Управление барабанными сушильными установками с расходящимися потоками теплоносителя

Актуальноеi ь i емы.

Крупнотоннажное промышленное производство технического углерода, широко используемого в шинной и резинотехнической промышленности, — современная высокоразвитая подотрасль нефтехимии.

Производство технического углерода включает процессы: получения аэрозоля технического углерода из углеводородного сырья в реакторах, выделения дисперсной углеродной фазы из аэрозоля в рукавных фильтрах, уплотнения и «мокрого» гранулирования выделенного пылевидного углерода с последующей сушкой влажных гранул.

Два последних процесса образуют относительно самостоятельную производственную подсисгему, именуемую в промышленной практике обработкой.

Сушка — наиболее сложно управляемая стадия в технологической цепочке, важнейшая с точки зрения обеспечения устойчивости динамики переходных процессов и стабильности технологического режима. Характером ее проведения в существенной мере определяются: гранулометрический состав, содержание пыли, и ряд других важных для потребителя показателей.

Процесс сушки энергоемок, энергообеспечение осуществляется за счет сжигания природного газа. Уменьшение энергозатрат, требуемых для сушки, при сохранении или повышении показателей качества продукта — одна из важных отраслевых задач.

Основные усилия по поиску путей интенсификации и стабилизации процесса, поддерживаемые государственным финансированием исследовательских работ, были предприняты в конце 1970;х — середине 1980;х гг. На основе отраслевых исследований Осипова В. М., Рябинкова И. Г., Зайдмана И. Г. были разработаны теоретические положения сушки технического углерода, опирающиеся на фундаментальные труды Лыкова A.B. Вопросы математического описания и оптимизации процесса, рассматривались в работах Волкова A.M.

Выполненные в этот период исследования нельзя считать завершенными с точки зрения их промышленного воплощения на уровне современных требований к качеству продукта и экономичности ведения процесса. В настоящее время предприятия вынуждены искать технико-экономические решения по повышению эффективности производства самостоятельно. Основной путь такого поиска — промышленный эксперимент. Наибольшие успехи в повышении эффективности производства на этом пути достигнуты Орловым В. Ю. На базе исследования влияния организации тепловых потоков теплоносителя на управление процессом Орловым В. Ю. и Комаровым A.M. решен ряд задач совершенствования систем автоматизации сушки технического углерода. Однако промышленное экспериментирование является весьма затратным и ограничивает возможности разработки систем управления перспективными технологиями сушки гранул, такими как сушка расходящимися потоками теплоносителя.

Анализ литературных данных по оптимизации и управлению сушкой сыпучих и гранулированных материалов приводит к заключению о целесообразности использования численного моделирования для решения задач, отражающих специфику взаимосвязи тепловых потоков сушки с возможностями автоматизированного управления ею. На эффективность такого подхода указывается в работах Рудобашты С. П. и Малыгина С.Н.

Поэтому решаемая в диссертации задача повышения эффективности энергообеспечения сушки для используемых и перспективных технологий на основе совершенствования системы управления тепловыми потоками с использованием средств математического моделирования актуальна. Цель работы.

Разработка математических моделей и методов управления тепловыми потоками в процессах сушки технического углерода, обеспечивающих возможность использования перспективных технологий сушки, повышение качества продукта и экономических показателей процесса.

Для ее достижения решаются задачи:

V анализа существующих схем организации и управления тепловыми потоками в процессах сушки сыпучих материалов, ^ построения упрощенных математических моделей в частных производных для оценки идеальных профилей распределенного ввода теплоносителя и анализа ограничений на его реализацию, ^ построения ячеечных математических моделей сушки для уточненного расчета динамики изменения профилей температур, влажностей и массовых расходов по длине сушильного барабана, разработки методов и схем управления расходящимися потоками теплоносителя.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, математического моделирования, теории идентификации, математического программирования, численного и аналитического решения дифференциальных уравнений.

Научная новизна.

В работе предложено разделение управления расходящимися потоками теплоносителя в зонах конвективного теплообмена постоянной и падающей скоростей сушки (зонах «высоких» и «низких» температур), решающее задачи уменьшения разрушения и уноса мелких фракций гранулированного материала и снижения энергозатрат на осуществление процесса в барабанных сушильных установках с внешним обогревом. При их решении установлено что: применяемая в отрасли схема управления статическими температурными профилями путем стабилизации соотношений расходов: топливного газа/воздуха на горение и грануляционной жидкости/топливного газа, -обеспечивает идеальность регулирования в статике только при правомерности допущения о конвективном характере сушки, не соблюдаемого в практике промышленной эксплуатациипричина значительного уноса мелких фракций высушиваемых гранул и снижения эффективности использования энергообеспечения процесса заключается в неуправляемости зависимости параметров потока теплоносителя в зоне падающей скорости сушки от параметров этого потока в зоне постоянной скорости сушки система несвязанного1 управления в комбинированной схеме газодинамики распределения потоков прямотока и противотока устойчива;

Построены упрощенные математические модели в частных производных конвективной сушки в барабанных сушилках, позволяющие получить аналитическую оценку начальных приближений температурных профилей и коэффициентов теплоотдачи от сушильного агента к высушиваемому материалу;

Построены уточненные математические модели статики сушки и предложен декомпозиционный алгоритм идентификации их параметров, базирующийся на допущении о слабом влиянии варьирования температурного профиля в барабане на температурное поле в камере его внешнего обогрева;

Разработан метод расчета управления статикой сушки по уточненной модели, заключающийся в одномерном поиске таких значений расхода газа, выводимого из барабана со стороны прямотока и вводимого в барабан в направлении противотока, которые обеспечивают выполнение заданных краевых условий (значений критической влажности в сечении ввода газа в барабан и влажности загружаемых в барабан гранул).

Предложены ячеечные математические модели для расчета динамики изменения профилей температур, влажностей и массовых расходов по длине сушильного барабана, и показано численными экспериментами, что их использование для регулирования расчетного значения температуры в контрольном сечении по длине барабана улучшает качество регулирования температурного режима сушки.

На защиту выносятся: выражения температурных профилей прямотока в условиях конвективного характера сушки гранул в барабанных сушильных установках, ^ математическая модель и метод расчета температурных профилей сушки в условиях прямоточно-противоточного движения теплоносителя, ^ ячеечная математическая модель для управления динамическими режимами сушки в условиях прямоточно-противоточного движения теплоносителя и декомпозиционный алгоритм идентификации ее коэффициентов. ^ метод раздельного управления параметрами газовых потоков в зонах постоянной и падающей скоростей сушки, фиксирующего положение точки критической влажности по длине барабана,.

Практическая значимость.

На базе разработанных методов и математических моделей созданы компьютерные информационные подсистемы для оценки не измеряемых непосредственно показателей качества сушки и переменных состояния (технологического режима) по длине сушильного барабана, предложены варианты схем и алгоритмов организации тепловых потоков, управления этими потоками, автоматической стабилизации технологических режимов и показателей качества сушки.

Разработанное программное обеспечение использовано в ОАО «Ярославский технический углерод» для принятия решений по управлению потоками теплоносителя в процессах сушки, в системах тренинга при обучения студен гов в группах целевой подготовки специалистов в Ярославском государственном техническом университете (ЯГТУ) для ОАО «Ярославский технический углерод», а также в курсовом и дипломном проектировании для специальности «Автоматизация технологических процессов и производств» в ЯГТУ. Апробация работы и публикации.

Основные результаты и научные положения диссертации обсуждались и докладывались на Международных научных конференциях:

Математические методы в технике и технологиях": ММТТ-18, Казань 2005гММТТ-20, Ярославль 2007;

Второй Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы) СЭТТ-2005», Москва 2005.

Основные положения диссертации отражены в 7 публикациях, из них одна статья в рецензируемом научном журнале, включенном в список ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, пяти глав, 84 рисунков и двух таблиц, объем работы составляет 163 страницы, в том числе 145 страниц основного текста, список использованных источников, содержащего 105 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, показаны его научная новизна и практическая значимость, дано краткое изложение работы.

В первой главе анализируются процессы и описываются задачи управления сушкой технического углерода. Исследуются тепловые потоки, возникающие в результате конвективного теплообмена или (и) контактной передачи тепла к высушиваемым материалам.

Рассматриваются существующие методы математического моделирования процесса и автоматизации управления им с точки зрения возможности и целесообразности их использования для повышения экономичности процесса и показателей качества высушиваемого материала.

Во второй главе рассматривается теория сушки гранулированных материалов, разрабатываются упрощенные математические модели теплои мас-сообмена для исследования статики и динамики изменения температурных профилей по длине сушильного барабана при варьировании состояния поступающего в него потока влажного гранулированного технического углерода и управляющих воздействий. Анализируются возможности реализации идеальных программ управления.

В третьей главе рассматривается порядок идентификации коэффициентов теплоотдачи в процессе сушки и пример расчета температурных профилей в прямоточной схеме организации движения потока теплоносителя, обосновывается целесообразность построения уточненных моделей и предлагается метод их декомпозиционной идентификации. Приводится пример идентификации и расчета температурных профилей в прямоточной схеме организации движения потока теплоносителя.

В четвертой главе анализируются переходные процессы, возникающие в промышленных системах автоматизации технологических процессов сушки технического углерода, выполняются численные эксперименты и выявляются особенности статики и динамики, важные для оптимизации управления технологическим процессом сушки. На основе моделирования выявляются недостатки организации потоков теплоносителя с точки зрения инерционности регулирования и экономичности управления.

В пятой главе обосновывается выбор прямоточно-противоточной схемы движеиия теплоносителя, исследуются средства и методы организации расходящихся потоков теплоносителя, увеличивающие ресурсные возможности управления при фиксированном энергопотреблении, выполняется анализ процессов регулирования при организации расходящихся тепловых потоков. Приводятся примеры использования предлагаемых методов для синтеза программ управления и построения систем регулирования процесса сушки в промышленности технического углерода.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В работе показано, что расходящиеся потоки теплоносителя обеспечивают большую эффективность процессов сушки в барабанных сушильных установках, чем однонаправленные и предложено разделять управление потоками теплоносителя в зонах постоянной и падающей скоростей сушки, для уменьшения разрушения и уноса мелких фракций, гранулированного материала. Построена упрощенная математическая модель конвективной сушки в барабанных сушилках, позволяющая получить аналитическую оценку начальных приближений температурных профилей и коэффициентов теплоотдачи от сушильного агента к высушиваемому материалу. Построена уточненная математическая модель статики сушки и разработан метод расчета управления по этой модели, заключающийся в решении краевой задачи вычисления температурно-влажностных профилей расходящихся потоков теплоносителяэкспериментально установлено, что предлагаемый способ управления расходящимися потоками теплоносителя позволяет сократить расход природного газа на сушку на 5−7%. Предложены ячеечная математическая модель для расчета динамики и схемы автоматического регулирования температурно-влажностного режима сушки для прямоточно-противоточной схемы распределения сушильного агента в барабане На базе предложенных методов и математических моделей созданы компьютерные информационные подсистемы для оценки не измеряемых непосредственно показателей качества сушки и переменных состояния (технологического режима) по длине сушильного барабана. Разработанное программное обеспечение использовано в ОАО «Ярославский технический углерод» для принятия решений по управлению потоками теплоносителя в процессах сушки и проектирования перспективных автоматизированных технологий сушки гранулированного технического углерода, в системах тренинга при обучения студентов в группах целевой подготовки специалистов для ОАО «Ярославский технический углерод», а также в курсовом и дипломном проектировании для студентов специальности «Автоматизация технологических процессов и производств».