего уровня программного обеспечения для интеграции системы управления охлаждением технологического газа в АСУ ТП предприятия.

5. Проведение теоретических и экспериментальных исследований прогнозирующей системы управления процессом охлаждения технологического газа.

Объект исследования - процесс охлаждения технологического газа плавильной электропечи.

Предмет исследования - управление температурой технологических газов плавильной электропечи.

Научная новизна:

1. Получена математическая модель (ММ) процесса охлаждения технологического газа плавильных электропечей, которая учитывает следующие факторы: расход распылительной воды, подаваемой в скруббер, положение аварийной задвижки скруббе-ра-охладителя, температура в печи, положения входных и вы-ходных

запирающих клапанов рукавных фильтров, положение направляющей задвижки перед дымососом, расход воздуха на 1-й, 2-й ступени дожита СО. При этом учитывает динамику переходных процессов и нелинейность поведения объекта.

2. Разработаны ММ прогнозирующих регуляторов объекта газоочистки для различных режимов управления на основе ранее полученной ММ объекта управления, использующие следую-щие управляющие воздействия: расход распылительной воды, подаваемой в скруббер, положение аварийной задвижки скруб-бера-охладителя и расход воздуха на 1-й ступени дожига СО.

3. Разработан алгоритм постоянной адаптации параметров ММ объекта газоочистки с использованием наблюдающего устрой-ства, который позволяет повысить точность управления объек-том газоочистки. При этом адаптируются исключительно те па-раметры ММ, которые позволяют в первую очередь снизить ошибку прогнозирования, учитывая наличие шумов в сигналах входных факторов ММ объекта газоочистки.

Достоверность полученных результатов, защищенная приоритетом авторских публикаций, подтверждена корректным применением математического аппарата в ходе проведения моделирования процесса охлаждения технологических газов плавильных электропечей и удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных значенийнаучных результатов.

Значение для теории. Развиты теоретические положения прогнозирования процесса охлаждения технологических газов плавильных электропечей.

Значение для практики. Разработана и внедрена в практическую эксплуатацию прогнозирующая система управления процессом охлаждения технологических газов плавильных электропечей,

позволяющая стабилизировать температуру технологических газов для снижения аварийных отключений газоочистительного оборудования.

Реализация результатов работы. В процессе работы над диссертацией было создано программное обеспечение (ПО № 2011610292, «Прогнозирующая система управления процессом охлаждения технологических газов плавильной электропечи (версия 2.0)»), выполняющее функции прогнозирующей системы управления. Прогнозирующая система управления процессом охлаждения технологических газов плавильной электропечи была внедрена в производство Надеждинского металлургического завода имени Б.И.Колесникова.

Методы исследования. Задачи решались на основе методов современной теории управления, корреляционного, регрессионного анализа и параметрической оптимизации. При разработке программного обеспечения системы управления использовался лицензионный программный продукт Microsoft Visual С++ 6.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на II Региональной научной конференции «Научный потенциал Норильского промышленного района - XXI век» (Норильск, 2009), II Международной научно-практической конференции «Роль науки в устойчивом развитии общества» (Тамбов, 2010), XV Международной научно-практической конференции «Наука и современность - 2012», (Новосибирск, 2012), II Международной научно-практической конференции «Перспективы и темпы научного развития» (Тамбов, 2012), VI Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий» (Новосибирск, 2012), VIII Всероссийской научно-практической конференции «Стратегия устойчивого развития регионов России» (Новосибирск, 2012), VI Международной научной конференции «Актуальные вопросы современной науки» (Санкт-Петербург, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них: статей в рецензируемых изданиях по списку ВАК - 3; статей в сборниках научных работ - 8.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 149 страниц текста, 66 рисунков и 7 таблиц. Список литературы содержит 138 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДУЕМОЙ ПРОБЛЕМЫ

Защита воздушного бассейна от загрязнений промышленными выбросами - одна из важнейших проблем экологии, затрагивающая интересы развитых стран мира. Вопросам защиты атмосферы от промышленных выбросов уделяет внимание широкий круг исследователей [1, 28].

Технологическое нормирование выбросов в атмосферный воздух осуществляется путем установления предельно допустимых уровней вредных веществ, т.е. нормативов, устанавливаемых из условия, при котором содержание загрязняющих веществ не должно превышать нормативы качества атмосферы для населения, животного и растительного мира [29].

Одним из основных источников загрязнения атмосферы являются металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух окислы азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка - ежегодно до 86,7 % от всех стационарных источников.

Из общего количества вредных веществ, поступающих в атмосферу от металлургических заводов и других предприятий отрасли, около 20 % составляют пыль и около 80 % вредные химические вещества: оксид углерода 78 %, сернистый ангидрид 15 %, диоксид азота 6 %, углеводороды 0,7 %, прочие 0,3 % [109].

Коэффициент улавливания и обезвреживания загрязняющих веществ, в среднем, составляет 70 %, из них твердых - 80 %, газообразных -20% [17].

В городах, где размещаются металлургические предприятия, загрязнение атмосферы по целому ряду ингредиентов превышает допустимые нормы на расстоянии 7 - 15 км от заводов, а зона влияния

составляет от 3 (для заводов небольшой производительности) до 50 км (для крупных металлургических комбинатов).

Степень оснащения основных технологических агрегатов газоочистными установками составляет около 70 %. Часть действующих установок (около 15 %) работает неэффективно. Таким образом, около 40 % газов от агрегатов поступают в атмосферу практически без очистки [17].

В заключение важно отметить, что загрязнение атмосферы промышленными выбросами - одна из наиболее важных проблем, требующих безотлагательного решения. Поэтому поиск новых путей и подходов к решению экологических проблем, связанных с промышленным производством, является актуальной задачей.

1.1. Характеристика технологического процесса утилизации технологических газов плавильных электропечей

Процесс плавки в плавильных электропечах медно-никелевого концентра сопровождается выделением технологического газа, содержащего 802, СО, С02 и пыль цветных металлов.

Газ, выделяющийся из печи, имеет следующий химический состав, %

(объемных): < 68 СО; <30 С02, < 21 02, 30 - 79 Ы2. Температура газа на

выходе из печи достигает около 1600 °С, концентрация пыли составляет

50 - 60 г/м3, она состоит из окислов железа, кремния, алюминия, марганца,

<2

кальция, при этом плотность пыли 4 - 4,2 г/см [10, 110].

Для исключения выбросов неочищенного газа в атмосферу предусмотрена газоочистка.

В основу классификации аппаратов газоочистки заложены способы улавливания частиц.

Выделим основные группы газоочистных систем [15]:

• аппараты сухой гравитационно-инерционной очистки -используют силу тяжести (пылевые камеры) или силы инерции, т.е. ударно-инерционный эффект, инерционное воздействие при изменении направления движения, центробежные силы, возникающие при тангенциальном движении газового потока. К инерционным аппаратам относятся жалюзийные пылеуловители, циклоны, мультициклоны и др.; применение аппаратов эффективно при крупности улавливаемых частиц более 5 мкм;

• фильтрующие аппараты - используют тканевые, волокнистые, зернистые и другие фильтрующие элементы;

• аппараты мокрой газоочистки - представляют большую группу разнообразных систем, обеспечивающих специфические режимы контакта пыли с диспергированной жидкостью или пленкой, данные аппараты используют гравитационно-инерционные методы;

• электрофильтры — обеспечивают процесс очистки газа в статическом и электрическом поле;

• сорбционные системы - обеспечивают очистку от вредных примесей за счет адсорбции, абсорбции и ионообмена.

Для очистки выбрасываемых в атмосферу запыленных газов в производстве применяют различные варианты многостадийных схем очистки. К примеру, на Надеждинском металлургическом заводе им. Колесникова на первой стадии очистки запыленного газа от пыли применяются циклоны и скрубберы-охладители.

Отходящие газы большинства промышленных агрегатов обычно нагреты до 500 °С и выше. Между тем большинство газоочистных аппаратов предназначены для работы при температуре газов до 200 -300 °С и ниже. Поэтому технологические газы во многих случаях требуют

охлаждения перед очисткой, которое выполняется различными способами [20].

В установке очистки газа №1 (УОГ-1) для улавливания пыли из отходящего газа электрообеднительной печи №1 (ОЭП-1) используются аппараты 2-х типов: мокрый механический пылеуловитель скруббер-охладитель и сухой механический пылеуловитель - рукавный фильтр. Данная схема очистки обеспечивает высокую степень улавливания пыли из технологических газов электропечей.

Общая технологическая схема процесса охлаждения и очистки технологических газов плавильных электропечей показана на рисунке 1.1.

10

Рисунок 1.1- Технологическая схема процесса охлаждения и очистки технологических газов плави�