автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Управление фосфорной руднотермической печью закрытого типа

л

Санкт-Петербургский государственный технологический инсо

(технический университ

На правах рукописи

ШИЛИНА ЯНА МИХАЙЛОВНА - - К?

/// / (/

управление фосфорной руднотермическои печью

закрытого типа

05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: д.т.н., проф. Сотников В. д.т.н., проф. Ершов BÄj Научный консультант: д.т.н. Педро A.A.

Санкт-Петербург - 1998

-2-СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 4

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1. АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВА ФОСФОРА 10

1.1 Особенности процесса производства фосфора 10

1.1.1 История промышленного производства и области применения фосфора 10

1.1.2 Физико-химические и конструктивные особенности процесса 12

1.1.2.1 Требования к сырью 14

1.1.2.2 Требования к качеству готового продукта 15

1.1.2.3 Физико-химические свойства фосфора 15

1.2.2.4 Фосфорная руднотермическая печь (РТП) 16

1.1.3 Зонное строение реакционного пространства печи 21

1.2 Анализ существующих методов и систем управления производством фосфора 25

1.3 Постановка задачи исследования 35

1.4 Выводы к главе 1 37

Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ФОСФОРА 38

2.1 Фосфорная печь закрытого типа как объект управления 38

2.2 Анализ химического взаимодействия компонентов шихты в

процессе получения фосфора 43

2.3 Материальный баланс руднотермической печи 46

2.4 Энергетический баланс руднотермической печи 59

2.5 Структура математической модели процесса получения фосфора 63

2.6 Описание программной реализации математической модели на

ЭВМ 65

2.7 Выводы к главе 2 67

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ФОСФОРА

ПО МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 68

3.1 Оценка адекватности математической модели получения

фосфора • 68

3.2 Влияние содержания примесей сырья на выход продуктов плавки, расход сырья и энергии 72

3.3 Влияние качества сырья и модуля кислотности на выход фосфора, расход сырья и энергии 78

3.4 Выводы к главе 3 85

Глава 4. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

ПОЛУЧЕНИЯ ФОСФОРА 86

4.1 Постановка задачи системы управления 86

4.2 Выбор критерия управления и метода его определения 90

4.3 Разработка алгоритма управления 93

4.4 Структура системы управления процессом получения фосфора 97

4.5 Анализ качества работы системы управления 102

4.6 Выводы к главе 4 105

ВЫВОДЫ 107

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 110

ПРИЛОЖЕНИЕ

121

- 4 —

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

РТП - руднотермическая печь;

- содержание ьго компонента в]-ом потоке, %;

Входные потоки РТП: 8Н - шихта; Р - фосфорит; КУ - кварцит; V -восстановитель (кокс); Е_та8за - электродная масса; Выходные потоки РТП: 8Ь - шлак; РЬ - пыль; g - газ; М - феррофосфор; 05Н, Ор, Оку, Оу - расходы шихты, фосфорита, кварцита, восстановителя (кокса) на дозаторе, т/ч;

Лбу^ор - корректирующая дозировка кокса, т/ч;

- удельный расход }-го потока на одну тонну фосфора, т/т; М; - вес ьой молекулы, г;

к| - стехиометрический коэффициент компонента в химической реакции;

К; - коэффициент восстановления оксида;

Мк - модуль кислотности;

ш(Р) - выход фосфора, %;

шУз| - масса углеродистого слоя, т;

Дту81 - изменение массы углеродистого слоя (дисбаланс углерода), т;

- суммарное изменение массы углеродистого слоя за весь период наблюдения, т;

Ртах - максимальная электрическая мощность, потребляемая печным трансформатором, кВт;

Р и I - текущие значения мощности печи и силы тока в электродах соответственно, кВт и кА;

- затраты электроэнергии на осуществление ¡-ой химической реакции в реакционном пространстве РТП, кВт-ч/т;

\Уобщ - общий удельный расход электроэнергии на получение одной тонны фосфора, кВт-ч/т;

Шс - расход электроэнергии (по данным измерителя мощности), кВт-ч.

- 5 -ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных тенденций развития фосфорного производства является предъявление все более жестких требований к эффективности функционирования соответствующих технологиче.ских процессов, что невозможно осуществить без применения современных методов управления. Причем управление вручную технологическими процессами производства фосфора, отличающимися повышенной сложностью, потенциальной опасностью и агрессивностью среды при наличии большого количества переменных, невозможно. Одним из показателей качества исследуемых процессов является выход целевого продукта - фосфора.

Увеличение выхода целевого продукта при выполнении требований к его качеству может быть достигнуто путем разработки и создание автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) в производстве фосфора.

Производство фосфора имеет большое народнохозяйственное значение. Основная часть (90%) производимого фосфора перерабатывается на фосфорную кислоту, которая благодаря высокой чистоте служит сырьем для производства кормовых и пищевых фосфатов, моющих средств, многих фосфорных солей. Остальной фосфор идет на производство фосфидов, сульфидов и хлоридов фосфора, а также красного фосфора, который идет на нужды спичечной промышленности.

Как и многие химико-технологические процессы, производство фосфора характеризуется высоким расходом сырья. Поэтому встает задача экономного расходования энергетических и материальных ресурсов при увеличении выхода целевого продукта и улучшении его качества.

Основной элемент технологической схемы получения фосфора -

руднотермическая печь (РТП) закрытого типа, в которой происходит

образование фосфора в результате химической реакции восстановления

фосфата кальция углеродом, характеризуется ограниченной доступностью 1

контроля параметров процесса, недостаточной изученностью и потенциальной

опасностью, что создает определенные трудности для разработки эффективных систем управления. В настоящее время недостаточный объем информации о процессе приводит к тому, что при принятии решений по управлению операторы во многом ориентируются на субъективный опыт и интуицию, учитывая лишь . качественные связи между электротехнологическими параметрами протекания процесса в руднотермической печи и показателями режима ее работы. Принимаемые в результате этого решения довольно часто становятся источником неоправданных материальных и энергетических потерь, а также являются причиной сокращения сроков службы оборудования из-за нарушения режимов его эксплуатации.

Управление работой фосфорных руднотермических печей действующих производств основано на поддержании заданного положения электрода, а проводимая корректировка дозировок кварцита и кокса осуществляется по результатам химического анализа состава шлака (после слива его из печи). Отсутствие оперативности при определении состава шлака приводит к большим запаздываниям между изменениями состава расплава и необходимой корректировкой состава шихты.

Несовершенство существующих методов управления технологическим режимом обуславливает снижение производительности печных установок на 10-20 %. Таким образом, задача повышения эффективности ведения процесса получения фосфора, а именно разработка системы управления этим процессом, является актуальной и экономически обоснована.

С учетом вышеизложенного целью диссертационной работы является создание системы управления фосфорной руднотермической печью закрытого типа на основе математической модели, применяемой для оценки изменения массы углеродистого слоя, обеспечивающей получение заданного выхода фосфора при данном составе сырья.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи: проведен анализ особенностей процесса получения фосфора в руднотермической печи; рассмотрена фосфорная печь закрытого типа как

объект управления, определены входные и выходные параметры, каналы управления и значимые возмущающие воздействия; проведен анализ химического взаимодействия компонентов шихты; составлены уравнения материального и энергетического балансов производства фосфора по данным о составе сырья; на базе уравнений материального и энергетического балансов разработана математическая модель процесса, позволяющая рассчитывать текущие расходы сырья и осуществлять управление режимом работы РТП в производстве фосфора; осуществлена программная реализация математической модели на ЭВМ; проведена оценка адекватности математической модели реальному процессу получения фосфора; проведены исследования влияния различных параметров процесса получения фосфора на показатели режима работы РТП с помощью математической модели; выбран критерий управления (изменение массы углеродистого слоя); впервые для фосфорного производства предложен метод оперативного определения величины критерия управления через объем газа СО - продукта печной установки; разработана система управления материальными потоками и электрическим режимом в процессе получения фосфора, обеспечивающая стабилизацию режима работы руднотермической печи и, как следствие, получение заданного выхода продукта при данном составе сырья; проведена оценка качества работы предложенной системы управления.

Диссертационная работа состоит из четырех глав.

В первой главе представлены результаты анализа литературных данных по вопросу технологии производства фосфора. С целью ознакомления с исследуемым процессом изложены его физико-химические и конструктивные особенности. На основе зонной теории рассмотрено реакционное пространство фосфорной руднотермической печи. Проведен обзор существующих методов и систем управления фосфорным производством, который свидетельствует о том, что в настоящее время не существует математической модели, которая достаточно полно описывала бы процесс производства фосфора, и на базе которой возможна была бы разработка системы управления материальными потоками процесса, обеспечивающей

оперативную корректировку состава шихты. В соответствии с целью работы -созданием системы управления фосфорной печью закрытого типа на основе математической модели - сформулирована задача исследования.

Вторая глава посвящена разработке математической модели процесса получения фосфора. Проведен анализ основного элемента технологической схемы - фосфорной руднотермической печи - как объекта управления для определения входных и выходных параметров, каналов управления и значимых возмущающих воздействий. Предложен метод расчета материально-энергетического баланса производства фосфора на основе данных о составе сырья с учетом золы восстановителя. Разработана математическая модель процесса получения фосфора в руднотермической печи закрытого типа на основе рассмотрения уравнений материального и энергетического балансов данного процесса. Описана программная реализация модели на ЭВМ.

В третьей главе проведена оценка адекватности разработанной математической модели реальному процессу получения фосфора, протекающему в руднотермической печи закрытого типа, путем реализации соответствующих вычислительных экспериментов. Рассмотрены результаты исследования процесса по математической модели: изучено влияние различных параметров процесса получения фосфора на показатели режима работы РТП, а именно, влияние качества исходного сырья и содержащихся в нем примесей, модуля кислотности шлака на удельные расходы сырья и электроэнергии на одну тонну производимого фосфора, а также на выход целевого продукта.

В четвертой главе рассмотрена предлагаемая система управления процессом получения фосфора в РТП закрытого типа. Выбран критерий управления - изменение массы углеродистого слоя. Предложен метод оперативного определения величины критерия управления через объем газа СО - продукта печной установки. Разработан алгоритм управления процессом получения фосфора на основе математической модели. Предложена структура системы управления производством фосфора. Проведен анализ качества работы системы управления, позволяющий сделать вывод о том, что

предложенная в диссертационной работе система управления, задачей которой является поддержание постоянной массы углеродистого слоя для обеспечения стационарности режима работы печи, способствует получению заданного выхода фосфора при данном составе сырья.

Основными положениями, выносимыми на защиту, являются:

1. Метод расчета материально-энергетического баланса производства фосфора по данным о составе сырья с учетом золы восстановителя.

2. Математическая модель процесса производства фосфора на основе уравнений материально-энергетического баланса, используемая для расчета текущих расходов сырья и для управления режимом работы руднотермической печи закрытого типа.

3. Метод оперативного определения величины критерия управления (изменения массы углеродистого слоя) через объем газа СО - продукта печной установки.

4. Система управления материальными потоками и электрическим режимом работы РТП, обеспечивающая получение заданного выхода фосфора при данном составе сырья.

По теме диссертации опубликовано три статьи.

Основные результаты исследования докладывались на конференции «Электротермия-98» (г. Санкт-Петербург, 1998 г.) и на конференции «Компьютерное моделирование» (г. Белгород, 1998 г.).

Эффективность проведенных исследований подтверждается актами о внедрении результатов диссертационной работы в учебный процесс кафедры технологии электротермических производств (СПбГТИ (ТУ)) и в проектные решения ООО «ЭПОЛ» (г. Санкт-Петербург) по проектированию фосфорных производств.

Глава 1. АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВА ФОСФОРА

В данной главе рассмотрены физико-химические и конструктивные особенности исследуемого процесса производства фосфора. Приведен обзор существующих методов и систем управления производством фосфора. В соответствии с целью работы - созданием системы управления фосфорной печью закрытого типа на основе математической модели - сформулирована задача исследования.

1.1 Особенности процесса производства фосфора

1.1.1 История промышленного производства и области применения фосфора

Фосфор относится к числу довольно распространенных элементов - его содержание в земной коре составляет 0.12 % (масс.). Однако, в чистом виде в природе фосфор не встречается /1/.

Промышленное производство фосфора электротермическим способом началось в Англии в 1891 г. В настоящее время фосфор производится во всех развитых странах. Единичная мощность электропечей достигла 80-100 МВ-А.

Основная часть (90%) производимого фосфора перерабатывается на фосфорную кислоту, которая благодаря высокой чистоте служит сырьем для производства кормовых и пищевых фосфатов, моющих средств, многих фосфорных солей. Остальной фосфор идет на производство фосфидов, сульфидов и хлоридов фосфора, а также красного фосфора, который идет на нужды спичечной промышленности 121.

Промышленное производство фосфора в России было впервые реализовано на Чернореченском химическом заводе /3/. Там же были получены технологические характеристики электротермического процесса. В предвоенные годы в городах Пермь, Кировск, Волгоград действовали фосфорные производства, оборудованные маломощными печами. В 60-х годах началось строительство нескольких фосфорных заводов, первым из которых стал Куйбышевский химический завод, ныне АО «Фосфор» (г. Тольятти),

оснащенный печами мощностью 24 МВ А. В последующие годы были построены мощные фосфорные заводы в Казахстане (г. Чимкент, Джамбул) /4/.

Проблемы, возникавшие в процессе проектирования и освоения новых фосфорных заводов, потребовали проведения научно-исследовательских работ для изучения теории процесса получения фосфора. Эти работы позволили получить принципиально новые решения в процессе исследования электрорежимов РТП, подготовки сырья, использования отходов производства, управления электротехнологическим процессом, конструкции элементов печи и др.

Однако в производстве фосфора до сих пор не решен ряд проблем, которые влияют на технико-экономические показатели работы предприятий. А ведь именно высокие цены на энергию и сырье определяют повышенную стоимость фосфора в настоящее время. К подобным проблемам относятся внеплановые остановки печей и вспомогательного оборудования, неполное использование установленной мощности печей, высокий выход шлама, недостаточная стабильность процесса, невозможность определения ряда параметров, существенно влияющих на процесс управления РТП и др. Устранение этих недостатков позволит дополнительно снизить на 7-10 % расход электроэнергии, увеличить степень использования сырья, а также значительно снизить стоимость продукции /3/.

Кроме того, в настоящее время из-за уменьшения запасов сырья высокого качества используется сырье, загрязненность которого примесями часто превышает допустимые нормы на их содержания. Таким образом, актуальное значение для фосфорного производств�