автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Усовершенствование системы автоматизированного управления сухими газоочистными установками алюминиевых заводов

ЗОТОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ СУХИМИ ГАЗООЧИСТНЫМИ УСТАНОВКАМИ АЛЮМИНИЕВЫХ ЗАВОДОВ

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 ИЮН 2011

Челябинск 2011

4850640

Работа выполнена на кафедре автоматики и управления в технических системах Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Лисиенко Владимир Георгиевич

Официальный оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Казаринов Лев Сергеевич - кандидат технических наук Кудрявцев Владислав Сергеевич

Ведущая организация - ФГУП «НПО Автоматики» имени

академика М.А. Семихатова (г. Екатеринбург)

Защита состоится «29» июня 2011 года в _14_ часов на заседании

диссертационного совета Д212.298.03 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, Челябинск, прЛенина, 76, Южно-Уральский государственный университет, ауд. 1001.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ЮжноУральского государственного университета.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу. 454080, Челябинск, прЛенина, 76, Южно-Уральский государственный университет, ученому секретарю диссертационного совета Д212.298.03. Факс 267-94-88. Электронный адрес: nseg@mail.ru (coBeTVinfo@ait.susu.ac.ru (кафелра АиУ).

Автореферат разослан «28» мая 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.298.03

м

0f / ' Некрасов С.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большая часть окружающей человека среды несет на себе следы его производственной деятельности. Особенно остро стоит вопрос о защите воздушного бассейна: токсины в газообразной мелкодисперсной аэрозольной форме выбрасываются в верхние слои атмосферы без обезвреживания, разносятся воздушными потоками на значительные расстояния, пагубнр влияя на состояние фауны и флоры.

Крупномасштабными источниками этого загрязнения являются предприятия цветной металлургии. В связи с вышеизложенным, возникает необходимость в решении проблем промышленных предприятий в области газоочистки, экологии и, в частности, повышении уровня автоматизации технологических процессов, внедрении современных средств АСУ 111 и КИП. Эти проблемы решаются созданием газоочистных установок и последующей их автоматизацией.

В последнее время часто применяется сухой метод очистки газов, который осуществляется в низконапорном реакторе с взвешенным слоем частиц глинозема и рукавном фильтре, что обеспечивает улавливание фторидов, пыли и полициклических ароматических углеводородов. Наибольшее распространение сухого метода обусловлено двумя обстоятельствами. Во-первых, для мокрого способа очистки требуется большое количество воды и связанное с этим дорогостоящее и занимающее большие площади шламовое хозяйство. Во-вторых, улавливаемую сухим способом пыль гораздо легче утилизировать, чем шламовую пульпу, образующуюся при мокром способе.

Способы з'правления сухими газоочистными установками алюминиевых заводов, описанные работах таких авторов, как Ладыгичев М.Г., Старк С.Б., Мазус М.Г., Dawson P.R. позволяют осуществлять управление, как правило, с непосредственным участием человека, что ставит управляющую систему в зависимость от его своевременного вмешательства. От этого может зависеть не только исправность аппаратных средств, но и качество очистки газов, поступающих с производства.

Поэтому существует необходимость в разработке алгоритмического обеспечения для автоматического управления сухой газоочистной установкой, наиболее полно отвечающего требуемым параметрам н режимам работы технологического оборудования, предъявляемым его производителями, то есть в соответствии с технологией очистки производственных газов.

Целью работы является разработка алгоритмов управления, с использованием математических моделей, позволяющих в рамках автоматизированных систем управления технологическим процессом сухой газоочистки для алюминиевых заводов повысить энерго-экологические показатели производства алюминия, снизить концентрации вредных выбросов в атмосферу и, как результат, улучшить экологическую обстанов!су в промышленных зонах.

Д)ьГ достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1) Проведение анализа математических моделей, выражающих условия улавливания мелкодисперсных пылей алюминиевого производства на рукавных фильтрах;

2) Проведение сопоставительного анализа экспериментальных данных процесса улавливания мелкодисперсных пыпей и соответствующих модельных расчетов .с целью оценки возможности применения моделей при решении задач автоматического управления рукавными фильтрами;

3) Разработка математической модели зависимости периода между регенерациями рукавных фильтров от перепада давления на них;

4) Разработка алгоритмов автоматического управления и диагностики регенерации рукавных фильтров;

5) Разработка программного обеспечения системы автоматического управления и диагностики регенерации рукавных фильтров;

6) Разработка технического обеспечения системы автоматического управления и диагностики регенерации рукавных фильтров;

7) Внедрение разработанной системы автоматического управления технологическим процессом регенерации рукавных фильтров в рамках АСУ ТП сухой газоочистной установки ОАО «БАЗ - СУ АЛ»;

8) Проведение энерго-экологического анализа процесса удаления газов при электролизе алюминия с использованием системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров.

Объектом исследования является технологический процесс удаления электролизных газов при производстве алюминия.

Предметом исследования являются автоматизированные системы управления технологическим процессом удаления электролизных газов при производстве алюминия.

Методика исследования в основу методики исследования положены труды российских и зарубежных ученых по автоматизированному управлению технологическим процессом удаления электролизных газов при производстве алюминия.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- разработана математическая модель с использованием экспериментальных данных, для автоматического управления регенерацией рукавных фильтров;

- разработаны алгоритмы автоматического управления технологическими процессами сухой газоочистной установки;

- разработана система автоматического управления рукавными фильтрами на основе новых алгоритмических решений в

соответствии с используемой технологией процесса очистки электролизных газов.

Практическая значимость работы. Разработанные алгоритмы и программы системы автоматического управления технологическим процессом регенерации рукавных фильтров реализованы с участием автора на сухой газоочистной установке б серии электролизного цеха БАЗа.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

- способ управления регенерацией рукавных фильтров;

- алгоритмы программ автоматического управления и диагностики системы управления регенерацией рукавных фильтров;

- результаты энерго - экологического анализа процесса удаления газов при электролизе алюминия с использованием системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на региональной X юбилейной научно - практической конференции "Алюминий Урала - 2005"(2005), на региональной XI научно-практической конференции Алюминий Урала - 2006"(2006), на на 2 научно-технической конференции молодых специалистов "БАЗ - СУАЛ"(2006), на международной научной конференции "информационно - математические технологии в экономике, технике и образовании"(2006), на VI всероссийской научно - практической конференции "А8'2007" «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (посвящается 100-летию со дня рождения профессора Масловского П.М.)(2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, из них две работы в рецензированных изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка используемой литературы. Работа выполнена на 147 страницах, в том числе содержащих 40 иллюстраций, 16 таблиц, библиографический список на 66 наименований работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, изложены основные положения, выносимые на защит}', сделан краткий обзор по главам диссертации.

В первой главе диссертации приведена характеристика автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) сухой газоочистки, показанную на рис. 1, ,в которую будет добавлена подсистема - система автоматического управления регенерацией рукавных фильтров. Выделим в системе автоматического управления регенерацией рукавных фильтров 3 уровня, связанные между собой: нижний (уровень исполнительных механизмов и датчиков АСУ ТП), средний (уровень контроллеров и станций распределенной периферии) и верхний (уровень автоматизированных рабочих мест (АРМ) и систем диспетчерского

газоочистки

Нижний уровень системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров

Этот уровень представлен метрологическим обеспечением -средствами измерения и контроля технологических параметров, а также исполнительными механизмами, электрическими устройствами согласования со средним уровнем. Контроль осуществляется с помощью датчиков промышленной группы «Метран». .

Средний уровень системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров

Аппаратно данный уровень контроллеров и станций распределенной периферии представлен К1ТГС на базе контроллера SEVIATIC S7-300 (CPU316-2DP) и станций ЕТ200М, фирмы SEMENS. Прием и выдача сигналов с датчиков, с и на управляющие механизмы осуществляется с помощью аналоговых сигнальных модулей ввода SM 331 и дискретных сигнальных модулей ввода SM 321 и вывода SM 322. Связь осуществляется по сети Profibus DP.

Программно этот уровень представлен пакетом Step 7 версии 5.1 фирмы Siemens.

Верхний уровень системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров

Аппаратно данный уровень представлен, КПТС на базе промышленных компьютеров и сервера. Промышленные компьютеры и сервер предназначены для сбора и компьютерной обработки данных, а также их накопления, решения задач управления, визуализации и архивации. Связь промышленных компьютеров, сервера и программируемых контроллеров PLC осуществляется по шине Industrial Ethernet.

Программно данный уровень представлен:

- Системой диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) WinCC версии 5.1 фирмы Siemens, далее именуемой система WinCC;

- Операционными системами Windows 2000 Professional и Windows 2000 Server фирмы Microsoft;

- BlacklCE PC Protection фирмы Internet Security Systems.

Задача визуализации сводится к задаче индикации технологических параметров системы автоматического управления регенерацией фильтров (заданных и фактических), режимов работы и сигналов от технологических датчиков на панели оператора или мониторе АРМа оператора, а также к сигнализации о состоянии технологического процесса (нормальная работа, аварийное и предаварийное состояние, отказы технических или программных средств).

Визуальная часть нарисована в графическом редакторе системы WinCC - Graphics Designer. Она состоит из мнемосхем.

Все мнемосхемы доступны для просмотра без авторизации. Для полноценного доступа для просмотра и управления в качестве оператора

газоочистного комплекса необходимо ввести имя и пароль. Это позволяет закрыть неавторизоваиным пользователям доступ к функциям управления технологическими процессами, изменению режима, технологических параметров, осуществить разграничение доступа к системе.

Для архивирования технологических параметров используется встроенный инструмент TagLogging, являющийся частью системы WinCC.

База данных gaz_bazRT создана с использованием прилагающейся к системе WinCC СУБД - Sybase SQL Anywhere, фирмы Watcom. Встроенное средство системы WinCC - WinCC Online Trend Control - позволяет вывести график по интересующим технологическим параметрам, за нужный период времени.

Рассмотрены используемые технологии очистки производственных газов и общие характеристики, режимные параметры технологического процесса фильтрации газа.

Процесс регенерации фильтров является одним из основных технологических процессов "сухой" очистки газов, поскольку именно в рукавных фильтрах осуществляется разделение твёрдой и газообразных фаз при фильтрации пылегазовой смеси через фильтрующую перегородку. При фильтрации фторсодержащих газов через слой глинозёма на нетканом материале завершается процесс улавливания фтористого водорода оксидом алюминия. Очистка (регенерация) рукавов - импульсная, производится с помощью сжатого воздуха. Одновременно отряхивается один ряд рукавов. Сжатый воздух для регенерации с давлением подается в ресивер рукавного фильтра, установленный перед каждым рукавным фильтром. Пьшь с рукавов периодически стряхивается пневматическими импульсами, создаваемыми электропневматическими клапанами по сигналу от микропроцессорного управляющего устройства с частотой, зависящей от величины гидравлического сопротивления фильтра. Пыль, удаленная с рукавов, осаждается в бункере, ссыпается на тканевую перегородку аэрожелоба фильтра.

Анализ литературных данных показал, что чаще всего на практике регенерация рукавов в рукавном фильтре производиться автоматически: либо при достижении критического перепада давления, либо в результате срабатывания реле времени, как представлено на рис. 2.

Также для технических расчетов тканевых рукавных фильтров при улавливании грубых пылей A.C. Маидрико и И.Л. Пейсаховым был предложена математическая модель, выражающая зависимость между перепадом давления на рукавном фильтре и продолжительностью периода между регенерациями.

И в том, и в другом случае автоматизация процесса регенерации рукавов осуществляется путем оптимизации опытной зависимости между сопротивлением рукавного фильтра и временем межрегенерационного периода.

Существенное влияние на качество очистки, на длительность эксплуатации оказывает соответствие периода между регенерациями

перепаду давления на рукавном фильтре. Поэтому работа системы регенерации рукавных фильтров согласно схемам регенерации изображенных на рис. 2 малоэффективна, так как не учитывает состояние запыленности рукавов.

АР-

/ - и ...... ¿

в

Рис. 2. Схема ре генерации фильтра: а - временная; б - с фиксацией верхнего уровня перепада давления; в - с фиксацией верхнего и нижнего уровней перепада давления

Таким образом, требуется провести анализ, и модели Мандрико и Пейсахова, и анализ экспериментальных данных графиков фильтров, после чего сравнить расчеты по модели Мандрико и Пейсахова с результатом анализа экспериментальных графиков фильтров. Это позволит разработать модель управления регенерацией рукавных фильтров, выражающую зависимость периода между регенерациями от перепада давления на рукавном фильтре.

На основе модели требуется разработать алгоритмы программ автоматического управления и диагностики системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров. И дшгее реализовать их при создании системы автоматического управления технологическим процессом регенерации рукавных фильтров.

Также по результатам эксплуатации газоочистной установки необходимо провести энерго-экологический анализ процесса удаления газов при электролизе алюминия с использованием системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров, в соответствии с методикой полного (сквозного) энерго-экологического анализа, разработанного в УГТУ - УПИ, под руководством В.Г. Лисиенко.

Во второй главе приведены анализ, и модели Мандрико и Пейсахова, и экспериментальных графиков фильтров. Произведено сравнение результатов анализов. Разработана модель управления регенерацией

рукавных фильтров для агтоматизированного управления процессом, в зависимости от перепада давления на рукавном фильтре.

Гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки (Па) может быть представлено суммой двух слагаемых:

ДР = АР, +ДР2= {А/м)+{В/£м!2у, (1)

где АР- - постоянное сопротивление самой фильтровальной перегородки с учетом пыли, оставшейся на ней после регенерации, Па;

ДР2 - переменное сопротивление накапливающегося на фильтровальной перегородке слоя пыли, удаляемого с нее в процессе регенерации, Па;

А - коэффициент сопротивления фильтровальной перегородки с слоем пыли, оставшейся на ней после регенерации, м"1;

В - коэффициент сопротивления слоя пыли, м/кг;

р. - динамический коэффициент вязкости газа, Пахе;

Ъ - запыленность т аза перед фильтром при рабочих, условиях, кг/м3;

V/ - скорость фильтрования, м/с;

I - время, с.

В модели (1) численные значения коэффициентов А и В определяются опытным путем.

Для ориентировочных подсчетов путем обработки экспериментального материала для частиц с < 20 мкм были получены следующие значения коэффициентов А и В.

Коэффициенты А и В (ткань - лавсан арт. 217) _Таблица 1

dm (мкм) А (м-1) В (м/кг) Вид пыли

1 0,5 - 0,7 (13000-15000)-106 330-Ю9 кремниевая, возгонная

2 2,5 - 3,0 (2300 -24 00)-106 80-109 сталеплавильная, возгонная

3 10-20 (1100 - 1500)-106 (6,5 - 16)-109 кварцевая, цементная

Исследования показали, что чем мельче частицы улавливаемой пыли, тем выше коэффициенты А и В.

В формуле (1) численные значения коэффициентов А и В определяются только опытным путем. Для технических расчетов тканевых рукавных фильтров при улавливании грубых пылей (с dm > 20 мкм) A.C. Мандрико и ИЛ. Пейсаховым была предложена модель:

др_817М1-гя)

9 Ч

<*т еп

0,82 х 10~ " i^0'25^ (1 - <?я 'J +

2/3 , zw

где (1т - средний (медианный) размер частиц пыли, м; Ет - пористость ткани, доли единиц;

сп - пористость пыли, доли единиц; е„ = 1 — ;

Ь0 - удельное гидравлическое сопротивление чистой ткани, Па;

р - плотность частиц пыли, кг/м3;

г - время между регенерациями, с.

Исходя из модели (2), получаем АР = (А} /и2ту )(,

с (1-гп)24йп2/3

АМ = 670 хЮ-6(3) ¿т е/7

ВМ =817--—®— . (4)

В формулах (3), (4) и ниже М - означает, что коэффициенты А и В определяются из модели Мандрико и Пейсахова (2).

Определение возможности применения формул для вычисления коэффициентов Ац и Вм для расчетов рукавных фильтров при улавливании пылей с с1„, < 20 мкм.

Из проведенного в диссертации анализа функций Ам = ^((1) и Вм = ^(с]) и сопоставления значений коэффициентов А и В из табл. 1 с коэффициентами Ам и Вм рассчитанными по формулам (3) и (4) при одинаковых размерах частиц с1 получено, что в промежутке 0,5<с1<10 мкм есть возможность использовать формулы (3) и (4), согласовав их с опытными данными табл. 1.

В нашем случае средний размер частиц пыли с!т = 5 мкм из табл. 1 берем строку 2 с с!т = 2,5 - 3,0 мкм близким к нашему. Из строки 2 имеем:

-Т- (2,5 + 3,0) — (2300 +2400)-106 „„ 1Пб, -к

с10 =-—-—- = 2,75мкм; А0 ~--—---= 2350-10 (м ).

Тогда по формуле (3) при d=¡^0: Ам0 = 378-Ю6 м"1 Получено АМо = 378-106^ 2350-106. Согласуем АМо и ~А~0.

Т0 = СА-Амо => СА = ~А0/ АМо = 23 50-106/378-юб = 6,22.

СА = 6,22 - поправочный коэффициент для Ам.

Принимаем, что в некоторой окрестности т. й0 ~ 2,75 мкм (куда входит и т. <1 = 5 мкм) формула А = Са-Ам для определения коэффициента А в формуле (1) верна.

По формуле (4) при с1=<10 ВМо = 9,88-Ю9 м/кг.

ПолученоВМо = 9,88-= 80-Ю9; Согласуем ВМо и В^.

5^=Св-ВМо => Св = ~В~01Вм» = 80'109/9,88-10'= 8,1.

Св = 8,1 - поправочный коэффициент для Вм-

Принимаем, что в некоторой окрестности точки й0 = 2,75 мкм (куда входит и точка (1 = 5 мкм) формула В = Св-Вм для определения коэффициента В в формуле (1), верна.

Из формулы (1) при А = Са-Ам и В = Св-Вм получаем ДРм= {СААМ^)+{СВВМ^2)1. (5)

2

Обозначим а = С/г Лд/ /да; в = С# Вд/тогда ДРм = а+вЧ. (6)

В этом уравнении прямой а - свободный член. Начальная точка прямой (а = АР при I = 0) в - угловой коэффициент прямой.

Находим значения коэффициентов а и в в формуле (6) для нашего случая: (1=5 мкм; 8?; Ь0 - для иглопробивного фильтровального полотна табл. 2.1 (Д); скорость фильтрования V»', = 1,3; у/2 = 1,5: а, = 908 Па в, =6,85 Па/мин а7~ 1047 Па в2 =9,12 Па/мин Т.о. получены линейные функции: ЛР\ = а|+В!Ч = 908 + 6,854 при ад, = 1,3 м/мин; ДР2 = а2+в2-1= 1047 + 9,124 при 1,5 м/мин.

Графики этих функций прямые линии строим по 2 точкам, рис. 3.

Для определения функциональной зависимости гидравлического сопротивления (ДР) фильтра от времени (1), рассмотрим экспериментальные графики, снятые на каждом 21 работающем фильтре. Каждый экспериментальный график имеет два участка. 1 участок - регенерация включена. Автоматика поддерживает ЛР в фильтре приблизительно на одном уровне. 2 участок - регенерация отключена. В это время ДР в фильтре растет.

Каждый участок экспериментального графика имеет вид ломаной линии отрезки, которой соединяют точки ДР;) 1 =- I, А' через одну минуту. N - число точек, рассматриваемых на участке. В диссертации дан подробный анализ графика фильтра 10. При анализе получено, что зависимость ДР от I функциональная линейная и на 2 участке с отключенной регенерацией имеет вид: ДР,0 = 998 + 7,54 = а|0 + вш4.

Аналогично были найдены линейные функции и для остальных фильтров ДРК = ак + вк4 к = 1,24 (к Ф 6, 9, 22, 10). Построены графики этих функций, рис. 4.

Рис. 3. Графики функции ДРМ = а+вЧ

»■»г^>^а£»1*.?ър41а*а11шм1>-»р;см«»а4м»<м ИХРЕЫР

№пмх»ю 1?«72С07135327

Рис. 4. График функции ДР]0 =998 + 7,5-1 (на экспериментальном графике рукавного фильтра № 10)

Для сопоставления результатов полученных при анализе экспериментальных графиков с результатами полученными при

использовании модели Мандрико и Пейсахова (с поправочными коэффициентами СА=6,22 и Св~8,1), формула 5, определены средние значения коэффициентов а и в, и найдены:

1. Средняя функция АРМ = /(0 при расчете по модели Мандрико и Пейсахова.

2. Средняя функция АРЭ ~/(0 при расчете по экспериментальным графикам фильтров.

Д/'Э в^" • / =985 + 7,48-1 Па.

Сопоставлены средние функции ДРц и ЛР3 =/(1). Определено, что аэд < ад на 0,7 % вм>вЭ на6,4%. То есть Щ(1) < ДРэ(]) на °>7 % при г = 1 мин. То есть ДРм(5) < ДРэ (5) на 0,4 % при I = 5 мин.

Вывод: из сравнения результатов расчета по модели Мандрико - Пейсахова (с поправочными коэффициентами) с результатом анализа экспериментальных графиков 21 фильтра, следует, что оба способа определения зависимости ДР = /({) достаточно хорошо согласуются друг с другом.

Построены графики средних функций ДРд/ =/0) и Д/'з =/0), рис. 5.

Рис. 5. Графики средних функций

Из модели Маидрико и Пейсахова, формула 5, при заданном перепаде давления до и после фильтра можно найти необходимую продолжительность периода между регенерациями, то есть продолжительность периода фильтрования.

ДР . ДР „ , --А ----Сд-Ам

4 - Р'™ - ^'_

^ В-м-::

При ДР больше или меньше некоторой оптимальной величины ДР01ТТ эффективность работы фильтра уменьшается из - за нарушения целостности фильтрующего пылевого слоя.

Оптимальной величине ДР0Ш. соответствует оптимальная продолжительность межрегенерационного периода. Промежуток времени между импульсами на регенерацию (1И) определяется только экспериментально. В нашем случае для заданного перепада давления на

^min = 900—>/ил11ах = 300с

Англах = 1200—= 60с Таким образом получены две точки

(ДРишь tH.max) = (900; 300) и (ДРтах; t„.min) = (1200; 60) (Па; с).

Находим функцию = /(ДР) при ДРтш < ДР < ДРт„ принимая, что зависимость ^ от ДР линейная. Получено:

еа -'и.тах ~ ('и.max

АР-АР,

тш

АРщах ~ APmin

H.min)'

Подставив значения получим: /и = ДДР) = 1020-240(^|]. Было принято:

При ДР < ДРт1П = 900 ->tH = t„.max = 300 с. При ДР > APmiK = 1200 ->t„ = t„.min = 60 с. Таким образом, бьша получена составная функция:

;ДР>1200

240-ДР

(8) 1„ = /(ДР) =

'и.тт ~

1020—

300

/и. max' Если в минутах, то получим:

(9) tH = /( ДР) =

'и.тш=1 ; АР >1200 4-др

17-———;900<ДР<1200 300

'и.тах ;ЛР<900

(7)

АР (Па); t(c)

; 900 <ДР< 1200 ; ДР(Па); t(c). ; ДР<900 ;

АР (Па); t(MHH).

Соотнесены графики функций ^ = /и(ДР) и ДРд/ = /м(0-Изображаем графики составной функции ^ = /и(ДР) и средней функции АРм = /м(0 в одной системе координат. Графика функпий строим по двум точкам каждый. На графике функции Д~ 978 + 7,96-1 отмечен интервал оптимальных значений АР: (986; 1018)Па. При ДР < 986 (Па) и АР > 1018 (Па) эффективность работы фильтра уменьшается из - за нарушения целостности фильтрующего пылевого слоя.

Точка пересечения графиков функций ^ ~/(1(ДР) и АРм = /м(0 в интервале

оптимальных значений ДР определяет то значение ДРопт, которое будет поддерживать (в среднем) автоматика фильтра. Решая систему уравнений, получим: АРопт= 1006,5Па.

Таким образом, в данном пункте функции = /и(ДР) и ДРд/ = /м(0 применены для определения:

1. промежутка оптимальных давлений эффективной работы фильтра;

2. оптимального давления ДРопт (го оптимального промежутка), которое будет поддерживаться в фильтре.

В общем случае при ЛРМ = а+вЧ Ф АР; , где а = СдА^цм-, 2

в = С]}Вм/&м> . Границы оптимальных давлений эффективной работы фильтра определяются по формулам:

1) нижняя граница: I = = 1 мин => ДР(1) = а+Ь-1;

2) верхняя граница: 1 - 1итах = 5 мин => ДР(5) = а+Ь-5. Оптимальное давление, которое автоматика будет поддерживать в

фильтре, определим из системы:

ДР - а

~ЛРМ ^ а + Ь из уравнения 1 системы 1 = м --;

Ь

4Д Р

* = 17--подставим в уравнение 2, получим при ДРМ = ДР:

300

При а = 978, b = 7,96 получим ДР = 1006,5 Па.

Что и получено раньше. Далее Т - увеличение; 4- - уменьшение.

Из уравнения видно, что:

При b = const с Та => ТАР; и наоборот;

При а = const с tb => ТАР; и наоборот.

Это видно и из совместного рассмотрения графиков функций

t» = /и(ДР) и Л7>Д/-/(О-

б общем случае промежуток времени (tH) между импульсами на регенерацию при АР = а + b-t в общем виде, используя формулу (7), равен: , .а ■ v(g + ft-0~Afmin

'и-'и.шах ^и.тах 'и.тт/ ЛР лр • (10;

ш max ~ ^ min

Подставляя значения Д"шах, Л/'тт. 'и.тах> /и т;п, рекомендованные

производителями газоочистного оборудования для системы управления регенерацией рукавных фильтров сухой газоочистной установки 6 серии электролизного цеха Богословского алюминиевого завода, при ЛР = ЛР0ят, получим:

Vonx) =17- 17 - f ■ 75 - = ITjT^MfLtil^) =

ЩОПТ) 300 ^300j 75+i 15 + h

- ^75 + n-b-a-n-b __ 1275 - a

= ; 'H(°nf)='liTf

Из уравнения видно, что:

При b = const с Та ltH; и наоборот;

При а = const с Tb => 4- tH; и наоборот.

Это видно и из совместного рассмотрения графиков функций tu - /и(АР) и ЛP\f~f (t) расположенных в одной системе координат.

При случае, когда ЛР ЛР0пт используется составная функция, то есть зависимость промежутка времени между импульсами на регенерацию от перепада давления в фильтре и функция: ДР - а+в-t, то есть, линейная зависимость перепада давления в фильтре от времени, использованы при разработке алгоритмов в главе 3: Разработка алгоритмов программ автоматического управления и диагностики системы управления регенерацией рукавных фильтров и создание АСУ ТП регенерации рукавных фильтров.

В третьей главе разработке алгоритмов программ автоматического управления и диагностики системы управления регенерацией рукавных фильтров их реализации. Описаны этапы создания системы автоматизированного управления технологическим процессом.

Для разработки алгоритмов программ автоматического управления системы управления регенерацией рукавных фильтров воспользуемся разработанной моделью:

'и.тт=60; А/'>1-2

1и=/и(АР)=

, - ).-^5nin_. 09<ДР<12 ДР(кПа) 'и.max Ми.max 'и.гтЫ ЛР , п > вд^йгы,/

z"max ~ a/min t(c) /H.max=30Q A/3 <0,9

выражающей зависимость промежутка времени между импульсами на регенерацию от перепада давления в фильтре;

а также функцией: АР = а+в-г, то есть, линейной зависимостью перепада давления в фильтре от времени. Модель ^ = /и(ЛР) представим графически на рис. 6.

перепздн давления перепала ддвпения

Л1'[пЕп(кЛа) » 0,9 Д1>тз*(*Па! = 1Д

Рис. 6. График регулирования промежутка между импульсами в зависимости от перепада давления на рукавном фильтре.

Максимальный, минимальный интервал между импульсами, а также минимальное и максимальное значения перепада давления задаются в соответствии со значениями рекомендуемыми поставщиками газоочистного оборудования или значениями, найденными опытным путем при эксплуатации газоочистного оборудования. При текущем перепаде давления меньше минимального заданного значения перепада давления I интервал между импульсами равен максимальному заданному интервалу между импульсами. При текущем перепаде давления больше максимального заданного значения перепада давления 3 интервал между импульсами равен минимальному заданному интервалу между импульсами. Когда текущий перепад давления больше минимального заданного значения перепада давления и меньше максимального заданного значения перепада давления 2, то расчет интервала между импульсами производится по формуле (7)

Так как для поддержания требуемого уровня очистки электролизных газов необходимо наличие некоторого пылевого слоя на рукавных фильтрах, то применение данного способа позволит поддерживать этот слой. При большем перепаде давления - пыли много - регенерация будет производиться чаще, пыль будет сбиваться. При меньшем перепаде - пыли мало - регенерация будет производиться реже, пыль будет осаждаться на фильтрующей перегородке.

Длительность регенерирующего импульса равна 500 миллисекундам. Временные интервалы процессов диагностики системы управления регенерацией рукавных фильтров по наличию токового импульса, передаваемого :1а катушку соленоида и падению давления в ресивере выбраны по следующим причинам:

1. Токовый импульс - гак как длительность импульса равна половине секунды, имеет смысл проверять импульс тока силовой цепи в течение 400 миллисекунд. По величине он равен 24 вольтам.

2. Падение давления на ресивере имеет смысл фиксировать после регенерирующего импульса, как было найдено опытным путем, максимальные падения давления были зафиксированы на графиках в течении 1-1,5 секунд после импульса. Поэтому падение давления имеет смысл проверять в течении 2 секунд.

Реализация алгоритмов программ автоматического управления и диагностики системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров. Создание САУ регенерацией рукавных фильтров. На рис. 7 показана мнемосхема фильтра. Существует 3 режима, в которых может находиться система:

1) "Сервис" - отключена регенерация, включение каналов возможно только нажатием на соответствующую кнопку в верхней части экрана;

2) "Циклический" - режим регенерации с заданной длительностью импульса, паузы;

3) "Автоматический по перепаду давления на фильтре" - режим регенерации с заданной длительностью импульса и вычисляемой по графику паузой между импульсами. Этот режим является основным.

В строке "В работе" можно вывести из работы отдельные сгоревшие каналы. Красным цветом, в строке "Обрыв цепи", отмечаются каналы, по которым не было сигнала с датчика тока. В строке "Сбой давления" желтым цветом отмечаются каналы, по которым, во время импульса, не было падения давления ниже, чем заданное "Давление граничное".

В строке "Импульсы" синяя линия отображает отработавшие каналы. Также номер последнего отработавшего канала можно увидеть рядом с графиком автоматического режима. Ниже отображается время, в секундах, до срабатывания следующего канала.

: ж

, |и .И ' Ч

дапвд^ряар!

ГШ

п,ТГ Щ'Г'ШУ

Рис. 7. Мнемосхема фильтра.

Четвертая глава посвящена энерго-экологическому анализу процесса удапения газов при электролизе алюминия с использованием системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров, в соответствии с методикой полного (сквозного) энерго-экологического анализа, разработанного в УГТУ - У ПИ, под руководством В.Г. Лисиенко.

До 2004 года электролизные газы удалялись через дымовые трубы вентиляторами ОВ - 2600 без очистки. В июле 2004 года на Богословском алюминиевом заводе, при участии автора данной работы, был осуществлен пуск установки сухой очистки газов на 6-ой серии. Электролизные газы от корпусов 5, 6 электролизного цеха поступают по магистральным газоходам в установку сухой очистки газов и на ней распределяются по 24 модулям «Реактор - рукавный фильтр».

Технологические числа: топливное (ТТЧ) и экологическое (ТЭЧ). Определение ТЭЧ.

Энергетические затраты, учитывающие потребление энергии, материалов на единицу выпускаемой продукции рассчитываются в форме технологических топливных чисел (ТТЧ) в килограммах условного топлива.

Энергетические затраты, связанные с погашением стоимости экологического ущерба от вредных выбросов на единицу выпускаемой продукции, рассчитываются с помощью технологических экологических чисел (ТЭЧ) в килограммах условного топлива.

Суммарные энергозатраты учитывают потребление энергии, материалов и погашение стоимости экологического ущерба на единицу выпускаемой продукции в килограммах условного топлива

ТТЭЧ = ТТЧ + ТЭЧ (кг у.т./ед. прод.)

Сравнение результатов энерго-экологического анализа процессов удаления электролизных газов с использованием системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров..

Для сравнения результатов составим табл. 4 и на ее основе гистограмму, рис. 8.

Сравнение результатов энерго - экологического анализа Таблица 4

Показатели Процесс удаления электролизных газов

Í. Без газоочистки 2. С автоматизированным комплексом газоочистки

кг у.т./т ал. % от ТТЭЧ кг у.т./т ал. % от ТТЭЧ

ТТЧ 5903,4 43,56 6507,7 84,4]

ТЭЧ 7650,1 56,44 1201,6 15,59

ТТЭЧ 13553,5 100 7709,3 100

Без газоочистки С газоочисткой

Рис. 8. Сравнительные показатели ТТЧ, ТЭЧ и ТТЭЧ

Как следует из табл. 4 суммарные энергозатраты на электролиз 1 тонны алюминия и энергозатраты на погашение экологического ущерба от загрязнения окружающей среды без газоочистки (ТТЭЧ), существенно превышают суммарные энергетические затраты с газоочисткой (ТТЭЧ)2:

(ТТЭЧ), 13553,5 ...

-—--= иь.

(ТТЭЧ)2 7709,3

Хотя с газоочисткой энергозатраты, учитывающие потребление электроэнергии больше:

(ТТЧ)г _ 6507,7 ^ 1

(ТТЧ), 5903,4 '

но зато энергозатраты, учитывающие погашение экологического ущерба снизились в 6,367 раза:

<^ = 1^ = 6,367.

(ТЭЧ)2 1201,6

Это и привело к снижению суммарных энергозатрат на электролиз 1 тонны алюминия и на удаление электролизных газов с использованием системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров в процессе газоочистки.

В заключении диссертации приведены основные результаты, полученные в ходе выполнения работы, сформулированы выводы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для повышения энерго-экологических показателей производства алюминия, снижения концентрации вредных выбросов в атмосферу и улучшения экологической обстановки в промышленных зонах разработаны алгоритмы управления, с использованием математических моделей, в рамках автоматизированных систем управления технологическим процессом сухой газоочистки для алюминиевых заводов. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1) В результате проведенного анализа математических моделей, определены условия их применения для улавливания мелкодисперсных пылей алюминиевого производства на рукавных фильтрах.

2) Сопоставительный анализ экспериментальных данных процесса улавливания мелкодисперсных пылей и соответствующих модельных расчетов выявил возможность применения модели Мандрико и Пейсахова при решении задач автоматического управления рукавными фильтрами. На ее основе разработана математическая модель зависимости периода между регенерациями рукавных фильтров от перепада давления на них.

3) Алгоритмы автоматического управления и диагностики регенерации рукавных фильтров целесообразно создавать на основе предложенной модели зависимости периода между регенерациями рукавных фильтров от перепада давления на них.

4) На основе предложенных алгоритмов разработано программное обеспечение автоматического управления и диагностики регенерации рукавных фильтров.

5) Предложено техническое обеспечение системы автоматического управления технологическим процессом регенерации рукавных фильтров.

6) Разработанная система автоматического управления технологическим процессом регенерации рукавных фильтров внедрена в АСУ ТП сухой газоочистной установки ОАО «БАЗ -СУ АЛ».

7) Внедрение разработанной системы позволило улучшить условия эксплуатации оборудования рукавных фильтров за счет "гибкости" программы реализующей алгоритм управления процессом регенерации фильтров и точности отработки

программой, устанавливаемых интервалов времени (длительность импульсов, пауза между импульсами).

8) Внедрение разработанной системы позволило упростить обслуживание электрооборудования посредством совмещения в одной системе функций управления приводами встряхивания, постоянной диагностики и контроля состояния оборудования, контроля технологического процесса, регенерации с выдачей удобных для восприятия цифробуквенных сообщений о его текущем состоянии на дисплей панели оператора и визуализация процесса на мониторах АРМа оператора; повысить комфортность работы оператора и быструю перенастройку системы управления регенерацией фильтров при изменении технологических параметров газоочистки.

9) Проведенный энерго-экологический анализ процесса удаления газов при электролизе алюминия с использованием системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров показал, что пуск в работу автоматизированного комплекса сухой очистки газов на 6 - ой серии снизил энергозатраты, учитывающие погашение экологического ущерба в 6,3 раза.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Лисиенко В.Г., Зотов С.А., Кривовяз В.К., Федоров Л.В., Ожегов М.В. Автоматизация технологических процессов «сухой» газоочистной установки БАЗа // «Цветные металлы» №3.2006

2. Лисиенко В.Г., Зотов С.А. Анализ работы и усовершенствование системы автоматизированного управления сухой газоочистной установкой на примере установки Богословского алюминиевого завода. //«Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов» №2.2008

Патенты на изобретения и свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ:

3. Способ управления регенерацией рукавных пылевых фильтров [Текст]: пат.2337747 Российская Федерация: МПК В 01 В 46/02 / Лисиенко В.Г., Соколов А.Г., Зотов С.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет УГТУ-УПИ». - №2007114221/15; заявл. 16.04.2007; опубл. 10.11.2008

Статьи в журналах, доклады и тезисы докладов на конференциях:

4. Лисиенко В.Г., Зотов С.А. Система автоматического регулирования нагрузки силовых агрегатов "сухой" газоочистной установки на примере установки электролизного цеха Богословского

алюминиевого завода, филиал ОАО "СУ А Л". //Труды ГХ отчетной конференции молодых ученых УГТУ-УПИ. 2004

5. Лисиенко В.Г., Ожегов М.В., Зотов С.А. Совершенствование автоматизированной системы управления технологическим процессом «сухой» газоочистки электролизного цеха БАЗа //Труды X юбилейной научно - практической конференции «Алюминий Урала- 2005»..Тезисы докладов. 2005. стр. 179

6. Лисиенко В.Г., Ожегов М.В., Зотов С.А. Совершенствование автоматизированной системы управления технологическим процессом «сухой» газоочистки электролизного цеха БАЗа //Труды X юбилейной научно - практической конференции «Алюминий Урала - 2005». 2005.

7. Лисиенко В.Г., Зотов С.А. Система автоматического регулирования нагрузки силовых агрегатов "сухой" газоочистной установки на примере установки электролизного цеха Богословского алюминиевого завода, филиал ОАО "СУАЛ". //Труды X отчетной конференции молодых ученых УГТУ - УПИ. 2005

8. Лисиенко В.Г., Соколов А.Г., Зотов С.А. Автоматизация технологических процессов "сухой" газоочистной установки 6 - ой серии электролизного цеха Богословского алюминиевого завода. //Труды XI научно - практической конференции «Алюминий Урала -2006». Тезисы докладов. 2006. стр. 177

9. Лисиенко В.Г., Зотов С.А. Автоматизация технологических процессов "сухой" газоочистной установки на примере установки 6

- ой серии электролизного цеха Богословского алюминиевого завода, филиал ОАО "СУАЛ". //Труды международной конференции «информационно - математические технологии в экономике, технике и образовании». Тезисы докладов. 2006. стр. 157

Ю.Лисиенко В.Г., Зотов С.А. Автоматизация технологических процессов "сухой" газоочистной установки на примере установки 6

- ой серии электролизного цеха Богословского алюминиевого завода, филиал ОАО "СУАЛ". //Труды международной конференции «информационно - математические технологии в экономике, технике и образовании». 2006. стр. 164

11. Лисиенко В.Г., Зотов С.А. Автоматизация технологических процессов "сухой" газоочистной установки на примере установки 6

- ой серии электролизного цеха Богословского алюминиевого завода, филиал ОАО "СУАЛ". //Труды 2 научно - технической конференции молодых специалистов «БАЗ - СУАЛ». Тезисы докладов. 2006.

12. Лисиенко В.Г., Зотов С.А. Автоматизация технологических процессов "сухой" газоочистной установки на примере установки 6

- ой серии электролизного цеха Богословского алюминиевого завода, филиал ОАО "СУАЛ". //Труды 2 научно - технической конференции молодых специалистов «БАЗ - СУАЛ». 2006.

13.Лисиенко В.Г., Зотов С.А. Автоматизация технологического процесса регенерации рукавных фильтров "сухой" газоочистной установки 6-ой серии электролизного цеха Богословского алюминиевого завода - филиал ОАО "СУАЛ". //«Промышленные печи и трубы» №4.2007

14.Лисиенко В.Г., Зотов С.А. Автоматизация технологического . процесса транспортировки глинозема «сухой» газоочистной

установки на примере установки 6-ой серии электролизного цеха Богословского алюминиевого завода, филиал ОАО «СУАЛ» // Труды VI всероссийской научно - практической конференции АБ'2007 системы автоматизации в образовании, науке и производстве. Посвящается 100 - летаю со дня рождения профессора П.М. Масловского. Тезисы докладов. 2006.

15.Лисиенко В,Г., Зотов С.А. Автоматизация технологического процесса транспортировки глинозема «сухой» газоочистной установки на примере установки 6-ой серии электролизного цеха Богословского алюминиевого завода, филиал ОАО «СУАЛ» // Труды VI всероссийской научно - практической конференции А5'2007 системы автоматизации в образовании, науке и производстве. Посвящается 100 - летию со дня рождения профессора П.М. Масловского. 2006. стр. 140

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.298.03 ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университета (протокол № _3 от «28» мая 2011 г.)

Подписано в печать 28.05.2011 г. Формат А5 Бумага «Снегурочка». Печать на RISO. Тираж 100 экз. Отпечатано в типографии «Искра-Профи», 454080, г.Челябинск, ул. Сони Кривой, д.42 Тел.230-57-70

ВВЕДЕНИЕ.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СУХОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ, АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ РЕГЕНЕРАЦИИ РУКАВНЫХ ФИЛЬТРОВ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Необходимость решения проблем предприятий цветной металлургии в области автоматизированного управления технологическим процессом удаления электролизных газов.

1.2. Характеристика автоматизированной системы управления сухой очистки газов.

1.3. Описание и режимные параметры технологического процесса сухой очистки газов, анализ существующих технологических схем процесса регенерации рукавных фильтров.

1.4. Описание, общие характеристики и режимные параметры технологического процесса фильтрации газа.

1.4.1. Очистка газов фильтрованием.

1.4.2. Характеристики пористой перегородки.

1.4.3. Классификация промышленных фильтров по их конструктивным признакам.

1.4.3.1. Классификация по типу фильтрующих элементов.

1.4.3.2. Классификация по системе регенерации. Фильтры с посекционной и поэлементной системой регенерации.

1.4.3.3. Классификация по типу устройств регенерации.

1.5. Постановка задачи исследования.

2. АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРАЦИИ ГАЗА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К МЕТОДУ СУХОЙ ОЧИСТКИ.

2.1. Сведения необходимые для расчета фильтра.

2.1.1. Газоочистная установка. Электролизные газы.

2.1.2. Коэффициенты сопротивления АиВ.

2.1.3. Анализ коэффициентов Ам и Вм.

2.2. Согласование коэффициентов Ам и Вм с табл. 2.3.

2.2.1. Коэффициент Ам.

2.2.2. Коэффициент Вм.

2.3. Модель АРМ = Мандрико и Пейсахова (с поправочными коэффициентами).

2.3.1. Модель Мандрико и Пейсахова (с поправочными коэффициентами).

2.3.2. Графики функции АРМ = а+в-1.

2.4. Анализ экспериментальных графиков фильтров.

2.4.1. 1 участок графика фильтра №10.

2.4.2. 2 участок графика фильтра №10.

2.4.3. Коэффициент корреляции (2 участок).

2.4.4. Функция АРю = аю + вк£ фильтра №10 (2 участок графика).

2.4.5. Графики функций АРК = ак + Вк^ фильтров.

2.5. Сравнение расчетов по модели Мандрико и Пейсахова с результатом анализа экспериментальных графиков фильтров.

2.5.1. Средняя функция ДРМ = [(1) при расчете по модели Мандрико и Пейсахова.

2.5.2. Средняя функция АР3 =((1) при расчете по экспериментальным графикам.

2.5.3. Сопоставление средних функций АРм =((1) и АРэ =((1).

2.5.4. Графики средних функций АРм = №) и АР3 =((Х).:.

2.6. Промежуток времени между регенерациями фильтра.

2.6.1. Разработка модели 1и = ((АР).

2.6.2. Соотнесение графиков функций = (и(АР) и АРм = {мф.

2.7. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ПРОГРАММ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ' И ДИАГНОСТИКИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕГЕНЕРАЦИЕЙ РУКАВНЫХ ФИЛЬТРОВ И СОЗДАНИЕ САУ РЕГЕНЕРАЦИЕЙ РУКАВНЫХ ФИЛЬТРОВ.

3.1. Разработка алгоритмов программ автоматического*управления и диагностики системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров.

3.2. Создание САУ регенерацией рукавных фильтров.

3.3. Выводы.

4. ЭНЕРГО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА УДАЛЕНИЯ ГАЗОВ ПРИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕ АЛЮМИНИЯ, ДО ПУСКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА ГАЗООЧИСТНОЙ УСТАНОВКИ И ПОСЛЕ.

4.1. Связь энергоемкости с загрязнением окружающей среды.

4.2. Исходные сведения для анализа.

4.2.1. Технологические числа: топливное (ТТЧ) и экологическое (ТЭЧ).

4.2.2. Формула для расчета ТЭЧ.

4.2.3. ТЭЧ Электролизных газов до газоочистки (ТЭЧ)1.

4.2.4. ТЭЧ электролизных газов после газоочистки (ТЭЧ)2.

4.2.5. Энерго-экологический анализ процесса удаления газов, образующихся при электролизе 1 тонны алюминия.

4.2.5.1. Процесс удаления электролизных газов без газоочистки.

4.2.5.2. Процесс удаления электролизных газов с газоочисткой.

4.3. Сравнение результатов энерго-экологического анализа процессов удаления электролизных газов.

4.4. Выводы.

Актуальность работы. Большая часть окружающей человека среды несет на себе следы его производственной деятельности. Особенно остро стоит вопрос о защите воздушного бассейна: токсины в газообразной мелкодисперсной аэрозольной форме выбрасываются в верхние слои атмосферы без обезвреживания, разносятся воздушными потоками на значительные расстояния, пагубно влияя на состояние фауны и флоры.

Крупномасштабными источниками этого загрязнения являются предприятия цветной металлургии. В связи с вышеизложенным, возникает необходимость в решении проблем промышленных предприятий в области газоочистки, экологии и, в частности, повышении уровня автоматизации технологических процессов, внедрении современных средств АСУТП и КИП. Эти проблемы решаются созданием газоочистных установок и последующей их автоматизацией.

В последнее время часто применяется сухой метод очистки газов, который осуществляется в низконапорном реакторе с взвешенным слоем частиц глинозема и рукавном фильтре, что обеспечивает улавливание фторидов, пыли и- полициклических ароматических углеводородов: Наибольшее распространение сухого метода обусловлено двумя обстоятельствами. Во-первых, для мокрого способа очистки требуется большое количество воды и связанное с этим дорогостоящее и занимающее большие площади шламовое хозяйство. Во-вторых, улавливаемую сухим способом пыль гораздо легче утилизировать, чем шламовую пульпу, образующуюся при мокром способе.

Способы управления сухими газоочистными установками алюминиевых заводов, описанные работах таких авторов, как Ладыгичев М.Г., Старк С.Б., Мазус М.Г., Dawson P.R. позволяют осуществлять управление, как правило, с непосредственным участием человека, что ставит управляющую систему в зависимость от его своевременного вмешательства.

От этого может зависеть не только исправность аппаратных средств, но и качество очистки газов, поступающих с производства.

Поэтому существует необходимость в разработке алгоритмического обеспечения для автоматического управления сухой газоочистной установкой, наиболее полно отвечающего требуемым параметрам и режимам работы технологического оборудования, предъявляемым его производителями, то есть в соответствии с технологией очистки производственных газов.

Целью работы является разработка алгоритмов управления, с использованием математических моделей, позволяющих в рамках автоматизированных систем управления технологическим процессом сухой газоочистки для алюминиевых заводов повысить энерго-экологические показатели производства алюминия, снизить концентрации., вредных выбросов в атмосферу и, как результат, улучшить экологическую5 обстановку в промышленных зонах.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи::

1) Проведение анализа математических моделей; выражающих условия улавливания мелкодисперсных пылей алюминиевого производства на рукавных фильтрах;

2) Проведение сопоставительного анализа экспериментальных данных процесса улавливания мелкодисперсных пылей и соответствующих модельных расчетов с целью оценки возможности применения моделей при решении задач автоматического управления рукавными фильтрами;

3) Разработка математической модели зависимости периода между регенерациями рукавных фильтров: от перепада давления: на них;

4) Разработка алгоритмов автоматического управления и диагностики регенерации рукавных фильтров;

5) Разработка программного обеспечения автоматического управления и диагностики регенерации рукавных фильтров;

6) Разработка технического обеспечения системы автоматического управления технологическим процессом регенерации рукавных фильтров;

7) Внедрение разработанной системы автоматического управления технологическим процессом регенерации рукавных фильтров в рамках АСУ ТП сухой газоочистной установки ОАО «БАЗ - СУАЛ»;

8) Проведение энерго-экологического анализа процесса удаления газов при электролизе алюминия с использованием системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров.

Объектом исследования является технологический процесс удаления электролизных газов при производстве алюминия.

Предметом исследования являются автоматизированные системы управления технологическим процессом удаления электролизных газов при производстве алюминия.

Методика исследования в основу методики исследования положены труды российских и зарубежных ученых по автоматизированному управлению технологическим процессом удаления электролизных газов при производстве алюминия.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- выявлена возможность, с использованием экспериментальных данных электролизного цеха Богословского алюминиевого завода, применять математические модели роста перепада давления на рукавных фильтрах с течением времени для процесса улавливания мелкодисперсных пылей;

- разработаны математические модели и алгоритмы автоматического управления технологическими процессами сухой газоочистной установки, отличающиеся зависимостью времени между регенерационными импульсами от перепада давления по линейному закону, с обеспечением возможности поддерживания определенного пылевого слоя;

- с использованием усовершенствованных математических моделей роста перепада давления на рукавных фильтрах с течением времени для процесса улавливания мелкодисперсных пылей определены оптимальные перепады давления на рукавных фильтрах, что обеспечивает улучшение качества очистки электролизных газов;

- разработана система автоматического управления рукавными фильтрами на основе новых алгоритмических решений в соответствии с используемой технологией процесса4 очистки электролизных газов;

- оцененный экологический эффект от внедрения сухой очистки газов, с использованием системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров, по методике полного сквозного энерго-экологического анализа, показывает, что в результате были снижены энергозатраты, учитывающие погашение экологического ущерба за выбросы в атмосферу в 6,3 раза.

Практическая значимость работы. Разработанные алгоритмы и программы системы автоматического управления технологическим процессом регенерации рукавных фильтров реализованы с участием автора на сухой газоочистной установке 6 серии электролизного цеха БАЗа.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

- математические модели и алгоритмы автоматического управления технологическими процессами сухой газоочистной установки, отличающиеся зависимостью времени между регенерационными импульсами от перепада давления по линейному закону, с обеспечением возможности поддерживания определенного пылевого слоя; - результаты энерго-экологического анализа процесса удаления газов при электролизе алюминия с использованием системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на региональной X юбилейной научно-практической конференции "Алюминий Урала - 2005"(2005), на региональной XI научно-практической конференции "Алюминий Урала — 2006"(2006), на 2 научно-технической конференции молодых специалистов "БАЗ - СУАЛ"(2006), на международной научной конференции "информационно-математические технологии в экономике, технике и образовании"(2006), на VI всероссийской научно-практической конференции "AS'2007" "Системы автоматизации в образовании, науке и производстве" (посвящается 100-летию cor дня рождения профессора Масловского П.М!.)(2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, из них две работы в рецензированных изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка используемой литературы. Работа выполнена на 147 страницах, в том числе содержащих 40 иллюстраций, 16 таблиц, библиографический список на 66 наименований работ.

4.4. Выводы

1. Для повышения энерго-экологических показателей производства алюминия, снижения концентрации вредных выбросов в атмосферу и улучшения экологической обстановки в промышленных зонах разработаны алгоритмы управления, с использованием математических моделей, в рамках автоматизированных систем управления технологическим процессом сухой газоочистки для алюминиевых заводов.

2. Проведенный энерго-экологический анализ процесса удаления газов при электролизе алюминия с использованием системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров показал, что пуск в работу автоматизированного комплекса сухой очистки газов на 6 — ой серии снизил энергозатраты, учитывающие погашение экологического ущерба в 6,3 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для повышения энерго-экологических показателей производства алюминия, снижения концентрации вредных выбросов в атмосферу и улучшения экологической обстановки в промышленных зонах разработаны алгоритмы управления, с использованием математических моделей, в рамках автоматизированных систем управления технологическим процессом сухой газоочистки для алюминиевых заводов. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1) В' результате проведенного анализа математических моделей, определены условия их применения, для улавливания мелкодисперсных пылей алюминиевого производства на рукавных фильтрах.

2) Сопоставительный анализ экспериментальных данных процесса улавливания мелкодисперсных пылей и соответствующих модельных расчетов выявил возможность применения! модели Мандрико и Пейсахова при решении- задач автоматического управления рукавными фильтрами. На ее основе разработана математическая модель зависимости периода - между регенерациями рукавных фильтров от перепада давления на них.

3) Алгоритмы автоматического управления и диагностики регенерации рукавных фильтров целесообразно создавать на основе предложенной модели зависимости периода между регенерациями рукавных фильтров от перепада давления на них.

4) На основе предложенных алгоритмов разработано программное обеспечение автоматического управления- и диагностики регенерации рукавных фильтров.

5) Предложено техническое обеспечение системы автоматического управления технологическим процессом, регенерации рукавных фильтров.

Разработанная система автоматического управления технологическим процессом регенерации рукавных фильтров внедрена в АСУ ТП сухой газоочистной установки ОАО «БАЗ — СУАЛ».

Внедрение разработанной системы позволило улучшить условия эксплуатации оборудования рукавных фильтров за счет "гибкости" программы реализующей алгоритм управления процессом регенерации фильтров и точности отработки программой, устанавливаемых интервалов времени (длительность импульсов, пауза между импульсами).

Внедрение разработанной системы позволило упростить обслуживание электрооборудования посредством совмещения в одной системе функций управления приводами встряхивания, постоянной диагностики и контроля состояния оборудования, контроля технологического процесса регенерации с выдачей удобных для восприятия цифробуквенных сообщений' о его текущем состоянии на дисплей панели оператора и визуализация процесса на мониторах АРМа оператора; повысить комфортность работы оператора и быструю перенастройку системы управления регенерацией фильтров при изменении технологических параметров газоочистки.

Проведенный энерго-экологический анализ процесса удаления газов при электролизе алюминия с использованием системы автоматического управления регенерацией рукавных фильтров показал, что пуск в работу автоматизированного комплекса сухой очистки газов на 6 - ой серии снизил энергозатраты, учитывающие погашение экологического ущерба в 6,3 раза.

1. П.А.Капица «Эксперимент. Теория. Практика» изд. 4- ое. М.: Наука. 1987. 495 с.2. «Металлы Евразии» Международный промышленный журнал №2 2000

2. Толочко А.И., Филипьев О.В., Славин В.И., Гурьев B.C. -Очистка технологических и неорганизованных выбросов от пыли в черной металлургии: производственное издание М.: Металлургия, 1986. 208 с.

3. М.Г. Ладыгичев, Г.Я. Бернер — Зарубежное и отечественное оборудование для очистки газов. Справочник. «Теплотехник» М. 2004 694 с.1

4. Strauss W. Industrial Gas Cleaning, 2 ed. — Oxford: Pergamon Press, 1975.-622 p.

5. Тезисы XI научно практической конференции «Алюминий Урала-2006», стр. 157-158

6. Технологическая инструкция очистка газов отходящих от электролизеров корпусов электролизного цеха. ТИ БАЗ — 30 - 26 -2006

7. С.Б. Старк Газоочистные аппараты и установки в металлургическом производстве. «Металлургия» М. 1990 — 400 с.

8. М.Г. Мазус, А.Д. Мальтин, M.JI. Моргулис — фильтры для улавливания промышленных пылей.

9. Г.М. Гордон, И.Л. Пейсахов Пылеулавливание и очистка газов в цветной металлургии М. Металлургия 1977 — 456 с.

10. Г.М. — А. Алиев Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. Справочник. М. Металлургия 1986 — 544 с.

11. Кэнту M. Delphi5 для профессионалов. — СПб.: Питер, 2001. — 944 е.: ил.

12. Мамаев Е., Шкарина JI. Microsoft SQL Server 2000 для профессионалов. — СПб.: Питер, 2001. - 1088 е.: ил.

13. В.Г. Лисиенко, О.Г. Дружинина, Б.Б. Зобнин, В.И. Рогович, А.П. Никифоров, В.И. Уткин. «Энерго — экологический анализ. Программное обеспечение и снижение эколого — экономического ущерба.» Екатеринбург УГТУ УПИ 2005, 310 с.

14. Ю.С. Карабасов, В.М. Чижикова, М.Б. Плущевский «Экология и управление. Термины и определения.» М.: «МИСИС» 2001, 256 с.

15. Технологическая инструкция — очистка газов отходящих от электролизеров 5 и 6 корпусов электролизного цеха. ТИ БАЗ 30 -26-2006.

16. Реймерс Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы). М.: Журнал "Россия молодая", 1994. 367 с.

17. Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов (Экономия топлива и электроэнергии) / Егоревич А.П., Лисиенко В.Г., Розин С.Е., Щелоков ЯМ. М.: Металлургия, 1990.149 с.

18. Охрана и рациональное использование окружающей среды: Учеб. пособие. Харлампович Г.Д., Березюк В.Г., Липунов И.Н. и др. Екатеринбург: Изд-во Урал.ун-та. 1993. 184 с.

19. Израэль Ю.А. Проблемы охраны природной среды и пути их решения. М. Гидрометеоиздат. 1984. 47 с.

20. Майстренко В.Н., Хамитов Р.З., Будников Г.К. Эколого-аналитический мониторинг супертоксикантов. М.: Химия, 1996. 319 с.

21. Радкевич В.А. Экология: Учебник 3-е изд. перераб. и.доп. М.: Высш. шк. 1997. 159 е.: ил.

22. Лорен Кенуорси. Как убедить предприятия уменьшить количество промышленных отходов. Руководство для граждан. Пер. с англ. Н.П.Тарасовой, А.В.Малькова, В.В.Костикова и др. ИНФОРМ. 1995. 128с.

23. В.С.Лисин, Ю.С.Юсфин Ресурсо-экологические проблемы XXI века и металлургия. М.: Высш. шк., 1998. 447 с.

24. ГОСТ Р 51387 — 99 Энергосбережение. Нормативно -методическое обеспечение. Основные положения. М.: Госстандарт, 1999.

25. ГОСТ Р 51541 99 Энергосбережение. Энергетическая эффективность. Состав показателей. Общие положения. М.: Госстандарт, 1999.

26. ГОСТ Р 51749 — 2001 Энергосбережение. Энергопотребляющее оборудование общепромышленного применения. Виды. Типы. Группы. Показатели энергетической эффективности. Идентификация. М.: Госстандарт, 2001.

27. ГОСТ Р 51750 2001 Энергосбережение. Методика определения энергоемкости при производстве продукции* и оказании услуг технологических энергетических системах. Общие положения. М.: Госстандарт, 2001.

28. Чоджой. М.Х. Энергосбережение промышленности: пер. с англ. М.: Металлургия, 1982. 272 с.

29. Экономии энергии научную основу / Розин С.Е., Щелоков Я.М. , Лисиенко В.Г. // Экономика и организация промышленного производства, 1984. №3. с.91-98.

30. Методикафасчета и использование технологических топливных чисел / Лисиенко В.Г., Розин С.Е., Щелоков Я.М.// Известия вузов. Черная металлургия, 1987. №2. с. 108-112.

31. Лисиенко В.Г. Основные факторы энергоемкости /В.Г. Лисиенко // Известия вузов. Энергетика. 1990. №3. с.З 16.

32. Энергетический анализ. Методика и базовое информационное обеспечение: учебное пособие /В.Г. Лисиенко, Я.М. Щелоков, С.Е.Розин, О.Г. Дружинина, А.Е. Пареньков. Екатеринбург.: УГТУ УПИ, 2001. 100 с.

33. Алгоритмы и сравнительная энергоемкость процессов выплавки стали / В.Г. Лисиенко, Я.М. Щелоков, С.Е. Розин, О.Г. Дружинина // Сталь. 2000. №9. с. 19 23.

34. Лисиенко В.Г. Хрестоматия энергосбережения: справочное издание: в 2 х кн.; кн. 1 / В.Г. Лисиенко, Я.М. Щелоков, М.Г. Ладыгичев; под ред. Лисиенко В.Г. М.: Теплоэнергетик, 2002. 688 с.

35. Лисиенко В. Г. Методика сквозного энерго — экологического анализа энерготехнологических объектов / В.Г. Лисиенко, О.Г. Дружинина, В.А. Морозова // Известия вузов. Черная металлургия. 1999. №9. с. 61 — 65.

36. Управление ресурсами. Оценка и снижение эколого — экономического ущерба / В.Г. Лисиенко, О.Г. Дружинина, Б.Б. Зобнин, В .И; Рогович, В.А. Морозова. Екатеринбург: УГТУ -УПИ, 2002. 307 с.

37. Лякишев Н.П., Николаев A.B. Энергетические аспекты металлургии стали // Сталь. 2002. №3. с. 66 — 73.48: Серебряков В.А. Системный подход к проблеме энергосбережения как средство повышения эффективности производства // Сталь. 2000. №4. с. 93 96

38. Федеральный закот от 03.04.1996 № 28 ФЗ «Об энергосбережении».

39. Рациональное использование газа в промышленных установках: справочное пособие; СПб.: Недра, 1995. 352 с.

40. Лисиенко В.Г. Проблемы экономии топлива в промышленных печах загсчет интенсификации теплообменных процессов / УПИ. Свердловск^ 1985. 184 с. Деп. В «Черметинформации», №3д 13045

41. В.П.Албул, И.Д.Минскер/Энергосбережение и вредные выбросы в окружающую среду//Газовая промышленность, 1998; №6. С.49-50.

42. Integrated Risk Unformatin System. U.S. Departament of Energy. Office of Eniverenmental Guidance. RCRA/CERCLA Division. (EH-231). Washington.D.C. 1991.

43. Health Effect Assessment Summary Tables (Annual FY-91). EPA. 1991.

44. Health Effect Assessment Summary Tables (Annual Update). EPA. 1993.

45. Risk Assessment Guidance for Superfond : Volume 1 Human Healthr1. Evalutin Manual. EPA.

46. Risk Assessment. Principles and Applications for Hazardous Waste and Related Sites. P.K.LaGoy. Noyes Publicatins. 1994. 245p.

47. Fundamentals of Industrial Hygience. J.B.Olishifski. National Safety Concil. 1979. 1083p.

48. Hazardous Waste Risk Assessment. D.Kofi Asante-Duah. Lewis Publishers. 1993.

49. Fundamentals of Industrial Hygience. Plog B., Niland J., Quinian P. -National afety Councie. 1996. 962p.

50. Basic Hazardous Waste Management. W.C.Blackman. Lewis Publishers. 1996. 363 p.

51. Toxic air Pollution Handbook. Patrik D. Van Nostrand Reinhold.New York. 1994. 55Op.

52. Indoor Air Pollution. Caracterization, Prediction and Control. Wadden R., Schefe P. Enivernemental and Occupation Health Sciences. Chicago. 1994. 115p.

53. Externe. Externalities of energy. Vol.2. Methodology. Science Research European commision. 1995. EUR 16521 EN. ECSC-EL-EAEC, Brussels-Luxemborg, 1997.