АНАЛІЗ ПРЕДМЕТНОЇ ОБЛАСТІ ДЛЯ ПРОГРАМНОЇ СИСТЕМИ МАТЕМАТИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ТУНЕЛЬНОЇ ПЕЧІ З МЕТОЮ ЗМЕНШЕННЯ ВИТРАТИ ПРИРОДНЬОГО ГАЗУ ТА ПОКРАЩЕННЯ ЯКОСТІ ПРОДУКЦІЇ, ЩО ВИПАЛЮЄТЬСЯ Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

УДК 621.4

DOI https://doi.Org/10.35546/kntu2078-4481.2023.4.13

ORCID: 0009-0006-3543-904X

ORCID: 0000-0003-1835-425

М. А. ДЕРЖЕВЕЦЬКА

кандидат економiчних наук, доцент кафедри цифрових технологш та проектно-аналггичних ршень Техшчний ушверситет «Метшвест Полггехшка»

ORCID: 0000-0002-9952-499

АНАЛ1З ПРЕДМЕТНО! ОБЛАСТ1 ДЛЯ ПРОГРАМНО1 СИСТЕМИ МАТЕМАТИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ТУНЕЛЬНО1 ПЕЧ1 З МЕТОЮ ЗМЕНШЕННЯ ВИТРАТИ ПРИРОДНЬОГО ГАЗУ ТА ПОКРАЩЕННЯ ЯКОСТ1

ПРОДУКЦП, ЩО ВИПАЛЮСТЬСЯ

Актуальшсть ефективного використання енергоресурав у виробництвI та економгя природного газу визна-чають необхгднгсть удосконалення систем математичного моделювання тунельних печей. Стаття розглядае проблему зменшення витрат природного газу та покращення якостг продукцИ шляхом оптимгзацИ стввгдно-шення газу та повгтря. У роботI розглядаються три основт схеми регулювання спгввгдношення природний газ/ повгтря. Автори пропонують перейти на ргвень MES-системи, Iнтегруючи математичн модел1 1снуючоХ та пропоновано'1 систем. Моделювання дозволяе довести можливгсть оптимгзацИ гортня, зменшення витрат газу та точтше визначити температурнг параметри. Додатковорозглядаеться обмгн даними м1ж программною системою моделювання та автоматизованою системою управлгння, що спрощуе контроль технологгчного процесу та дозволяе автоматично формувати режимну карту агрегату. Стаття також висвтлюе переваги Iнтегра-цИ штучного Iнтелекту та машинного навчання для оптимгзацИ регулювання пальниюв у тунельних печах. Це дозволяе розглядати не лише традицшнг методи, але I розвивати нов1 пгдходи до ефективного використання енергоресурав. Шдкреслюе необхгдтсть використання передових технологш для автоматизацИ та оптимгзацИ процеав, що стосуються споживання природного газу в тунельних печах. Майбутш плани включають розширен-ня системи на тшг види енергоресурав для ще быьшог оптимгзацИроботи технологгчного агрегату та точного визначення собгвартостг продукцИ на етапг замовлення. Ця робота е кроком до створення бгльш унгверсальних та ефективних систем управлгння енерговитратами в промисловостг, як будуть пристосоваш до ргзних вид1в виробництва та типгв енергетичних ресурсгв. При цьому акцентуеться на важливостг збереження енергИ та зниженнI витрат природного газу, сприяючи при цьому яюсному пгдвищенню виробничих показнитв.

Ключовi слова: тунельна тч, енергоефективнгсть, математичне моделювання, MES-система, спгввгдношен-ня газу/повтря, автоматизована система управлтня, прогнозування витрат газу.

O. V. PIPKO

Master at the Department of Digital Technologies and Project-Analytical Solutions Technical University "Metinvest Polytechnic" LLC

ORCID: 0009-0006-3543-904X

I. A. GETMAN

Ph.D. (Technology), Lecturer at the Department of Digital Technologies

and Project-Analytical Solutions Technical University "Metinvest Polytechnic" LLC

ORCID: 0000-0003-1835-425

М. А. DERZHEVETSKA

Ph.D. (Economics), Lecturer at the Department of Digital Technologies

and Project-Analytical Solutions Technical University "Metinvest Polytechnic" LLC ORCID: 0000-0002-9952-499

ANALYSIS OF THE SUBJECT AREA FOR THE SOFTWARE SYSTEM OF MATHEMATICAL MODELING OF A TUNNEL OVEN IN ORDER TO REDUCE NATURAL GAS CONSUMPTION AND IMPROVE THE QUALITY OF FIRED PRODUCTS

The relevance of efficient use of energy resources in production and saving of natural gas determine the need to improve mathematical modelling systems for tunnel oven. The article considers the problem of reducing natural gas consumption and improving product quality by optimising the gas/air ratio. Three main schemes for regulating the natural gas/air ratio are considered. The authors propose to move to the MES system level by integrating mathematical models of the existing and proposed systems. The modelling allows to prove the possibility of combustion optimisation, reduction of gas consumption and more accurate determination of temperature parameters. In addition, the authors consider data exchange between the modelling software system and the automated control system, which simplifies process control and allows automatic generation of the unit's mode map. The article also highlights the benefits of integrating artificial intelligence and machine learning to optimise burner control in tunnel oven. This allows us to consider not only traditional methods, but also to develop new approaches to the efficient use of energy resources. It emphasises the need to use advanced technologies to automate and optimise processes related to natural gas consumption in tunnel oven. Future plans include the expansion of the system to other types of energy resources to further optimise the operation of the process unit and accurately determine the cost of production at the ordering stage. This work is a step towards creating more versatile and efficient energy management systems in industry that will be adapted to different types of production and types of energy resources. It emphasises the importance of energy conservation and reducing natural gas consumption, while contributing to a qualitative improvement in production performance.

Key words: tunnel oven, energy efficiency, mathematical modelling, MES-system, gas/air ratio, automated control system, gas consumption forecasting.

Постановка проблеми

На сьогодшшнш день дуже актуальною проблемою е економш енергоресурав, оскшьки вартють ix постшно зростае, в тому числ i природного газу. Тому гх економш стае дуже актуальным питаниям. Наприклад, на 0CH0Bi даних, яш е у вшьному достут, вартють природного газу на протязi 2022 року зросла з 12242 грн. за 1000 м3 до 28972 грн. за м3 по максимальному значенню (табл. 1, рис. 1), що у вщсотковому екываленп дорiвнюе 136%.

З економiчноi точки зору чим менше використовуеться при використанш енергоресурав, чим буде меншою собiвартiсть шнцевоГ продукци. Тому економiя енергоресурав стае дуже актуальним питанням.

Таблиця 1

Змша вартосл газу за 2022 piK

№ з/п Дата Варткть, грн Вщсоток зб1лыиення вщносно попереднього перюду, % Вщсоток збтыиення в1дносно початку року, %

1 □1.02.2022 12242 - -

2 01.04.2022 13656 11,55 11,55

3 01.07.2022 28972 112,16 136,66

4 01.10.2022 26279 -9,30 114,66

5 01.01.2023 19100 -27,32 56,02

Один iз способiв, який дозволяе забезпечити економш природного газу - це забезпечити найбшьш яшсний режим палшня за рахунок оптимального сшввщношення природнш газ/повиря. Саме за рахунок цього досить розповсюдженого способу i пропонуватиметься зменшити витрату природного газу.

Формулювання мети дослщження Мета дослщження полягае в аналiзi юнуючих схем оптимального сшввщношення природний газ/повпря в тунельних печах з метою забезпечення економп природного газу та покращення якосл випалювано! продукци. Обгрунтування важливосп ще! теми базуеться на необхвдносп ефективного використання енергоресурав, зокрема природного газу, в умовах зростання його вартосп. Аналiзуючи юнукта схеми регулювання сшвввдношення

природний газ/повггря, можна визначити 1хш переваги та недолiки. На сьогодшшнш день, важливо розглядати не лише традицiйнi методи, але й розвивати новi шдходи для опгимшцд цього спiввiдношення. Наприклад, можна розглянути використання передових технологш, таких як штучний iнтелект або машинне навчання, для автома-тизацп та оптимiзацil регулювання пальников у тунельних печах.

зои:.дн1 (j6.ji.joi! золит; клггшз зтл&зщз г м.о|.амэ

Рис. 1. Змша варто стi газу за 2022 рж

Викладення основного матерiалу дослiдження

На сьогодшшнш день отримало розповсюдження три основш схеми по реалiзацil оптимального сшввщно-шення природнiй газ/повiтря: з використанням зворотних зав'язшв вiд виконавчих пристро!в природного газу та повиря; з використанням сигналiв вiд датчиков тиску на пальнику на природному газi та повiтрi; з використанням сигналiв вiд датчиков тиску на пальнику на природному газi та повир^ а також сингалу вщ киснемiра на димових газах [1].

В першому випадку на еташ теплотехшчно! наладки задаються значення режимно! картки (крапки оптимального сшввщношення природнiй газ/повiтря), пiсля чого вони записуються у контролер i контролеру подальшому працюе по цш кривiй. При цьому вважаеться, що тиск природного газу в колекторi залишаеться незмiнним. А це не завжди вiдповiдае дiйсностi. Вiдповiдно при змш тиску природного газу на входi порушуеться задане спшввд-ношення та оптимальний режим палшня. Також при наявносп стабiльного тиску природного газу сшвввдношення може порушуватися завдяки тому, що калорiйнiсть природного газу, його хiмiчний склад може змшюватися.

Основними елементами тако! системи е два виконавчi пристро!, якi розташоваш на газопроводi та повиро-проводг На кожен з них тдведено сигнал управлiння та сигнал зворотного зв'язку стосовно положения засувки виконавчого пристрою. Окремо варто ввдзначити, що так системи стосовно розрiджения працюють на природнiй тязi (рис. 2) [1, 2].

Контролер

Природнш

Технолопчний агрегат

ДИМОВ1 газ и

Рис. 2. Схема використання датчишв тиску природного газу та повиря

На кожен з них тдведено сигнал управлшня та сигнал зворотного зв'язку стосовно положения засувки вико-навчого пристрою. Окремо варто ввдзначити, що так системи стосовно розрвдження працюють на природнш тязi. З економiчноl точки зору така схема буде дуже погано працювати. При найменшому порушенш спiввiдношення природнiй газ/повiтря буде утворюватися недопал, не весь природний газ буде спалюватись або частина тепла з зайвим повiтрям буде вилггати з топки печi. Як правило, так системи використовуються на невеличких техно-логiчних агрегатах, наприклад, водогршний котел Н11СТУ-5 (рис. 3) [3].

В нашому випадку таку систему недощльно використовувати, оск1льки забезпечити яшсний режим палiния вона не зможе на такому технолопчному агрегатi, як тунельна пiч.

Друга схема, яка отримала велике розповсюдження - це використання датчиков тиску природнього газу та повиря (рис. 4) [1, 2]. Замють значень сигналiв зворотного зв'язку в цьому випадку використовуеться унiфiковаиi токовi сигнали з датчиков тиску природного газу та повиря.

Також варто ввдзначити, що до складу тако! системи входить димотяг разом з контуром управлшня, який регу-люе розрiдження в топщ технологiчно агрегату.

Такий пiдхiд дозволяе виршити проблему з коливанням тиску природного газу в колектор^ осшльки шд-тримуеться саме задане значення тиску. Вiдповiдно пвдтримувати оптимальне сшввщношення газ/повiтря буде значно простiше. Проте при коливаннях калорiйностi природного газу можливi порушення спiввiдношення. Так1 системи використовуються, наприклад, на таких агрегатах, як водогршш котли сери ПТВМ (рис. 5) [5] або КВГМ, наприклад КВГМ-6,5-150 (рис. 6) [5]. У випадку тунельно! печi даний спосiб недоцiльно використовувати, оск1льки забезпечити яшсний режим палшня така реалiзацiя не дозволить, оск1льки вона не дозволить забезпечити оптимальне сшвввдношення природнш газ/повиря.

Ще один б№ш просунутий та бiльш як1сний споаб базуеться на використаннi датчикiв тиску природного газу та повиря разом з киснемiром [1]. Останнiй дозволяе оцшити якiсть згорання природного газу за рахунок визначення вiдсотку кисня в димових газах. Саме зараз така система i працюе на тунельнш печi. Зовнiшнiй вигляд тунельно! печi наведено на рисунку 7 [5].

Рис. 3. Водогршний котел Н11СТУ-5, внутршня частина

Рис. 4. Схема використання датчишв тиску природного газу та повлря

Рис. 5. Водогршний котел серп ПТВМ (Зовшшнш вигляд)

Рис. 6. Водогршний котел КВГМ-6,5-150

Рис. 7. Зовшшнш вигляд тунельноТ печi

Остаинiй дозволяе визначити яшсть згорання природнього газу за допомогою вимiрювання концентрацп кисню в димових газах. В усьому шшому ця схема аналогiчна ранiше наведенш, котра базуеться на використаннi сигналiв датчиков тиску природного газу та повиря.

Схема використання датчиков тиску природного газу та повиря разом з киснем1ром наведена на рисунку 8 [6]. Фактично единою змшою у не! е додавання киснем1ру.

При зоднш ?зЗ

Пойпрн

Ггшшвдгёчнмй ■трепет

л

Дпмов!

Г-Э1И

Рис. 8. Схема використання датчишв тиску природного газу та повггря разом з киснемiром

У ще! схеми е два суттевих недолши. Перший 1з них - топка печ1 негерметична, ввдповщно, присутш пвдсмок-тування повиря. Також до топки печ1 подаеться повиря високого тиску. Як результат, визначити точно ввдсоток кисню у димових газах, який тсля палшня неможливо. Також при коливаннях калоршносп газу можуть бути проблеми, яш призведуть до порушення оптимального сшввщношення природнш газ/повиря.

В1дпов1дно така схема працеспроможна у нашому випадку, але забезпечити максимальну як1сть згорання природного газу вона не може. Р1ч в тому, що в топщ печ1, окр1м повиря пальников, подаеться також 1 повггря високого тиску. Ввдповвдно ощнити як1сть згорання природного газу неможливо, оскшьки в димових газах будуть присутш 1 повиря пальников, 1 повиря високого тиску. Для яшсного згорання природнього газу пропонуеться використати калориметр, який в режим1 реального часу буде визначати кшьшсть калорш у природному газ1. В1дпов1дно можна буде точно задати на певну температуру у топщ печ1 кшьшсть калорш природного газу, витрату та тиск природного газу разом з тиском повиря.

Фактично така система дозволить ще до створення обурення налаштувати сшввщношення природнш газ/повь тря. Також вона не буде залежати вщ концентраци кисню в димових газах. Саме таку систему пропонуеться змонтувати на тунельнш печ1.

Схема використання датчишв тиску природного газу та повиря разом з калориметром наведена на рисунку 9. Фактично единою змшою у не! е вщсутшсть киснем1ру, та додавання калориметру.

ГТризоднш

?33

Пойгтрн

ГгХ11ШН)гё|НМЙ агри:* ит

По^тря високого

тисну

Рис. 9. Схема використання датчишв тиску природного газу та повлря разом з калорiметром

В1д попередньо! схеми вона буде в1др1знятися лише тим, що буде вщсутнш киснем1р, а зашсть нього буде вста-новлений калориметр. За рахунок цього повинен бути забезпечений бшьш як1сний режим палшня природного газу, який не буде залежати вщ тих фактор1в, на як1 не можна вплинути або не можливо точно вим1ряти.

Висновки

Наведена рашше шформащя стосуеться автоматизовано! системи управлшня технолопчним процесом. В нашому ж випадку бшьш доцшьно перейти на р1вень MES-системи, до складу яко! вв1йде дв1 математичш модели для юнуючо! системи та для пропонуемо!. Виконати два р1зних моделювання та доказати можливють покращення горшня палива, зменшення його витрати за рахунок оптимального сшввщношення природний газ /

повпря, покращення якосп продукци в концевому пвдсумку за рахунок бiльш точного дотримання значения температур криво! на^вання. Також потрiбно удiлити увагу розрщженню, значення якого потрiбно буде точно визна-чити на етапi моделювання за допомогою чисельних методiв.

Також пропонусться налаштувати обмiн даними мiж програмною системою математичного моделювання тунельно! печi з метою зменшення витрати природнього газу та покращення якосп продукци, що випалюеться, та автоматизованою системою управлiння технологiчним процесом тунельно! печг Це дозволить автоматично формувати режимну карту технологiчного агрегату. Це дозволить спростити контролювання технологiчного про-цесу випалювальником.

Крiм того, такий пiдхiд дозволить також прогнозувати витрати природнього газу на випалення продукцi!. А це, в свою чергу, дозволить визначити, хай i частково, собiвартiсть продукци.

Якщо в майбутньому таку систему промаштабувати та доповнити математичними моделями тунельно! печi по iншим видам енергоресурав (наприклад, електроенергi! або стисненого повпря), то можна буде ще бiльше оптимiзувати роботу техиологiчного агрегату та бшьш точно визначити собiвартiсть продукцi! ще на отриманнi замовлення.

Перспективою е розробка програмно! системи математичного моделювання, яка враховуватиме новi шдходи та дозволить визначити оптимальнi параметри для досягнення економi!' ресурсiв та тдвищення якостi випалю-вано! продукци.

Список використаноТ лiтератури

1. А.М. Тиарев, Т.Г. Тiгарева. Уцосконалення систем регулювання водогрiйних котлiв. Журнал «1нформатика та математичнi методи в моделюванш». 2022. Т. 1-2, С. 94-102. URL: http://immm.op.edu.ua/files/archive/n1-2_ v12_2022/immm_n1-2_v12_2022.pdf

2. Конспект лекцш з дисциплiнi «Автоматизацiя теплових процеав» для здобувачiв вищо! освгга першого (бакалаврського) рiвия за спещальшстю 144 - Теплоенергетика, Кам'янське : ДДТУ 2019. С. 138. URL: https:// www.dstu.dp.ua/Portal/Data/6/29/6-29-z_kl58.pdf

3. Котел НПСТУ-5, URL: https://mmzavod.com.ua/index.php/kotly-vodogrejnye/kotel-niistu-5

4. Котли серш КВ-ГМ та ПТВМ, URL: https://energetik.ua/catalog/vodogriyni_kotly/kotli-vodogriyni-serii-ptvm/

5. Тунельна тч для випалу цегли: огляд, рiзновиди, технологiя, URL: http://poradu24.com/remontu/tunelna-pich-dlya-vipalu-cegli-oglyad-riznovidi-texnologiya.html

6. Регулювання сшвввдношення паливо/повiтря, URL: https://studfile.net/preview/9229697/page:4/

7. Анастасенко С.М. Бу^м Л.1. Бiлюк 1.С., Гаврилов С.О. Жигулiна В.В. Семенов М.М., Шостак О.В. А64 Основи автоматизаци об'ектiв теплоенергетики. Навчальний поабник для студентiв спецiальностi 144 «Теплоенергетика». Микола!в: НУК, Львiв, «Новий Свiт-2000», 2020. 111 с. URL: https://rep.nuos.edu.ua/server/api/core/ bitstreams/212f1c0c-2e94-43ef-a85a-52434576eb21/content

References

1. Tigaryev, A. M., & Tigaryeva, T. G. (2022). Improvement of control systems for water boilers. Informatics and Mathematical Methods in Modeling, 1-2, 94-102. URL: http://immm.op.edu.ua/files/archive/n1-2_v12_2022/immm_ n1-2_v12_2022.pdf

2. Lecture notes on «Automation of Thermal Processes» for higher education students in the field of Heat Power Engineering. Kamianske: DDTU, 2019. p. 138. URL: https://www.dstu.dp.ua/Portal/Data/6/29/6-29-z_kl58.pdf

3. NIISTU-5 Boiler. (n.d.). URL: https://mmzavod.com.ua/index.php/kotly-vodogrejnye/kotel-niistu-5

4. KV-GM and PTVM Series Boilers. (n.d.). URL: https://energetik.ua/catalog/vodogriyni_kotly/kotli-vodogriyni-serii-ptvm/

5. Tunnel Kiln for Brick Firing: Overview, Types, Technology. (n.d.). URL: http://poradu24.com/remontu/tunelna-pich-dlya-vipalu-cegli-oglyad-riznovidi-texnologiya.html

6. Fuel/Air Ratio Regulation. (n.d.). URL: https://studfile.net/preview/9229697/page:4/

7. Anastasenko, S. M., Bugrim, L. I., Bilyuk, I. S., Gavrilov, S. O., Zhigulina, V V, Semenov, M. M., ... Shostak, O. V. (2020). Basics of automation of heat power objects: A textbook for students ofthe specialty 144 «Heat Power Engineering». Mykolaiv: NUK, Lviv, "Novyi Svit-2000". URL: https://rep.nuos.edu.ua/server/api/core/bitstreams/212f1c0c-2e94-43ef-a85a-52434576eb21/content