CC BY
130
УДК 62-51
ПРОЦЕДУРА ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ ВЕЛЬЦ-ПРОЦЕССОВ
Л.С. Казаринов, А.Р. Вернергольд, О.В. Колесникова
Рассмотрен общий вид экстремальных характеристик режимов вельц-печи. Дан метод идентификации указанных характеристик по статистическим данным эксплуатации. На основе построенных характеристик предложена процедура оптимизации режима вельц-процесса, состоящая в удержании дутья на траектории крутого восхождения, движении по траектории крутого восхождения и реверсе движения в случае снижения эффективности вельц-процесса. Предложенная процедура позволит достичь максимальной производительности вельц-печи при минимизации затрат.
Ключевые слова: вельц-процесс, вельц-печь, оптимизация.
Введение
Крупнейшим производителем цинка в Российской Федерации является ОАО «Челябинский цинковый завод» (ОАО «ЧЦЗ»). ОАО «ЧЦЗ» работает по классической гидрометаллургической схеме: обжиг цинковых концентратов, выщелачивание огарка с очисткой растворов и электролитическое осаждение цинка с последующим переплавом катодов. Первой стадией указанной схемы производства цинка является обжиг цинковых концентратов и некондиционных вторичных видов сырья (коллективные концентраты, окисленная руда, кеки, шламы и др.). Самой эффективной технологией утилизации цинкосодержащего вторичного сырья является вельц-процесс.
Вельц-процесс применяется для переработки материалов с низким содержанием летучих металлов путем нагревания их во вращающейся трубчатой печи до температуры, при которой извлекаемый металл возгоняется. Возогнанный металл увлекается газами, образующимися в печи, и улавливается в виде пыли.
Ведущей научной организацией в РФ по исследованию и практическому внедрению технологии вельц-процессов в цинковом производстве является инженерный центр ОАО «ЧЦЗ». Процесс вельцевания цинковых кеков рассмотрен в работах [1-14].
В настоящей работе рассматривается решение оперативной задачи оптимизации режимов вельц-печи на основе построения экстремальных характеристик.
1. Автоматизация режимовми вельц-печи
В настоящее время, как правило, вельц-процесс является автоматизированным. На рис. 1 в качестве примера приведена экранная форма диспетчера АСУ ТП вельц-печи № 5 ОАО «ЧЦЗ».
Автоматизация позволяет осуществлять контроль и управление параметрами технологического процесса, а также сбор и хранение значений параметров. Данные эксплуатации можно обрабатывать статистическими методами с целью выявления зависимостей технологических параметров, позволяющих улучшить качество режимов вельц-процесса.
2. Общий вид экстремальных характеристик вельц-печи
На рис. 2 приведен общий вид экстремальных характеристик вельц-печи. Характеристики представляют собой зависимости выработки вельц-окиси от объема дутья и расхода коксовой мелочи. Дутье используется для интенсификации процессов горения углерода (коксовой мелочи) и окисления паров цинка, а также поддержания необходимой температуры в реакционной зоне печи.
На рис. 2 приняты следующие обозначения: Wо - выработка вельц-окиси; Wоmax - максимально возможная выработка вельц-окиси; Ук - расход коксовой мелочи; О2 - объем дутья; £кр - траектория крутого восхождения.
Рис. 1. Экранная форма диспетчера АСУ ТП вельц-печи № 5 ОАО «ЧЦЗ»
Я ^к
Рис. 2. Общий вид экстремальных характеристик вельц-печи
Экстремум указанной зависимости достигается при оптимальном соотношении дутья и коксовой мелочи. Так, при недостатке дутья наблюдается неполное выгорание кокосовой мелочи и уменьшение выработки тепловой энергии, что снижает энергетическую эффективность печи. При избыточной подаче дутья тепло выдувается из печи, что также снижает ее эффективность.
Пропорциональное увеличение подачи дутья и коксовой мелочи в соответствии с линией крутого восхождения (Хкр) приводит к росту выработки вельц-окиси. Однако рост возможен до определенного уровня (Жотах), определяемого составом загружаемой шихты и производительностью печи. Дальнейшее увеличение подачи дутья и коксовой мелочи является нецелесообразным, так как приводит к нерациональному использованию ресурсов.
3. Идентификация экстремальных характеристик
Аналитическая форма записи зависимости объема производимой вельц-окиси от объема подаваемого дутья и расхода коксовой мелочи, представленной на рис. 2, имеет вид:
Ко = °0 + а\К - а2 (02 - (°3 + а4^ ))2 , (1)
где аI (1 е [0, 4]) - искомые структурные параметры зависимости.
Для нахождения параметров а, можно применить метод Ньютона решения нелинейных уравнений, который заключается в следующем. Предположим, что известно начальное приближение вектора параметров а = а0. Тогда в окрестности точки а0 соотношение (1) можно разложить в линейный ряд [7]:
>> = W0 [я](ж) « W0 [яо ](ж) + ]Г Да^ (ж), (2)
1=о
где х = (02, Vк) - вектор переменных; а - вектор структурных параметров нелинейного уравнения (1); Да, = а, - а0 - искомые коэффициенты зависимости (2); gi - частные производные по параметрам а,.
Частные производные определяются по формулам:
дК
gо =1; (3)
дао
дК
gl = Vк; (4)
да1
дК ч2
g2= "(О2 -(а + )) ; (5)
дК
gз = 2а2 (О2 -(а + а4^)); (6)
дК
g4 = = 2а2 Vк (О2 - (аз + а4^ )) . (7)
Значения коэффициентов Да, линейной зависимости (2) на совокупности статистических данных эксплуатации можно определить, например, методом наименьших квадратов. Зная значения Да, можно уточнить искомые значения структурных параметров зависимости (1)
а1Л = а, о +Даг, 1е[0,4]. (8)
Далее, рассматривая вектор параметров а! как начальное приближение для следующего шага решения, повторим процедуру решения задачи. В результате будет получено следующее приближение решения а2. Рекуррентно повторяя указанную процедуру решения, получим последовательность решений
а0, аь а2, ... (9)
Если последовательность (9) сходится:
11Ш ||а* - а,= 0, (10)
к
то она сходится к искомому решению.
Таким образом, можно построить экстремальные характеристики вельц-процесса на множестве экспериментальных данных по выработке вельц-окиси, объему дутья и расходу коксовой мелочи.
4. Процедура оптимизации режима вельц-процесса
На основе построенных экстремальных характеристиках оператору вельц-печи ставится задача оптимизации режима вельц-процесса. Процедура оптимизации режима вельц-процесса заключается в следующем.
1. Удержание дутья на траектории крутого восхождения:
- увеличить подачу дутья в случае, если
дК
> 0; (11)
д02 ' ' '
- уменьшить подачу дутья в случае, если
ÖW
< 0. (12)
2. Движение по траектории крутого восхождения: увеличить подачу дутья и расход коксовой мелочи, если
dW dW
-0 = 0; -0 > 0. (13)
ÖO2 ÖZ^ V 7
3. Реверс движения по траектории крутого восхождения: уменьшить подачу дутья и расход коксовой мелочи, если
ÖW ÖW ÖE
= 0; = 0; —^ < 0, (14)
ÖO2 Z Z
где Екр - эффективность вельц-процесса, определяемая по соотношению W
Ер = / • (15)
к
Заключение
При автоматизации управления вельц-процессом наряду с задачами контроля и стабилизации режимных параметров целесообразно решать оперативную задачу оптимизации режимов. В работе предлагается процедура оптимизации с использованием экстремальных характеристик, представляющих собой зависимость выработки вельц-окиси от объема дутья и расхода коксовой мелочи. Рассмотрен алгоритм идентификации указанных характеристик по статистическим данным эксплуатации. Предложенная процедура оптимизации позволит достичь максимальной производительности вельц-печи при минимизации затрат.
Литература
1. Абдеев, М.А. Вельцевание цинк-свинецсодержащих материалов /М.А. Абдеев, А.В. Колесников, Н.Н. Ушаков. - М.: Металлургия, 1985. - 120 с.
2. Об оптимальном управлении процессом вельцевания цинковых кеков / А.Р. Вернергольд, Л.С. Казаринов, О.В. Колесникова, Д.А. Шнайдер // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2008. - Вып. 7, № 3 (103). - С. 54-56.
3. Вернергольд, А.Р. Лингвистический подход к оптимизации управления вельц-процессом / А.Р. Вернергольд, Л.С. Казаринов, О.В. Колесникова //Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2008. - Вып. 8, № 17 (117). - С. 61-65.
4. Вернергольд, А.Р. Энергоэффективное управление вельц-процессом / А.Р. Вернергольд, Л.С. Казаринов, О.В. Колесникова // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2010. -№ 22 (198). - С. 75-78.
5. Давидсон, А.М. К вопросу расчета теплообмена в трубчатых вращающихся печах / А.М. Давидсон, А.Л. Рутковский //Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. -1999. - № 3. - С. 65-67.
6. Исследование тепломассопереноса по основным зонам вельц-печи / Н.П. Динцис, А.М. Давидсон, Г.А. Епутаев, Н.В. Ходов //Цветная металлургия. - 1977. - № 2. - С. 98-101.
7. Казаринов, Л.С. Системные исследования и управление (когнитивный подход): науч.-метод. пособие /Л.С. Казаринов. - Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ: Издатель Т. Лурье, 2011. - 524 с.
8. Казаринов, Л.С. Автоматизированное управление эффективностью вельц-процессов на основе оптимальной коррекции параметров технологических режимов / Л.С. Казаринов, А.Р. Вернергольд, О.В. Колесникова // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2010. - Вып. 11, № 2 (178). - С. 73-78.
9. Казаринов, Л.С. Система автоматизированного управления эффективностью вельц-процессов /Л.С. Казаринов, А.Р. Вернергольд, О.В. Колесникова //Интеграция науки и производства. - 2010. - № 5. - С. 60-61.
10. Козлов, П.А. Вельц-процесс / П.А. Козлов. - М. : Издат. дом «Руда и металлы», 2002. -176 с.
11. Лисиенко, В.Г. Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология: справ. издание: в 2 кн. / В.Г. Лисиенко, Я.М. Щелоков, М.Г. Ладыгичев; под ред. В.Г. Лисенко. - М.: Теплотехник, 2004. - 588 с.
12. Рутковский, А.Л. Моделирование процесса плавления шихты в вельц-печи / А.Л. Рутков-ский, А.А. Саакянц, Т.В. Старикова // Известия вузов. Цветная металлургия. - 2005. - №1. -С. 66-68.
13. Ходов, Н.В. Разработка и исследование способа вельцевания с циркуляцией коксика клинкера в системе «газовый поток - шихта»: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Н.В. Ходов. -Орджоникидзе, Сев.-Кавказ. горно-металлург. ин-т., 1974. - 30 с.
14. Ходов, Н.В. Математическое описание работы вельц-печи, как объекта с распределенными параметрами /Н.В. Ходов, Г.А. Епутаев, А.М. Давидсон // Труды Северо-Кавказского горнометаллургического института. - 1973. - Вып. XXXIII. - С. 17-19.
Казаринов Лев Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой автоматики и управления, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск); [email protected].
Вернергольд Александр Рудольфович, главный энергетик, ОАО «Челябинский цинковый завод» (г. Челябинск); [email protected].
Колесникова Ольга Валерьевна, канд. техн. наук, доцент кафедры автоматики и управления, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск); [email protected].
Поступила в редакцию 12 сентября 2014 г.
Bulletin of the South Ural State University Series "Computer Technologies, Automatic Control, Radio Electronics"
2014, vol. 14, no. 4, pp. 143-148
THE OPTIMIZATION PROCEDURE OF ROTARY-KILN OPERATIONS
L.S. Kazarinov, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, kazarinov@ait. susu. ac. ru,
A.R. Vernergold, JSC "Chelyabinsk Zinc Plant", Chelyabinsk, Russian Federation, [email protected],
O. V. Kolesnikova, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, [email protected]
Rotary-kiln externum characteristics are considered. Identification method of rotary-kiln externum characteristics by using statistical data is proposed. Optimization procedure of rotary-kiln operations is proposed. The optimization procedure includes: retention of blowing on the trajectory of high-production gradient, motion along the trajectory and reverse motion in case of rotary-kiln efficiency decrease. The procedure contributes to high rotary-kiln productivity and cost minimization.
Keywords: rotary-kiln operations, optimization
References
1. M.A. Abdeev, A.V. Kolesnikov, N.N. Ushakov. Vel'tsevanie tsink-svinetssoderzhaschikh mate-rialov [Processing of Zinc and Lead-Bearing Materials]. Moscow, Metallurgy Publ., 1985. 120 p.
2. Vernergold A.R., Kazarinov L.S., Kolesnikova O.V., Shnayder D.A. [The Optimal Control of Rotary-Kiln Process]. The Bulletin of South Ural State University. Ser. Computer Technology, Control, Electronics, 2008, vol. 7, no. 3 (103), pp. 54-56. (in Russ.)
3. Vernergold A.R., Kazarinov L.S., Kolesnikova O.V. [Linguistic Approach to Optimization of
Rotary-Kiln Process Control]. The Bulletin of South Ural State University. Ser. Computer Technology, Control, Electronics, 2008, vol. 8, no. 17 (117), pp. 61-65. (in Russ.)
4. Vernergold A.R., Kazarinov L.S., Kolesnikova O.V. [Energy Efficient Control of Rotary-Kiln Process]. The Bulletin of South Ural State University. Ser. Computer Technology, Control, Electronics, 2010, no. 22 (198), pp. 75-78. (in Russ.)
5. Davidson A.M., Rutkovskiy A.L. [On the Question of Calculating Heat Transfer in Tube Rotary-Kilns]. The Bulletin of Universities: Non-Ferrous Metallurgy, 1999, no. 3, pp. 65-67. (in Russ.)
6. Dintsis N.P., Davidson A.M., Eputaev G.A., Hodov N.V. [Research of Heat-and-Mass Transfer in the Main Zones of Rotary-Kiln]. Nonferrous Metallurgy, 1977, no. 2, pp. 98-101. (in Russ.)
7. Kazarinov L.S. Sistemnye issledovaniya i upravlenie (kognitivnyy podhod): nauchno-metodicheskoe posobie [System Studies and Management (Cognitive Approach): Research Tools]. Che-ljabinsk, South Ural St. Univ. Publ., 2011. 524 p.
8. Kazarinov L.S., Vernergold A.R., Kolesnikova O.V. [Automated Control of Rotary-Kiln Process Energy Efficient on Based Optimal Correction of Technological Operation Parameters]. The Bulletin of South Ural State University. Ser. Computer Technology, Control, Electronics, 2010, no. 2 (178), pp. 73-78. (in Russ.)
9. Kazarinov L.S., Vernergold A.R., Kolesnikova O.V. [Automated Control System of Rotary-Kiln Process Energy Efficient]. Integration of science and production, 2010, no. 5, pp. 60-61. (in Russ.)
10. Kozlov P.A. Vel'ts-protsess [Rotary-Kiln Process]. Moscow, Ore and Metals Publ., 2002. 176 p.
11. V.G. Lisienko, Y.M. Schelokov, M.G. Ladygichev Vrashchayushchiesya pechi: teplotekhnika, upravlenie i ekologiya: Spravochnoe izdanie: v 2-h knigakh / [Rotary Kiln: Heating Equipment, Control and Ecology: Reference Edition: in 2 books]. Moscow, Heating Engineer Publ., 2004. 588 p.
12. Rutkovskiy A.L., Saakyants A.A., Starikova T.V. [Simulation of Furnacing Process in Rotary-Kiln]. The Bulletin of Universities: Non-Ferrous Metallurgy, 2005, no. 1, pp. 66-68. (in Russ.)
13. Hodov N.V. Razrabotka i issledovanie sposoba vel'tsevaniya s tsirkulyatsiey koksika klinkera v sisteme "gazovyj potok-shihta": avtoreferat dissertatsii [Development and Research of Rotary-Kiln Process with Coke Fines Circulation in System «Gas Flow-Furnace»: abstract of a thesis]. North Caucasian mining and metallurgical institute, Ordzhonikidze, 1974. 30 p.
14. Hodov N.V., Eputaev G.A., Davidson A.M. [Mathematical description of Rotary-Kiln Operations as an Object with Distributed Parameters]. The Bulletin of North-Caucasian Mining and Metallurgical Institute, 1973, vol. XXXIII, pp. 17-19. (in Russ.)
Received 12 September 2014
