Поддержка принятия решений в управлении процессом восстановления титана Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 669.295.681.5

Кирин Юрий Петрович

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Березниковский филиал

klu2010@mail.ru

Краев Сергей Львович

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Березниковский филиал

ksl63@mail.ru

Яковлев Владимир Викторович

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Березниковский филиал

yvvhome@mail.ru

ПОДДЕРЖКА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В УПРАВЛЕНИИ ПРОЦЕССОМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИТАНА

В статье предложен способ снижения энергозатрат процесса восстановления титана, основанный на передаче тепла из зоны экзотермической реакции в зоны подогрева аппарата восстановления. Сформулирован критерий энергозатрат зон подогрева. Рассмотрен алгоритм поддержки принятия решений, обеспечивающий энергосберегающее управление зонами подогрева аппарата восстановления.

Ключевые слова: процесс восстановления титана, экзотермическая реакция, энергозатраты, зоны подогрева, энергосберегающее управление.

Восстановление тетрахлорида титана магнием - высокотемпературный экзотермический процесс, основанный на реакции химического превращения:

Т1С14 + 2Mg = Т + 2MgCl2 + 519 кДж.

Процесс проводят в герметичном реакторе в атмосфере инертного газа. Выделяемое тепло отводят направленным потоком воздуха, подаваемым в зону экзотермической реакции вентилятором. Соседние с зоной экзотермической реакции нижняя и верхняя части реактора подогреваются для поддержания в жидком (расплавленном) состоянии магния и хлорида магния. Подогрев осуществляется нихромовыми нагревателями [1].

Анализ теплового баланса процесса восстановления показывает, что при воздушном охлаждении теряется значительная часть тепла экзотермической реакции (26,1%). Много энергии расходуется на подогрев нижней и верхней зон реактора (22,8%). Поэтому для снижения энергозатрат процесса восстановления целесообразно подогревать нижнюю и верхнюю зоны, используя теплоту экзотермической реакции.

Известен способ снижения энергозатрат, основанный на передаче тепла из зоны экзотермической реакции в зоны аппарата восстановления, требующие подогрева, с помощью теплообменника с межканальной транспирацией воздуха [2]. Применение теплообменника с межканальной транспирацией воздуха существенно усложняет конструкцию аппарата восстановления. Это обстоятельство ограничивает возможность использования данного способа в промышленном производстве губчатого титана.

Решение проблемы снижения энергозатрат значительно упрощается, если информацию о количестве передаваемого в зоны подогрева тепла экзотермической реакции извлекать из динамики позиционного регулирования температуры зон подо-

грева. В данном случае задача энергосберегающего управления состоит в поддержании такого температурного режима зоны экзотермической реакции и зон подогрева, при котором из зоны экзотермической реакции в зоны подогрева передаётся наибольшее количество тепла. Для этого в зонах подогрева измеряют параметры автоколебаний тем-

Рис. 1. Алгоритм энергосберегающего управления процессом восстановления

14

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 4, 2012

© Кирин Ю.П., Краев С.Л., Яковлев В.В., 2012

Твклп (Др) ^выклп (Д^р)

зоны подогрева хтп, то есть изменяется в диапазоне 0 < Дхр (/)< хтп. Установлено, что наиболее информативными параметрами автоколебаний температуры, характеризующими Дхр (t), являются

время включения Гвклп (Др ) и время выключения

^ынт (Д^р) нагревателя зоны подогрева. При этом

в процессе поступления Дхр (t) в зону подогрева

первый параметр уменьшается, второй возрастает. В данном случае в качестве критерия энергозатрат зоны подогрева целесообразно использовать величину отношения Г (Дх ) /Г (Дх ) [4].

^ вклп \ р / выклп у р / 1 J

Рис. 2. Изменение отношения Гвклп (Дгр) / Твыклп (Дхр) в процессе поступления в зону подогрева тепла экзотермической реакции

пературы (амплитуды отклонений температуры от заданных значений, время включения и выключения нагревателей) и по их изменению идентифицируют количество передаваемого в зоны подогрева тепла. Результаты идентификации используют для корректировки в позиционных регуляторах заданных значений температуры зоны экзотермической реакции и зон подогрева [3].

В общем случае алгоритм энергосберегающего управления температурой зоны экзотермической реакции и одной из зон подогрева может быть представлен в виде, изображенном на рисунке 1.

Рассмотрим процесс передачи тепла из зоны экзотермической реакции в зону подогрева промышленного аппарата восстановления, анализируя характер изменения параметров автоколебаний температуры зоны подогрева. Очевидно, что энергозатраты зоны подогрева снижаются в том случае, если передаваемое из зоны экзотермической реакции тепло Д.гр ^) компенсирует тепловые потери

Рис. 3. Алгоритм поддержки принятия решений в управлении процессом восстановления

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 4, 2012

15

PDIN 02

T askPeriod

>

21

OUTD

I '.Г^- -Є --------------------------------С

1

PDS Ш

In Period

ІгіТ ashCycle □ utO n P Є1 ce nt

CuiOff Percent

DIV 02

3C0CS

]

15

SS

2 DIV ...

SourceA Dest

Source^

0.18

а)

In

1

CutCffPercent (%) CutCnPercent (%)

Feriod t

0

б)

Рис. 4 Схема измерения критерия энергозатрат зоны подогрева а - программная реализация схемы; б - диаграмма состояний инструкции «PDS».

OUT.O - входное состояние; TaskPeriod - время цикла программы; PDS «Period Discret State» - инструкция, определяющая период (мс) «Period» и проценты «OutOnPercent, OutOffPercent» нахождения бита «In» в состоянии «1» и «0»; DIV «Divide» -инструкция делит «SourceA» на источник «SourceB» и помещает результат в «Dest»; вспомогательный тег «InTaskCycle» необходим для корректного определения периода переключения бита «In».

В работе [3] получена зависимость, связывающая это отношение и Дгр (^) (рис. 2).

Как видно из рисунка, величина отношения и, следовательно, энергозатраты зоны подогрева

снижаются с увеличением Дгр (^). Так, например, она составляет 0,18 при Дгр^) =0; 0,04 при Дгр ^) = 15 кВт; 0 при Дхр () = хтп = 21 кВт. В последнем случае Дхр ^) компенсирует хтп. Данная

зависимость дает возможность технологу - лицу, принимающему решение (ЛИР), - контролировать и при необходимости корректировать по величине

отношения Г (Д. )/Г (Дх ) количество по-

вклп р выклп р

ступающего в зону подогрева тепла экзотермической реакции, то есть корректировать энергозатраты зоны подогрева в системах ситуационного управления [5].

Определение в реальном времени значения критерия энергозатрат зон подогрева обеспечивает информационную поддержку решений ЛПР в управлении процессом восстановления (рис. 3). Принимаемые в данном случае решения о корректировке заданных значений температуры зоны экзотермической реакции и зоны подогрева основываются на собственном понимании ЛПР технологического процесса и опыта управления им.

Текущее значение критерия энергозатрат измеряют в ходе процесса восстановления с помощью программируемого логического контроллера ControlLogix в среде разработки RSLogix 5000 на языке FBD (рис. 4).

На практике заданные значения позиционных регуляторов температуры зоны экзотермической реакции, нижней и верхней зон подогрева назначаются ЛПР из условия минимума энергозатрат [3],

при котором AZp () компенсирует хтп, то есть

д!™ [Твклп (Ар) / Твыклп (Ар)] = 0 .

Выполнение этого условия обеспечивает энергосберегающее управление температурой зон подогрева аппарата восстановления и снижение энергозатрат процесса восстановления на 120-150 кВт/ч на тонну получаемого губчатого титана.

Библиографический список

1. ТарасовА.В. Металлургия титана. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. - 328 с.

2. Затонский А.В. Передача тепла из зоны реакции в зону подогрева аппарата восстановления титана // Наука в решении проблем Верхнекамского промышленного региона: сб. науч. трудов. - Березники: БФ ПГТУ, 1998. - Вып. 1. - С. 41-46.

3. Кирин Ю.П., Затонский А.В., Беккер В.Ф., Бильфельд Н.В. Энергосберегающее управление температурой процесса восстановления титана // Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-20: сб. трудов 20-й Международной научн. конф. - Ярославль: ЯГТУ, 2007. - Т. 7. - С. 260262.

4. Патент 2179597 РФ. Способ регулирования температурного режима процесса получения губчатого титана / Ю.П. Кирин, Н.А. Носков, Д.А. Рымкевич и др. // БИ. - 2002. - №5.

16

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 4, 20і2

5. Кирин Ю.П., Краев С.Л. Ситуационное уп- тана // Промышленные АСУ и контроллеры. -

равление процессами производства губчатого ти- 2011. - № 11 - С. 6-11.

УДК 581.55 03.02.08

Немчинова Анна Викторовна

Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова

neman vic@rambler. ru

Петухов Илья Николаевич

Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова

xen8787@mail.ru

Кощеева Анна Сергеевна

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Anna.Koscheeva@erm.com

Хорошев Александр Владимирович

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

akhorosh@orc.ru

Иванова Наталья Владимировна

Пущинский государственный естественнонаучный институт

natalya. dryomys@gmail. com

ЭКОЛОГО-ЦЕНОТИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ СВОЙСТВ ЮЖНОТАЕЖНЫХ ЛАНДШАФТОВ НА ПРИМЕРЕ ЛЕСОВ ЗАПОВЕДНИКА «КОЛОГРИВСКИЙ ЛЕС»*

На примере ландшафтов заповедника «Кологривский лес» проверяется значимость факторов среды для формирования растительности с участием широколиственных пород деревьев и неморальных видов травянистых растений в лесных сообществах.

Ключевые слова: эколого-ценотическая структура, фитохоры, почвенный анализ, ландшафты Костромской области, заповедник «Кологривский лес».

Согласно современной системе классификации и картирования растительности, территория Костромской области относится к бореально-неморальной лесорастительной полосе [1]. Леса ядра заповедника «Кологривский лес», принятые за эталон коренных южнотаежных плакорных ельников, характеризуются многими признаками (субклимаксовых) лесов бореально-не-моральной зоны [1], приурочены к ландшафту с чехлом покровных пылеватых суглинков [4]. Наличие чехла лессовидных отложений моренных ландшафтов со средними или тяжелыми суглинками на поверхности обеспечивает формирование ареалов пихтово-еловых лесов с участием широколиственных пород и видов неморальной эколо-го-ценотической группы (ЭЦГ) травяного яруса [4]. Кроме влияния эдафических факторов высока роль антропогенного фактора [5]. В результате смены эдификаторов после сплошной вырубки или пожара возрастает доля растительных сообществ с преобладанием бореальных видов [2]. Остается пока невыясненным, является ли Кологривский лес своеобразным экстразональным ландшафтом, в котором высокий процент неморальных видов - результат восстановительной сукцессии, связанной со спецификой относительно богатых почвообразующих отложений, либо он представляет собой при-

родный действительно малонарушенный южнотаежный ландшафт.

Цель исследования - на примере лесов заповедника «Кологривский лес» выяснить, может ли неморальный характер эколого-ценотической структуры (ЭЦС) растительных сообществ южной тайги достоверно выступать индикатором определенных свойств ландшафта. В 2011 г. на территории заповедника «Кологривский лес» в Костромской области в бассейне реки Вонюх выполнены геобо-танические и ландшафтные описания (75) на двух отличных по характеру и степени антропогенной нарушенности участках - в коренных лесах ядра заповедника «Кологривский лес» (естественные урочища) и на участке лесов, пройденных рубками 30-85-летней давности на разных стадиях восстановительной сукцессии (вырубленные урочища). Урочища обоих участков отнесены к ландшафту моренной холмистой лессово-суглинистой равнины, границы которой установлены по классификации космического снимка Ландсат-7. Для сравнительного анализа привлечено 103 геоботанических описания 2001 г. во вторичных лесах соседнего ландшафта водноледниковой пологохолмистой песчано-суглинистой равнины, в бассейне реки Пон-га. Наличие и теснота связей измеренных свойств ландшафтов оценивались расчетами коэффициен-

* Исследования поддержаны грантом РФФИ 11-05-00954-а.

Экспедиция организована Государственным природным заповедником «Кологривский лес».

© Немчинова А.В., Петухов И.Н., Кощеева А.С., Хорошев А.В., Иванова Н.В., 2012

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 4, 2012

17