автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Система управления процессом получения кареида кальция

------------ На правах-рукописи

ЕШОВА ОЛЬГА ШДИМИР0£;1А

г

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРЦЕСССЫ ПОЛУЧИ ДЯ КАРБИДА КАЛЬЦИЯ

Специальность 05.13.07-Автоматизация технологических

процессов и производств (промышленность)

АВТОРШТАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сашт-Пете- '>ург - 199С>

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сотников Владимир Васильевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кашмет Владимир Васильевич.

кандидат технических наук, с.н.с. Педро Анатолий Александрович.

Ведущая организация: "ЛШГШРЖШШйГ (г.С.- Петербург)

Защита состоится 1996 г.

в /& час. на заседали" диссертационного совета Д 063.25.II Санкт-Петербургского государственного технологического института по адресу: г. С.- Петербург, Московский пр., 2С (ауд. ).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института. Овывы и замечания, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес института.

Автореферат разослан

"/Г" 03 1996 г.

/

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., додант В.И.Халимон.

б.'ОЗ.Эб. Зак 46-75 РТП Ж СИНТ23 Мооковои« щ>72б

- 3 -

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность ттроблемн. Карбид кальция необходим для производства ацетилена, который в свою очередь перерабатывается промышленностью органического синтеза и вдет на растущие нужды газопламенной обработки металлов. В настоящее время потребность в карбиде кальция превышает объем; его производства, поэтому ведется подготовка к технической модернизации карбидной подотрасли и увеличению выпуска ее продукции. Поскольку производство карбида является энерго-и материалоемким, необходимым условием повышения его эффективности является снижение сырь. "Ш и энергетических затрат.

Существующий уровель автоматизации и качество уп-11вления карбидными печами не обеспечивают эффективного протекания процесса, получения целевого продукта требуемого качества и рационального использования' сырья и электроэнергии. Карбидные печи оборудованы только локальными токовыми регулятора»"и в то время, как повышение эффективности их работы СЕЯзано с управлением материальными потоками. Корректировка состав; шихты осуществляется путем подачи дополнительной извести на колошник печи. При этом функциональные связи между электротехнологическим режимом работа и показателями ее работы не учитываются. 1аким образом все операции по управлению работой печи осуществляются оператором от опыта которого зависят технико-экономические показатели работы печи. Обследование действующих производств карбида кальция показало, что несовершенство существующих способов управления процессом обуславливает нестабильную работу оборудования, снижая его производительность на 10 - 20% .

Существеге1ух) роль в повышении качества управления карбиднчми печами должно шграть внедрение АСУТП на бале современных микропроцессорных средств. Для этого необходимы математические модели процесса получения карбида кальция, пригодные для управления печами различной мощности. Процесс карбидной плавки необходимо оптимизировать по технологическим критериям, что гюзвблит улучшить электротехнологический режим печи и повысить производительность печной установки. Таким образом, зад ча повш^ния эффективности работы карбидной печи путем создания системы управления материальными потоками является актуальной.

- 4 -

Целью диссертационной работы являлись разработка системы управления материальными потоками в процессе поучения карбида кальция на основе математической модели, обеспечивающей оперативную корректировку состава шихты.

Для достижения цели решались следующие зада-га:

- анализ работы карбидной печи на основе теории о зонном строении реакционного пространства печи, физико - химических и кинетических закономерностей процесса карбвдообразо-вания; рассмотрение карбидной печи как объекта управления;

- разработка математической модели процесса, включающей материальный и энергетический балансы и позволяющей производить точный учет распределения входных компонентов с примесями на выходе; программная реализация модели на ЭВМ и оценка ее адекватности объекту управления;

- разработка метода расчета состава шихты по уравнениям материального баланса, в котором продукты плавки предложено делить на три нерастворимых друг в друге составляющих: карбидный расплав, шлак и ферросплав; рассчет количества и состава отходящих газов и пыли; идентифицикация некоторых значений некоторых параметров модели (угара кокса, уносов и испарения извести) по экспериментальным данным.

- определение структуры системы управления составом шихты в процессе получения карбида . ¿льция на основе стабилизации углеродистого режима карбидной печи; обоснование выбора критерия управления процессом.

Методы исследования. При разработке математического описания процесса получения карбида кальция использовались методы системного анализа. Задача идентификации решалась с. использованием прямых методов идентификации параметров модели по экспериментальным данным.

Научная новизна.

- Разработана математическая модель процесса получения карбида кальция по уравнениям материального и энергетического балансов, с учетом физико - химических и кинетических закономерностей.

- Предложен метод расчета продуктов плавки, которые делятся на три нерастворимых друг в друге составляющих: карбидный расплав, шлак и ферросплав. Рассчитываются состав и количество отходящих газов и пыли, что позволяет точно определять расходу сир1л.

- 5 -

- Б качестве критерия управления процессом карбидной плавки пределожена величина приращения массы углеродистого слоя в печи.

- Разработана система управления материальными потоками в 'процессе получения карбида кальция, обеспечивающая оперативную корректировку состава шихты.

Практическая значимость. Разработанная математическая модель процесса получения карбида кальция предоставляет возможность расчитывать точные дозировки компонентов шиаггы в зависимости от качества сырья и требуемою качества целевого продукта. Система управле дя материальными потоками позволяет не только рационально использовать сырьевые ресурсы и получать карбид стабильно высокого качества, что улучшает экономические показатели работы печи, но и благоприятно влияет на экологию, т.к. разработанная схема управления составом шихты позволяет успешно эксплуатировать закрытые карбидные печи, вместо действующих в настоящее время открытых,

!/ Реалп^ация работы. Результаты диссертационной работы пареданы в /ОЗТ "ШОЛ" (г. Санкт - Петербург) с целью их использования для проектирования карбидных производств. Метод расчета состава шихты использован для оценки качества карбида в зависимости от состава сырья на предприятиях г.Лельчицы и ПО "Корунд" (г.Дзержинск).

Аппробация работы. Основные результаты исследования докладывались на конференции "Электротермия - 94" и на научно - техническом семинаре "Моделирование производственных процессов химической технологии" ЕХО им. Д.М.Менделеева в 1994 голу и обсуждались на постоянно действующих научно -технических семинарах кафедры "Систем автоматизированного проектирования и управлен.и" и кафедры "Технологии электро-термичеочсих производств" Санкт - Петербургского государственное технологического института.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано четыре статьи.

Огруктура и объем таботы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа .сложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков, 15 таблиц и библиографического списка из 142 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕШНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель исследования, дается общая характеристика решаемых задал, кратко рассматривается содержание работы.

Первая глава содержит анализ литературных данных и обоснование постановки задачи исследования. Рассмотрены особенности технологического процесса получения карбида кальция, известные способы математического описания, опыт эксплуатации промышленных печей и существующие системы управления процессами плавки в электротермических печах.

Процесс карбидообразования в электропечи следует охарактеризовать как массотеплообменный процесс, осложненный химической реакцией. Карбидные печи - это электродные печи непрерывного действия, в которых тепловое поле стабильно, а сырье и продукты перемещаются. В печи последовательно протекают различные процессы, связан^ше о химическими и фазовыми превращениями, а температура повышается от ,300 до 2100'с. Одновременное рассмотрение всего разнообразия условий, существующих в печи, практически невозможно. Целесообразно разделить всю ванну печи на зоны и рассматривать каждую зону отдельно (Ершов Б.А.). Наблюдения за работой печей показали, что в них могут быть выделены следующие зоны: I - зона твердофазных процессов; 2 - плавления; 3 -углеродистая; 4 - зона расплава; 5 - ферросилиция. Несмотря на взаимное влияние зон, их можно рассматривать и изучать изолированно. Создать.модель печи, в которой бы моделировались условия работы всех зон одновременно практически невозможно. Углеродистая зона является определяющей с точки зрения электрических, тепловых и химических процессов, а поскольку она имеет четкие границы, ее можно рассматривать изолированно как химический реактор. Следует отметить, что существование углеродистой зоны - это не следствие нарушения дозировки кокса, а необходимое условие дармальнош режима работы печи.

Представление об углеродистой зоне печи как хичи-ческого реактора успешно применяется в технологии получения фосфора, но для карбидного производства распространения не получило. В данной ряботе теория зонного строения реакционного пространства ванны карбидной печи принята за основу, т.к. литерагургше данные подтвервдают наличие углеродистой

зоны в карбидных печах.

На действующих печах существуют локальные систем» управления перемещением электродов (но току) и регулирования мощности печи, так™ образом регулируются только электрические параметры. Управление материальными потоками в настоящее время осуществляется за счет корректировки состава шихта вручную путем подачи дополнительной извести на колошник печи, при отом кокс подается с избытком. "Какой способ управления не обеспечивает достаточной эффективности ведения процесса не только из-за нерационального использования онрья и энергии, но и по щ . чине получения продукта непостоянного состава.

Проведенный анализ проблемы моделирования электро-ормических печей как объектов управления и разработки алгоритмов управления электротехнологическим режимом показывает, что исключительная сложность процессов, происходящих в вопив ' печи, отсутствие информационной базы и развитых систем автоматизированной обработки данных не позволяют пока реально рассчитывать на функционирование АСУ ТТ1 в режиме управлении, хо я определенные научные разработки на пути решения этой проблема ижются.

Достоверность информационной базы для моделирования печных процессов может быть достигнута только при стабильной работе печей. Т.о., без надежных и совершенных в алгоритмическом отношении средств автоматизации п контроля невозможно добиться стабильной работы печи, с другой стороны, отсутствие возможности сформировать достоверную модель не позволяет строго регламентировать режим работы печи.

Анализ литературы показал, что карбидные печи недостаточно исследованы с точки зрения управления. Анализ публика'дай, в которых изложены результаты исследования статических характеристик печей как объектов управления, нодт-Еьрлу^ет общие соображения о сложности электротермических печей. Полученные овязи справедливы в ограниченных пределах. Статические закономерности не нашли пока применения в практике эксплуатации 'карбидных печей, а основную роль в поддержании регламентного злектротехнологического режима играет опыт обслужиг .ющего ш ^.ю о нала. Обследование действующих печей показывает, что ото го опыта недостаточно для того, чтобы избежать нарушений регламента. В процессе эксплу-

- 8 -

атации попей наблюдается систематическое накопление кокса в ваше печи, т.е. увеличение углеродистой зоны выше допустимого значения, называемое аауглероживанием ванны, следствием этого являетыся снижение мощности. Нарушения нормального режима работы печи до сих пор не нашли отражения в ¿юрмаль-1шх моделях. Данных о существовании математических моделей, позволяющих одновременно определять удельные расходы сырья и электроэнергии на основании данных о составе сырья и качестве карбида к настоящему времени не опубликовано.

С целью разработки системы управления карбидная печь рассмотрена как объект управления. Основным фактором, возмущающими электрический режим, является изменение сопротивления подэлектродного пространства, определяемое составом шихты и количеством непрореагировавшего углерода, т.е. состоянием углеродистой зоны. В качестве управляющих воздействий при управлении материальными потоками определены расход кокса и состав шихты.

Вторая глава посвящена синтезу математической модели процесса получения карбида кальция на основе анализа физико-химических и кинетических особенностей процесса. Предложен метод расчета состава шихты по уравнениям материального и энергетического балансов процесса. Основу модели составляет система уравнение материальных балансов по основным и примесным компонетам. Расчет энергетических затрат производится по статьям затрат расхода энергии на химические и тепловые процессы. Для того, чтобы математическая модель процесса карбидообразования была пригодна для оптимизации работы печей различной мощности, расчитываются удельные расходы сырья и энергии на одну тонну целевого продукта - карбида кальция.

Целью математического моделирования процесса получения карбида кальция являлось: определение расходов сырья и расчет затрат энергии в зависимости от состава сырья и значения литража, характеризующего качество карбвда кальция.

Исследование процесса получения карбида кальция с точки зрения возможности его математического описания показало, что постоянный в течение некоторою времени состав шихты, а также инерционность печи позволяют рассматривать щюцесс плаьки как стационарный. Сложность динамического миделщювания обусловлена отсутствием технической базы для

- 9 -

получения динамических характеристик процесса, необходимых для оценки адекватности модели. Все ого предполагает возможность применения статической модели.

Составление уравнений материального баланса процесса необходимо для расчета соства шихта, т.е. определения соотношения извести и углеродсодержащего материала.

Материальный баланс составлен на основании учета количества компонентов, содержащихся в сырье, на входе и выходе. Компоненты шихты и содержащиеся в них примеси поступают в печь и, прореагировав, выходят из нее в виде продуктов главки. Поскольку в карбщрой печи помимо целевой реакции проходит много побочных, потребляющих углерод и известь, необходим учет котачеств реагентов. Характеристики распределения входных компонентов между конечными продуктами плавки (коэффициенты перехода) приведены в литературе и учтены при составлении модели.

В печь поступают с шихтой кокс и известь, в процессе работы также расходуется электродная касса. На основе данных р поведении Si02» А12°з» F®2°3 при карбидной плавке, в процессе расчета продукты плавки предложено делить на три нерастворимых друг в друге составляющих: карбидный расплав, шлак и ферросилиций. Па основании балансов элементов составлен материальный баланс процесса, который учитывает состав сырья, количество и состав продуктов плавки, включая отходящие газы и пылевые уносы.Как показано в литературе, шлак образует самостоятельную фазу, но сливается вместе с карбидом, образуя при охлаждении один продукт, поэтому в расчете отдельно определяется выход шлака, а затем выход продукта (технического карбида) заданного литража.

В работе также использованы последние данные о составе силикатов и алюминатов, образующихся в процессе .карбидной ьлавки, а так же данные о степени восстановления оксида кремния и поставе ферросплава .

Исходными данными для иасчета материального баланса являются составы извести, кокса и электродной массы. Расчет ведется на одну тонну произведенного карбида с заданным содержанием СаС2 в продукте. Содержание СаС2 в продукте характеризуется объеме ацетил ча, выделяемого при разложении водой одного кг технического карбида кальция. Этот объем казььают лкчражом (l).

- 10 -

Основу баланса составляют уравнения материальных балансов по элементам, входящих в исходное сырье. Уравнения баланса имеют вид:

X' a„f ^ ' ач си

где х» - входящие потоки (известь, кокс, электродная масса, подсосы воздуха); vi - выходные потоки (карбид, шлак, металл, газ, пыль); *í,j - содержание элемента в потоке;

1 - индекс .элемента (Ce0> Si02- А12°з. с);

в потоке (соответственно 1,2,3,4,5,6); ,j - индекс потока.

Предложены уравнения балансов по с* с*°' Мч0> Si02» f*2°3 . Указанные компоненты содержатся в сырье и распределяются на продукты плавки. Содержанием СаС2 в карбиде задаемся, а равновесные составы тлаха и металла принимаем по лабораторным данным, В качестве примера приведем уравнения балансов по углероду

А-а.+ В-1+ЕЬе1ш*К'(кв+9-Сг) <2)

и оксиду кальция

+ . о)

Здесь а- удельный расход кокса; в- удельный расход извести; EL- удельный расход электродной массы; к- количество карбида кальция, принятое за I т; G- масса отходящего газа; PL- количество пыли; к,- количество СаС2 в продукте;

1с,- общее содержание Са в расплаве в пересчете на СаО; сг- содержание углерода в газе. Неизвестными в системе приведенных уравнений являются расходы сырья и выход продуктов. Кроме того может быть составлено уравнение общего баланса, которое имеет вид:

a+b+e + v= k + sh + m + g+pl+.a, (4) где v - количество подсасываемого воздуха; SH - количество шлака; м - количество ферросилиция; д - невязка.

В левой части »того уравнения - входные параметры процесса, в правой - выходные параметры. Все потоки считаются в тоннах на тонну карбида. Уравнение (4) является зависимым, поскольку представляет собой сумму уравнений баланса но элементам. Оно используется для определения невязки между входом и выходом, которая не превышает 2% .

Кроме вышеперечисленных уравнений балансов по 5 элемента/и, в систему уравнений материального баланса входят также 4 уравнения, связывающих количества шлака, ферросилиция, отходящих газов и пыли с удельными расходами сырья.

Решение системы уравнений осуществляется с помощью итерационной процедуры. Искомым величинам а к в присваиваются начальные значения, а далее идет их уточнение по принципу сходимости. Расчет ведется с точностью до 10 т.

Результатом решения системы уравнений материального баланса являются удельные расхода кокса и извести, а также состав продуктов плавки и их количество. Расчет состава карбида кальция и шлаковых примесей является отличием разработанной методики от ранее опубликованных, в которых со-• держание примесей в карбиде задается . Кроме того, рассчитывается состав отходящего газа и его количество. Содержание серы и фосфора учитывается при расчете состава продукта, . а в материальном балансе не учитывается вввду малости. Дополнительно учитываются угар кокса, величина которого зависит от количества подсасываемого воздуха, и уносы и испарение извести, обусловленные высокой температурой ^чакцион-ного пространства печи. Значения этих параметров модели идентифицируются по экспериментальным данным. Достоинством предложе: чого метода является возможность расчета состава карбида как при выделении фгрросшшция из карбидного расплава для мощных печей, так и при сливе раоилава совместно с ферросилицием для печей малой и средней мощности. Предложенный метод рас :ета материального баланса пригоден для определения состава шихты при производстве карбида кальция.

Расчет энергетических затрат проводится по статьям расхода энергии на реакции взаимодействия основных компо-. нентов сырья и примесей, на нагрев продуктов плавки, газа и пыли, а также на плавление карбидного расплава и ферросилиция, на основании расчетных данных материального баланса и термодинамических характеристик. Суша затрат является

- 12 -

уДельшм расходом энергии на получение одной тонны продукта; что позволяет прогнозировать производительность печи.

Т.о. разработанная математическая модель процесса по/учения карбида кальция включает в себя уравнения материального й энергетического балансов с учетом физико-химических к кинетических связей. Модель программно реализована, что Йбзволило провести по ней исследования процесса.

В третье '. главе приведены результаты исследования процесса по математической модели, целью которых являлось:

- изучение возможности использования сырья н"зкого качества, месторождения которого расположены вблизи производств карбида, а загрязненность примесями превышает нормы на их содержание;

- определение оптимального литража товарного карбида;

- оценка адекватности модели реальному процессу.

Исследование влияния примесей, содержащихся в сырье, на качество выплавляемого карбвда кальция, удельные расхода сырья и энергии показало, что с повышением содержания примесей извести: карбоната кальция, оксвда железа и ■ оксида кремния, происходит возрастание расходов сырья и энергии. При увеличении содержания карбоната кальция от I до 10% , качество (литраж) продукта ухудшается на 3% , а при увеличении содержания оксида кремния от 0 до 1% литраж снижается на 18% . Изменение содержания оксида железа в сырье от 0 До Ъ% улучшает качество карбвда, литраж возрастает. Этот факт подтверждает результаты ранее проведенных экспериментальных исследований о влиянии оксвда железа на литраж карбвда. Возможность расчета расходов низкокачественного сырья позволяет судить о целесообразности его использования при производстве карбида.

В процессе работы решена задача о нахождении значения лшража товарного карбида, которому соответствует максимальная производительность печи. Б соответствии с ГОСТ Х460-о5 за единицу измерения количества товарного карбида принята одна тонна карбида мандатного состава (литраж -250 л/кг, содержание СаС? - 67.Ъ%). При определенном значении литража количество карбида пересчитывается по формуле:

Цена товарного карбида тем выше, чем выше содержание в нем СвС2 . Однако, с ростом литража карбида мощность

- 13 -

печи падает, т.к. она связана с массой кокса, находящегося ь углеродистой зоне g(t), и содехжанием сяс2 соотношением:

Р =

г

V

JLltiQ±£ûdo±±

.Г7«

Пдесь ^ - плотность кокса;

Р~ константа скорости реакции; ^ - расход энергии на взаимодействие едишну кокса; х„ - размер кусков кокса;

сс«с2з _ содержание СвС2 в карбиде, сс"с2:| ** *-?юо /372.

С ростом литража возрастает удельный расход энергии, что влечет за собой изменение производительности карбвдной печи, определяемой по формуле:

где w - удельный расход электроэнергии на получение одной тонны карбида, определяемый по модели. Поэтому необходимо определить экономически выгодное соотношение производитечьностк печи в пересчете на выпуск ка^ида стандартного литража (нсг) и литража товарного кар-о'члд. Такое соотношение опхеделяе^ся условием: Нет - ) - шах . Обозначим Я величину отношения

(&ß/р ■ ), характеризующую состояние углеродистой зоны. Ее можно принять постоянной дая конкретной печи определенного состава сырья и его гранулометрии. Тогда ксг можно представить в виде:

^ ' ^ I 4 ~ ^кт/З }2)~ f' L^aht

Исследование по модели производительности печи в перерсчете на выпуск карбида стандартного состава при изменении фактического .литража карбида. показало (рио. I), что зависимость Ист = т(Ъ.,Ь/1КТ) имеет максимум. Соответствующее ег.г/ значение литража является оптимальным и задается при течете состава шихты, т.к. оно показывает, продукт какого качества выгоднее всего производить из имеющегося сырья.

W(L^)

200 250 300 Ъымт, л/кг

Рис I. Производительность печи мощностью 40 МВА в перерсчете на выпуск карбида стандартного состава

Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало, что разработанная модель адекватна реальному процессу. Среднеквадратичное относительное отклонение расчетных значений удельных расходов кокса от экспериментальных составляет 5 % , расходов извести - 5.1 % , удельных расходов анергии - 3.1 % .

Четвертая глава поовяг )на разработке системы управления процессом получения карбида кальция в электропечи на основе математической модели.

В системе управления "печь - процесс" можно выделить основные подсистемы: "шихта", отвечающая за доотавку, дозировку и анализ составов сырья; "электрический режим", отвечающая за электрические параметры; "электрод" - наращивание, перепуски и перемещение электродов.

Управление каждой из подсистем необходимо подчинить единому требованию - стабилизации размеров углеродистой зоны шчи за счет стабилизации параметров состояния процесса плавки. Поскольку составы сырья и соотношение компонентов шихты влияют как на технологические, так и на электрические параметры процесса печной плавки, управление в подсистеме "шихта" приобретает иекяочэтельно важное значение.

Состав шихты определяет количество не прореагировавши го углерода, находящегося в углеродистом слое (g ), масса которого может быть выражена как: g « g„ + дс ,•■ где с„ - масса углерода ь слое, соответствующая нормальному протеканию процесса , се = const .

дс - изменение количества углерода, вызывающее негативные отклонения протекания процесса. Условием стабильной работы печи является r,~eonst. Т.о. величина дС является параметром состояния процесса, комплексно характеризующим его эффективность, который влияет как на технологические, так и на электрические показатели работа печи. IIa основание вышесказанного в качестве ку;и-тер>ия управления процессом получения карбида кальция принят размер приращения массы углеродистого слоя (aG), значение которого является функцией входных, выходных и управляющее параметров: дО=г(х,у,и). (0)

При решении задачи управления процессом ограничениями яв'чютоя диапазоны изменения следующих величин:

*) Учитывается возможность использования известняка.

Формализованная постановка задачи управления в данном случае может быть представлена следуюгдим образом. Если известен вид функции (9) и ограничения (10-13), то задача состоит в том, чтобы найти .такие управляющие воздействия, удовлетворяющие ограничениям, тгри которых дс —- 0.

На частоту применения управляющих воздействий необходимо наложить определенные ограничения. Ьремя перехода печи в новое состояние, вследствие изменения состава шихты, для печей с установленной мощностью 40 МВД, с учетом транспортного запаздывания шихты, составляет от 10.. jo 12 часов. Поэтому "ютота применения данного управляющего воздействия не должна превышать одного раза ь сутки, поскольку при управлении стационарными ретамами в объектах с запаздываниями период времени медду выдачей последовательно реализуемых управляющих воздействий должен значительно превышать постоянную времени переходного процесса.

Состояние углеродистой зоны контролируется путем оперативного определения величины приращения массы углеродистого слоя (дс), значение которой определ зтся как разность между количеством углерода,, поступившего в печь о шихтой по данным шихтовых счетчиков, и выходом его из печц с карбидным расплавом и реакционными газами. В зависимости

0.4 < А < 1.0 ( т/т) ;

0.8 < в < 2.0 ( т/т) ; *)

200 < L < 330 ( л/кг) ; < дСдол •

(10)

(11)

(12) (13)

- 16 -

от значения этой величины принимается решение о необходимости корректировки состава шихты о целью изменения раэме| ; углеродистого слоя и получения карбида требуемого качестза. Значение рассчитывается по формуле:

.с-л, - £ .

- у^- • 1141

где Дш - расход кокса с шихтой;

А;,~ расчетный расход кокса на фактический литраж за время г;. Значения ¿р определяются после каждого слива и суммируются в течение суток. По истечении этого периода анализируют значение 2 дС . Если|£ дс| < СА0П, то это значение учитывается в памьм'И машины, но корректировку шихты не производят. Если |£ дс/ > сдо/? , то необходима корректировка состава шихты:

дА - р , • <15>

где время, эа которое будет сработан избыток кокса, а на дозаторе кокоа уотанавливаетоя расход:

<вш -(А-¿А)/В , (16)

где вш - расход извести с шихтой, который оотается прежним.

На основании данных о потребленной энергии и удельном расходе электроэнергии рассчитывается количество расплава, образовавшегося в печи за время г, которое определяется фор&улой; -

Ш-^Щ'-ОсШ , (IV)

где (7с - потребленное количество электроэнергии, кВтч. Определяется время слива (по достижении предельного количества расплава). Если площадь сечения ваши печи б, плотность карбида го (определяется по литражу слитого карбида), то предельный слой карбида образуется через время:

¿сл = 5 Ь-го Ч/Р. , (18)

где ь - продэльнсдопустишя высота накопления расплава, м. В момент достиженья 11 дается команда на слив карбида.

Рис.2. Структурная схема системы управления.

- 18 -

Управление процессом получения карбида кальция на основе математической модели осуществляется в режиме "сове. оператору". Задача управления решается в два этапа. На первом - прогнозируется режим процесса, при котором достигается наиболее экономически выгодное соотношение производительности печной установки и качества целевого продукта, рассчитываются значения управляющих воздействий, обеспечивающие необходимое качество. Определяется к.п.д. печной установки, а также вдентифшдаруются параметры модели по экспериментальным данным о работе конкретной печи.

На втором этапе цель управления процессом в установившемся режиме - получение карбида постоянного состава. Для этого необходимо поддерживать рассчитанный режим процесса путем оперативной корректировки состава шихты по результатам анализа предыдущих плавок, т.е. выработки таких корректирующих уставок на дозаторы сырья, при которнх достигается минимальное значение критерия управления. Структурная схема системы управления представлена на рис. 2.

Анализ качества работы системы управления показал, что она позволяет поддерживать заданное значение литража карбида путем стабилизации размера углеродистой зоны. Если вследствие возмущающего воздейстия, приложенного на вход системы (изменение состава сырья или ошибки дозирования компонентов шихты), изменялось качество целевого продукта и происходило накопление углерода в зоне, т.е. увеличивалось значение Ас, то посредством обратной связи вырабатывались корректирующие уставки на дозатор кокса, которые снижали значение ¿р. Важно отметить, что первоочередной задачей управления при |дс| > ¿РАап является снижение значения ¡дб) с целью стбилкзации углеродистого режима печи, а затем увеличение (уменьшение) литража до требуемого значения. Стабилизация размера углеродистой зоны достигается при первой же корректировке кокса, а затем значение ¿о находится в пределах принятых ограничений. Литраж карбида повышается до требуемого значения после 2 - 3-х корректировок расхода кокса.

Т.о., предложенная в данной работе система управления процессом получения карб'\аа кальция позволяет поддерживать такой режим процесса, при котором достигается необходимое качество целевого продукта, что вносит вклад в ускорение научно-технического прогресса карбидных производств.

- 19 -

ВЫВОДЫ

1. В результате анализа карбидной печи как объекта управления, управляющими воздействиями определены {исход кокса и состав шихты.

2. Подложен метод расчета продуктов плавки, которые делятся на три нерастворимых друг в друге составляют: карбидный расплав, шлак и ферросплав.

и. Разработана математическая модель процесса получения карбида кальция, включающая в себя материальный и энергетический балансы с учетом физико-химических и кинетических закономерностей. Модель программно реализована и пригодна для расчета расходов сырья при карбидной плавке на печных установках большой, средней и малой мощности. Достоинствами предложенной модели являются совместный расчет материального баланса и электротехнических параметров и управление на основе этого материальными потоками; состав карбида кальция, шлаковых примесей определяется расчетом, а не задается; расчитываются количество и состав отходящих газов и пыли, возможность расчета состава карбида как с сепарацией ферросилиция, так и без него.

4. С целью изучения возможности использования низкокачественного сырья, по модели исследовано влияние примесей, содержащихся в сырье, на расходы сырья и энергии, которое показало, что из такого сырья можно выплавлять карбид трбуемого состава, однако это ухудшает экономические показатели работы печи.

5. Производительность в настоящее вх>емя определяется в процессе эксплуатации. Модель позволяв? прогнозировать ее знач- гие по результатам текущих плавок. Определена максимальная производительность печи в пересчете на выпуск карбида стандартного литража, вследствие чего установлено, продукт какого качества выгоднее всего производить из имеющегося сырья.

6. Разработана система управления материальными потоками в процессе получения карбвда кальция ( в подсистеме "шихта"), в основу разработки которой положена теория зонного строения реакционного пространства ванны печи. Критерием управления является величина приращения массы углеродистого слоя. IIa первом этапе рассчитываются такие значения управляющих воздействий, при которых достигается необходи-

- 20 -

мое качество целевого продукта. На втором этапе цель управ- . лешя процессом - получение карбида постоянного состава Оперативно вмешиваясь в ход процесса путем изменения соотношения компонентов шихты в зависимости от значения критерия управления определяются условия для поддержания рассчитанного режима процесса. Рассчитывается время слива готового продукта.

7. Аналю качества работы предложенной системы управления показал, что она позволяет поддерживать заданное значение литража карбида путем стабилизации размера углеродистой зоны.

8. Таким образом управление материальными потоками позволит не только рационально использовать сырьевые ресурсы, что улучшает экономические показатели работы печи, но и благоприятно влияет на экологию, т.к. отпадает необходимость корректировки шихты вручную и появляется возможность эксплуатации закрытых карбидных печей вместо действующих в настоящее время открытых.

9. Эффективность проведенных исследований подтверждается актом о внедрении результатов диссертационной работы в проектных решениях АО "ЭПОЛ" (г. Санкт - Петербург) по проектированию карбидных производств.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ■

1. Ершова О.В. К вопросу автоматизации расчета параметров печей/ ШбГЩТУ). - С.-Пб.,1995. -7с.-ил.-Деп.в ВИНИТИ 05.07.95, * 2022 - В95.

2. Ершов В.А., Ершова О.В. Управление режимом РТП на основе стабилизации условий взаимодействия в углеродистой зоне печи //Проблемы оптимизации технологического режима и методы раочета дуговых электротермческих печей: Сб. трудов научно-технического совещания " Электротермия-94" : /СПбГШ-ТУ).- СГ.6. 1994. - С. 170.

3. Ершова О.В. Управление режимом работы карбидной печи //. .зделирование производственных процессов в химической технологии: Тез.докл. на сешвдре ЕХО им. Д.И.Менделеева/ СПб. 1994. - С. 18.

4. Ершов В.А., Ершова О.В., Ларюшкина Ю.А. О допустимом содержании оксида магния в извести при производстве ка^ида кальция / СП6Ш{1У). - С.-Пб. .1995. -10 с.-ил.-Деп.в МИТИ 03.01.9G, * 38 - В96.