К Яшина - Автоматизація процесу керування дуговою сталеплавильною піччю на основі комплексної моделі - страница 1

Страницы:
1  2  3 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД «НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

ЯШИНА КСЕНІЯ ВОЛОДИМИРІВНА

УДК 681.5:621.365.2.004.18

АВТОМАТИЗАЦІЯ ПРОЦЕСУ КЕРУВАННЯ ДУГОВОЮ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЮ ПІЧЧЮ НА ОСНОВІ КОМПЛЕКСНОЇ МОДЕЛІ

Спеціальність: 05.13.07 - «Автоматизація процесів керування»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2010

Дисертацією є рукопис.Робота виконана на кафедрі електромеханіки Дніпродзержинського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Садовой Олександр Валентинович,

Дніпродзержинський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, проректор з наукової роботи, завідувач кафедри електромеханіки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Паранчук Ярослав Степанович,

Національний університет «Львівська політехніка» Міністерства освіти і науки України, професор кафедри електроприводу та автоматизації промислових установок;

доктор технічних наук, професор Кузнецов Георгій Віталійович,

Державний вищий навчальний заклад «Національний гірничий університет» (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри електроніки та обчислювальної техніки.

Захист відбудеться «_»_2011 р. о_годині на

засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 при Державному вищому навчальному закладі «Національний гірничий університет» Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027 м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Державного вищого навчального закладу «Національний гірничий університет» Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027 м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19.

Автореферат розіслано «_»_2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 08.080.07,

к.т.н. О.О. АзюковськийПідписано до друку 15.12.2010р. Формат 60х84 1/32. Папір друк. Умовн. друк. арк. 1,0. Наклад 100 прим. Зам. № 336/10

Віддруковано друкарнею Дніпродзержинського державного технічного університету з комп'ютерного оригінал-макету пошукувача

51918, м. Дніпродзержинськ, ДДТУ, вул. Дніпробудівська, 2ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Питанням автоматизації дугових

сталеплавильних печей присвячені роботи вчених: Маркова Н.А., Окорокова Н.В., Паранчука Я.С.

Однією з особливостей сучасного світового ринку сталі є зростання обсягів продукції, що виплавляється в дугових електросталеплавильних печах (ДСП) змінного струму. При цьому дугова електросталеплавильна піч залишається одним з найбільш енергоємних агрегатів, які застосовуються у чорній металургії. Існує два основних способи вирішення енергетичної проблеми дугових електросталеплавильних печей: застосування ДСП нових конструкцій і модернізація існуючих. При цьому доцільною з економічної точки зору слід визнати модернізацію ДСП шляхом створення сучасної системи керування, що базується на ефективному алгоритмі керування.

Зважаючи на велику кількість дестабілізуючих факторів (обвали шихти, обрив електричних дуг), якими характеризується виплавка сталі в ДСП, і неможливості точного моніторингу основних параметрів плавки (температура дуг, шихти, розплаву, шлаку, склад розплаву і шлаку) за допомогою вимірювальних приладів, доцільною є розробка алгоритму керування виплавкою сталі в ДСП на основі моделювання процесів, які відбуваються в робочому просторі печі.

На сьогоднішній день існує низка побудованих за різними принципами моделей, які описують електричні та теплові процеси, що відбуваються в ДСП. При цьому комплексна модель, яка б враховувала характер протікання електричних, теплових і хімічних процесів, їх взаємозв'язок і взаємовплив, відсутня. Створення та застосування такої моделі дозволить у кожний момент плавки розрахувати адекватні матеріальний та енергетичний баланси печі, за допомогою яких може бути визначене раціональне значення активної потужності, що подається в піч у цей момент часу.

Відомо, що при заданому ступені напруги активна потужність, що подається в піч кожною фазою (р ), є функцією від довжини дуги цієї фази (h ). Проте, залежність р від h , яка може бути використана при синтезі системи керування роботою ДСП, до теперішнього часу отримана не була.

Таким чином, комплексне дослідження електричних, теплових і хімічних процесів, що відбуваються у ДСП змінного струму, виявлення їх взаємозв'язків, розробка на основі отриманих результатів нового алгоритму керування значенням активної потужності, яка подається в піч у період плавки, і синтез простої та надійної системи керування рухом електродів, що забезпечує досягнення заданого значення потужності, є актуальними і важливими науково-технічними задачами. Розв'язання цих задач дозволить визначити траєкторію зміни активної потужності, що подається в піч.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Основні положення та результати роботи використано у держбюджетній НДР Дніпродзержинського    державного    технічного    університету    за темою«Комп'ютерне моделювання енергозберігаючої технології виплавки та доведення сталі в умовах сучасних міні-заводів» (№ 0106U000739), що фінансувалася із загального фонду державного бюджету Міністерства освіти і науки України.

Мета і задачі дослідження: зниження енерговитрат і часу виплавки сталі у дуговій електросталеплавильної печі змінного струму за рахунок мінімізації теплових витрат при збереженні якості продукції, що виробляється.

Для досягнення цієї мети в дисертації вирішені наступні задачі:

1. Розроблено комплексну модель електричних, теплових і хімічних процесів, що відбуваються у дугових електросталеплавильних печах змінного струму, виявлено їх взаємозв'язок з метою створення алгоритму керування роботою ДСП.

2. На основі теоретичного дослідження одержана залежність активної потужності, що подається в піч кожною фазою, від довжини дуги цієї фази та використано цю залежність при синтезі системи керування рухом електродів

ДСП.

3. Здійснена розробка алгоритму керування процесом виплавки сталі в ДСП, який дозволяє в кожний момент плавки визначити значення активної потужності, що забезпечує максимальну енергетичну ефективність агрегату.

4. Визначена траєкторія зміни активної потужності, що подається в ДСП, яка забезпечує зниження питомих енергетичних витрат агрегату при незмінній якості продукції, що виплавляється.

5. Синтезована структура системи керування рухом електродів ДСП, що забезпечує досягнення необхідного значення активної потужності, яка подається в піч кожною фазою.

6. Виконана перевірка адекватності розробленої моделі та доцільності застосування створеного алгоритму керування.

Об'єкт дослідження - процес виплавки сталі у дуговій електросталеплавильній печі змінного струму.

Предмет дослідження - алгоритми керування процесом виплавки сталі у дуговій електросталеплавильній печі змінного струму, що забезпечують підвищення енергетичної ефективності агрегату при незмінній якості продукції, що виплавляється.

Методи досліджень. У роботі використані: методи математичного моделювання та чисельні методи при побудові комплексної моделі електричних, теплових, та хімічних процесів, які відбуваються в ДСП; метод динамічного програмування при розробці алгоритму керування активною потужністю; методи теорії оптимального керування та варіаційне числення при синтезі системи керування рухом електродів.

Наукові положення, новизна одержаних результатів Наукові положення:

1. Подача активної потужності до дугової сталеплавильної печі за траєкторією, що аппроксимується поліноміальною функцією, складові якої визначаються на основі матеріального і енергетичного балансів печі, навідміну від підтримування системою автоматизованого керування фіксованих значень потужності на кожній стадії плавки, забезпечує зниження питомих енергетичних витрат агрегату при збереженні якості продукції, яка виробляється.

2. Миттєва активна потужність кожної фази дугової сталеплавильної печі змінного струму прямо пропорційна квадратному кореню довжини дуги цієї фази, що покладено в основу побудови системи автоматичного керування потужністю печі за траєкторією, яка визначається комплексною моделлю і забезпечує зниження питомих енергетичних витрат агрегату.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Виконане тривимірне дослідження теплових процесів, що відбуваються у дугових сталеплавильних печах, при якому вперше враховувались форма печі, кількість тепла хімічних реакцій, склад шихти, розплаву, шлаку, пічного газу, значення потужності, яка подається в піч кожним електродом, дозволило до 12% підвищити точність розрахунку основних теплових характеристик процесу виплавки сталі в ДСП, отримати достовірну інформацію про температуру шихти, розплаву, шлаку в різних місцях робочого простору печі у будь-який момент плавки.

2. Взаємозв'язок електричних, теплових і хімічних процесів, що відбуваються в дугових електросталеплавильних печах змінного струму, дозволив вперше створити комплексну модель, яка описує виплавку сталі в ДСП. Використання цієї моделі забезпечує отримання достовірної інформації про характеристики плавки (електричні, теплові, хімічні), її стадію і стан.

3. Визначена траєкторія зміни активної потужності, що подається в піч, забезпечує скорочення часу плавки та підвищення енергетичної ефективності агрегату при збереженні якості продукції, що виробляється.

4. Синтезована система керування рухом електродів дугових електросталеплавильних печей, яка заснована на отриманій вперше залежності активної потужності, що подається в піч кожною фазою, від довжини дуги цієї фази забезпечує досягнення заданого значення активної потужності, яка надходить у робочий простір ДСП.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і результатів підтверджуються коректністю прийнятих в математичних моделях припущень, збігом результатів математичного моделювання і експериментальних досліджень з точністю до 94%.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Розроблена методика, яка забезпечує в кожен момент процесу плавки отримання інформації про склад розплаву, шлаку, пічного газу і кількість тепла хімічних реакцій, дозволила здійснити контроль якості продукції, що виробляється, й скласти точний енергетичний баланс печі на різних стадіях виплавки сталі.

2. Запропонований алгоритм, заснований на комплексній моделі процесу виплавки сталі в ДСП, дозволяє визначити сукупність матеріального іенергетичного балансів печі, що забезпечують максимальну енергетичну ефективність агрегату.

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети й постановці задач досліджень, розробці комплексної моделі процесів, що відбуваються у дугових сталеплавильних печах, обґрунтуванні запропонованого алгоритму керування, встановленні залежності миттєвої активної потужності кожної фази від довжини дуги цієї фази, синтезі системи керування рухом електродів, аналізі отриманих результатів і формулюванні висновків. Автор не використовував у роботі ідей і розробок, що належать співавторам опублікованих робіт.

Реалізація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи впроваджені в проектну практику ТОВ НІП «ДІЯ» при розробці систем автоматизованого керування роботою дугових сталеплавильних печей змінного та постійного струму, а також у навчальний процес Дніпродзержинського державного технічного університету при вивченні дисциплін «Теоретичні основи сталеплавильних процесів», «Технологія виплавки сталі», «Комп'ютерне забезпечення металургійних процесів».

Апробація роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародній конференції «Контроль і управління в складних системах» (м. Вінниця 2008р.), міжнародній науково-технічній конференції «Математичне моделювання в електротехніці й електроенергетіці» (м. Львів 2009р.), міждержавній науково-методичній конференції «Проблеми математичного моделювання» (м. Дніпродзержинськ, 2008-2009р.), международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (м. Санкт-Петербург, 2009р.), регіональному науковому семінарі Придніпровського наукового центру НАН України «Сучасні проблеми управління і моделювання складних систем» (м. Дніпропетровськ, 2010р.).

Публікації. Основні результати дисертації викладені в 12 друкованих працях, з них 8 - у виданнях, затверджених ВАК України, 3 - матеріали конференції, 1 стаття в інших виданнях. Три наукові праці написані без співавторів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку літературних джерел зі 147 найменувань на 11 сторінках і 3 додатків на 15 сторінках. Загальний обсяг дисертації - 179 сторінок, що включають основний текст - 125 сторінок, рисунків - 62, таблиць

- 16.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ У вступі освітлені питання розробки сучасних систем автоматизованого керування виплавкою сталі у дугових печах. Обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета та задачі досліджень, наведений зв'язок роботи з державними програмами, викладені наукова новизна, практична цінність і реалізація одержаних результатів, зазначений особистий внесок здобувача, наведені отримані результати.У першому розділі дисертації здійснений аналіз стану сучасного електросталеплавильного виробництва, розглянуто шляхи зменшення його енергоспоживання, існуючі алгоритми керування процесом виплавки сталі в ДСП, моделі процесів, що відбуваються в печі, системи керування рухом електродів агрегату, зроблений висновок про доцільність розробки та дослідження системи автоматизованого керування ДСП на основі комплексної моделі, сформульовані наукові задачі та шляхи їх розв'язання.

У другому розділі проведений аналіз технічних та технологічних особливостей роботи дугових печей. Розроблена комплексна модель електричних, теплових і хімічних процесів, що відбуваються у робочому просторі ДСП під час плавки за сучасною технологією, особливостями якої є використання «болота» та металізованих матеріалів.

Створена модель отримує зовнішню інформацію про початкову температуру й склад шихтових матеріалів і «болота» та дозволяє у будь-який момент плавки обчислити основні електричні, теплові та хімічні характеристики процесів, що відбуваються в ДСП, з урахуванням їх взаємного впливу та взаємозв'язку (рис. 1).

Початкова маса шихти і «болота» Початкова температура шихти і «болота»

Початковий склад шихти і «болота»

Електричні ipJ процеси

Активна потужність, що подається у піч

Теплові процеси

Температура шихти, розплаву, шлаку

ХІМІЧНІ процеси

Склад шихти, розплаву шлаку

Кількість

ітеппа

хімічних

реакцій

Рис. 1. Взаємозв'язок процесів, які відбуваються в ДСП Моделювання електричних процесів здійснено на основі схеми заміщення трьохфазного  ланцюга  ДСП  з  урахуванням  нелінійності  та динамічних властивостей дуги. При цьому розглянуті два випадки:

1. Опір шихти введено у ланцюг послідовно опору «болота» (рис. 2).

2. Опір шихти введено у ланцюг паралельно опорам дуги (рис. 3). Активна потужність, що подається у піч i електродом у момент часу t

дорівнює:

Pi (t) = in 2(t )Rn (t) + i0i 2(t )R0i (t) + iAi 2(t )RAi (t), i = 1-3

(1)де iAi - струм дуги; ів і - струм шихти; іАі - струм «болота»; RAi - активний опір дуги; Re і - активний опір шихти; Яіі - активний опір «болота».

Рис. 2. Електрична схема дугової Рис. 3. Електрична схема дугової

сталеплавильної печі (опір шихти сталеплавильної печі (опір шихти

введено послідовно опору «болота»)       введено паралельно опорам дуги)

При моделюванні теплових процесів розглянутий складний теплообмін у робочому просторі ДСП на кожній стадії плавки. Розподіл температур в об'ємах шихти та «болота» описується тривимірними рівняннями теплопровідності у циліндричних координатах з урахування кількості тепла хімічних реакцій. На межах дотику шихти та «болота» зі стінами або дном печі задані граничні умови третього роду. Замкнену систему тіл, що беруть участь у теплообміні випромінюванням, на кожній стадії плавки складають поверхні зведення, стін, шихти, електродів. Для розрахунку результуючого випромінювання на кожну з цих поверхонь використаний зональний метод. При обчисленні значень густини, питомої теплоємкості та теплопровідності шихти, «болота», розплаву й шлаку врахований їх склад. Крім того, при розрахунках температури дуг враховано значення активних потужностей, що подаються в піч кожною фазою.

Моделювання хімічних процесів здійснене за допомогою розгляду основних

хімічних реакцій, що відбуваються в ДСП. Теплові коефіцієнти цих реакцій при температурі 298 K знайдені за законом Гессе.

Принцип моделювання розглянемо на прикладі реакції

3Fe2O3 + C ® 2Fe3O4 + CO - 121,8- (2)

lieu''

Швидкість реакції знайдена за формулою:nFe203 nCs 122[8^ kT(

1

1

w =

1

+ -)]2 Є RT

m Fe203     m C

N

A

де nFe2o3 - кількість молекул Fe203 в 1 і 2 поверхні взаємодії; nc - кількість молекул Fe203 в 1 і3 об'єму взаємодії;s 12 - середній ефективний діаметр при зіткненні молекул; k - стала Стефана-Больцмана, T - температура реагентів, m Fe2o3- маса молекул Fe203, m c - маса молекул C; Ea - анергія активації реагентів; R - універсальна газова стала; na - число Авагадро.

Кількість речовини та масу Fe203, що бере участь у реакції (2) за деякий час 7, знайдені за допомогою виразів:

Fe203

MFe203

= n

Fe203MFe203

де S - площина поверхні зіткнення Fe203 та C .

Масу C, Fe304, C0, що бере участь у реакції (2), та кількість теплоти, що поглинається під час її протікання, знайдені за допомогою рівняння реакції:

n Fe203 і Uu

mFe203ёй     mCCa     mFe304ёй тшеа 3Fe203   +     C    ® 2Fe304 +    C0   + H 3 Цёи       Hieti      2 lieu Uieu 0,48ea     0,012ea    Q,464ea 0,028ea,

QAcb Аог l ieti

де H - тепловий коефіцієнт реакції при заданій температурі, знайдений за законом Кірхгофа.

mFe203 х0,028

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

К Яшина - Автоматизація процесу керування дуговою сталеплавильною піччю на основі комплексної моделі