авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Управление процессом электролитического получения алюминия с использованием алгоритма расчета ненаблюдаемых параметров

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ПЕТРОВ Павел Андреевич

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛГОРИТМА РАСЧЕТА НЕНАБЛЮДАЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ

Специальность 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (металлургия)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Юрий Васильевич Шариков

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Педро Анатолий Александрович

кандидат технических наук, доцент

Балыбердин Леонид Леонидович

Ведущая организация: кафедра математического моделирования и оптимизации химико-технологических процессов Санкт-Петербургского государственного технологического института СПбГТИ (ТУ)


Защита диссертации состоится 17 декабря 2009 г.,
в 17 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 2203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В. Плеханова (технического университета).

Автореферат разослан 16 ноября 2009 года.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н. В.Н. БРИЧКИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Процесс электролитического производства алюминия составляет основу современной электрометаллургии алюминия и заключается в электролизе глинозема, растворенного в расплавленном криолите (способ Эру-Холла) с выделением на катоде металлического алюминия и газообразных продуктов на аноде.

Электролизеры для производства алюминия, как и многие другие высокотемпературные агрегаты, характеризуются недостаточным объемом измеряемых переменных состояния вследствие агрессивности среды протекания электролиза и большого количества однотипных объектов управления. Эта особенность не позволяет рассматривать данный класс объектов как полностью наблюдаемый, и, следовательно, не полностью управляемый, и создает значительные трудности для создания систем управления такими объектами.

Огромный вклад в развитие и совершенствование алгоритмов управления объектами алюминиевой промышленности внесли специализированные научно-исследовательские и проектные организации, среди них «ВАМИ», «СибВАМИ», «Цветметавтоматика», «Союзцветметавтоматика» и др. Хорошо известны работы и достижения в этой области таких крупных специалистов как Н. А. Калужский, М. М. Ветюков, Ю. В. Борисоглебский, А. М. Цыплаков, А.И. Бегунов, М.В. Левин и ряд других ученых.

В то же время широко применяемый подход к управлению высокотемпературными агрегатами носит статистический характер, что ограничивает область применения такого подхода диапазоном изменения управляемых переменных при сборе статистических данных. В связи с этим возникает необходимость поиска новых способов создания алгоритмов управления групповыми высокотемпературными объектами, в частности, электролизерами, что будет способствовать росту эффективности управления ими.

Особое значение такая разработка имеет для повышения качества управления алюминиевыми электролизерами на предприятиях с исторически сложившейся структурой использования электролизеров относительно невысокой мощности и нуждающимися в модернизации применяемых систем управления.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетной тематикой НИР СПГГИ (ТУ) по теме 6.30.020. «Разработка систем управления сложными техническими объектами с использованием математических моделей в контуре управления» (I кв. 2008 – IV кв. 2010 гг.), а также в рамках проекта № РНП.2.2.2.3.16112 по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)».

Цель диссертационной работы – повышение качества функционирования электролизеров для получения алюминия на основе модернизации систем управления технологическими процессами.

Идея работы – создание детальной математической модели, позволяющей рассчитывать все переменные состояния объекта управления в объеме, достаточном для расчета критерия качества управления, за счет перевода этого объекта в класс полностью наблюдаемых.

Задачи исследований:

  • анализ современных систем управления технологическими процессами в электролизерах алюминиевого производства;
  • установление функциональных зависимостей между измеряемыми и неизмеряемыми переменными, которые могут быть использованы в алгоритмах управления технологией получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава;
  • разработка детальной математической модели, отражающей установленные зависимости между переменными;
  • синтез усовершенствованных алгоритмов управления электролитическим получением алюминия;
  • имитационное моделирование подсистемы нижнего уровня системы управления с использованием математической модели работы объекта, позволяющее проверить предложенные алгоритмы.

Научная новизна работы.

1. Установлено, что применение в системе управления математической модели, построенной на основе знаний о протекающих технологических процессах, позволяет перевести электролизер для получения алюминия, как объект управления, в наблюдаемое состояние. При этом появляется возможность аналитического учета неизмеряемых переменных состояния (температура, содержание глинозема и фтористых солей в электролите, сопротивление электролита и междуполюсное расстояние) как функции рабочего напряжения и силы тока.

2. Научно обосновано, что повышение качества управления процессом электролитического получения алюминия обеспечивается учетом в алгоритмах нижнего уровня множественной зависимости неизмеряемых переменных состояния и корректировкой управляющих воздействий на верхнем уровне. Уточнение управляющих воздействий и параметров модели на верхнем уровне осуществляется по результатам расчета трехмерных физических полей электролизера.

3. Использование экспериментально установленных значений температуры плавления и кристаллизации реальных промышленных электролитов в математической модели является существенным фактором отработки управляющих воздействий.

Практическое значение работы.

1. Разработана структура трехуровневой системы управления процессом электролитического получения алюминия, учитывающая неизмеряемые переменные состояния, и определены функции каждого уровня, что позволяет использовать ее для большого класса модельных объектов.

2. Создана программа для расчета электролизера с обожженными анодами, позволяющая определять основные конструктивные параметры электролизера, свойства электролита и металла, составлять материальный, электрический и тепловой балансы электролизера и служащая для задания исходных данных, начальных условий и ограничений в математическую модель.

3. Построена трехмерная модель электролизера на силу тока 80-100 кА с обожженными анодами для решения задачи выработки корректирующих воздействий, передаваемых на нижний уровень управления.

4. Научные результаты работы включены в курсы металлургического факультета СПГГИ (ТУ) для студентов специальностей «Автоматизация технологических процессов и производств» и «Металлургия цветных металлов».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Нахождение по измеряемым технологическим параметрам (сила тока и напряжение) неизмеряемых рабочих показателей электролизера (температура расплава, содержание глинозема и фтористых солей в электролите, сопротивление электролита и междуполюсное расстояние), имеющих существенное значение для управления процессом получения алюминия, можно производить на основе математической модели, включенной в контур управления.

2. Повышение критерия качества управления процессом электролитического получения алюминия (технологической составляющей себестоимости) обеспечивается применением распределенной системы управления, на нижнем уровне которой в реальном времени рассчитываются и поддерживаются на оптимальном уровне неизмеряемые переменные состояния, которые передаются на верхний уровень, где производится численный расчет физических полей электролизера по его трехмерной модели и корректировка управляющих воздействий, передаваемых на нижний уровень управления.

Методика исследований. Работа выполнена с использованием комплекса методов, включающего системный анализ задачи на основе исследований российских и зарубежных ученых; патентно-информационный анализ; теоретические, натурные и компьютерные методы изучения электролитического получения алюминия и управления процессом электролиза с применением стандартного и специального программного обеспечения.

В работе использованы методы компьютерного моделирования и современные исследовательские комплексы термического анализа.

Достоверность научных результатов обоснована лабораторными экспериментальными исследованиями и совпадением полученных результатов с литературными данными и материалами обследования промышленных объектов.

Апробация работы. Содержание и основные положения работы докладывались на семинаре «Промышленные печи и высокотемпературные реакторы» (ВО «РЕСТЭК», Санкт-Петербург, 2006, 2007, 2009); конференции «Асеевские чтения» (Санкт-Петербург, 2006); научно-технических конференциях молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) – Санкт-Петербург, 2006, 2007, 2008; семинарах кафедры автоматизации технологических процессов и производств СПГГИ (ТУ), на семинарах для стипендиатов российско-германских программ «Михаил Ломоносов» и «Иммануил Кант» (Бонн, Германия, 2008; Москва, 2009).

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, из них 1 в издании, рекомендованном ВАК Минобрнауки России.

Личный вклад автора.

Автор самостоятельно выполнил:

  • постановку задач и разработку общей методики исследований;
  • анализ современных систем управления технологических процессов в электролизерах алюминиевого производства;
  • лабораторные эксперименты на новом оригинальном оборудовании по изучению температуры плавления и кристаллизации реального образца промышленного электролита алюминиевого электролизера;
  • разработку математической модели алюминиевого электролизера;
  • построение трехмерной геометрии алюминиевого электролизера;
  • математическое моделирование алгоритмов управления технологическим процессом производства алюминия.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Содержит 190 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 130 наименований и приложений на 19 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрена технология производства алюминия, приведена характеристика электролизера как объекта управления, проанализированы современные системы управления технологическими процессами в электролизерах алюминиевого производства, способы контроля и управления, управляющие воздействия.

Во второй главе приведена методика составления конструктивного расчета, дано описание математической модели протекающих в электролизере процессов, позволяющей рассчитывать непосредственно не измеряемые переменные состояния.

Третья глава посвящена экспериментальному изучению температуры плавления и кристаллизации промышленного электролита алюминиевого электролизера. Определены характерные температуры плавления образца и построены кривые изотермического охлаждения электролита, установлено влияние температурного режима процесса на качественные характеристики расплава и условия образования гарнисажа и настыли. Построена трехмерная геометрия электролизера с обожженными анодами, позволяющая проводить расчеты физических полей электролизной ванны.

В четвертой главе описываются алгоритмы системы управления алюминиевым электролизером на базе математической модели процессов получения алюминия. Представлена структура системы управления и проведен анализ результатов влияния управляющих воздействий на поведение объекта управления на основе имитационного моделирования нижнего уровня управления. Предложены рекомендации по использованию разработанных алгоритмов управления и модели электролизера.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Нахождение по измеряемым технологическим параметрам (сила тока и напряжение) неизмеряемых рабочих показателей электролизера (температура расплава, содержание глинозема и фтористых солей в электролите, сопротивление электролита и междуполюсное расстояние), имеющих существенное значение для управления процессом получения алюминия, можно производить на основе математической модели, включенной в контур управления.

В настоящее время на предприятиях алюминиевой промышленности применяются электролизеры различных типов и мощностей, но с общей для них чертой, заключающейся в недостаточном количестве измеряемой информации. Это делает такие объекты не полностью наблюдаемыми.

Предлагается подход к управлению таким технологическим процессом, как электролитическое получение алюминия, на основе детальной математической модели, позволяющей рассчитывать все переменные состояния в объеме, достаточном для определения критерия качества управления. Введение такой модели в контур управления дает возможность перевести их в класс полностью наблюдаемых, а, следовательно, и управляемых, и создать алгоритм оптимального управления по сформулированному критерию качества.

В процессе электролитического получения алюминия в электролизной ванне динамически изменяется состав электролита из-за прихода и расхода веществ, составляющих электролит (глинозем, криолит, фториды алюминия, кальция, магния). При математическом описании предполагается, что при вводе компонентов в электролит не происходит образования осадка, и эти компоненты распределены равномерно по всему объему электролита. Исходя из этого, электролизер может быть представлен моделью идеального перемешивания, которая эквивалентна инерционному звену первого порядка, описываемому уравнением материального баланса по i-му компоненту расплава:

, (1)

где – масса жидкого электролита, кг; – концентрация компонента в электролите, массовые доли, кг/кг(электролита); – приход загружаемого компонента, кг/с; – коэффициент расхода компонента, кг/кг(алюминия); – электрохимический эквивалент алюминия, кг/(Ас); – сила тока, А; – выход по току, доли. ед.

Масса жидкого электролита не постоянна во времени, так как изменяются его компоненты: глинозем с массовой концентрацией , фторид алюминия , фториды кальция , лития , магния , а также добавка криолита . Количество электролита также зависит от величины расплавляемого или образующегося гарнисажа .

Уравнения массы электролита и алюминия в ванне электролизера записаны в следующем виде:

, (2)
, (3)

где – изменение массы алюминия при отборе его из ванны, кг/с.

Теплообмен в электролизере имеет распределенный в пространстве характер. Однако, принимая во внимание отсутствие в системе контроля и управления замера распределенных параметров состояния и распределенных в пространстве управляющих воздействий, можно считать адекватной тепловой моделью электролизера модель с сосредоточенными параметрами:

, (4)

где – температура электролита, 0С; – теплоемкость электролита, кДж/(кг·К); – греющее напряжение, В; – тепло экзотермических реакций, – затраты энергии на эндотермические реакции; – тепловые потери через конструктивные поверхности.

Тепловые потери конструктивными элементами электролизера рассчитаны с условием изменяющейся толщины гарнисажа и с учетом влияния всех видов теплообмена: теплопроводности, конвекции и теплового излучения.

Температура электролита найдена по температуре кристаллизации и температуре перегрева электролита, который должен находится на уровне 7-10°С. Для многокомпонентной смеси температура начала кристаллизации определена по приближенному уравнению Хаупина:

, (5)


Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.