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