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

На правах рукописи

ШИЛИНА ЯНА МИХАЙЛОВНА

УПРАВЛЕНИЕ ФОСФОРНОЙ РУДНОТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧЬЮ ЗАКРЫТОГО ТИПА

05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

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

Научные руководители:

- доктор технических наук,

профессор Сотников Владимир Васильевич;

- доктор технических наук, профессор [Ёршов Вадим Андреевич I

Научный консультант - доктор технических наук,-Педро Анатолий Александрович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Викторов Валерий Кирович. кандидат технических наук, старший научный сотрудник Русаков Михаил Рафаилович. Ведущая организация:

ООО "НИИГипрохим - Наука"

Защита диссертации состоится ^¿Х 1998 года в ' ' часов £ * ми-

нут на заседании диссертационного совета Д 063.25.11 в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете): 198013, г.Санкт-Петербург, Московский пр., д.26 (ауд.61).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 198013, г.Санкт-Петербург, Московский пр., д.26, СПбГТИ(ТУ), Ученый Совет.

Автореферат разослан ^ ^ ^. 1998 г. Ученый секретарь диссертационного совета //

к.т.н., доцент //у)/~~~- В.И.Халимон

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для увеличения выхода фосфора и удовлетворения требований к его качеству необходимо разрабатывать и внедрять в производство автоматизированные системы управления технологическими процессами. Как и многие химико-технологические процессы производство фосфора характеризуется высоким расходом сырья. Поэтому для получения максимального выхода целевого продукта при сохранении его высокого качества, даже при работе на сырье с большим содержанием примесей, необходима разработка системы управления, позволяющей получить заданный выход фосфора при соответствующем составе сырья для обеспечении рационального использования сырьевых ресурсов.

Основным элементом технологической схемы получение фосфора электротермическим способом является руднотермическая печь (РТП) закрытого типа. Постоянное расширение производства фосфора в условиях наращивания мощностей РТП предъявляет повышенные требования к качеству управления технологическим процессом. Однако, руднотермические печи закрытого типа характеризуются недостаточной изученностью, потенциальной опасностью, большой трудностью получения информации в реальном масштабе времени, что создает определенные трудности для разработки эффективных систем управления.

В настоящее время уровень автоматизации производства фосфора не соответствует современным требованиям и ограничивается сбором доступной для контроля информации о показателях технологического режима работы печи и использованием в некоторых случаях локальных систем автоматического регулирования. Недостаточный объем информации о процессе приводит к тому, что при принятии решений по управлению операторы во многом ориентируются на субъективный опыт и интуицию, а соответствующие системы регулирования мало эффективны из-за неоднозначности используемой информации. В результате этого в примерно одинаковых ситуациях принимаются разные, часто не оптимальные, решения, что приводит к неоправданным материальным и энергетическим потерям, а также к сокращению сроков службы оборудования из-за нарушения режимов его эксплуатации. В связи с вышесказанным задача повышения эффективности управления процессом получения фосфора за счет оценки изменения массы углеродистого слоя является актуальной и экономически обоснована.

Синтез такой системы управления требует разработки математической модели объекта управления, особенно в условиях, когда отсутствует контроль ряда важных технологических показателей процесса, и математическая модель становится единственным источником получения необходимой дополнительной информации о состоянии объекта. Анализ публикаций по этому вопросу показал, 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.

Цель работы. 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.

Методы исследования. При выполнении работы использовались методы теории регулирования, математического моделирования, химической технологии, программирования.

Научная новизна заключается в следующем:

• Предложен метод расчета материально-энергетического баланса производства фосфора по данным о составе сырья с учетом золы восстановителя.

• Разработана математическая модель процесса производства фосфора на основе уравнений материально-энергетического баланса, которая позволяет рассчитывать текущие расходы сырья и может быть использована для управления режимом работы руднотермической печи закрытого типа.

• Впервые для фосфорного производства предложен метод оперативного определения величины изменения массы углеродистого слоя, который выбран в качестве критерия управления, через объем газа СО - продукта печной установки.

• Разработаны алгоритм и структура системы управления РТП с целью стабилизации режима ее работы для получения заданного выхода фосфора при данном составе сырья.

Практическая ценность работы. Предлагаемый способ управления является наиболее объективным в производстве фосфора и может быть использован для тиражирования в системах управления руднотермическими печами различной мощности.

Реализация результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры технологии электротермических производств (СПбГТИ (ТУ)) и в проектные решения ООО «ЭПОЛ» в Санкт-Петербурге по проектированию фосфорных производств, что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на конференции «Элекфотермия-98» в СПбГТИ (ТУ) (г. Санкт-Петербург, 1998г.), на конференции «Компьютерное моделирование» (г. Белгород, 1998г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано три работы. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Она изложена на 125 страницах текста, из них 5 страниц приложения, содержит 14 рисунков, 4 таблицы. Список литературы включает в себя 110 наименований.

КРЛТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и основные задачи исследования, перечислены основные научные результаты, по-лучешше при решении поставленных задач, дано краткое изложение работы.

В первой главе представлены результаты анализа литературных данных о 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. Проанализированы проблемы моделирования процесса получения фосфора, протекающего в РТП закрытого типа, которая характеризуется ограниченной доступностью контроля параметров процесса, недостаточной изученностью, агрессивностью среды и потенциальной опасностью. Проведен обзор существующих методов и систем управления фосфорным производством. В соответствии с целью работы - созданием системы управления фосфорной печью закрытого типа на основе математической модели -сформулирована задача исследования."

Основным элементом технологической схемы процесса получения фосфора является руднотермическая печь, режим работы которой определяет эффективность всего производства. Руднотермическая печь является печью закрытого типа и представляет собой герметичный реактор с опущенными в него электродами, которые служат для подвода в зону реакции энергии, необходимой для осуществления химических превращений в реакционном пространстве печи. Смесь фосфорита, кварцита и восстановителя (кокса), представляющая собой шихту, поступает из загрузочных бункеров в печь, где при температуре около 1500 °С происходит химическое взаимодействие указанных компонентов шихты. Целевой продукт - фосфор - образуется в газообразном виде и отводится через крышку печи на конденсацию, а побочно получаемый расплав шлака и феррофосфора сливается через отверстие в нижней части печи.

Сложность рассмотрения протекающих в РТП реакций связана с совмещением в едином аппарате различных по своей природе процессов - гидродинамических, процессов тепло- и массопередачи. Поэтому одновременное рассмотрение всего разнообразия условий, существующих в печи, практически невозможно. В связи с этим, согласно зонной теории, принято разделять ванну печи на следующие пять зон: твердофазных процессов, плавления, углеродистую, шлаковую, феррофосфора. Несмотря на взаимное влияние зон, их можно рассматривать и изучать изолированно, потому что промежуточные переменные, через которые осуществляется связь между ними, неконтролируемы.

Углеродистая зона имеет четкие верхние и боковые границы, кроме того она является определяющей с точки зрения электрических, тепловых и химических процессов, поэтому в технологии фосфора применяется рассмотрение этой зоны как изолированною химического реактора. Существование углеродистой зоны - это не следствие нарушения дозировки кокса, а результат нормального режима работы печи. Лучшие показатели работы РТП соответствуют

стабильному размеру углеродистой зоны. Достичь полного исчезновения зоны невозможно.

Проведенный обзор публикаций по автоматизации производства фосфора показал, что большая их часть посвящена решению задач регулирования электрического режима. Это связано с тем, что переменные, характеризующие электрические параметры РТП, доступны для контроля.

Управление материальными потоками в настоящее время осуществляется путем корректировки дозировок кварцита и кокса по результатам химического анализа состава шлака. Отсутствие оперативности при получении га-формации о содержании в шлаке Р2О5 (который в настоящее время является одним из основных показателей качества функционирования процесса), а также необходошость использования на практике усредненного измерения (вследствие недостоверности единичного результата), приводит к нестабильности электротехнологического режима, периодическому зауглероживанию печей, перерасходу электроэнергии, потерям сырья и кокса, обусловленных запаздыванием формирования управляющих воздействий.

Разработка математической модели, адекватно описывающей реальный процесс, позволила бы заменить недостающую информацию о технологических параметрах, которые недоступны для измерения, рассчитанными по модели данными, и осуществлять более оперативную корректировку материальных потоков (шихты), чем принята в настоящее время.

В заключении главы ставится задача создания системы управления технологическим процессом получения фосфора, позволяющая осуществлять оперативное управление материальными потоками РТП с целью получения заданного выхода фосфора при данном составе сырья. Определены основные направления исследования.

Вторая глава посвящена разработке математической модели объекта управления на основе уравнений материального и энергетического балансов процесса получения фосфора в руднотермической печи закрытого типа.

Результат исследования фосфорной РТП как объекта управления показал, что режим работы печи характеризуется рядом технологических и электрических параметров. Основными факторами, возмущающими технологический режим являются случайное колебание компонентного состава шихты и скачки напряжения в питающей сети трансформатора печи.

Задача управления в данной работе состоит в стабилизации технологического и электрического режимов печи путем оперативной корректировки дозировки кокса и изменения электрических параметров, что обеспечит получение заданного выхода фосфора при данном составе сырья.

Результаты многолетнего наблюдения за работой печных установок свидетельствуют о большой инерционности фосфорных печей. Для печей, работающих в квазистационарном режиме, время переходного процесса в новое состояние после изменения состава или дозировок компонентов шихты составляет примерно 7 часов. Таким образом, процесс образования фосфора,

протекающий в печи, после завершения переходного периода вновь пршпшает характер квазистационарного режима. В связи с этим принято целесообразным при составлении математической модели процесса получения фосфора в руд-нотермической печи использовать уравнения статики.

Так как статические характеристики описываемого химико-технологического объекта зависят от физико-химических свойств перерабатываемых веществ, химических превращений, теплопередачи и т.п., проведен анализ механизма химического взаимодействия основных компонентов шихты - фосфорита, кварцита, кокса - в реакционном пространстве руднотермической печи.

Современный промышленный способ производства элементарного фосфора основан на реакции восстановления природного фосфата кальция углеродом восстановителя в присутствии двуокиси кремния. Компоненты шихты (фосфорит, кварцит, кокс) с содержащимися в них примесями поступают в печь, в которой при высоких температурах 1300-1500 °С углерод вступает в реакцию восстановления с Р2О5, в результате которой образуется целевой продукт, а также в реакции восстановления с другими оксидами компонентов шихты с образованием побочных продуктов - шлака, феррофосфора, пыли, печного газа.

В предлагаемой методике расчета материально-энергетического баланса состав шихты рассчитывается на основе восстановительных реакций углерода с примесями и процессов шлакообразования.

Разработанная на основе уравнений материального и энергетического балансов процесса получения фосфора в РТТ1 математическая модель позволяет рассчитывать удельные расходы сырья и электроэнергии на одну тонну фосфора, а также количество и состав продуктов плавки по данным о составе сырья. При решении этой задачи коэффициенты расхода компонентов исходного сырья принимаются по известным, определенным ранее данным-при их корректировке на фактический режим печи.

Для проведения расчетов материального баланса производства фосфора во всех минеральных компонентах шихты должны быть известны содержания Р205, СаО, Л^О, БЮг, А1203, Ре203, Я20, Р, С02, Н20. Для кокса необходимо знать содержание углерода, золы, серы (Б), летучих и состав золы: СаО, БЮг, А120з, Ре20з. Кроме того, необходимо задать ограничения по содержанию ЯгО и других оксидов в пыли, содержанию фосфора (Р4) и фосфина (РН3) в отходящих газах, модулю кислотности шлака и содержанию в нем Р205. Необходимы также данные о расходе азота (м3), электродной массы (т) на 1 тонну фосфора.

Поскольку в практике эксплуатации фосфорных производств известны случаи применения кремнистых фосфоритов и фосфаторизированных кремней, в методике учитывается возможность содержания Р205 и ЯЮ2 в фосфорите и кварците.

В предлагаемой методике производится учет ошибок при лабораторном определении содержания компонентов в исходном сырье и возможность ис-

пользования различного вида сырья путем проведения соответствующего пересчета, а также учитывается состав золы восстановителя, что приводит к более точному определению влияния примесей в исходном сырье на процесс производства фосфора.

Для определения состава шихты сначала рассчитывается стехиометриче-ское количество восстановителя в массовых долях на реакции с восстанавливаемыми оксидами на 1 т фосфорита (гр) и кварцита (гКу)- При этом в расчете учитывается, что с оксидами фосфорита и кварцита реагирует только тот углерод, который остался после взаимодействия с оксидами золы, содержащейся в восстановителе. Учет в уравнениях баланса компонентов золы восстановителя позволяет находить состав шихты при работе на высокозольном восстановителе, например, при использовании некондиционного высокозольного кокса или игу шита, применение которых для производства фосфора, по мнению технологов, может быть весьма эффективным.

Затем определяется отношение кварцита к фосфориту в шихте (Б) с учетом требуемого модуля кислотности шлака Мк. Проводится расчет расходов шихты и ее компонентов на дозаторе следующим образом.

Количество фосфорита принимается произвольным (устанавливается на дозаторе) Ор. В этом случае количество кварцита на дозаторе равно:

Оку = Б-вр. 0)

Количество восстановителя на дозаторе равно: 0у = 0Р-(гР + гКу5).

Общее количество шихты, поданное дозаторами: взн = + 0Ку + ву = Ор(1 + Б + гР + гку -8).

Определяется химический состав шихты - для каждого ¡-го компонента находится его содержание в шихте тдан (%):

т(0р + Б • т(уку + т(ЦУ • (гР + Б ■ гКУ) т<1)5Н = 1 + Б + гР + Б • гКУ ; (4)

По данным химического состава шихты по соответствующим формулам определяются потери фосфора и рассчитывается выход фосфора в процентах от связанного фосфора, содержащегося в исходном сырье в виде Р2О5. Затем идет определение удельных расходов шихты и сырьевых материалов, выхода продуктов плавки (в т на т произведенного фосфора). Данные о выходе продуктов плавки позволяют определить потери фосфора с отходящими газами, шлаком, пылью, феррофосфором и уточнить его выход. При расхождении между рассчитанным в начале и уточненным значениями выхода фосфора более, чем на 1 %, расчеты повторяются. Результатом расчета является получение

значений удельных расходов сырья и выхода продуктов плавки по соответствующим формулам при конечном уточненном значении выхода фосфора.

Материальный баланс процесса получения фосфора рассчитывается на 1 тонну фосфора по данным о расходе сырья и выхода продуктов плавки по следующему уравнению:

&Н + &5_така + УК2 • ^ 1 ~ &1. + & + 8Р1. + ^

где Збн, 8п_та55а - удельный расход шихты и электродной массы соответственно (в т на одну т фосфора); у^ и У« - соответственно плотность и объем газа N2 (азота), подаваемого в печь согласно регламенту; gsL, gg, Брь, См -удельный выход шлака, печного газа, пыли и феррофосфора соответственно (в т на 1 т фосфора).

Исходными данными для расчета энергетического баланса являются данные о составе сырья и продуктов плавки, термодинамические характеристики веществ. Расчет энергетических затрат проводится по статьям расхода энергии на реакции взаимодействия по каждому из компонентов сырья. Исходя из этого общий удельный расход электроэнергии (ЛУобщ) на одну тонну фосфора равен сумме всех затрат электроэнергии на осуществление упомянутых химических реакций, протекающих в реакционном пространстве печи, с учетом энергетического КПД печной установки:

\У0БЩ = 1\У;/КПД, (6>

где КПД - коэффициент полезного действия печного трансформатора, определяемый в процессе расчета энергетического баланса.

Алгоритм расчета материально-энергетического баланса реализован в виде программы на ЭВМ.

В третьей главе проведена проверка адекватности математической модели процессу получения фосфора и представлены результаты исследования процесса по математической модели.

Необходимым условием успешного использования математической модели объекта при решении задач управления является ее адекватность реальному объекту. Проверка адекватности модели осуществлена путем сравнения результатов измерения на процессе с результатами расчетов по математической модели в идентичных условиях. Для численной оценки меры соответствия модели реальному процессу использована величина среднеквадратичного отклонения.

Расхождения между экспериментальными и расчетными данными по удельным расходам фосфорита, кварцита, кокса и электроэнергии, определяемые среднеквадратичным отклонением, не превосходят 2.0 %, что вполне допустимо для промышленных условий. На основании этого сделан вывод об адекватности математической модели процессу получения фосфора в фосфорных руднотермических печах закрытого типа.

В связи с сокращением природных запасов высококачественного сырья из-за увеличения масштабов производства фосфора с помощью математической модели проведены исследования влияния примесей сырья на показатели режима работы руднотермической печи. При изменении содержания примесей СОг и Fe203 в фосфорите возрастают удельный расход кокса, общий удельный расход электроэнергии и уменьшается выход фосфора. При увеличении содержания СО2 в фосфорите отношение выхода газа СО (Veo) к удельному расходу кокса (gv) изменяется примерно на 13,5 %, в то время как при увеличении содержания Fe203 в фосфорите это отношение остается постоянным. Таким образом, возможно использование отношения Vco/gv для управления углеродистым режимом фосфорной руднотермической печи (что показано в главе 4), но только при условии удаления С02 из исходного сырья, путем его декарбонизации (что соответствует принятой в настоящее время технологии подготовки сырья), так как содержание С02 в исходном сырье сильно искажает этот показатель.

Исследовано влияние качества сырья, оцениваемого в фосфорном производстве фосфатным модулем (р), и модуля кислотности шлака (Мк) на удельные расходы электроэнергии и сырья, а также на выход фосфора. В случае работы на прокаленном сырье, при изменении значения модуля кислотнос ти или при использовании сырья различного качества отношение Vco/gv остается постоянным.

Приведенные результаты расчетов показали, что невязка баланса не превышает 0.85%. Относительно высокая точность баланса позволяет использовать предлагаемую методику для расчета текущих расходов сырья и щи управления режимом работы РТП в производстве фосфора.

Четвертая глава посвящена разработке алгоритма и структуры системь управления РТП с целью стабилизации режима ее работы для получения заданного выхода фосфора при данном составе сырья.

Наилучшие показатели протекания технологического процесса могут быть достигнуты лишь при работе фосфорной печи в стационарном режиме который обуславливает максимальную электрическую мощность печногс трансформатора, постоянство сопротивления подэлектродного пространствг печи, что связано с неизменностью массы углеродистого слоя, постоянство содержания Р2О5 в шлаке при данном модуле кислотности, регламентное качество получаемого фосфора.

В процессе работы РТП из-за случайного колебания компонентного со става шихты и скачков напряжения в питающей сети трансформатора печно{ установки нарушается течение химической реакции восстановления фосфат, кальция. Вследствие этого количество прореагировавшего углерода отклоняется от расчетного, и в реакционном пространстве печи происходит изменение массы углеродистого слоя. Это, в свою очередь, ведет к колебанию сопротив ления подэлектродного пространства, определяемого массой углеродистое слоя, и, как следствие, к нарушению квазистационарного режима работы печ ной установки. Компенсация указанных возмущений может быть достигнут.

путем разовых корректирующих подач кокса в печь с целью стабилизации массы углеродистого слоя, а также корректировкой электрических параметров печи.

Как показали результаты исследования процесса получения фосфора, проведенного с помощью разработанной математической модели (глава 3), при работе печи на прокаленном (не содержащем примеси СОг) сырье отношение выхода газа СО (м3/т фосфора) Veo к удельному расходу кокса (т/т фосфора) gv в каждый момент времени остается постоянным:

Vco/gv = К, (?)

где К - константа, величина которой определенна в результате проведения указанных исследований (К = 1543 м3/т).

Отсюда удельный расход кокса на одну тонну фосфора равен:

gv=Vco/K. (8)

Масса углеродистого слоя при стационарном режиме работы печи является постоянной величиной (mVSi = const). Как указывалось выше, вследствие воздействия на ход процесса получения фосфора возмущений в РТП возникает изменение массы углеродистого слоя - дисбаланс углерода Afflvsi, вызывающий негативные отклонения протекания процесса и влияющий на количество и качество целевого продукта.

01раничения, в рамках которых должна действовать система управления, следующие: среднее значение силы тока (1) в электродах должно быть меньше максимального значения (Imax). Среднее значение электрической мощности печи (Р) не должно превышать максимального значения (Ртах), составляющего 90-95% от установленного значения мощности печного трансформатора.

В качестве критерия управления выбрана величина приращения массы углеродистого слоя, то есть значение дисбаланса углерода в печи (AmVsi), которое теоретически должно быть равно нулю при стационарном режиме работы руднотермической печи. Тогда, с учетом ограничений, критерий управления может быть представлен в виде:

Amvsi

Ki (9)

Р<Ртпах

Руднотермическая печь закрытого типа не позволяет определить приращение массы углеродистого слоя ни путем визуального наблюдения за ходом течения процесса, ни с использованием приборов контроля и измерения. В связи с этим в данной работе предложен метод оперативного определения изменения массы углеродистого слоя через объем печного газа (продукта печной установки), а именно через объем газа СО (Veo)- Зная объем газа СО, выделившегося из печи за некоторый период времени т (по данным установленного

на выходе из печи газоанализатора и счетчика газа), учитывая уравнение (8), можно рассчитать фактический суммарный расход кокса gv, ф на образование того количества продукта, которое было получено за тот же период:

gv, <d = Veo, ф / К. , (Ю)

Сравнение фактического суммарного расхода кокса за период времени т (то есть количества прореагировавшего углерода за этот период), определенного по формуле (10), с рассчитанным по математической модели суммарным расходом кокса за тот же период времени при данном исходном составе шихты, позволяет определить в среднем количество накопившегося (или избыточно прореагировавшего) в реакционном пространстве печи углерода кокса, то есть дисбаланс углерода Дтуя-

Приведенное свойство отношения VccVgv (7) было использовано при разработке алгоритма управления фосфорной руднотермической печыо на основе математической модели (Рис. 1), который сводится к следующему. На основании значения удельного расхода кокса (gv), определенного в результате расчета материального баланса по математической модели, а также на основании введенных в модель данных об объемном суммарном выходе газа СО (Veo) за некоторый период времени рассчитывается фактический суммарный удельный расход кокса на получение фосфора за тот же период (то есть фактически прореагировавшее в реакционном пространстве печи количество углерода кокса) gv, ф. По модели рассчитывается энергетический баланс технологического процесса и определяется общий удельный расход электроэнергии Wosiit на одну тонну фосфора. На основании введенного в модель значения расхода электроэнергии, потребленной печной установкой за время наблюдения Wc (по данным измерителя мощности, расположенного на печной установке), а также результатов расчета материального и энергетического балансов по модели рассчитывается суммарный расход кокса за указанное время gv. м- Определяется дисбаланс углерода в печи Amvsi- Проводится вычисление суммарного дисбаланса Дтта,ь величина которого складывается из значения результирующего дисбаланса за предыдущие периоды наблюдения и текущего значения.

Если величина суммарного дисбаланса меньше погрешности е (е = 4.5 % от дозировки кокса на дозаторе), то считается, что процесс протекает' в стационарном режиме, масса углеродистого слоя не изменяется. Если за время наблюдения произошло образование дисбаланса углерода, то необходимо осуществить корректирующую подачу кокса в печь, которая бы способствовала минимизации выбранного критерия управления (9). При подаче корректирующей дозировки восстановителя (кокса) AGy, кор при следующем вхождении в программу расчета материально-энергетического баланса производства фосфора на основе конкретного численного значения этой величины производится перерасчет химического состава шихты по предлагаемым в

( НАЧАЛО^

ВВОД ДАННЫХ

Vco. ^с, 1,1тах, Ртах, ДСу, к

РАСЧЕТ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

в -^о Еу.о- к \УС

6у,м - ы Ву общ

Дту5| ъ = Дтта £ + Дту5|

СОВЕТ ОПЕРАТОРУ: НЕОБХОДИМА КОРРЕКТИРОВКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЖИМА (Щ

КОРРЕКТИРОВКА ПОДАЧИ КОКСА

(и,=и,±ДСу.КОР).

ДИСБАЛАНС УГЛЕРОДА СОСТАВЛЯЕТ (Дп^и) ТОНН

" Дбу.коР при < о

- ДОу.ко(, при Л™У5и: > О

ВЫВОД

КОНЕЦ

Рис.1. Блок-схема алгоритма управления

диссертащш формулам, учитывая, что дозировки фосфорита и кварцита на дозаторе остаются прежними.

Время между очередными подачами корректировочной дозировки кокса должно превышать время переходного процесса и составляет в нашем случае 12 часов. Исходя из опыта эксплуатации это время может корректироваться, увеличиваясь до 24 часов.

В интервале времени между подачами корректирующих дозировок кокса необходимо наблюдать за тенденцией изменения суммарного дисбаланса в печи путем сравнения величин дисбаланса, определенных за текущий (ДтуБц) и предыдущий (Дшузщ) периоды наблюдения. Если при ихменешш дозировки кокса сохраняется тенденция увеличения дисбаланса углерода (что может быть связано с длительностью времени переходного процесса, а также с нарушением электрического режима), то в данной работе считается целесообразным корректировать также электрический режим работы печи.

Структура системы управления, состоящая из РТП закрытого типа, вновь разработанной подсистемы управления материальными потоками и существующей подсистемы управления электрическим режимом, приведена на рис. 2. Подсистема управления материальными потоками состоит из блоков расчета математической модели, определения текущих значений дисбаланса углерода и времени, а также блока формирования управляющего воздействия 1)1. В отличие от существующих подсистем управления электрическим режимом, предлагаемая структура системы управления включает блок формирования управляющего воздействия иг, учитывающего необходимость изменения электрических параметров печи в зависимости от величины дисбаланса углерода.

Осуществляются следующие корректирующие воздействия на процесс. Если зафиксирован суммарный дисбаланс углерода (Лт^^) к данному моменту времени, вырабатывается управляющее воздействие - корректирующие уставки на дозатор кокса ЛОу.кор на основании выдаваемой программой информации о величине дисбаланса в печи к данному моменту времени (в тоннах). Отметим, что Х_1г < 0, если наблюдается увеличение массы углеродистого слоя (Лтуз;, V > 0), вследствие чего возникает необходимость уменьшить дозировку подаваемого в печь кокса (АОу, кор < 0) для того, чтобы произошло срабатывание углерода кокса в реакционном пространстве печи. Величина управляющего воздействия > 0, если наблюдается уменьшение массы углеродистого слоя (Дтуз|, V < 0), вследствие чего возникает необходимость увеличить дозировку подаваемого в печь кокса (Лйу, кор > 0) для того, чтобы масса углеродистой зоны выросла до размеров, соответствующих стационарному режиму протекания процесса. Величина корректирующей дозировки кокса, подаваемого в печь, зависит от конструктивных параметров и мощности печной установки, а также от погрешности математической модели. Поэтому при внедрении предлагаемой системы для управления конкретной РТП необходимо в процессе эксплуатации собрать статистический материал

Рис. 2. Структура системы управления

для определе1шя зависимости величины дисбаланса углерода от значения корректирующей дозировки кокса. Последующее введение определенной с использованием известных программ аппроксимации указанной зависимости в управляющую программу, а также наличие информации о величине текущего дисбаланса углерода в печи, определенного по математической модели, даст возможность вырабатывать управляющее воздействие и) без привлечения оператора печной установки в автоматическом режиме.

В том случае, если по указанным выше причинам после подачи корректирующей дозировки кокса, наблюдается увеличение дисбаланса, идет выработка управляющего воздействия иг - изменяется мощность печи по следующей схеме.

Если в печи наблюдается прирост углеродистого слоя, то есть увеличение его массы (Дшуб! > 0), то для ускорения срабатывания избытка углерода необходимо увеличить мощность печной установки. Этого результата можно достигнуть двумя способами: увеличить силу тока в электродах путем их заглубления (опускания внутрь реакционной зоны), если текущее значение силы тока не превосходит максимально допустимого значения, в противном случае следует изменить напряжение на нижней ступени трансформатора печи (увеличить).

Если в печи наблюдается уменьшение массы углеродистого слоя (Дтуя 0), то необходимо снизить мощность печи - уменьшить силу тока (перемести п> электроды вверх) либо уменьшить напряжение.

Сформированные управляющие воздействия и1 и иг, подаваемые соответственно в подсистемы управления материальными потоками и электрическим режимом, обеспечивают поддержание постоянной массу углеродистого слоя и тем самым выполнение выбранного критерия управления (9).

Основные алгоритмы управления, представленные на структурной схеме (Рис. 2), реализованы программным путем и подготовлены для практической реализации на производстве.

Проведенный анализ качества работы системы управления подтверждает целесообразность выбранного критерия управления и позволяет сделать вывод о том, что предложенная в работе система управления обеспечивает получение заданного выхода фосфора при данном составе сырья. Дополнительной характеристикой нормального функционирования процесса получения фосфора является совпадение фактических и плановых затрат электроэнергии за период плавки.

В приложении приведены результаты расчета алгоритма управления на основе математической модели процесса получения фосфора.

выводы

1. Анализ фосфорной печи закрытого типа как объекта управления позволил определить входные и выходные параметры, каналы управления и значимые возмущающие воздействия. Основными возмущающими воздействиями являются случайные колебания компонентного состава шихты и скачки напряжения в питающей сети трансформатора печи. Компенсация указанных возмущений может быть достигнута путем разовых корректирующих подач кокса в печь, а также корректировкой электрических параметров печи.

2. По данным проведенного анализа химического взаимодействия компонентов шихты составлены уравнения материального и энергетического балансов производства фосфора. Основой построения материального баланса являются уравнения балансов элементов, содержащихся в сырье. Расчет энергетических затрат проводится по статьям расхода энергии на реакции взаимодействия по каждому из компонентов сырья на основании расчетных данных материального баланса и термодинамических постоянных. Расчет материально-энергетического баланса производится по данным о составе сырья и заданному значению содержания Р2О5 в шлаке.

3. На основе уравнений материального и энергетического балансов разработана и реализована в виде программы на ЭВМ математическая модель процесса, позволяющая рассчитывать текущие расходы сырья и осуществлять управление режимом работы РТП в производстве фосфора.

4. Разработанная математическая модель позволяет:

• определить удельные расходы сырья и электроэнергии на одну тонну фосфора, а также количество и состав продуктов плавки по данным о составе сырья;

• учесть возможность использования разного вида сырья путем пересчета исходного сырья на прокаленное или высушенное, если это необходимо;

• нормировать содержание компонентов в сырье путем приведения содержания всех компонентов к сумме 100%, что необходимо, так как из-за ошибок при лабораторном определении содержания компонентов в исходном сырье их сумма может несколько отличаться от 100%, что приводит к возникновению ошибок при расчете баланса;

• учесть состав золы восстановителя, что приводит к более точной оценке влияния примесей в исходном сырье на процесс производства фосфора.

5. Проведенная оценка адекватности математической модели реальному процессу получения фосфора дала положительный результат. Среднеквадратичное отклонение расчетных значений удельных расходов кокса от экспериментальных не превышает 2.0 %, удельных расходов энергии -1.8 %.

6. В связи с сокращением природных запасов высококачественного сырья из-за увеличения масштабов производства фосфора с помощью математической модели проведены исследования влияния качества сырья

(определяемого фосфатным модулем) и изменения содержания примесей в исходном сырье на показатели режима работы руднотермической печи. Результаты исследований показали, что понижение качества сырья и увеличение содержания в нем примесей СОг и Ре20( приводит к ухудшению экономических показателей протекания процесса, а именно, снижению выхода продукта (фосфора), повышению удельных расходов сырья и электроэнергии.

7. Проведенное исследование влияния модуля кислотности шлака на показатели работы печи свидетельствует о необходимости при управлении работой печной установки тщательно подбирать значение указанного показателя. Это объясняется тем, что хотя увеличение модуля кислотности способствует активизации реакции восстановления фосфата кальция в реакционном пространстве печи (выход фосфора увеличивается), это сопровождается увеличением общего удельного расхода электроэнергии в расчете на одну тонну продукта. Этот факт подтверждается результатами проведенных ранее экспериментальных исследований.

8. При управлении производством фосфора для получения заданного выхода целевого продукта при данном составе сырья необходимо стабилизировать массу реакционной (углеродистой) зоны руднотермической печи. На основе этого утверждения произведен выбор критерия управления - изменение массы углеродистого слоя (дисбаланс углерода).

9. В работе впервые предложен метод оперативного расчета дисбаланса углерода через объем печного газа (продукта печной установки), а именно, через объем газа СО.

10. Разработана система управления процессом получения фосфора в руднотермической печи закрытого типа, позволяющая осуществлять оперативную корректировку подачи кокса и управление электрическим режимом процесса путем изменения мощности печи и обеспечивающая стабилизацию массы углеродистой зоны, а следовательно стабилизацию квазистационарного режима работы печи.

11. Проведенный анализ качества работы системы управления подтвердил целесообразность выбранного критерия управления и позволил сделать вывод о том, что предложенная в диссертации система управления обеспечивает получение заданного выхода фосфора при данном составе сырья путем стабилизации режима работы руднотермической печи. Дополнительной характеристикой нормального функционирования процесса получения фосфора является совпадение фактических и плановых затрат электроэнергии за период плавки.

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

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Анализ удельных расходов сырья и электроэнергии в производстве фосфора на основе материально-энергетического баланса промышленной руднотермической печи/В. А. Ершов, Я.М. Шилина, В.В. Сотников, О.В. Ершова//Компьютерные методы в управлении электротехнологическими режимами руднотермических печей: Сб. науч. тр. -СПб., 1998. - С. 167-172.

2. Сотников В.В., Шилина Я.М, Ершов В.А. Оптимальное управление производством фосфора//Компьютерное моделирование: Сб. науч. тр. - Белгород, 1998. - С. 60-66.

3. Сотников В.В., Шилина Я.М. Управление фосфорной руднотермической печью закрытого типа/СПбГТИ. - СПб., 1998. - 8 с. - Деп. в ВИНИТИ 30.10.98, № 5291.

11.11.98г. Зак.110-60 РТП ИК "Синтез" Московский пр.,26