автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью повышения эффективности процесса нагрева дутья

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

РЯБЧИКОВ Михаил Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ БЛОКА ДОМЕННЫХ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА НАГРЕВА ДУТЬЯ

Специальность 05.16.02 -Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2005

Работа выполнена в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И.Носова.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Парсункин Борис Николаевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ Торопов Евгений Васильевич, кандидат технических наук, доцент Сеничкин Борис Кронидович.

Ведущее предприятие ОАО "Нижнетагильский

металлургический комбинат".

Защита состоится « 12 » апреля 2005 г. в /£ на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И.Носова по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Доменное производство — крупный потребитель топливно-энергетических ресурсов металлургического комплекса. Работа воздухонагревателей напрямую влияет на технико-экономические показатели доменного процесса. Увеличение температуры нагрева дутья позволяет снизить удельный расхода кокса, являющегося ценным и дорогостоящим энергоносителем. При температурах горячего дутья 1100-1300°С дополнительные 100°С нагрева дают экономию кокса порядка 2,5%, и поэтому поиск резервов дальнейшего повышения температуры нагретого дутья экономически обоснован. В течение последних лет крупные металлургические предприятия стремятся к переходу на самообеспечение электроэнергией в связи со значительным ростом тарифов на нее. Достигается это, в первую очередь, за счет полной утилизации вторичных газов - коксового и доменного. На ОАО "ММК", например, достигнута полная их утилизация при себестоимости производимой электроэнергии в три раза меньшей, чем покупная. В связи с этим актуален поиск путей повышения эффективности использования данных вторичных газов на всем предприятии и непосредственно на воздухонагревателях как крупнейших их потребителях.

Цель работы. Совершенствование режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью достижения максимальной температуры нагрева дутья, а также реализации энергетически благоприятных режимов нагрева аппаратов блока. Средством достижения цели служит пакет математических моделей и методик проведения оптимизации тепловых режимов работы воздухонагревателей. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Разработка метода оптимизации режима нагрева насадки воздухонагревателя.

2. Разработка способа проведения оперативной оптимизации режимов работы блока воздухонагревателей с целью снижения расхода топлива до необходимого в текущий момент минимума при безусловном обеспечении текущих заданных значений параметров дутья.

3. Определение обоснованных с технико-экономической точки зрения длительностей периодов дутья, значения максимальной температуры нагрева дутья и требуемых для ее обеспечения расходов топлива на аппараты блока.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Теоретически обоснован форсированный режим нагрева насадки доменного воздухонагревателя за счет оптимизации процесса сжигания топлива, основанной на непрерывном анализе динамики изменения температуры купола.

2. Разработана методика проведения оперативной оптимизации режимов работы блока воздухонагревателей с целью снижения до необходимого минимума общего расхода топлива на аппараты при обеспечении текущих заданных значений параметров дутья. Проведение оптимизации возможно в условиях смешивания топливных газов для всего блока и при постоянных длительностях периодов дутья воздухонагревателей.

3. Применение искусственных нейронных сетей в качестве имитационных моделей работы воздухонагревателей.

4. Решена задача выбора оптимального сочетания длительностей периодов дутья

и схемы распределения топл^воде)|одя!Ш№НИМ|1 {аппаратами при наличии

БИБЛИОТЕКА ^С Петербург

внешнего ограничения на количество потребляемого блоком топлива.

Практическая ценность.

1. Разработан форсированный режим нагрева насадки воздухонагревателя, реализация которого возможна с использованием существующих стандартных средств контроля процесса.

2. Применение искусственных нейронных сетей в качестве имитационных моделей работы воздухонагревателей позволяет сократить до минимума затраты времени на расчеты энергетически благоприятного на текущий момент режима работы блока. Предложен способ адаптации нейросетевой модели.

3. Разработана методика выбора длительностей периодов дутья и рационального значения максимального расхода смешанного топлива на каждый воздухонагреватель блока, учитывающая различие характеристик аппаратов.

Реализация результатов работы. Разработана методика расчетов, обеспечивающая решение всех поставленных задач. Созданный пакет программ включает два основных модуля: проведения расчетов вне технологического потока (определение длительностей периодов дутья, базового расхода топлива, моделирование режимов работы с различными ограничениями); периодических расчетов с целью определения энергетически благоприятного на текущий момент режима работы аппаратов блока. В отраслевом федеральном фонде алгоритмов и программ разработке присвоен номер 3629 от 01 июня 2004 года. Номер государственной регистрации 50200400629.

В 2003 году выполнена работа по гранту Министерства образования РФ и Правительства Челябинской области на тему "Исследование оптимальных режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью повышения температуры нагрева дутья".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертациион-ной работы доложены на Межгосударственной научно-технической конференции "Современная металлургия начала нового тысячелетия" (г. Липецк, 2001 г.); на IV Всероссийской научно-практической конференции "Системы автоматизации в образовании, науке и производстве" (г. Новокузнецк, 2003 г.); на ежегодных научно-технических конференциях МГТУ (г. Магнитогорск, 2002-2004 гг.).

Публикации. Результаты диссертации отражены в 12 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и предложений. Изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 13 таблиц, библиографический список из 85 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и практическая ценность темы диссертационной работы исходя из роли доменного процесса в современной металлургической промышленности, а также интенсивного развития в последние годы буферных потребителей коксового и доменного газов.

В первой главе выполнен литературный обзор основных направлений совершенствования режимов работы доменных воздухонагревателей, критериев оптимизации их работы, подбор режимных параметров по разным методикам, варьирование температурного поля насадки и купола аппарата во времени. Кро-

ме того, показана целесообразность последовательной постановки воздухонагревателей на дутье и далее в диссертации рассматриваются именно такие режимы.

Известные методы оптимизации длительностей периодов работы доменных воздухонагревателей предполагают идентичность в теплотехническом отношении всех аппаратов в блоке, что не соответствует реальным условиям. Также существующие методы не учитывают, что максимальный расход топлива на блок аппаратов может быть ограничен условиями работы прочих его потребителей. В таком случае требуется выбрать наилучшее сочетание длительностей периодов дутья и схемы распределения топлива между аппаратами блока. Таким образом, актуальной становится задача совершенствования режимов работы доменных воздухонагревателей с учетом их индивидуальных характеристик и внешних ограничений на количество потребляемого топлива.

В условиях крупного доменного производства целесообразно координировать переключения воздухонагревателей разных блоков для уменьшения колебаний давления доменного газа в сети газопроводов предприятия. Подобная координация требует обеспечения постоянных длительностей периодов дутья аппаратов. Выполнить данное условие при решении задачи обеспечения энергетически благоприятного режима работы блока можно путем применения имитационных моделей работы воздухонагревателей.

При выборе режимов работы аппаратов необходимо учитывать их состояние на текущий момент, что требует решения задачи адаптации имитационной модели. В то же время адаптация детерминированных математических моделей осложнена отсутствием средств всестороннего контроля за развитием процессов износа. Применение в качестве имитационной модели искусственной нейронной сети позволяет решить данную проблему.

Во второй главе предложен способ проведения оперативной оптимизации режимов работы блока воздухонагревателей с целью снижения до необходимого минимума расхода топлива при безусловном обеспечении текущих заданных значений параметров дутья в условиях смешивания топливных газов для всего блока и при постоянных длительностях воздушных периодов аппаратов.

Для доменной плавки характерна циклическая нестационарность в периоде "накопление - выпуск" продуктов плавки. Динамическая коррекция параметров дутья позволяет повысить эффективность работы печи. Существующие подходы предполагают изменение значений таких параметров комбинированного дутья, как влажность, расход природного газа, содержание кислорода в дутье, расход и температура нагретого дутья. Корректирующие воздействия предполагают ступенчатое изменение значений перечисленных параметров с определенной периодичностью до тех пор, пока не удастся стабилизировать выходные параметры плавки. Изменение заданных значений расхода и температуры нагретого дутья влияет на минимально необходимый расход топлива на воздухонагреватели.

С целью реализации энергетически благоприятных режимов работы блока во второй главе диссертации были решены следующие основные задачи: 1. Разработан способ периодической, поочередной оптимизации режимов работы воздухонагревателей блока с использованием имитационной модели. Необ-

ходимость в поочередной оптимизации работы аппаратов вызвана смешиванием топливных газов на весь блок и невозможностью одновременного обеспечения оптимального для каждого отдельного аппарата соотношения между смешиваемыми топливными газами. 2. Разработан метод контроля и коррекции режимных параметров нагрева на основе анализа результатов оперативного составления полного баланса тепла аппарата. Даже при стабильном обеспечении заданных значений теплотворной способности и давления смешанного газа его состав может различаться, вследствие чего действительное потребление тепла аппаратом не будет соответствовать заданному (оптимальному), рассчитанному с использованием модели. В работе предложен способ обеспечения заданного потребления тепла аппаратом за счет оперативной коррекций расхода смешанного топлива.

В диссертации рассмотрены варианты проведения периодической оптимизации для случаев, когда сберегаемый газ высококалорийный (на примере коксового газа) и доменный. Необходимость во втором варианте вызвана тем, что утилизация коксового газа - достаточно сложный процесс. Высок уровень затрат на внедрение мероприятий по его использованию на электростанциях (буферных потребителях). Если доменный газ на предприятии утилизируется полностью и есть избыток коксового, то это избыточное количество можно подать на воздухонагреватели при отсутствии путей его более эффективного использования. Цель оптимизации в таких условиях - обеспечить заданные значения параметров дутья при минимальных затратах доменного газа.

Выходными данными модельных расчетов являются: заданные значения температур куполов аппаратов, временные графики потребления тепла насадками, теплотворная способность смешанного газа и его расход на каждый аппарат блока. При создании детерминированной имитационной модели процесса использовали способ расчета теплообменных процессов в насадке и куполе, предложенный Ф Р. Шкляром, который основан на разработанном ВНИИМТ методе расчета нагрева одномерных тел при нелинейных граничных условиях. Дополнительно учитывается работа блоков оптимизации процесса сжигания топлива и смесителя. Расчеты с использованием имитационной модели предложено проводить периодически за две минуты перед окончанием нагрева очередного аппарата и в случае незапланированного изменения заданных значений параметров дутья. При каждом отдельном расчете определяются оптимальные режимные параметры нагрева одного аппарата, нагрев которого будет завершен после следующего периодического расчета. Обозначим воздухонагреватель, занимающий такое положение, как аппарат "О".

Рассмотрим случай, когда сберегаемый газ высококалорийный. В данном случае задан расход доменного газа на блок и схема распределения смешанного (доменного) топлива между отдельными аппаратами. Содержание высококалорийного газа в смеси до момента проведения следующего периодического расчета определяется исходя из условия обеспечения минимально необходимого потребления тепла аппаратом "О". Максимальная температура купола, которую можно стабильно обеспечивать, напрямую зависит от § . Поэтому при

заданном расходе доменного газа на воздухонагреватель задача поиска сводится к определению одной переменной - температуры купола гк аппарата "О", при которой количество подмешиваемого к дутью холодного воздуха снизится до нуля именно в момент окончания воздушного периода:

при тд-тдз и Упд(та)>0 при тд <тдз, (1) где г„,(та) - расход подмешиваемого к горячему дутью холодного воздуха в момент тд с начала периода дутья; тдз - заданная длительность периода дутья.

С использованием детерминированной модели определяются требуемые значения /к и рассчитывается график потребления тепла для аппарата "О" и расходы смешанного топлива на воздухонагреватели. Рассчитанные значения передаются в блоки стабилизации данных параметров. На всех аппаратах, находящихся на нагреве, поддерживается до момента следующего периодического расчета значение (к, оптимальное для аппарата "О" (если оно не превышает проектное). В ходе проведения периодических расчетов каждый из воздухонагревателей последовательно займет положение аппарата "О".

Приведем пример. Необходимо определить новые температуры куполов воздухонагревателей ДП№2 ОАО "ММК", находящихся на нагреве, при изменении заданного значения температуры дутья с 1155 до 1160°С. Расход дутья постоянен и равен 2500 м3/мин. До подачи запроса (рис. 1) температуры куполов поддерживались на уровне 1348°С.

момент подачи запроса периодические расчеты на изменение параметров дупя ........■—------

ДУТЬЕ 60 МИНУТ itp 1 >3« t"T I t — 1357 *С 1393°С 1 1332 °С ||

t=.M8°C | ДУТЬЕ «0 МИНУТ t 1 t . = 1337 °с «

t =1Я8°С ш 1393°С 1® ДУТЬЕ 60 МИНУТ 1

| 80 минут t.-1«8'*; ™Vcl С-=,337°С Ш ДУТЬЕ вО МИНУТ

I_I_I_I_' I I

О 25 50 73 100 123 150 время с момента подачи запроса, мин

Рис. 1. Режим работы блока и изменения заданных значений температур куполов

До конца нагрева аппаратов за вычетом времени на расчеты остается соответственно: №5 - 150 мин, №7 - 30 мин, №8 - 90 мин. Следующим в очереди на дутье является аппарат №7. В момент подачи запроса этот аппарат занимает положение "О". Определяем необходимые значения tK и gB в течение оставшегося времени его нагрева (tK = 1395°С, g8 =8,45%). За две минуты до окончания периода нагрева аппарата №7 проводим очередной периодический расчет. Определяем tK и gB исходя из минимально необходимого потребления тепла аппаратом №8 (^=1357°С, gB=5,6%). Перед этим нагрев аппарата №8 шел 30 мин при температуре купола 1395°С. При следующем периодическом расчете аналогичные вычисления проводим для аппарата №5 (tK =1352°С, gB=5,4%).

Если нет возможности реализовать энергетически благоприятный режим работы аппарата "О" только за счет изменения gB (максимальное значение gB равно минимально необходимому для обеспечения проектной температуры ку-

пола), то увеличиваем или уменьшаем по сравнению с базовым (в зависимости от условий) расход смешанного топлива на аппарат "О", не меняя его на остальных. Для случая, когда изменение расхода доменного газа на блок в текущий момент недопустимо, предложен алгоритм определения параметров временного перераспределения топлива между аппаратами, находящимися на нагреве.

Расчеты, проведенные с использованием математической модели, позволили получить предполагаемое значение экономии высококалорийного топлива 5..9% в зависимости от условий работы доменной печи.

В случае, если сберегаемый газ доменный, при периодических расчетах решается задача поиска таких значений расходов смешанного топлива на воздухонагреватели и значения (тем самым определяется и расход доменного газа на блок), при которых аппараты накопят минимально необходимое количество тепла и общее потребление блоком коксового газа останется на заданном в текущий момент уровне. Цикличность режимов работы коксовых батарей обусловливает неравномерность выпуска коксового газа (на "ММК" давление в системе колеблется от 19,6 до 78,4 кПа), что может привести к необходимости изменения заданного уровня его расхода на блок. Однако в течение времени между расчетами по модели расход коксового газа на воздухонагреватели необходимо поддерживать на постоянном уровне, чтобы предварительно определенные режимные параметры нагрева действительно соответствовали оптимальным.

Предложенный в первой главе диссертации способ поочередной периодической оптимизации режимов работы воздухонагревателей позволяет реализовать энергетически благоприятный на текущий момент режим работы блока в условиях общего на блок смешивания топливных газов при заданных значениях длительностей периодов дутья аппаратов.

В третьей главе диссертации предложен способ оптимизации режима нагрева отдельного воздухонагревателя.

В режиме нагрева необходимо выделять два этапа. На первом, пока температура купола ниже заданной, требуется осуществлять сжигание топлива с оптимальным расходом воздуха. При этом температура продуктов горения на входе в насадку поддерживается на максимально возможном уровне. На втором этапе нужно поддерживать заданную температуру купола. Реализация подобного режима осложнена тем, что в реальных производственных условиях неизвестны оптимальное Ув(т)0ПТ и действительное значения текущего расхода воздуха Уг(г). Обеспечить максимально интенсивный нагрев насадки в течение первого этапа можно путем поддержания максимальной скорости нагрева купола воздухонагревателя г'к(,т)мг за счет применения оптимизирующего алгоритма (ОАУ).

После достижения температурой купола заданного значения ОАУ отключается и начинает функционировать стабилизирующий алгоритм (САУ), поддерживающий текущее значение температуры купола ¡к(т) на заданном уровне, путем изменения расхода воздуха. Переключение между ОАУ и САУ осуществляется согласно условиям:

1. При 1к(т) < г^(т)-(5...10<7С) всегда функционирует ОАУ.

2. Если г^ < ?к-(т) < г^(г) + (Д?/г)я, ОАУ продолжает работу в том случае,

если он уже работает, иначе функционирует САУ. Здесь (Д- величина зоны нечувствительности для САУ. 3. Если ^(г) + (А(К)Н <ГК(г), то всегда функционирует САУ.

С целью исключения колебательного поискового режима выбран ОАУ с остановкой исполнительного механизма ИМ, перемещающего жалюзи вентилятора горелки, в момент достижения дгк(т) максимального значения дгкЧт)^ . При работе ОАУ определяется текущее значение скорости изменения

температуры купола Д/*(г) - Д^(т)/Дтг, где Ат - продолжительность цикла опроса датчика температуры. ОАУ формирует две логические функции -управляющую С/(т) и переключающую сгДт) в соответствии с условиями:

при

Дг U(r)-

Н при Цт) - 1к{г)шх+ {Юн *q(r+Ar)-c>i(r); • * ■

О, nputK(r)-tK{$uuc+(toK)H<0, q(r+Ar)«0.

Если &к(т) <Q то U(r) - -1, при гк(т)+(/к)я <0, q(r+Ar)=-q(r). (2)

Дг

Здесь (Д?/с)д - величина зоны нечувствительности для ОАУ.

Условие СГ] (г + Дг) - ах (г) означает, что выбранное направление перемещения жалюзи вентилятора сохраняется и в последующий момент времени х + Дт. При сг, (т + Дг) = —£7] (г) выбранное направление должно быть изменено на противоположенное. Условие ах(г + Дг) - 0 при £/(т) - 0 означает, что перемещение жалюзи должно быть прекращено.

При работе САУ первоначально определяются текущее значение сигнала рассогласования £(т) _ (т) _ (г) и расчетное значение угла поворота жалюзи:

УВрЮ+ ^fe(r) + (r)dr), (3)

^ 'во ; где КР и ТИЗ - параметры настройки САУ.

Поскольку для управления положением жалюзи вентилятора используется ИМ постоянной скорости (т.е. скорости перемещения жалюзи при работе ОАУ КШ1 и САУ Кш2 постоянны), то действительное значение положения жалюзи будет равно:

УвД ~ 'в - Дг) + <72(т) • Кшг •Дг, (4)

где сг2 (г) - значение переключающей функции.

Далее формируется сигнал ошибки <5 (г) : 6 (г) = УВР (г) - Увд (г). Величина 8 (г) определяет значение ст2(г) в соответствии с условиями:

• если е(т) < 0, то при 8(т) < -8Н принимается а2 (т) = +1;

• если е(т) > 0, то при 8(т) > бн принимается аг (г) - -1;

• если г(г) - 0, то при -8И < <5(г) < 8 н принимается ст2(г) - 0.

При а2 (т) = +1 направление движения ИМ выбирается в сторону увеличения, а при ог (т) - -1 в сторону уменьшения значения VB (г). Если

текущее значение 3(т) находится в пределах зоны нечувствительности би , движение ИМ прекращается, т.е. принимается <т2 (г) = 0 .

На рис. 2 приведена расчетная траектория процесса оптимизации в координатах vg - tK (г) относительно экспериментальной статической характеристики (аппарат №34 ОАО "ММК", VCM= 10500 м'/ч) при следующей настройке

параметров контуров: K¡[Ul=QA %/с; (!к)нш 0,1°С/%; 4- 1308 °С; Ув(т - 0) - 10%; Дт = 1 с; КИМ1 - 0,2%/с; КР = 4,5%/°С; Тиз~40 с; (AtK)H = 0,5°С; Кв(г = 0) = 10%; /^(т-0) = 1296°С; Г0 =98с; т3 = 16с.

1314 -Шпах-

1312 ------------------- 1----Í* =,-,„•-г-

§ 1308 ------- ""^"¿v, —ПЧГ-

* 1306 ----------yg----------1--- - ---

1304 -1-.-!=>< )Г—

1302 --jf-----------L—--\

| 1300 - f--------^-^""l~~~ Va°"---—

I 1298 ----------------1---^--

1296 - ■ -----------L-------

1294 -,-,-r-XtoJ-,-,-

10 15 20 25 30 35 40

Положение жалюзи, %

Рис. 2. Расчетная траектория процесса оптимизации режима нагрева

Полученные в процессе моделирования результаты позволили сформировать основные предложения по повышению эффективности способа оптимизации режима нагрева воздухонагревателя:

0 для интеграла в выражении (3) необходимо ввести ограничение на максимальное значение, равное 3-6 с хода ИМ; ° при значительной инерционности датчика температуры купола целесообразно принять Кш, = Кикп\

' в ОАУ при VB (г) = const (т.е. после остановки ИМ) необходимо через определенный интервал времени АгПР - (2 - 2,5) • Т0 осуществлять принудительный реверс ИМ для проверки достоверности определения VB{x) = УдоПТ-

Предложенный эффективный способ оптимизации нагрева воздухонагревателя позволяет повысить температуру дутья на 3-5°С в зависимости от значений режимных параметров нагрева.

В четвертой главе диссертации решалась задача разработки искусственных нейронных сетей (НС), способных заменить детерминированные модели работы воздухонагревателей при проведении оперативной оптимизации работы блока согласно предложенной ранее схеме. Рассмотрен вариант, когда сберегаемым топливом является высококалорийный газ. Переход на использование НС значительно повысит скорость проведения оперативных расчетов и позволит решить проблему адаптации имитационных моделей.

Существующие методики выбора режимов работы блока, учитывающие характеристики аппаратов на текущий момент, основаны на использовании ста-

1к max

-..........<<=.эоз.С-

¿V, ¡^

<-^-j-» <-х \

V0 ^

у ^— '

' ——■—— !

тистических полиноминальных зависимостей. Это не позволяет в достаточной степени учесть нелинейность связей между режимными параметрами. Более целесообразным представляется в данном случае применение НС. Кроме того, данные методики предназначены для поиска квазистационарных режимов работы блока. Они не позволяют решать задачи оперативной оптимизации, поскольку не учитывают исходные тепловые состояния аппаратов.

Оценить исходное тепловое состояние аппарата можно путем контроля температур по высоте насадки. В отличие от методики оптимизации с применением детерминированной математической модели при использовании НС необязательно устанавливать характер распределения температурных полей в насадке. Достаточно набора температур, измеренных в отдельных частях насадки (например, как правило контролируемых, температур стыков блоков).

Для создания НС или другой статистической модели необходима информация о работе объекта в разных режимах. Однако, если оперативная оптимизация не проводится, каждый аппарат работает практически при неизменных режимных параметрах нагрева (не меняется расход смешанного газа, температура купола и т.д.). Поэтому сложно накопить нужный объем информации. В то же время детерминированная модель воздухонагревателей блока постепенно, с развитием процессов износа утратит адекватность. Несмотря на это, ее можно использовать для выбора структуры и первичной настройки нейронной сети. В процессе применения НС для оптимизации режимов работы реального объекта будут получены данные, которые можно использовать для подстройки или повторной настройки НС. Это также позволит учесть влияние на процесс факторов, не учитываемых первоначальной детерминированной моделью (например, неравномерность поля скорости продуктов горения и дутья в насадке).

Для каждого аппарата предложено настроить две HC (HCl и НС2). HCl необходима для выбора оптимальных режимных параметров нагрева. НС2 нужна для того, чтобы избежать продолжительных расчетов с использованием детерминированных моделей при подстройке HCl. Используемый вид НС - многослойный перцептрон. Функция активации - гиперболический тангенс.

HCl имеет 9 входных и 6 выходных параметров. Входные: заданные значения расхода, температуры и влажности дутья; длительности периодов нагрева и дутья; исходные температуры низа блоков насадки (для воздухонагревателей ДП№2 ОАО "ММК" температуры низа блоков МКВ и динаса); исходная температура купола, расход доменного газа. Выходные: содержание коксового газа в смеси gB; начальная и конечная температуры дыма; конечные температуры низа блоков МКВ и динаса; время до выхода на ограничение по температуре дыма.

Требуемые режимные параметры нагрева определяются по результатам работы HCl. На ее вход подаются текущие заданные значения параметров дутья, параметры исходного теплового состояния аппарата, занимающего положение "О", и т.д. Основной выходной параметр - оптимальное значение gB, которое нужно поддерживать до момента следующего периодического расчета. После получения необходимых выходных параметров HCl соответствующие режимные параметры нагрева аппаратов выдаются в схемы регулирования и поддерживаются до момента следующего периодического расчета.

Для создания HCl и последующей ее подстройки нужны наборы значений входных и соответствующих им значений выходных параметров этой НС, удовлетворяющие условию (1). Наборы значений для первоначальной настройки HCl формируются с использованием детерминированных моделей, а значения входных-выходных параметров, нужные для подстройки HCl, определяются периодически по завершении периода дутья воздухонагревателя.

Подстройка осуществляется следующим образом. После окончания периода дутья воздухонагревателя по результатам работы смесителя определяется, были ли рассчитанные ранее HCl параметры нагрева действительно оптимальными. Если условие (1) в действительности не было выполнено, то предложено рассчитать такую температуру нагрева дутья, при обеспечении которой оно было бы выполнено. Значения прочих параметров дутья при этом равны заданным для работы HCl. Расчет производится с помощью НС2. НС2 имеет 7 входных и 1 выходной параметр. Входные: заданные значения расхода, температуры и влажности дутья; длительность периода дутья; количество подмешиваемого холодного воздуха в момент начала и окончания периода дутья; время с начала периода дутья до момента полного закрытия смесителя. Выходной параметр - разница между температурой нагрева дутья, при которой было бы выполнено условие (1), и заданной для работы смесителя в течение прошедшего цикла дутья аппарата. НС2 настраивается один раз с помощью детерминированной модели, ее подстройка или повторная настройка не производятся. В процессе эксплуатации воздухонагревателя, с развитием процессов износа значение максимальной температуры нагрева дутья снижается. Однако это практически не отражается на результатах работы НС2. То есть, например, определенные значения избыточного количества подмешиваемого холодного воздуха в момент окончания периода дутья и прочих входных параметров НС2 всегда будут означать, что температуру дутья можно было бы увеличить на определенную величину по сравнению с прошедшим циклом работы аппарата. Проведя расчет с использованием НС2, получаем значение температуры нагрева дутья, которое совместно со значениями прочих входных параметров HCl и известными по окончанию периода дутья действительными значениями выходных параметров HCl образует один набор значений входных-выходных параметров, удовлетворяющий условию (1). Подстраиваем или повторно настраиваем HCl.

Перед проведением предварительной настройки HCl и НС2 необходимо выбрать их структуры (количество скрытых слоев и нейронов в скрытом слое), что является важной задачей, поскольку для этого в настоящий момент нет строго определенной процедуры. Известно, что если в НС слишком мало нейронов или слоев, то НС не обучится и ошибка при работе сети останется большой. Превышение требуемого количества нейронов тоже мешает работе, поскольку НС становится неспособна к обобщению.

Была проведена настройка HCl и НС2, имеющих разное количество скрытых слоев (от 1 до 4) и нейронов в скрытом слое (от 10 до 100). Настройка проводилась с использованием алгоритма обратного распространения ошибки. Обучающая и тестовая выборки были сформированы с использованием детерминированной математической модели воздухонагревателя №5 (ДП№2) ОАО

"ММК". Для получения произвольного исходного теплового состояния аппарата случайным образом задавались значениями режимных параметров и рассчитывали теплообменные процессы в течение 7-8 циклов работы, приняв первоначально линейное по высоте насадки распределение температур. Объем обучающей выборки составил 2000 наборов входных-выходных данных. На реальном объекте подобный объем информации может быть накоплен менее чем за год. Тестовая выборка состоит из 100 наборов и не является частью обучающей.

В процессе настройки минимизируемой целевой функцией ошибки НС являлась величина:

EM-^iiyW-d^)2, (5)

1 j.p

где yfj - реальное выходное состояние нейрона j выходного слоя N нейронной сети при подаче на ее входы р-го образа; ^-идеальное (желаемое) выходное состояние этого нейрона.

Условия прекращения настройки отдельной сети:

|Ев - <dEma и Е < Е1^ и тн_ки < 40 мин, (6)

где [а ... б] - интервал в итерациях обучения; ел,ев - оценки ошибки на градах интервала; dEmm - заданное минимально допустимое приращение точности при обучении; т„_„, - время настройки отдельной сети.

Получено, что наилучшая структура HCl включает два скрытых слоя, 80 нейронов в скрытом слое. Для НС2 - один скрытый слой и 20-30 нейронов в нем. В таблице приведены оценки отклонений по тестовой выборке Еск (среднеквадратическое), ЕАБ (среднее абсолютное), £тах (максимальное) по основным выходным параметрам для HCl оптимальной структуры.

Оценки отклонений по тестовой выборке для HCl

Параметр НС1 ЕСК ЕАБ Emm

Содержание коксового газа в смеси, % 0,086 0,234 0,833

Температура дымовых газов в момент окончания периода нагрева, °С 7,012 2,258 6,038

Температура низа динасового блока, "С 14,69 2,954 11,02

Температура низа блока МКВ, °С - 12,32 3,012 10,19

Значение среднего по тестовой выборке абсолютного отклонения значения gB не превышает 0,25 % содержания коксового газа в смеси при диапазоне его изменения 0-12%. Для оптимальной структуры НС2 (7-20-1) отклонение ЕАБ по выходному параметру не превышает 1°С. Точность аппроксимации HCl и НС2 процессов теплообмена в аппарате достаточно высока и, следовательно, выбранных для HCl и НС2 входных параметров достаточно для описания процесса. HCl и НС2 могут заменить детерминированные модели при проведении оптимизационных расчетов. Наличие у HCl параметров конечного теплового состояния аппарата по завершении периода дутья позволяет использовать ее и при выборе квазистационарных режимов работы аппарата.

В пятфй главе диссертации предложен способ выбора длительностей периодов дутья и рационального расхода смешанного топлива на воздухонагрева-

тели блока с использованием имитационных моделей. Могут быть использованы как детерминированные, так и нейросетевые модели (HCl).

Длительности воздушных периодов должны обеспечивать возможность получения нагретого дутья максимально возможной температуры при заданном его расходе. Подразумевается такое значение температуры, которое блок может стабильно обеспечивать в течение всего цикла своей работы.

При разных характеристиках аппаратов блока и наличии ограничения на максимальное количество доменного газа, потребляемого блоком, актуальной является задача поиска оптимального по температуре дутья сочетания длительностей периодов дутья аппаратов и схемы распределения топлива между ними. При этом возможно существенное расхождение в топливной нагрузке на каждый аппарат и могут иметь место значительные колебания в количестве потребляемого топлива, даже если в среднем за период его расход на блок остается на заданном уровне. Для предотвращения подобных колебаний предложен соответствующий алгоритм распределения топлива между воздухонагревателями блока. Если колебания давления приводят к периодическому отсутствию потребителей доменного газа, то применение режима с непостоянным в течение периода нагрева расходом топлива на аппарат может быть оправданным.

Поисковые задачи решаются при заданной длительности полного периода Тпп работы воздухонагревателей. В диссертации рассмотрены два варианта формирования режимной карты работы блока: при наличии и отсутствии внешнего ограничения на максимальное количество доменного газа, потребляемого блоком. Ограничение можно наложить как на средний за Тщ, расход доменного газа на блок, так и на общий расход доменного газа в каждый момент работы блока. В случае отсутствия ограничения задача заключается в том, чтобы найти такой расход смешанного топлива на каждый аппарат, при котором выход на ограничение по температуре отходящего дыма произойдет в максимально допустимый момент окончания периода нагрева. При этом длительности воздушных периодов должны обеспечивать максимально возможную температуру нагрева дутья и их сумма равна заданному значению Тпп-

Было принято, что в конце воздушного периода каждого аппарата количество подмешиваемого к горячему дутью холодного воздуха должно снизится до нуля. В ходе нагрева каждого аппарата поддерживается проектная температура купола tkmiX . Указанные два условия (см. (1), (7)) позволят обеспечить режим, который дает максимально возможную температуру нагрева дутья при заданных расходах топлива на аппараты и длительности Тщ,.

'к m ^к тах ■ (?)

Очевидно, что практически реализовать можно только такой режим, при котором для каждого аппарата выполняется условие:

хнаг,1 s (2 хдут,hbj ) - xnep\,j ~ xnep2,j > (8)

где r„aiJ- время нагрева j-ro аппарата; (J,rdymHej)- сумма времен дутья всех аппаратов кроме j-ro; тпер1 >у, rmpl j - длительности переключения j-ro аппарата с нагрева на дутье и с дутья на нагрев.

Задача поиска оптимального режима разделена на три подзадачи. Первой

Рис. 3. Алгоритм поиска "решения": 1 - заданная температура нагрева дутья; 2,3 - начальные и соответственно конечные распределения температур в насадках и куполах; 4 - сумма времен дутья; 5— длительность периодов дутья и переключений каждого аппарата; 6 - время нагрева и допустимое время нагрева каждого аппарата; 7 - параметры режима, позволяющие поддерживать заданную температуру нагрева дутья; 8 - нет решения

является поиск такого режима при заданной температуре нагрева дутья, при котором для каждого аппарата блока выполняются условия (1), (7), (8) ("решение"). Во второй, направленно изменяя задаваемую для расчета температуру нагрева дутья, необходимо получить "решение" при заданной длительности Тпп. В третьей, при наличии ограничения перераспределяется смешанный газ между аппаратами так, чтобы получить "решение", дающее максимальную температуру нагрева дутья при заданной длительности Т„„ (первоначально топливо распределено равномерно между аппаратами). При отсутствии ограничения направленно изменяется расход топлива на каждый аппарат для получения оптимального режима.

Зависимость Максимальной температуры нагрева дутья от длительности Тпп носит экстремальный характер при за-

данной топливной нагрузке. Сокращение Тпп приводит к росту Максимальной, стабильно обеспечиваемой температуры нагрева дутья. Однако при короткой длительности воздушных периодов возрастающее влияние длительности перекидки клапанов вызывает уменьшение соотношения газового и воздушного периодов и интенсивное падение температуры нагрева дутья.

Для начала процесса поиска произвольно задается температура нагрева дутья и ведется поиск "решения" согласно алгоритму рис. 3. Если "решение" найдено и длительность Тщ, больше заданной, то следует увеличивать задаваемое для расчета значение температуры нагрева дутья и, напротив, уменьшать, если "решение" при Т^, близком к заданному Тппз (\тпп - Тпт\ < 5), не найдено.

и 1200 V 1190

т-

170 190 210 230 251 Длительность полного периода, мин

Рис. 4. Процесс поиска в координатах ^ от Тщ,: 1 -первое найденное ''решение при заданной температуре дутья 1140°С; 2,3 - моменты перераспределений; 4 - окончательное "решение" при Тпго и оптимальном по температуре нагрева дутья распределении топлива между аппаратами; 5 - зависимость максимальной температуры нагрева дутья от Тпп, полученная по результатам поиска при разных Тпго

Длительности периодов, мин

После получения режима при Тпгц перераспределяется смешанный газ между аппаратами (при наличии ограничения на количество потребляемого топлива) с целью увеличения температуры нагрева дутья при Тппз- Для этого первоначально определяется, как изменится время дутья каждого аппарата, если увеличить расход топлива на его нагрев в течение заданного времени при неизменных значениях прочих режимных параметров (с учетом допустимого времени нагрева). Увеличение расхода топлива и время, в течение которого он будет увеличен, одинаково для всех аппаратов. Топливо перераспределяется от аппаратов с минимальным к аппаратам с Рис. 5. Результат поиска при Тпп=210 мин максимальным увеличением времени дутья. Далее вновь ищется "решение", в ходе чего длительность Тщ, возрастает при неизменной температуре нагрева дутья. Сокращение длительности Тпп Д° Тппз приведет к росту температуры дутья по сравнению с режимом до перераспределения.

Пример работы алгоритма приведен в графическом виде на рис.4 (показано изменение температуры дутья и длительности Т^ при поиске оптимального режима). Расход дутья 2450 м3/мин, Тгшз=210 мин. Объект - модель воздухонагревателей ДП №6 ОАО "ММК". Заданный максимальный расход доменного газа на блок равен 57600м3/ч ^в=8,6%). На рис. 5 показаны полученные окончательные длительности воздушных периодов и схема распределения топлива. Аналогичные расчеты при разных Тщ, позволили получить зависимость ^ от Т^ (5 на рис.4).

Видно, что в диапазоне полного периода от 170 до 210 мин максимально возможная температура дутья изменяется незначительно. Если рассматривать работу отдельного блока, то при заданной максимальной топливной нагрузке

21 ДУТЬЕ 43,3 мин | НАГРЕВ 154 мим |

ЛО | ДУТЬЕ 56 мин 1 НАГРЕВ 141 мни

22 НАГРЕВ 153 мин I ДУТЬЕ 43.3 мни 1

22-0 | НАГРЕВ 128 МИН | ДУТЬЕ » мин

Распределение доменного газа между аппаратами, м3/ч

21 ДУТЬЕ 43.5 мин | 14200 14200 19200 |

20 19200 | ДУТЬЕ 56 мин | 19200 19200

22 14200 14200 | ДУТЬЕ 43.5 мин 1 19200

22.6 ) 24200 29200 24200 | ДУТЬЕ 69 Мни

Длительности периодов и расходы смешанного топлива на воздухонагреватели

ДУТЬЯ 29 мин

НАГРЕВ 116 им , Усм= 19150 м3/*

ДУТЬЕ 46 мин

НАГРЕВ 11« мин

НАГРЕВ 99 мни, 2вТ00м3/ч

ДУТЬЕ 29 ьшн

НАГРЕВ 89 мин , Уем « 34500 м3/ч

Уем =19150 м/ч

ДУТЬЕ 56 мин

Рис.6. Результат поиска при Тпп=160 мин

270

75000

1110 1150 1190 1230 1270 1310 _

О а

Максимальная температура нагрева дутья, С

Рис. 7. Рассчитанные зависимости: 1 - максимальной температуры нагрева дутья от длительности Тпп; 2 - среднего за полный период расхода смешанного топлива на блок от максимальной температуры нагрева дутья

предпочтение следует отдать режиму с большим значением Тпп, т.к. это позволит реже осуществлять переключения.

При режиме на рис.5 максимальное количество потребляемого доменного газа не превышает заданного значения в любой момент работы блока. Если характеристики аппаратов существенно различаются и расход топлива на каждый аппарат постоянен и определен исходя из условия выхода на ограничение по температуре дыма, колебания в количестве потребляемого топлива могут быть значительны. Рассмотрим результаты работы алгоритма для такого случая. Расход дутья 2450 м3/мин, Т„о=160 мин. На рис. б показан окончательный режим, максимальная температура дутья при котором равна 1240°С. Суммарный расход смешанного топлива на блок меняется при таком режиме работы на 15300 м3/ч при нагреве 3-х аппаратов, что ведет к значительным колебаниям давления доменного газа в сети газопроводов.

Полученная максимальная температура нагрева дутья выше на 55 °С, чем при режиме на рис. 5, однако средний за период расход смешанного топлива на блок вырос с 57800 до 64500 м3/ч. Проведя расчеты при разных длительностях Т„п, получили зависимость максимальной температуры нагрева дутья от Тпп (1 на рис. 7). Приведен также рассчитанный средний за Тпп расход смешанного топлива при разных максимальных температурах нагрева дутья (2 на рис. 7).

С увеличением максимальной температуры нагрева дутья каждые дополнительные 10°С нагрева требуют все больших дополнительных затрат топлива. Одновременно с этим эффект от повышения температуры дутья снижается. Альтернативным способом использования топлива является производство электроэнергии. Принято, что увеличение количества используемого на электростанциях коксового и доменного газов ведет к уменьшению потребления закупаемого природного газа. Это позволяет оценить эффект от дальнейшего повышения температуры нагрева дутья путем перехода на более короткую длительность Тпп. Была рассчитана зависимость между эффектом в рублях при повышении температуры нагрева дутья на 10°С и уровнем нагрева дутья при принятой себестоимости кокса 3400 руб./т. Также рассчитана зависимость эффекта от альтернативного использования Топлива, необходимого для поднятия температуры нагрева

дутья на 10°С в зависимости от уровня нагрева дутья при цене на закупаемый природный газ 950 руб./ 1000 м . Было получено, что избыточное количество топлива выгоднее использовать для повышения температуры нагрева дутья путем перехода на более короткую длительность Тпп при Тщ, > 90-100 мин, а при Тщ, < 90-100 мин данное топливо выгоднее использовать в качестве заменителя природного газа. На практике обеспечение длительностей Тт <140-160 мин -сложная задача и, как правило, на предприятиях длительности Т™ существенно превышают указанные. В то же время необходимо учитывать, что для нашей страны характерно нерациональное соотношение цен на основные виды топлива. Цена на газ регулируется государством, и в настоящее время в пересчете на условное топливо природный газ стал дешевле угля примерно в 1,5 раза. В среднем за рубежом природный газ, напротив, дороже угля на 30-40%. Выравнивание ценовых пропорций в будущем приведет к тому, что рациональное значение длительности Т^ увеличится и его можно будет практически обеспечить.

Основные результаты и выводы

1. Предложен способ проведения оперативной оптимизации режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью реализации энергетически благоприятного режима при изменяющихся заданных значениях параметров дутья. Оптимизация проводится при постоянных длительностях воздушных периодов аппаратов, что возможно за счет применения имитационной модели их работы. Рассмотрены варианты проведения оптимизации для случаев, когда сберегаемый газ - доменный или высококалорийный.

2. Предложен способ оптимизации режима нагрева отдельного воздухонагревателя. За счет обеспечения максимально возможной скорости увеличения температуры купола период разогрева аппарата снижается на 5-8%. Это способствует лучшему прогреву насадки и увеличению температуры дутья на 3-5°С.

3. Разработана методика поиска оптимальных по температуре на1рева дутья длительностей воздушных периодов воздухонагревателей блока при заданной продолжительности полного периода работы аппаратов. Методика учитывает различие характеристик воздухонагревателей и возможность наложения ограничения на максимальное количество топлива, потребляемого блоком. При наличии ограничения определяется оптимальное по температуре нагрева дутья сочетание длительностей воздушных периодов аппаратов и схемы распределения выделенного на блок количества топлива между аппаратами.

4. Показано, что может существовать оптимальная длительность полного периода работы блока, при которой дальнейшее ее сокращение экономически невыгодно при наличии путей использования избыточных количеств коксового и доменного газов в качестве заменителя природного.

5. Создана имитационная модель работы воздухонагревателя, основанная на применении искусственных нейронных сетей (НС), и предложен способ ее адаптации. Определен набор входных-выходных параметров НС, достаточный, чтобы с ее помощью решать задачи оперативной оптимизации и поиска квазистационарных режимов работы аппаратов блока. Переход на использование НС значительно повышает скорость проведения расчетов.

6. Определены структурные параметры НС (количество скрытых слоев и нейро-

нов в скрытом слое), позволяющие достичь наилучшей точности при имитации работы воздухонагревателя.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Евстигнеев B.JI, Рябчиков М.Ю. Применение балансовых моделей для корректировки состава доменной шихты с целью экономии кокса // Современная металлургия начала нового тысячелетия: Сб.трудов Межгос. науч. конф. - Липецк: ЛГТУ, 2001. - С. 102-106.

2. Парсункин Б.Н., Рябчиков М.Ю. Оптимизация режимов работы доменных воздухонагревателей с целью повышения температуры дутья // Материалы 62-й науч.-техн. конференции по итогам науч.-исслед. работ за 2002-2003 годы: Сб. докладов. - Магнитогорск: МГТУ, 2003. - С.62-65.

3. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Рябчиков М.Ю. Оптимизация управления работой блока доменных воздухонагревателей // Системы автоматизации в образовании, науке и производстве: Труды IV Всерос. науч.-практ. конф. -Новокузнецк: СибГИУ, 2003. - С. 369-373.

4. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Рябчиков М.Ю. Оптимизация тепловой работы блока доменных воздухонагревателей // Теория и технология металлургического производства: Межрегион, сб.науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ,2003. -Вып.З. - С. 199-204.

5. Программное обеспечение системы оптимизации управления режимом нагрева воздухонагревателей доменной печи / Б.Н. Парсункин, М.Ю. Рябчиков и др.//Новые программные средства для предприятий Урала.: Сб. тр. Регион, науч.-техн. конференции. -Магнитогорск: МГТУ, 2003. Вып. -2. -С.228-233.

6. Рябчиков М.Ю. Исследование оптимальных режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью повышения температуры нагрева дутья // Сб. по результатам конкурса грантов аспирантов вузов Челябинской обл. - Челябинск: ЮУрГУ, 2003. - С. 146-148.

7. Парсункин Б.Н., Рябчиков М.Ю. Система оптимизации режима нагрева насадки доменного воздухонагревателя // Теплоэнергетика и металлургическая теплотехника: Межвуз. сб. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2003. - С. 12-16.

8. Непрерывное измерение температуры жидкого металла в промышленных агрегатах и установках внепечной обработки стали / У.Б. Ахметов, М.Ю. Рябчиков и др. // Энергосбережение, теплоэнергетика и металлургическая теплотехника: Межвуз. сб. тр. - Магнитогорск: МГТУ,2003. - С 53-57.

9. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Рябчиков М.Ю. Комплекс средств оптимизации режимов работы доменных воздухонагревателей/Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №50200400629 от 18.06.2004.

10. Andreev S., Zherebtsova N., Riabchikov M. Optimization of hot-blast stoves during on-gas period // 10th international student Olympiad on automatic control. - Saint-Petersburg, Russia, may, 2004. -P. 155-159.

11. Парсункин Б.Н., Рябчиков М.Ю. О выборе режима работы блока доменных воздухонагревателей // Автоматизация технологических и производственных процессов: Межвуз. сб. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2004. -С. 155-164.

12. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Рябчиков М.Ю. Определение возможности обеспечения блоком доменных воздухонагревателей заданных значений температуры и расхода дутья //Теория и технология металлургического производства: Межвуз. сб.тр. -Магнитогорск: МГТУ,2004. -Вып.8. -C.180-I85.

ЛГ. 46

РНБ Русский фонд

2005-4 43317

Подписано в печать 3.03.05. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ 132.

__ л*.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 \ О

Полиграфический участок МГТУ Т " ^

.-< 4 .

21 '.м? г г/ % Р \ \

Введение.

Глава 1. Обзор основных направлений оптимизации режимов работы доменных воздухонагревателей.

1.1. Способы повышения эффективности работы блока воздухонагревателей доменной печи.

1.2. Резервы повышения температуры дутья на действующих доменных воздухонагревателях.

1.3. Технологические особенности режимов работы блока доменных воздухонагревателей.

1.4. Существующие методики выбора режимов работы доменных воздухонагревателей.

1.5. Постановка задач по совершенствованию режимов работы доменных воздухонагревателей.

Глава 2. Оптимимизация режимов работы блока доменных воздухонагревателей по критерию минимизации затрат топлива при нагреве дутья.

2.1. Общая структура алгоритма оптимизации режимов работы блока воздухонагревателей и формирования заданных значений режимных параметров для каждого аппарата.

2.2. Детерминированная математическая имитационная модель работы блока доменных воздухонагревателей.

2.3. Способ определения минимально необходимого расхода топливных ресурсов на воздухонагреватели блока при обеспечении текущих заданных значений параметров дутья.

2.3.1. Способ определения минимально необходимого расхода высококалорийного газа.

2.3.2. Способ определения минимально необходимого расхода доменного газа.

Черная металлургия занимает одно из ведущих мест в экономике России и вместе с топливно-энергетическим комплексом определяет жизнеспособность страны, являясь основным поставщиком конструкционных материалов. Важной задачей является совершенствование действующих процессов с целью обеспечения их наивысшей эффективности.

Доменное производство - крупный потребитель (до 70%) топливно-энергетических ресурсов металлургического комплекса. В настоящее время в мире около 500 млн т чугуна ежегодно выплавляется в 550 доменных печах объемом более 1000 м3 с использованием кокса [1]. В строительство доменных печей мира вложены огромные средства, которые должны окупить себя и дать прибыль в обозримом будущем. Поэтому, несмотря на развитие бескоксовых методов плавки, еще 30 - 45 лет, т.е. две-три компании печей, доменное производство будет являться неотъемлемой частью металлургического комплекса [2].

Сегодня страны Европы и США вынуждены ввозить тысячи тонн чугуна и металлопроката. В течение последних двух-трех лет аналитики отмечают уверенный рост цен на продукцию предприятий черной металлургии. За 2001-2002 годы цены, например, на горячекатаный прокат увеличились на 60-70% (с $220 до $350-380 за тонну), холоднокатаный подорожал на 50-60% (с $300 до $450 за тонну). В инвестиционные планы крупных российских предприятий (HJIMK, НТМК, ММК, "Мечел") входит финансирование текущего и капитального ремонта доменного производства, значительная часть продукции которого в ближайшее время сможет стать конкурентоспособным товаром за рубежом [3]. Поэтому задача дальнейшего совершенствования доменного процесса без значительных капитальных затрат актуальна.

Эффективными мерами снижения энергопотребления в доменном цехе являются увеличение температуры горячего дутья и сокращение до необходимого минимума затрат топлива при его нагреве. Улучшение конструкций и режимов работы доменных воздухонагревателей ведется в основном в этих направлениях. Воздухонагреватели потребляют значительную часть вырабатываемого доменного газа (40-60%), поэтому их работа напрямую влияет на технико-экономические показатели доменного передела.

В настоящий момент на ОАО "ММК" добились полной утилизации коксового и доменного газов. Этого удалось достичь, в первую очередь, за счет развития буферных потребителей этих вторичных газов - ПВЭС и ЦЭС. Производимая на ОАО "ММК" электроэнергия в три раза дешевле электроэнергии из региональной энергосистемы [4, 5, 6]. Полная утилизация коксового и доменного газов делает актуальным поиск путей повышения эффективности их использования на предприятии и непосредственно на доменных воздухонагревателях как крупнейших их потребителях.

Таким образом, при выборе режимов работы доменных воздухонагревателей необходимо решить следующие задачи:

• поиск режима работы блока, обеспечивающего стабильное поддержание максимально возможной температуры нагрева дутья при равных значениях прочих параметров дутья;

• оперативное определение режимных параметров нагрева аппаратов, при которых текущие заданные значения параметров дутья (если предусмотрено их изменение при ведении процесса) будут обеспечены при минимально необходимом расходе топлива;

• поиск путей повышения эффективности использования топлива при нагреве воздухонагревателя.

Найденные режимы работы воздухонагревателей должны удовлетворять ряду технологических и конструкционных ограничений: по допустимой температуре отходящих дымовых газов, температуре купола и низа динасового блока, условию стабильного обеспечения текущих заданных значений параметров дутья и т.д.

Обоснованно выбрать режим, гарантирующий соблюдение ограничений, можно путем использования моделей работы воздухонагревателей. Вопросы, связанные с выбором режимных параметров работы блока, изучали

Э.М. Гольдфарб, B.C. Кочо, Ф.Р. Шкляр, Е.В. Захарова, С.Л. Соломенецев, В.Д. Коршиков, Е.В. Торопов, B.J1. Советкин, Г.В. Кондратьев, Ю.П. Байшев и др. [7-23]. Однако эти вопросы на настоящий момент изучены недостаточно. Ряд методик [7, 10, 11, 16, 23] предполагает идентичность характеристик аппаратов блока или применение излишне упрощенных моделей.

Существующие методики выбора режимов работы доменных воздухонагревателей не учитывают, что максимальный расход топлива на блок может быть ограничен вследствие внешних, не зависящих от характеристик аппаратов причин. В таком случае при различии параметров воздухонагревателей требуется выбрать наилучшее сочетание длительностей периодов дутья и схемы распределения топлива между отдельными аппаратами блока с целью получения режима стабильно обеспечивающего максимально возможную температуру нагрева дутья при прочих равных условиях.

Длительная эксплуатация воздухонагревателей без капитального ремонта приводит к росту газодинамического сопротивления насадок, частичному обрушению футеровки в зоне сочленения штуцера горячего дутья и шахты, а также к развитию эффекта короткого замыкания. Происходит снижение пропускной способности воздухонагревателей, уменьшается температура дутья и КПД аппаратов [24, 25]. При выборе режимов работы воздухонагревателей необходимо учитывать состояние аппаратов на текущий момент, что требует решения задачи адаптации моделей их работы.

Проблемы, связанные с выбором режимов работы блока и адаптацией применяемых при этом моделей работы воздухонагревателей, на сегодняшний момент недостаточно изучены. В связи с этим направлением работы является совершенствование режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью повышения температуры нагрева дутья, а также реализации энергетически благоприятных режимов работы аппаратов. Целью работы также является разработка способа адаптации имитационной модели работы воздухонагревателей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1) Предложен метод проведения оперативной оптимизации режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью сбережения топливных газов при изменяющихся заданных значениях параметров дутья. Оптимизация проводится при постоянных длительностях периодов дутья воздухонагревателей блока, что возможно за счет применения имитационной модели их поведения. Рассмотрены варианты проведения оптимизации для случаев, когда сберегаемый газ - доменный или высококалорийный.

2) Предложен способ оптимизации режима нагрева воздухонагревателя. По предварительным данным за счет обеспечения максимально возможной скорости увеличения температуры купола период разогрева воздухонагревателя снижается на 5-10%. Это способствует лучшему прогреву насадки и увеличению температуры дутья на 3-5°С.

3) Разработана методика поиска оптимальных по температуре дутья длительностей воздушных периодов воздухонагревателей блока при заданной продолжительности полного периода работы аппаратов. Методика учитывает возможность наложения жесткого ограничения на максимальное количество топлива, потребляемого блоком. В таком случае ведется определение оптимального по температуре нагрева дутья сочетания длительностей воздушных периодов аппаратов и распределения выделенного на блок количества топлива между отдельными аппаратами.

4) Разработанная методика поиска оптимальных по температуре дутья длительностей воздушных периодов аппаратов применена для расчета режимов работы воздухонагревателей доменной печи №6 ОАО "ММК', имеющих различные характеристики. Получено, что переход на оптимальные длительности воздушных периодов по сравнению с равными длительностями периодов дутья аппаратов блока при Тпп = 210 ведет к увеличению температуры дутья на 9 - 10 °С, что дает экономию кокса порядка 0,25 %.

5) Создана имитационная модель работы воздухонагревателя основанная на применении искусственных нейронных сетей (НС) и предложен способ ее адаптации. Определен набор входных-выходных параметров НС достаточный, чтобы с ее помощью решать задачи оперативной оптимизации и поиска квазистационарных режимов работы аппаратов блока. Переход на использование НС значительно повышает скорость проведения расчетов.

6) Определены структурные параметры НС (количество скрытых слоев и нейронов в скрытом слое), позволяющие достичь наилучшей точности имитации поведения воздухонагревателя. Настроенная нейронная сеть может быть использована при решении задач оптимизации режимов работы доменных воздухонагревателей.

7) Показано, что возможна ситуация, когда дальнейшее сокращение полного периода работы блока с целью увеличения температуры нагрева дутья невыгодно при наличии возможности использовать коксовый и доменный газ в качестве заменителя природного. Это может быть вызвано тем, что с ростом температуры нагрева дутья и переходом на более короткую продолжительность полного периода каждые дополнительные 10 °С нагрева дутья требуют все больших затрат топлива. В то же время экономия кокса с ростом температуры нагрева дутья снижается.

8) Создан пакет программ, реализующий все разработанные методы проведения оптимизации. Пакет включает три основных модуля: проведения расчетов вне технологического потока (определение длительностей периодов дутья, базового расхода топлива, моделирование режимов работы с различными ограничениями); периодических расчетов (определение энергетически благоприятного на текущий момент режима работы аппаратов блока); обмена данными с локальными контурами регулирования (способ оптимизации нагрева насадки воздухонагревателя программно реализуется на контроллере РК-131). В отраслевом фонде алгоритмов и программ разработке присвоен номер 3629 от 01 июня 2004 года. Номер государственной регистрации 50200400629 (прил. 9). В 2003 году выполнена работа по гранту Министерства образования РФ и Правительства Челябинской области на тему "Исследование оптимальных режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью повышения температуры нагрева дутья" (прил. 10).

1. Лисин B.C., Юсфин Ю.С. Ресурсоэкологические проблемы XXI века и металлургия. М.: Высш. шк., 1998. - 448 с.

2. Вегман Е.Ф., Чургель В.О. Теоретические проблемы металлургии чугуна / Под ред. С. Е. Лазуткина, А. Б. Усачева. М.: Машиностроение,2000.-348 с.

3. Кривцов А. Деньги в доменную печь // Финанс. - 2003. - №13. - С. 20 - 23.

4. Материалы конференции "Реализация концепции развития энергетики и внедрения энергетического оборудования отечественного производства на ОАО "ММК". Опыт взаимодействия с АОЗТ "ЛОНАС ТЕХНОЛОГИЯ" / Г.В. Никифоров, В.П. Пастушенко. Магнитогорск, 2001.

5. Никифоров Г.В., Заславец Б.И. Энергосбережение на металлургических предприятиях: Монография. Магнитогорск: МГТУ, 2000. - 282 с.

6. Никифоров Г.В., Олейников В.К. Анализ и управление электропотреблением на металлургических предприятиях: Учеб. пособие. — Магнитогорск: МГТУ, 1999.-219 с.

7. Шкляр Ф.Р., Малкин В.М. Доменные воздухонагреватели (конструкция, теория, режимы работы). М.:Металлургия, 1982. — 176 с.

8. Фон Гермерсгейм К.Э., Герман Г. Управление воздухонагревателями с автоматической оптимизацией при помощи ЭВМ — функции и опыт эксплуатации // Черные металлы. 1983. -№11. - С. 32 — 38.

9. Кун П., Зуккер Д. Применение новой математической модели для определения оптимального режима работы доменных воздухонагревателей // Черные металлы. 1984. - №11. - С. 20 - 25.

10. СоломенецевС.Л.,КоршиковВ.Д. Упрощенный метод оптимизации режимов работы блока доменных воздухонагревателей//Сталь,— 1985.-№6.-С. 16- 18.

11. П.Левченко П.В., Коновалова С.В. Оптимизация режима работы действующих воздухонагревателей с целью повышения температуры дутья более 1200 °С. НИР, Ждановский металлургический институт, 1975. — 52 с.

12. Кондратьев Г.В. Разработка и исследование комплексных методов повышения эффективности эксплуатации доменных воздухонагревателей: Автореф. дис. канд. техн. наук., Липецк, 2002. 22 с.

13. Имер 3. Новые математические модели воздухонагревателя // Черные металлы. 1974.-№12.-С. 29-30.

14. М.Гольдфарб Э.М. Закономерности прогрева насадки и пути повышения температуры доменного дутья // Изв. вузов. 1960. - №10.

15. Кочо B.C., Захарова Е.В., Кочетков Е.А. Исследование доменных воздухонагревателей // Известия вузов. 1969. - №1. - С. 18 — 20.

16. Гольдфарб Э.М., Леговец Л.В. Определение оптимальной частоты переключений доменных воздухонагревателей // Известия вузов. — 1963. -№2.

17. Лившиц Э.Я., Моисеев Ю.Г. и др. //Бюл. ин-та «Черметинформация». 1972. - № 7.

18. Кочо B.C., Захарова Е.В. О рациональном режиме работы доменных воздухонагревателей // Известия вузов. 1969. - №3. - С. 29 - 31.

19. Дацковский В.М. О рационализации работы доменных воздухонагревателей //Сталь.- 1973.-№2. -С. 111-113.20.0птимизация работы воздухонагревателей / Р. Стокман, Э. ван Стейн Калленфельс и др. // Сталь, №2, - 2003. - С. 18 - 22.

20. Новая система оптимизации управления доменными воздухонагревателями / X. Монкерн, М. Фосс и др. // Черные металлы. 1994, окт. - С. 16-23.

21. Выбор и анализ оптимальных тепловых режимов воздухонагревателей доменных печей / Ф. Р. Шкляр, Н. И. Трофимов и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1988.-№ 10.-С. 134- 136.

22. Оптимизация режимов работы доменных воздухонагревателей методом управляемого прямого поиска / Г. Б. Мельник, Н. А. Калиногорский и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1988. -№ 4. - С. 119 - 122.

23. Байшев Ю.П. Доменные печи и воздухонагреватели (конструкции, эксплуатационные воздействия, свойства материалов, расчеты). — Екатеринбург: Урал, отд-ние РАН, 1996. 993 с.

24. Бродкж В.Ю., Мачихина Ю.В. Расчетно-экспериментальная методика контроля целостности насадки доменного воздухонагревателя // Теория и технология производства чугуна и стали: Сб. науч. тр. Междунар. научн.-техн. конференции. Липецк. 2000. - С. 178 - 188.

25. Анализ технологических характеристик и технологических параметров воздухонагревателей доменных печей по заводам МЧМ: Отчет о НИР.- Свердловск: ВНИИМТ, 1983. 48 с.

26. Работа доменной печи с нагревом дутья до 1200 1380 °С / А. А. Шокул, В. П. Лозовой и д.р. // Сталь. - 1978. - №2. - С. 10 - 13.

27. Планка Б. Повышение температуры дутья в доменных печах // Сталь. 1982.- №4. С. 14-19.

28. Стефанович М. А. Анализ хода доменного процесса. — Свердловск: Металлургиздат, 1960. 286 с.

29. Товаровский И.Г., Бояровская Г.П. Эффективность нагрева доменного дутья //Сталь.-1977.-№12.

30. Опыт работы доменных печей ММК с коррекцией параметров комбинированного дутья по ходу плавки / Ю.Н. Овчинников, Ю.В. Федулов и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1988. - № 5. - С. 4 - 10.

31. Пальц Г. Использование тепла отходящих газов для нагрева дутья // Черные металлы. 1984.-№19.-С. 23-30.

32. Шацких Ю.В. Разработка и исследование методов повышения эффективности энергоиспользования в доменных воздухонагревателях: Автореф. дис. канд. тех. наук. Липецк. - 2002. - 21 с.

33. Стрелов К.К. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов.- М.: Металлургия, 1985. 480 с.

34. Регенеративный теплообмен. Теплоотдача в струйном потоке. Свердловск: Металлургиздат, 1962. - (ВНИИМТ. Сб. №8.)

35. Повышение эффективности топливоиспользования в доменных воздухонагревателях / Бякин И.Г., Мачихина Ю. В. и др. // Современная металлургия начала нового тысячелетия: Сб. докл. науч.-практ. конф. — Липецк: ЛГТУ, 2001. С. 45 - 48.

36. Яхонтов М.В., Торопов Е.В., Иванов А.Д. Причины пульсации доменных воздухонагревателей // Сталь. 1963. -№ 9.

37. Оптимизация работы воздухонагревателей / Р. Стокман, Э. ван Стейн Калленфельс и др. // Сталь. №2. - 2003. - С.18 - 22.

38. Тараканов А.К. Технологические принципы автоматизированного управления ходом мощных доменных печей // Изв. вузов. Черная металлургия. 1986. - № 11. - С. 12-15.

39. Федулов Ю.В. Этапы совершенствования состава комбинированного дутья // Сталь. 1997. - №3. - С. 4 - 8.

40. Регулирование теплового состояния доменных печей с помощью комплексных технологических параметров / А.В. Ченцов, Ю.А. Чесноков, Б.В. Ипатов и др.// Сталь. 1991. -№11. - С. 15-18.

41. Работа доменной печи с автоматической стабилизацией дутьевого режима / И.З. Буклан, А.А. Третяк и др. // Сталь. 1991. - №11. - С. 18 - 21.

42. Работа доменной печи с постоянным давлением дутья / В. В. Лифар, В. А. Руденко и д.р. // Металлург. 1982. - №3. - С. 23-26.

43. Автоматизация управления газодинамическим режимом доменной плавки /

44. A. К. Тараканов, Н. Ш. Гринштейн и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. — 1987. -№3. -С. 25-28.

45. Экспертная система автоматизации доменных печей "ФАйрон" / Г. Бруннбауэр, Ф. Лазингер и др. // Сталь. 2002. - № 3. - С. 52 - 54.

46. Влияние температуры горячего дутья на показатели работы доменной печи /

47. B. Цишкале, Г. Хейнерт и др. // Черные металлы. 1963. -№18. - С. 23 - 24.

48. А New Process Optimization System at Bethlehem Steel's L Furnace / Richard S. Hoffer // Iron and Steel Engineer. 2001. - № 6. - P. 18 - 24.

49. Торопов Е.В., Иванов А.Д. Пути повышения температуры горячего дутья в доменном цехе Магнитогорского металлургического комбината // Сталь. — 1965.-№5.

50. Анализ влияния температуры газов под куполом и стоимости топлива на оптимальные режимы работы доменных воздухонагревателей / Ф. Р. Шкляр, Н. И. Трофимов и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1988. - № 6. - С. 125-127.

51. Теплообмен и аэродинамика в металлургических агрегатах. М.: Металлургия, 1967.-(ВНИИМТ. Сб. №13.)51 .Динамические модели теории управления / Ю.И. Неймарк, Н.Я. Коган и др. -М.: Наука, 1985.-399 с.

52. Оптимальный тепловой режим работы воздухонагревателей доменных печей / Лобов И.М., Сидорова P.M., Торопов Е.В., Перепелкина Л.И.// Сталь. 1962.-№8.

53. Лаар Ван Я. Высокотемпературные воздухонагреватели с внутренней камерой горения // Черные металлы. 1974. - №5. - С. 22 - 25.

54. Опыт и проблемы системного анализа использования топлива в доменном производстве / А.В. Бородулин, Э.М. Гольдфарб и д.р. // Сталь. — 1984. №5. -С. 105- 109.

55. Торицын Л.Н., Советкин В.Л. Учет подкупольного пространства при расчете распределений температур в регенеративном теплообменнике // Изв. вузов. Черная металлургия. 1990. — № 8. - С. 77-79.

56. Результаты экспериментальных исследований повышения эффективности сжигания газов в воздухонагревателях доменных печей / А. В. Воловик, Е. М. Шелков и др. // Сталь. 1996. - №12. - С. 4 - 7.

57. Нормативная документация на допустимые удельные расходы топлива в производстве агломерата, окатышей и в доменных воздухонагревателях / А.А. Кузовников, Г.К. Рубцов и др. // Сталь. 1986. -№1. - С. 103 - 106.

58. Автоматический измеритель калорийности технологических газов // Передовые технологии России. 2003. - № 2.

59. К вопросу о математической модели регенеративного теплообменника / B.JI. Советкин, Ф.Р. Шкляр и д.р. // Теплотехника процессов выплавки стали и сплавов: Межвуз. науч.-техн. сборник. Магнитогорск: МГТУ, 1973.-214 с.

60. Семикин И.Д., Аверин С.И., Радченко И.И. Топливо и топливное хозяйство металлургических заводов. М.: Металлургия, 1965.

61. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод). / Под ред. Кузнецова и др., М.: Энергия, 1973. - 256 с.

62. Подсистема управления расходом газа для блока воздухонагревателей доменных печей. Сообщ. 1 / В. С. Колодяжный, В. JL Советкин и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1990. - № 8. - С. 89 - 91.

63. Подсистема управления расходом газа для блока воздухонагревателей доменных печей. Сообщ. 2 / В. С. Колодяжный, В. JI. Советкин и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1990. -№ 12. — С. 63 - 65.

64. Кузин Ф.А. Кандидатская диссертация. Методика написания, правила оформления и порядок защиты. Практическое пособие для аспирантов и соискателей ученой степени. М.: ОСЬ-89, 1997. - 208 с.

65. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Рябчиков М.Ю. Оптимизация управления работой блока доменных воздухонагревателей // Системы автоматизации в образовании, науке и производстве: Труды IV Всерос. науч.-практ. конф. -Новокузнецк: СибГИУ, 2003. С. 369 - 373.

66. Оптимизация ступенчатого нагрева высокотемпературных регенераторов / В. Д. Коршиков, С. М. Басукинский и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1990.-№5.-С. 76-78.

67. Парсункин Б.Н., Рябчиков М.Ю. Оптимизация режимов работы доменных воздухонагревателей с целью повышения температуры дутья // Материалы 62-й НТК по итогам науч. исслед. работ за 2002-2003 гг. — Магнитогорск: МГТУ, 2003.-С. 62-65.

68. Теплообмен в переходных режимах в насадках доменных воздухонагревателей / Советкин В. Л., Швыдкий В. С. и др. // Тез. докл. IV науч.-техн. конф. УПИ им. С.М. Кирова. Свердловск, - 1973.

69. Кюнкеле Р., Энгельгардт Г.П., Чоудхури С. Свойства огнеупорных материалов и их применение в высокотемпературных воздухонагревателях // Черные металлы. 1972. - №4. - С. 16-21.

70. Томшу Ф., Чермак А., Ланкош И. Термомеханические свойства динасовых огнеупорных изделий в воздухонагревателях // Черные металлы. —1976. — №7.-С. 25-29.

71. Тепловое и термонапряженное состояние насадки воздухонагревателя / В. М. Малкин, Е. JL Сургучева, М. И. Агафонова и д.р. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1990. - № 9. - С. 89 - 91.

72. Тепловое состояние элементов доменного воздухонагревателя в условиях форсирования режимов дутья / Ю.М. Мацевитый, В.А. Маляренко, A.M. Брагинский и д.р. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1990. - № 6. - С. 1517.

73. Контроль температуры насадки воздухонагревателя / C.JI. Соломенцев, В.Д. Коршиков, Я.П. Калугин и др. // Сталь. 1981. - №7. - С. 22-24.

74. Иванов В.А., Халепа Н.В. Применение искусственных нейронных сетей для математического моделирования теплообмена Информатика, экология, экономика. Вестник РАДСН. М., 2002. - 10 с.

75. Цикл электронных версий статей С. Коротко по тематике нейронных сетей. Информация с сайта http://www.edu.ru.

76. Нейросетевые информационные модели сложных инженерных систем / А.Н.Горбань, В.Л.Дунин-Барковский и д.р. // Нейроинформатика. — Новосибирск: Наука, 1998. 344 с.

77. Дорогов А.Ю., Алексеев А.А. Структурные модели быстрых нейронных сетей // Интеллектуальные системы: Сб. трудов Н-го Междунар. симпозиума / Под ред. К.А.Пупкова. Т.2. М.: Изд-во ПАИМС, 1996. - с. 138-143.

78. Комаров В.В. Применение искусственных нейронных сетей в автоматизированных системах анализа и мониторинга химических сред. Автореф. дис. канд. техн. наук. Липецк, 2004. - 23 с.

79. Сибагатуллин С. К. Расчет технических показателей доменной плавки при изменении условий работы печи: Метод, пособие. Магнитогорск: МГМИ, 1991.-68 с.

80. Алгоритм проведения коррекций расхода смешанного топлива на воздухонагреватель на основе анализа результатов составления оперативныхбалансов тепла