Автоматизация управления технологическим комплексом обжига сыпучих строительных материалов (на примере предприятий Республики Алжир)

К настоящему времени в строительстве и промышленности строительного комплекса Республики Алжир, как и в Российской Федерации, накоплен значительный опыт разработки, внедрения и эксплуатации автоматизированных систем управления технологическими процессами.

На многих государственных и частных предприятиях Алжира по производству различных сыпучих строительных материалов, в частности, вяжущих (гипса, извести, цемента) и искусственных пористых заполнителей для легких бетонов (керамзита, перлита и др.) установлены и действуют современные управляющие и универсальные вычислительные устройства и системы. На их базе созданы АСУ ТП, большинство из которых работает в супервизорном режиме управления как основными технологическими процессами, так и механическим и теплоэнергетическим оборудованием. Все это создало необходимые предпосылки для разработки систем оперативного управления сложными комплексами технологических агрегатов и участков производства.

Необходимость проведения исследований в этом направлении вызвана тем, что задача оптимального управления состоит не только в том, чтобы поддерживать наиболее эффективный режим в каком-либо агрегате в отдельности, но и в том, чтобы установить между элементами технологической схемы связи, обеспечивающие оптимальную работу всего участка (отделения, цеха) в целом.

Одним из таких наиболее сложных и энергоемких элементов в производстве всех перечисленных выше строительных материалов является процесс их обжига, осуществляемый в противоточных вращающихся печах, В настоящее время 18 таких печей по обжигу клинкера работают на 12 цементных заводах Алжира, суммарная производительность которых достигает 11,6 млн. тонн цемента в год (см. табл. 1) Сырье, поступающее на обжиг, распределяется между одновременно и параллельно работающими печами, количество и производительность которых определяется целым рядом, изменяющихся во времени, факторов. В этих условиях необходимо свести к минимуму суммарный расход топлива, потребляемый всеми работающими печами, при условиях переработки заданного количества сырья (или выпуска готовой продукции) и обеспечении заданного качества получаемых материалов.

Таблица 1.

Цементные заводы Республики Алжир

Кол-во печей обжига.

Способ Производительность, производства т / год цемента.

1. Цементный завод (г.Мефтах) 1.

2. Цементный завод Раис Хамиду в окрестностях столицы г. Алжир) 2.

3. Цементный завод Загана (г.Оран) 2.

4. Цементный завод Сур-эль-Газлаге г. Буира) 1.

5. Цементный завод Бени-Саф г. Айн-Темушент) 1.

6. Цементный завод (г. Сайда) 1.

7. Цементный завод (г.Щлеф) 3.

8. Цементный завод Айн-Тута г. Ватна) 3.

9. Цементный завод Айн-Кебира (г.Сетиф) 1.

10. Цементный завод Ханна-Бузана (г.Константин) 1.

И. Цементный завод Хаджар-Суд г. Скикда) 1.

12. Цементный завод Лобиед г. Тебесса) 1 сухой мокрый сухой -1 мокрый -1 сухой сухой сухой сухой сухой сухой сухой сухой сухой.

1 ООО ООО.

500 ООО.

1 ООО ООО 300 000.

1 000 000.

1 000 000 500 000.

2 000 000.

1 000 000 1 000 000 1 000 000 800 000 500 000 ч.

В связи с такой постановкой задачи исследование и разработка математических моделей и алгоритмов управления, учитывающих особенности технологии обжига и ориентированных на современные средства автоматизации, с целью создания систем, обеспечивающих высокую эффективность оперативного управления, определяют актуальность избранной темы.

Работа выполнялась в соответствии с индивидуальным планом обучения автора в заочной аспирантуре Московского государственного строительного университета, а также планами НИР кафедры «Автоматизации инженерно-строительных технологий» МГСУ и Лаборатории минеральных материалов и композитов кафедры «Инженерное дело по материалам» Университета г. Бумердесса Республики Алжир.

Цель работы заключается в разработке автоматизированной системы управления группой параллельно работающих вращающихся печей для обжига строительных материалов, позволяющей снизить количество потребляемого топлива и обеспечивающей заданное качество получаемой продукции.

Для достижения поставленной цели:

• проведен анализ физико-химических, теплофизических, аппаратурных и режимных особенностей процессов обжига сыпучих строительных, преимущественно вяжущих, материалов во вращающихся печах;

• изучены характеристики, структуры и специфика функционирования систем автоматического и автоматизированного управления обжиговыми вращающимися печами в строительстве;

• выявлены недостатки существующих способов управления рассматриваемыми объектамидана их характеристика как систем оперативной оптимизации и сформулирована задача исследований;

• исследован технологический комплекс обжига сыпучих материалов, включающий группу параллельно работающих печейпредложен критерий качества управления, построена его математическая модель и доказана ее адекватность реальному процессу;

• исследованы и разработаны алгоритмы расчета теплового режима печей, оптимального распределения нагрузок между ними и изменения режимов эксплуатации в зависимости от распределения значений температуры по зонам;

• разработаны системы автоматического управления распределением топлива между параллельно работающими печами и исходного сырья по бункерам соответствующих печей, а также схемы и устройства для их практической реализации;

• исследован вопрос экономической эффективности автоматизации процессов обжига, по результатам которого сформулированы основные принципы построения АСУ ТП.

В перечисленных исследованиях и научно-технических разработках был использован комплексный метод исследований, сочетающий в себе элементы системного анализа, использования разнотипных структурных и математических моделей объектов и систем управления, теории автоматического управления, приемов и методов оперативной оптимизации, а также сопоставительный анализ материалов исследований по рассматриваемой проблеме.

Научная новизна результатов выполненных исследований заключается в том, что впервые:

— установлена и исследована связь показателя качества получаемой продукции с температурным режимом в различных точках рабочего пространства печи, которая была положена в основу математической модели процесса;

— разработана компактная статистическая математическая модель процесса, построенная на основе обработки большого массива данных пассивного и активного эксперимента;

— разработаны структура и алгоритм оперативного управления, учитывающие загрязнение атмосферного воздуха газопылевыми выбросами вращающейся обжиговой печью;

— разработаны модель, структура и алгоритмы управления технологическим комплексом обжига материалов, включающим группу параллельно работающих печей;

— научно обоснованы основные принципы модернизации действующих АСУ ТП обжига вяжущих материалов во вращающихся печах.

Практическая значимость перечисленных выше результатов исследований для автоматизации процессов обжига сыпучих строительных материалов состоит в том, что они являются теоретической базой для научно обоснованного выбора способов, структуры и технических средств как на стадии проектирования новых, так и модернизации действующих систем управления. Предварительные ориентировочные расчеты показывают, что использование полученных результатов позволит не только повысить технико-экономические показатели работы заводов промышленности строительного комплекса, но и существенно сократить сроки и стоимость НИР и ОКР при создании АСУ ТП.

На основе полученных научных и практических результатов для научно-производственных фирм, проектных организаций и заводов Алжира подготовлены рекомендации по выбору способов и технических средств автоматического управления обжигом материалов во вращающихся печах. Эти же результаты используются автором в Алжире в учебном процессе Университета г. Бумердесса, а также в Российской Федерации — преподавателями Московского государственного строительного университета.

Результаты исследований отражены в 10 публикациях автора, докладывались на 4-й и 5-й научно-практических конференциях молодых ученых, ас-пмрантов и докторантов МГСУ «Строительство — Формирование среды жизнедеятельности» (г, Москва, 2001, 2002 г. г.), заседаниях кафедры «Инженерное дело по материалам» Университета г. Бумердесса (Республика Алжир) и научных семинарах кафедры Автоматизации инженерно-строительных технологий МГСУ (Российская Федерация, 2000;2003 г. г.).

На основании результатов исследований и практических разработок на защиту выносятся следующие основные положения:

— принципы организации, эффективного функционирования и оперативного управления обжигом сыпучих строительных материалов в условиях изменяющейся внешней среды и реакционного пространства вращающихся печей, связанных с трансформацией теплового режима процесса и его адаптации к экономике производства;

— модель, структуру и характеристики проектирования системы оперативного управления обжигом вяжущих материалов, отражающие специфику механизма и химической кинетики обжига каждого конкретного материала;

— новый критерий качества управления процессом, алгоритмы его автоматического расчета и контроля, новую структурную схему системы управления, учитывающую величину газопылевых выбросв в атмосферу;

— математическую модель, алгоритм, спроектированную структуру и разработанное устройство подсистемы управления группой параллельно работающих обжиговых вращающихся печей;

4.5. Выводы по главе 4.

1. Необходимость непрерывного повышения технико-экономических показателей действующих в Алжире предприятий промышленности строительного комплекса и, в частности, процессов обжига сыпучих материалов, отличающихся высокой энергоемкостью, требует усовершенствования существующих технологий и их автоматизации. Внедрение АСУ ТП обжига во вращающихся печах позволяет при сравнительно небольших капитальных вложениях получить ощутимый экономический эффект.

2. Основным источником экономической эффективности АСУ ТП обжига является снижение себестоимости получаемых продуктов в результате сокращения удельного расхода топлива, а в случае процессов производства извести и гипса — также увеличение отпускной цены товарного продукта за счет повышения его качества (сортности).

3. Реальная прибыль от внедрения АСУ ТП обжига определяется точностью контроля и поддержания заданных значений показателей качества целевых продуктов. Для оперативного контроля этих показателей могут быть использованы математические модели, основанные на непрерывном измерении температуры материала в печи — модели (1.7) и (1.8).

4. При проектировании АСУ ТП до получения надежных статистических данных о результатах ее эксплуатации ожидаемое сокращение удельного расхода топлива может быть рассчитано по выражению (4.2), а для сравнительной оценки использования того или иного алгоритма управления могут быть применены критерии качества управления (4.4) и (4.5).

5. АСУ ТП обжига сыпучих материалов во вращающихся печах следует строить по принципу двухуровневых иерархических систем, на нижней ступени которых производится стабилизация всех материальных потоков, вводимых в печь. Нижняя ступень АСУ ТП должна быть реализована с использованием локальных регуляторов, а верхняя ступень — программой УВМ, осуществляющей расчеты прогнозируемого значения показателя качества продукта и значения управляющих воздействий на задания локальных регуляторов нижней ступени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической задачи в производстве сыпучих строительных материалов — повышению качества целевых продуктов обжига во вращающихся печах и минимизации затрат топлива на их производство.

Основная цель выполненных исследований состояла в теоретическом и экспериментальном изучении процессов обжига вяжущих материалов в группе параллельно работающих печей как объектов автоматического и автоматизированного управления, синтезе математических моделей, разработке алгоритмов и систем управления.

Результаты выполненной работы состоят в следующем.

1. Выполнен анализ особенностей процесса обжига строительных материалов во вращающихся печах как объекта оперативного управления, в ходе которого определены задачи систем стабилизации технологических параметров, материальных потоков и задачи управления технологией обжига. Результаты анализа позволили сформулировать критерий качества управления, уточнить математическую модель процесса, алгоритмы управления и способы их практической реализации.

2. Доказана целесообразность перехода от автоматизации отдельных печей к оптимизации управления технологическим комплексом, включающем группу параллельно работающих печных агрегатовсформулированы задачи оперативной оптимизации комплекса и предложена структура автоматизированной системы управления.

3. Исследованы и разработаны алгоритмы распределения нагрузок между вращающимися печами, алгоритмы оперативного расчета теплового режима печей и динамический алгоритм изменения режима эксплуатации, для реализации которых проведена идентификация математических моделей обжига основных вяжущих строительных материалов.

4. Разработана система автоматического управления комплексом параллельно работающих обжиговых вращающихся печей, включающая подсистемы автоматического управления распределением сырья и топлива между печами. Для практической реализации этих научно-технических разработок предложено устройство, внедрение которого обеспечивает получение не только существенного экономического эффекта, но и снижает количество пыли, выбрасываемой в атмосферу, т. е. способствует решению одной из актуальных задач инженерной экологии.

5. Для оценки перспективности проектирования автоматизированных систем управления технологическим комплексом обжиговых печей выявлены основные источники экономической эффективности систем, исследованы зависимости потенциально возможной прибыли предприятий от колебательности температурных режимов в печи и разработаны основные принципы построения АСУ ТП обжига сыпучих строительных материалов во вращающихся печах.

6. На основании результатов выполненных исследований подготовлены практические рекомендации для ряда цементных заводов Алжира по автоматизации процессов обжига цементного клинкера. Полученные результаты внедрены в учебный процесс кафедры «Инженерное дело по материалам» Университета г. Бумердесса Республики Алжир и кафедры «Автоматизации инженерностроительных технологий» МГСУони доложены и получили одобрение на научных конференциях, опубликованы в периодической печати и сборниках научных статей [88−97].