CC BY
36
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 2
УДК 669.162.2/.4 DOI: 10.17213/0321-2653-2018-2-23-27
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ НА ЕЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
© 2018 г. Л.С. Казаринов, Х.М. Мохсен, Т.А. Барбасова
Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, Россия
ANALYSIS OF THE BLAST FURNACE THERMAL STATE PARAMETERS INFLUENCE ON ITS EFFICIENCY
L.S. Kazarinov, H.M. Mohsen, T.A. Barbasova
South Ural State University, Chelyabinsk, Russia
Казаринов Лев Сергеевич - д-р техн. наук, профессор, зав. Kazarinov Lev Sergeyevich - Doctor of Technical Sciences,
кафедрой «Автоматика и управление», Южно-Уральский professor, head the department «Automation and Control»,
государственный университет, г. Челябинск, Россия. E-mail: South Ural State University, Chelyabinsk, Russia. E-mail: ps-
ps-dec@susu.ac.ru dec@susu.ac.ru
Мохсен Хаитхм Мохаммед Али - аспирант, кафедра «Авто- Mohsen Haitham Mohammed Ali - post-graduate student,
матика и управление», Южно-Уральский государственный department «Automation and Control», South Ural State
университет, г. Челябинск, Россия. E-mail: tomy_07@mail.ru University, Chelyabinsk, Russia. E-mail: tomy_07@mail.ru
Барбасова Татьяна Александровна - канд. техн. наук, Barbasova Tatiana Alexandrovna - Candidate of Technical доцент, кафедра «Автоматика и управление», Южно- Sciences, associate professor of department «Automation and
Уральский государственный университет, г. Челябинск, Control», South Ural State University, Chelyabinsk, Russia.
Россия. E-mail: tatyana_barbasova@mail.ru E-mail: tatyana_barbasova@mail.ru
Рассмотрена задача повышения эффективности доменного процесса на основе построения областей высокого качества в пространстве параметров теплового состояния. Предложена методика анализа областей высокого качества доменного процесса. Приведены расчеты обобщенного показателя эффективности при ограничениях, налагаемых областями высокого качества. Для повышения эффективности доменного процесса предлагается подход управления на основе кластеризации областей эффективных параметров доменного процесса и значений эксплуатационных параметров, стабилизации в рамках эффективного кластера с использованием прогноза, основанного на их динамике.
Ключевые слова: параметры теплового состояния печи; доменный процесс; обобщенный показатель эффективности.
Influence of thermal state parameters of the blast furnace on high efficiency areas of the blast furnace process is investigated. A method of the high quality areas analysis of the blast furnace process is offered. Calculations of the efficiency generalized indicator with limitations imposed by high quality areas are given. To increase the efficiency of blast furnace process, we offer a management approach based on clustering parameters effective regions of blast furnace process and values of operational parameters, stabilization in the framework of effective cluster using prediction based on their dynamics.
Keywords: blast furnace; thermal state parameters; generalized indicator of efficiency.
Введение менного процесса широко применяется в прак-
Исследование взаимосвязей параметров тике управления плавкой. При этом на основе теплового состояния доменной печи и показате- сопоставления результатов работы доменных лей плавки и их влияния на эффективность до- печей в различные периоды определяется факти-
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 2
ческая эффективность технологических мероприятий. Информация о работе доменной печи и изменении изучаемых факторов является ограниченной, поэтому лишь некоторые из опубликованных в литературе уравнений регрессии можно считать надежными. При этом даже достоверные из них применимы исключительно к тем условиям, при которых они были получены [1, 2]. Для оценки влияния технологических факторов на показатели доменной плавки в широком диапазоне условий и его прогнозирования в неизученных условиях требуется не только знание отдельных закономерностей, но и высокий уровень их обобщения в виде взаимосвязанного математического описания процессов в доменной печи, также необходимо использовать реальные текущие данные для полноты технологических расчетов и надежности результатов. В работе предлагается методика анализа доменного процесса на основе выделения областей высокого качества. Это позволяет выбрать параметры доменного процесса из условия его эффективности [3 - 5].
Методика анализа областей высокого качества доменного процесса
В практике доменного производства известны явления неоднозначного влияния некоторых параметров на ход плавки и показатели работы печи. Однако со временем ход плавки постепенно ухудшается, расход кокса увеличивается, производительность снижается, поэтому для повышения полноты расчетов при решении задач управления доменным процессом требуется дополнительно учитывать текущие данные управляемых процессов [6, 7]. Отсюда предлагается методика учета текущих данных управляемых процессов на основе концепции эффективных кластеров. Традиционно сложившийся подход к анализу процессов доменной плавки предполагает стационарность режимов во времени и пространстве. Известная абстрактность такого подхода удобна в познавательном плане, так как облегчает изучение научных основ процессов и оправдана при анализе реальных технологий, выполняемом по результатам обработки показателей за длительные периоды, в течение которых роль переходных режимов невелика. В ходе такого анализа формируются параметры предельных состояний, к которым стремится реальная технология. Исследование управляемости доменного процесса показало, что для повышения производительности процесса и снижения
потребления кокса в число определяющих параметров должны входить параметры теплого состояния печи (табл. 1), таких как: диапазоны рабочих изменений Si в чугуне, температура чугуна Тч, показатель теплого состояния печи Si/S, титановый модуль TiO2 ш/Ti, степень использования колошникового газа CO2/(CO+ CO2), теоретическая температура горения Ттг [8].
Таблица 1 / Table 1
Диапазоны высокого качества ведения доменного процесса / The high quality ranges of conducting blast furnace process
Si в чугуне, % Температура чугуна, оС Показатель теплого состояния печи Si/S Титановый модуль TiO2m/Ti Степень использования колошникового газа CO2/(CO+CO2) Теоретическая температура горения, Ттг
0,66 -0,74 1380 -1440 35,83 -46,27 11,1713,02 > 43,14 2040-2260
Формула расчета теоретической температуры горения:
Ттг = 2405 + 0,75 (Тд -1200) - 5,4 Ж + + 43 (О2 - 21) - 52 бПг;
где Тд - температура дутья, °С; Ж - влажность дутья, г/м3; 02 - содержание кислорода в дутье, %; Qпг - объёмный расход природного газа, %. Влажность дутья Ж определяется по формуле
1000С
ж = Ф0 +-,
бд ,
где фо - естественная сезонная влажность дутья, г/м3; О - расход массовый пара на увлажнение дутья, кг/мин; Qд - объёмный расход дутья, м3/мин [7].
Кроме ограничений на технологические параметры доменного процесса в предложенной методике для определения области высокого качества доменного процесса используется дополнительно обобщенный целевой показатель, определяющий области повышенной эффективности режимов доменного процесса.
Обобщенный целевой показатель авторами определяется на основе линейной свертки частных показателей производительности и удельного расхода кокса. С этой целью данные показатели нормируются:
П
П
чср
В
кср
где пч - относительная производительность по чугуну; Пч - текущая производительность ДП по чугуну, т/сут.; Пчср - средняя производительность
вк =
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 2
по чугуну, т/сут.; Вк- текущий удельный расход кокса, кг/т; Вкср- средний удельный расход кокса, кг/т; вк - относительный удельный расход кокса.
Обобщенный целевой показатель:
эц _ аппч + аквк ,
ап ,ак > 0, ап + ак = 1,
где ап, ак - веса частных показателей п и к соответственно в составе обобщенного целевого показателя, отражающие важность учета производительности и экономии кокса в составе общего целевого показателя.
Совместное нахождение областей высокого качества технологического процесса и областей повышенной эффективности режимов доменного процесса на основе использования обобщенного целевого показателя определяет области высокой эффективности ведения доменного процесса.
Пример применения параметров предельных состояний и их влияние на эффективность доменного процесса
Для повышения эффективности работы печи используются реальные данные эксплуатации для дополнения технологического расчета доменного процесса. Результативность анализа проиллюстрируем на примере. С помощью параметров теплового состояния находим эффективные режимные параметры, чтобы определить область высокого качества. Предположим, что повышение качества выбирается на основе расчета эффективности доменного процесса при наличии текущих данных производительности и расхода кокса.
В работе введен метод многомерных значений разложения областей эффективных параметров доменной печи, используя двумерные поперечные сечения и их аналитическое представление на эллиптических областях второго порядка.
Области эффективных рабочих параметров определяются настройками целевых индикаторов доменной печи, таких как производительность, потребление кокса, теоретическая температура горения, индикаторы теплового состояния печи (содержание кремния чугуна, титановый модуль, использование доменного газа и т. д.)
[9, 10].
При данных условиях на рис. 1 представлены реальные статистические данные значений режимных параметров доменного процесса (в течение 603 сут.).
На рис. 1 а показаны области высокого качества при = 0,5; = 0,5, а на рис. 1 б при = 0,7, = 0,3, на рис. 1 в при = 0,3; = 0,7. Для получения результатов анализа мы изучили данные не только по эффективности (в зависимости от X), но еще аналогично табл. 1 ограничение на область высокого качества, то есть в зависимости от теплового состояния печи. При данных условиях на рис. 1, 2 представлены реальные статистические данные значений режимных параметров доменного процесса. 1,0
Й 0,9 я
I 0,8
О
0,6
4200 4400 4600 4800 5000 5200 5400 5600 Пр-во чугуна в номинал сутки а
%
а
и «
о О
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6
4200 4400 4600 4800 5000 5200 5400 5600
Пр-во чугуна в номинал сутки б
1,0
м 0,9
й
И 0,8
5Т
«
о
О 0,7
0,6
I V, t • —
■ • V
4200 4400 4600 4800 5000 5200 5400 5600 Пр-во чугуна в номинал сутки в
Рис. 1. Зависимость производительности чугуна от
содержания Si в чугуне: а - при Ал, ta = 0,5; б - при = 0,7 и А2 = 0,3; в - при А1 = 0,3 и А2 = 0,7 / Fig. 1. The dependence of the iron productivity on the Si content in the pig iron: а - at А1, А2 = 0,5; б - at А1 = 0,7 and А2 = 0,3; в - at ta=0,3 and fo=0,7
На рис. 1, 2 точками показана пониженная эффективность ведения доменного процесса, отличающегося высоким расходом кокса и
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 2
пониженной выработкой чугуна. Квадратами представлены области средней эффективности, треугольниками выделены области, соответствующие данным высокой эффективности доменной плавки и высокому качеству ведения доменного процесса. Для графического представления областей с высокой эффективностью и качеством полученные точки вписывают в эллипсы.
На рис. 1 области высокой эффективности доменного процесса и высокого качества совместны и выделены эллипсом, при изменении значения и меняется лишь их наклон.
На рис. 2 а в области высокого качества с уменьшением истираемости кокса (М10) производительность увеличивается, а расход кокса уменьшается.
Согласно рис. 2 б в области высокого качества с увеличением дробимости кокса (М25) производительность увеличивается, а расход кокса уменьшается.
Сравнение рис. 1 , 2 позволяет сделать следующий вывод.
Области эффективных рабочих параметров определяются настройками целевых индикаторов доменной печи, таких как производительность, потребление кокса, теоретическая температура горения, индикаторы теплового состояния печи (содержание кремния чугуна, титановый модуль, использование доменного газа и т. д.).
Прогнозирование динамики режимных параметров, динамики изменения индикаторов теплового состояния печи, изменение параметров дутья и загрузки шихтовых материалов позволяет мастеру стабилизировать доменный процесс в эффективной области их значений.
В результате применения указанного анализа достигается выведение режимных параметров доменного процесса в эффективную область значений повышенной производительности и снижение потребления кокса при значительных изменениях исходных параметров шихты, которые обусловлены использованием шихтовых материалов от разных поставщиков.
Анализ, проведенный в данной работе на основе построения областей высокого качества в пространстве параметров теплового состояния печи, показывает влияние этих параметров на эффективность доменной печи. Результаты проведенного анализа можно использовать для построения алгоритмов автоматизированной системы управления режимами работы доменной печи с целью повышения производительности ДП и снижения расхода кокса.
10,0
9,5
5 9,0 о
й
& 8,5
S >
К
8,0
420 430 440 450 460 470 480 Расход кокса скипового фр. 40
10,0
S 9,5
S 9,0
CP
g 8,5
Н '
К
89 88
о о
5 87 я
ю о
« 86
85
я
ю
о &
tí
т
8,0
4200 4400 4600 4800 5000 5200 5400 Пр-во чугуна в номинал сутки
420 430 440 450 460 470 480 Расход кокса скипового фр. 40
89 88 87
86 85
4200 4400 4600 4800 5000 5200 5400 5600 Пр-во чугуна в номинал сутки
б
Рис. 2. Зависимости производительности чугуна и
расхода кокса: а - от М10; б - от М25/ Fig. 2. Dependence of cast iron productivity and coke consumption: а - оп М10; б - оп М25
а
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 2
Заключение
Предложенную методику предлагается использовать в режиме советчика мастеру для нахождения рекомендуемых диапазонов управляемых и неуправляемых параметров, а также основных технологических факторов доменного процесса, соответствующих области высокой эффективности и высокого качества по тепловому состоянию.
Литература
1. Товаровский И.Г. Доменная плавка: 2-е изд. Дшпропетровськ: «ПОРОГИ», 2009. 768 с.
2. Паршаков В.М. Автоматизированная система оптимизации доменной плавки / Сталь. 2004. № 3. С. 7 - 13.
3. Логинов В.И., Глушенко И.М., Бехтер Е.И. Повышение эффективности использования кокса в народном хозяйстве. М.: Металлургия, 1986. 160 с.
4. Паршаков В.М. Непрерывный контроль радиального газораспределения в доменных печах / Сталь. 1988. № 12. С. 15 - 18.
5. Товаровский И.Г. Совершенствование и оптимизация параметров доменного процесса. М.: Металлургия, 1967. 387 с.
6. Волков Ю.П., Шпарбер Ю.П., Гусаров А.К. Технолог-доменщик. М.: Металлургия, 1986. 263 с.
7. Фиалков Б.С., Плицын В.Т. Кинетика движения и характер горения кокса в доменной печи. М.: Металлургия, 1971. 288 с.
8. Казаринов Л.С., Барбасова Т.А., Мохсен Х.М. Метод эффективного управления доменным процессом на основе кластерного анализа // Вестн. ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». 2016. Т. 16, № 2. С. 164 - 169.
9. Kazarinov L.S., Shnayder D.A., Barbasova T.A. [et al.]. A Model Predictive Approach to Blast Furnace Operational Management Automation // Вестн. ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». 2016. Т. 16, № 4. С. 36 - 49.
10. Полянский ГА., Набока В.И., Фоменко А.П., Крутас Н.В. Математическая модель контроля и прогнозирования хода доменного процесса // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: сб. науч. тр. Днепропетровск, 2008. № 16. С. 361 - 371.
References
1. Tovarovskii I. G. Domennayaplavka [Blast smelting]. 2-e izd. Dmpropetrovs'k: POROGI, 2009, 768 p.
2. Parshakov V.M. Avtomatizirovannaya sistema optimizatsii domennoi plavki [The automated system of blast furnace optimization]. Stal', 2004, no.3, pp. 7 - 13.(In Russ.)
3. Loginov V.I., Glushenko I.M., Bekhter E.I. Povyshenie effektivnosti ispol'zovaniya koksa v narodnom khozyaistve [Improved utilization of coke in national economy]. Moscow: Metallurgiya, 1986. 160 p.
4. Parshakov V.M. Nepreryvnyi kontrol' radial'nogo gazoraspredeleniya v domennykh pechakh [The continuous control of the radial gas distribution in blast furnaces]. Stal', 1988, no.12, pp. 15 - 18. (In Russ.)
5. Tovarovskii I.G. Sovershenstvovanie i optimizatsiya parametrov domennogo protsessa [Perfection and optimization of blast furnace parameters]. Moscow: Metallurgiya, 1967, 387 p.
6. Volkov Yu.P., Shparber Yu.P., Gusarov A.K. Tekhnolog-domenshchik [Technologist Blast furnace men]. Moscow: Metallurgiya, 1986. 263 p.
7. Fialkov B.S., Plitsyn V.T. Kinetika dvizheniya i kharakter goreniya koksa v domennoi pechi [ Kinetics of motion and character coke combustion in blast furnace]. Moscow: Metallurgiya, 1971, 288 p.
8. Kazarinov, L.S. , Barbasova T.A. , Mokhsen Kh.M. Metod effektivnogo upravleniya domennym protsessom na osnove klasternogo analiza [An Efficient Control Method for Furnace Process Based on Cluster Analysis].Vestnik YuUrGU, ser. Komp'yuternye tekhnologii,upravlenie, radioelektronika = Bulletin of the South Ural State University, ser. Computer Technologies, Automatic Control, Radio Electronics, 2016, vol. 16, no. 2, pp. 164 - 169. (In Russ.)
9. Kazarinov L.S. , Shnayder D.A., Barbasova T.A. Model Predictive Approach to Blast Furnace Operational Management Automation. Vestnik YuUrGU, ser. Komp'yuternye tekhnologii,upravlenie, radioelektronika = Bulletin of the South Ural State University, ser. Computer Technologies, Automatic Control, Radio Electronics, 2016,vol. 16, no. 4, pp. 36 - 49. (In Russ.)
10. Polyanskii G.A., Naboka V.I., Fomenko A.P., Krutas N.V. Matematicheskaya model' kontrolya i prognozirovaniya khoda domennogo protsessa [Mathematical Model of Control and Forecasting of the Course of Blast-furnace Process] . Fundamental'nye i prikladnye problemy chernoi metallurgii: sb. nauch. tr. [Fundamental and Applied Problems of Ferrous Metallurgy: Proceedings Collection]. Dnepropetrovsk, 2008, no. 16, pp. 361 - 371. (In Russ.)
Поступила в редакцию /Receive 2 7 сентября 2017 г. /September 2 7, 2017
