CC BY
77
УДК 669.295.681.5
Кирин Юрий Петрович
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Березниковский филиал
Краев Сергей Львович
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Березниковский филиал
Яковлев Владимир Викторович
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Березниковский филиал
ПОДДЕРЖКА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В УПРАВЛЕНИИ ПРОЦЕССОМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИТАНА
В статье предложен способ снижения энергозатрат процесса восстановления титана, основанный на передаче тепла из зоны экзотермической реакции в зоны подогрева аппарата восстановления. Сформулирован критерий энергозатрат зон подогрева. Рассмотрен алгоритм поддержки принятия решений, обеспечивающий энергосберегающее управление зонами подогрева аппарата восстановления.
Ключевые слова: процесс восстановления титана, экзотермическая реакция, энергозатраты, зоны подогрева, энергосберегающее управление.
Восстановление тетрахлорида титана магнием - высокотемпературный экзотермический процесс, основанный на реакции химического превращения:
Т1С14 + 2Mg = Т + 2MgCl2 + 519 кДж.
Процесс проводят в герметичном реакторе в атмосфере инертного газа. Выделяемое тепло отводят направленным потоком воздуха, подаваемым в зону экзотермической реакции вентилятором. Соседние с зоной экзотермической реакции нижняя и верхняя части реактора подогреваются для поддержания в жидком (расплавленном) состоянии магния и хлорида магния. Подогрев осуществляется нихромовыми нагревателями [1].
Анализ теплового баланса процесса восстановления показывает, что при воздушном охлаждении теряется значительная часть тепла экзотермической реакции (26,1%). Много энергии расходуется на подогрев нижней и верхней зон реактора (22,8%). Поэтому для снижения энергозатрат процесса восстановления целесообразно подогревать нижнюю и верхнюю зоны, используя теплоту экзотермической реакции.
Известен способ снижения энергозатрат, основанный на передаче тепла из зоны экзотермической реакции в зоны аппарата восстановления, требующие подогрева, с помощью теплообменника с межканальной транспирацией воздуха [2]. Применение теплообменника с межканальной транспирацией воздуха существенно усложняет конструкцию аппарата восстановления. Это обстоятельство ограничивает возможность использования данного способа в промышленном производстве губчатого титана.
Решение проблемы снижения энергозатрат значительно упрощается, если информацию о количестве передаваемого в зоны подогрева тепла экзотермической реакции извлекать из динамики позиционного регулирования температуры зон подо-
грева. В данном случае задача энергосберегающего управления состоит в поддержании такого температурного режима зоны экзотермической реакции и зон подогрева, при котором из зоны экзотермической реакции в зоны подогрева передаётся наибольшее количество тепла. Для этого в зонах подогрева измеряют параметры автоколебаний тем-
Рис. 1. Алгоритм энергосберегающего управления процессом восстановления
14
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 4, 2012
© Кирин Ю.П., Краев С.Л., Яковлев В.В., 2012
Твклп (Др) ^выклп (Д^р)
зоны подогрева хтп, то есть изменяется в диапазоне 0 < Дхр (/)< хтп. Установлено, что наиболее информативными параметрами автоколебаний температуры, характеризующими Дхр (t), являются
время включения Гвклп (Др ) и время выключения
^ынт (Д^р) нагревателя зоны подогрева. При этом
в процессе поступления Дхр (t) в зону подогрева
первый параметр уменьшается, второй возрастает. В данном случае в качестве критерия энергозатрат зоны подогрева целесообразно использовать величину отношения Г (Дх ) /Г (Дх ) [4].
^ вклп \ р / выклп у р / 1 J
Рис. 2. Изменение отношения Гвклп (Дгр) / Твыклп (Дхр) в процессе поступления в зону подогрева тепла экзотермической реакции
пературы (амплитуды отклонений температуры от заданных значений, время включения и выключения нагревателей) и по их изменению идентифицируют количество передаваемого в зоны подогрева тепла. Результаты идентификации используют для корректировки в позиционных регуляторах заданных значений температуры зоны экзотермической реакции и зон подогрева [3].
В общем случае алгоритм энергосберегающего управления температурой зоны экзотермической реакции и одной из зон подогрева может быть представлен в виде, изображенном на рисунке 1.
Рассмотрим процесс передачи тепла из зоны экзотермической реакции в зону подогрева промышленного аппарата восстановления, анализируя характер изменения параметров автоколебаний температуры зоны подогрева. Очевидно, что энергозатраты зоны подогрева снижаются в том случае, если передаваемое из зоны экзотермической реакции тепло Д.гр ^) компенсирует тепловые потери
Рис. 3. Алгоритм поддержки принятия решений в управлении процессом восстановления
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 4, 2012
15
PDIN 02
T askPeriod
>
21
OUTD
I '.Г^- -Є --------------------------------С
1
PDS Ш
In Period
ІгіТ ashCycle □ utO n P Є1 ce nt
CuiOff Percent
DIV 02
3C0CS
]
15
SS
2 DIV ...
SourceA Dest
Source^
0.18
а)
In
1
CutCffPercent (%) CutCnPercent (%)
Feriod t
0
б)
Рис. 4 Схема измерения критерия энергозатрат зоны подогрева а - программная реализация схемы; б - диаграмма состояний инструкции «PDS».
OUT.O - входное состояние; TaskPeriod - время цикла программы; PDS «Period Discret State» - инструкция, определяющая период (мс) «Period» и проценты «OutOnPercent, OutOffPercent» нахождения бита «In» в состоянии «1» и «0»; DIV «Divide» -инструкция делит «SourceA» на источник «SourceB» и помещает результат в «Dest»; вспомогательный тег «InTaskCycle» необходим для корректного определения периода переключения бита «In».
В работе [3] получена зависимость, связывающая это отношение и Дгр (^) (рис. 2).
Как видно из рисунка, величина отношения и, следовательно, энергозатраты зоны подогрева
снижаются с увеличением Дгр (^). Так, например, она составляет 0,18 при Дгр^) =0; 0,04 при Дгр ^) = 15 кВт; 0 при Дхр () = хтп = 21 кВт. В последнем случае Дхр ^) компенсирует хтп. Данная
зависимость дает возможность технологу - лицу, принимающему решение (ЛИР), - контролировать и при необходимости корректировать по величине
отношения Г (Д. )/Г (Дх ) количество по-
вклп р выклп р
ступающего в зону подогрева тепла экзотермической реакции, то есть корректировать энергозатраты зоны подогрева в системах ситуационного управления [5].
Определение в реальном времени значения критерия энергозатрат зон подогрева обеспечивает информационную поддержку решений ЛПР в управлении процессом восстановления (рис. 3). Принимаемые в данном случае решения о корректировке заданных значений температуры зоны экзотермической реакции и зоны подогрева основываются на собственном понимании ЛПР технологического процесса и опыта управления им.
Текущее значение критерия энергозатрат измеряют в ходе процесса восстановления с помощью программируемого логического контроллера ControlLogix в среде разработки RSLogix 5000 на языке FBD (рис. 4).
На практике заданные значения позиционных регуляторов температуры зоны экзотермической реакции, нижней и верхней зон подогрева назначаются ЛПР из условия минимума энергозатрат [3],
при котором AZp () компенсирует хтп, то есть
д!™ [Твклп (Ар) / Твыклп (Ар)] = 0 .
Выполнение этого условия обеспечивает энергосберегающее управление температурой зон подогрева аппарата восстановления и снижение энергозатрат процесса восстановления на 120-150 кВт/ч на тонну получаемого губчатого титана.
Библиографический список
1. ТарасовА.В. Металлургия титана. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. - 328 с.
2. Затонский А.В. Передача тепла из зоны реакции в зону подогрева аппарата восстановления титана // Наука в решении проблем Верхнекамского промышленного региона: сб. науч. трудов. - Березники: БФ ПГТУ, 1998. - Вып. 1. - С. 41-46.
3. Кирин Ю.П., Затонский А.В., Беккер В.Ф., Бильфельд Н.В. Энергосберегающее управление температурой процесса восстановления титана // Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-20: сб. трудов 20-й Международной научн. конф. - Ярославль: ЯГТУ, 2007. - Т. 7. - С. 260262.
4. Патент 2179597 РФ. Способ регулирования температурного режима процесса получения губчатого титана / Ю.П. Кирин, Н.А. Носков, Д.А. Рымкевич и др. // БИ. - 2002. - №5.
16
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 4, 20і2
5. Кирин Ю.П., Краев С.Л. Ситуационное уп- тана // Промышленные АСУ и контроллеры. -
равление процессами производства губчатого ти- 2011. - № 11 - С. 6-11.
УДК 581.55 03.02.08
Немчинова Анна Викторовна
Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова
neman vic@rambler. ru
Петухов Илья Николаевич
Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова
Кощеева Анна Сергеевна
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Хорошев Александр Владимирович
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Иванова Наталья Владимировна
Пущинский государственный естественнонаучный институт
natalya. dryomys@gmail. com
ЭКОЛОГО-ЦЕНОТИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ СВОЙСТВ ЮЖНОТАЕЖНЫХ ЛАНДШАФТОВ НА ПРИМЕРЕ ЛЕСОВ ЗАПОВЕДНИКА «КОЛОГРИВСКИЙ ЛЕС»*
На примере ландшафтов заповедника «Кологривский лес» проверяется значимость факторов среды для формирования растительности с участием широколиственных пород деревьев и неморальных видов травянистых растений в лесных сообществах.
Ключевые слова: эколого-ценотическая структура, фитохоры, почвенный анализ, ландшафты Костромской области, заповедник «Кологривский лес».
Согласно современной системе классификации и картирования растительности, территория Костромской области относится к бореально-неморальной лесорастительной полосе [1]. Леса ядра заповедника «Кологривский лес», принятые за эталон коренных южнотаежных плакорных ельников, характеризуются многими признаками (субклимаксовых) лесов бореально-не-моральной зоны [1], приурочены к ландшафту с чехлом покровных пылеватых суглинков [4]. Наличие чехла лессовидных отложений моренных ландшафтов со средними или тяжелыми суглинками на поверхности обеспечивает формирование ареалов пихтово-еловых лесов с участием широколиственных пород и видов неморальной эколо-го-ценотической группы (ЭЦГ) травяного яруса [4]. Кроме влияния эдафических факторов высока роль антропогенного фактора [5]. В результате смены эдификаторов после сплошной вырубки или пожара возрастает доля растительных сообществ с преобладанием бореальных видов [2]. Остается пока невыясненным, является ли Кологривский лес своеобразным экстразональным ландшафтом, в котором высокий процент неморальных видов - результат восстановительной сукцессии, связанной со спецификой относительно богатых почвообразующих отложений, либо он представляет собой при-
родный действительно малонарушенный южнотаежный ландшафт.
Цель исследования - на примере лесов заповедника «Кологривский лес» выяснить, может ли неморальный характер эколого-ценотической структуры (ЭЦС) растительных сообществ южной тайги достоверно выступать индикатором определенных свойств ландшафта. В 2011 г. на территории заповедника «Кологривский лес» в Костромской области в бассейне реки Вонюх выполнены геобо-танические и ландшафтные описания (75) на двух отличных по характеру и степени антропогенной нарушенности участках - в коренных лесах ядра заповедника «Кологривский лес» (естественные урочища) и на участке лесов, пройденных рубками 30-85-летней давности на разных стадиях восстановительной сукцессии (вырубленные урочища). Урочища обоих участков отнесены к ландшафту моренной холмистой лессово-суглинистой равнины, границы которой установлены по классификации космического снимка Ландсат-7. Для сравнительного анализа привлечено 103 геоботанических описания 2001 г. во вторичных лесах соседнего ландшафта водноледниковой пологохолмистой песчано-суглинистой равнины, в бассейне реки Пон-га. Наличие и теснота связей измеренных свойств ландшафтов оценивались расчетами коэффициен-
* Исследования поддержаны грантом РФФИ 11-05-00954-а.
Экспедиция организована Государственным природным заповедником «Кологривский лес».
© Немчинова А.В., Петухов И.Н., Кощеева А.С., Хорошев А.В., Иванова Н.В., 2012
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 4, 2012
17
