Система управления электронагревом барабанной печи в электротехническом комплексе производства безводного фтороводорода

Актуальность работы.

Соединения фтора имеют большое практическое значение. Фтороводо-род применяется для получения фторорганических соединений, используется в производстве фторопластов, металлургии редких металлов, а также как травильный агент — при обработке поверхности некоторых металлов. Наибольшее количество безводного фтороводорода (БФВ) расходуется на производство элементарного фтора, фтороуглеродов, синтетического криолита.

Исторически технология производства фтора получила своё развитие с развитием ядерной энергетики. Фтор служит как фторирующий элемент при получении и аффинаже ядерного горючего [1, 11, 21]. Это связано с тем, что фтор образует устойчивое газообразное соединение с ураном — UF6, которое легко может быть переведено в жидкое или твердое состояние (температура возгонки 56 °C при атмосферном давлении).

Соединения фтора широко применяются как вещества с высокой химической стойкостью и электроизоляционными свойствами (фторопласты). Фториды инертных газов являются сильными окислителями и используются в качестве компонентов ракетного топлива. Также фтор широко применяется в электронной промышленности. Поскольку использование фторосодержа-щих хладонов не приводит к разрушению атмосферы, разрабатывается вопрос о применении фторосодержащих органических соединений для изготовления искусственной крови и других биоматериалов.

В промышленных масштабах элементарный фтор получают путем электролиза электролита на основе безводного фтороводорода. В связи с этим роль и значение производства безводного фтороводорода растет с каждым годом.

Промышленный способ производства фтороводорода основан на разложении флюоритового концентрата (ФК) с содержанием CaF2 95−99% серной кислотой во вращающихся барабанных печах с внешним электронагревом. С растущими с каждым годом требованиями к экономической эффективности производства фтороводорода, вызванными ростом цен на сырье и рабочую силу, возникает потребность в улучшении качества протекания технологического процесса и увеличении межремонтного цикла технологического оборудования путем создания автоматизированной системы управления, позволяющей вести технологический процесс в оптимальном режиме.

В работах [2, 4, 8, 17, 26, 31, 33, 42] отмечено, что для качественного протекания процесса разложения ФК необходимо соблюдать жесткие требования, предъявляемые к температупным режимам технологического аппарата производства фтороводорода. Степень разложения исходных компонентов реакционной (PC) зависит от величины теплового потока и своевременного его воздействия на барабанную печь [8, 16, 17, 43]. Температура PC зависит от многих факторов, в том числе от температуры в зонах обогрева и среднего времени пребывания смеси в печи. В свою очередь, время пребывания PC в печи находиться в определённой зависимости от скорости вращения наклонного барабана. Ошибки управления электротехническим комплексом барабанной печи приводят как к экономическим потерям в виде высокой концентрации исходных реагентов в отвале, так и ухудшению экологических показателей производства в связи в высокой токсичностью исходных реагентов и продуктов реакции в отвале. Необходимо отметить, что избыточный нагрев PC приводит к спеканию ФК и испарению серной кислота, а как следствиек загрязнению выходного продукта. [40, 44,46].

В [3, 8, 9, 31, 32, 33] авторы разбивают систему управления технологическим аппаратом печи разложения ФК на две подсистемы: дозирования и управления тепловым режимом. Автоматизированная система управления подсистемой дозирования подробно рассмотрена в работе [33]. В [31−33] отмечено, что дальнейшим развитием системы управления процессом разложения флюоритового концентрата во вращающейся печи должна стать разработка подсистемы управления тепловыми режимами печи с целью обеспечения подачи достаточного количества тепла и оптимального распределения этого теплового потока по зонам обогрева. Некоторые результаты работ, проводимых в этом направлении, изложены в [3,32]. Анализ уровня технического обеспечения электротехнического комплекса технологического аппарата производства БФВ показал, что для обеспечения требований, предъявляемых к ведению технологического процесса разложения ФК серной кислотой [19], необходимо провести работы как по модернизации технических средств автоматизации, так и в области математического и алгоритмического обеспечения системы управления вращающейся барабанной печи.

В данной диссертационной работе разработаны статическая и динамическая модели процессов нагрева и движения PC в барабанной печи. На основании разработанных математических моделей, предложены алгоритмы управления электротехнического комплекса производства фтороводорода, проведен анализ эффективности предложенных алгоритмов на компьютерных моделях и экспериментальной установке.

Цель работы и задачи исследования.

Цель диссертационной работы состоит в разработке математического и алгоритмического обеспечения для системы управления нагревом и электроприводом вращения барабанной печи сернокислотного разложения флюори-тового концентрата, что позволит установить необходимый температурный профиль для эффективного протекания химической реакции, а также стабилизировать производительность барабанной печи на регламентном уровне, ресурсои энергосбережения технологического процесса.

Для достижения цели поставлены следующие основные задачи:

• анализ теплохимических процессов, происходящих в барабанной печи;

• создание статической и динамической тепловой модели процесса разложения флюоритового концентрата серной кислотой в барабанной печи;

• разработка динамической модели движения реакционной среды в барабанной печи;

• создание алгоритмов согласованного управления системой нагрева и электропривода вращения барабанной печи на основе разработанных моделей;

• проведение экспериментальных исследований по подтверждению эффективности разработанных алгоритмов.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач в диссертационной работе применялись методы теории автоматического регулирования, математического моделирования с использованием аппарата дифференциального и интегрального исчислений и моделирования на ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились на макетной установке в лабораторных условиях и на промышленной установке получения фтороводорода.

Научная новизна:

• созданы статическая и динамическая модели нагрева и движения реакционной среды в барабанной печи, позволяющие повысить точность оценки температуры реакционной среды в зависимости от частоты вращения и мощности нагрева;

• предложен алгоритм согласованного управления системой электронагрева и электроприводом вращения барабанной печи на основе эталонных моделей, обеспечивающий максимальную производительность печи;

• разработан алгоритм идентификации параметров передаточных функций зон нагрева барабанной печи, позволяющий вести перенастройку параметров регуляторов температуры зон нагрева в реальном времени с учётом изменения расхода и марки сырья.

Практическая значимость.

• предложена инженерная методика расчета уставок регуляторов температур зон нагрева и задания частоты вращения электропривода барабанной печи, позволяющая учитывать протекающие теплохимические и физические процессы, а также характер движения PC внутри барабанной печи;

• разработана программа расчета тепловых потоков и времени пребывания реакционной среды в барабанной печи, позволяющая устанавливать необходимый температурный профиль печи управляя электротехническим комплексом технологического аппарата;

• создана экспериментальная установка для исследования тепловых процессов в барабанной печи и движения реакционной среды, позволяющая исследовать разработанные алгоритмы управления электротехническим комплексом.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность результатов подтверждается математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью показателей экспериментальных и теоретических исследований, а также положениями теории автоматического управления.

Реализация результатов работы.

Основные результаты диссертации получены при выполнении хоздоговорной НИР «Разработка комплекса технических средств автоматической системы управления печи разложения плавикового шпата» на Сибирском химическом комбинате.

Результаты проведенных исследований нашли применение на Ангарском электролизно-химическом комбинате, Сибирском химическом комбинате и в учебном процессе Томского политехнического университета.

Основные положения, выносимые на защиту:

• статическая модель теплового процесса разложения флюоритового концентрата серной кислотой в барабанной печи;

• динамическая модель теплового процесса разложения флюоритового концентрата серной кислотой в барабанной печи;

• алгоритм идентификации параметров теплового процесса для перенастройки регуляторов температуры зон нагрева;

• алгоритм согласованного управления системой нагрева и электроприводом барабанной печи по эталонной модели;

• программно-аппаратная реализация алгоритма управления на имитационной установке.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на межвузовской конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» 5−12 октября 2003 года г. Бийск, на десятой юбилейной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, посвященной 400-летию г. Томска «Современные техника и технологии», 29 марта — 2 апреля 2004 года г. Томск, на научно-технической конференции «Технология и автоматизация атомной энергетики» 22 — 26 мая 2006 года г. Северск и научных семинарах кафедры электропривода и электрооборудования Электротехнического института Томского политехнического университета. Результаты выполненных исследований отражены в 9 печатных работах, в том числе в 8 статьях и тезисах докладов, и одном авторском свидетельстве о регистрации программного продукта для ЭВМ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 146 стра.

4.5. Выводы.

1. Проведенный корелляционный анализ экспериментальных данных показал достоверность методов управления нагревательными зонами с целью стабилизации температуры реакционного газа и отвала. Доказана высокая степень корреляции между величинами температуры РС во второй нагревательной зоне и реакционным газом, а также между температурой отвала и температурой РС в третьей нагревательной зоне.

2. Создана экспериментальная установка, позволяющая проводить исследования по эффективности разработанных алгоритмов управления с применением непрерывных законов регулирования.

3. Проведены экспериментальные исследования по ведению технологического процесса по эталонной модели. По результатам исследований показана эффективность разработанных алгоритмов. Разность между оценкой температуры математической моделью и наблюдаемой на экспериментальной установке составила 4%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Данная диссертационная работа, посвященная разработке подсистем электронагрева и электропривода электротехнического комплекса барабанной печи разложения ФК, завершена получением новых теоретических и экспериментальных результатов. В рамках проводимых работ были созданы оригинальная компьютерная математическая модель и алгоритмы управления, создана экспериментальная установка, на которой были проведены исследования эффективности разработанных алгоритмов.

В целом по результатам диссертационной работы сделаны следующие выводы:

1. В целях повышения точности поддержание регламентных параметров технологического процесса разложения ФК серной кислотой в барабанной печи вращающегося типа, на основании проведенных исследований существующих ранее систем, предложено разработать систему согласованного управления вращением и нагревом печи с учетом кинетических и термодинамических параметров протекающих химических реакций.

2. Разработан критерий управления, позволяющий вести технологический процесс, выделяя ошибки управления подсистем дозирования и нагрева.

3. Разработана статическая модель теплового процесса барабанной печи разложения ФК, которая на основании уравнений материального и теплового баланса позволяет производить расчет уставок для зон нагрева барабанной печи.

4. Разработана динамическая модель теплового процесса, пригодная для исследования процессов нагрева, протекающих внутри барабана технологического аппарата и достаточная для синтеза подсистем управления нагревом и вращением электротехнического комплекса.

5. Синтезирована структурная схема системы согласованного управления подсистемами нагрева и вращения барабанной печи на основе современных вычислительных устройств, позволяющая вести технологический процесс с учетом изменения всех измеряемых параметров объекта управления и производить адаптацию регуляторов температуры нагревательных зон в соответствии с изменением параметров передаточных функций зон нагрева барабанной печи.

6. Разработан оригинальный алгоритм идентификации параметров передаточной функции зон нагрева барабанной печи, позволяющий в процессе работы производить адаптацию регуляторов по определённым параметрам.

7. Доказана возможность управления температурой реакционного газа и отвала мощностью 2-ой и 3-й нагревательных зон соответственно. Предложено ввести в подсистему нагрева, контуры стабилизации температуры реакционного газа и отвала, позволяющие автоматическом режиме поддерживать регламентные параметры эти параметры.

8. Синтезирована система согласованного управления электронагревом и электроприводом вращения электротехнического комплекса барабанной печи разложения ФК по эталонной модели технологического процесса. Функциями системы являются: выдача уставок температур для подсистемы нагрева, идентификация параметров передаточных функций нагревательных зон и адаптация регуляторов температуры согласно найденным параметрам, выдача задания для электропривода на частоту вращения барабана, стабилизация температуры реакционного газа и отвала.

9. Проведен анализ экспериментальных данных, полученных различными способами, на основании этих данных показана достоверность применяемых методов управления.

10. Создана экспериментальная установка, позволяющая проводить исследования тепловых процессов и процессов движения РС в барабанной печи.

Принципы, использованные при синтезе рассматриваемых систем управления, могут быть использованы в обжиговых печах, применяемых в металлургии, производстве цемента и магнезита и т. п. Дальнейшее развитие системы управление связано в автоматизацией процесса производства БФВ, организацией супервизорного управления системой в целом, позволяющие вести оперативный контроль и управление системой на основе алгоритмов нечеткой логики. Некоторые результаты работ, проводимых в этом направлении, изложены в [28,25,27, 29].

В заключение считаю своим приятным долгом выразить глубокую благодарность: научному руководителю, д.т.н. профессору БУКРЕЕВУ В.Г. -за неоценимый вклад в работу и полезные советык.т.н. профессору ПИЩУЛИНУ В.П. и к.т.н. доценту КЛАДИЕВУ С.Н. — за полезные рекомендации по выполнению работы и созданию экспериментальной установки, к.т.н. доценту ЛИВЕНЦОВУ С.Н. и к.т.н доценту ЛЫСЕНКУ А. А — за помощь при внедрении результатов работы, сотрудникам кафедры ЭПЭО ЭЛТИ ТПУ и кафедры 24 ФТФ ТПУ — за участие в обсуждении результатов исследований, а также своему отцу, директору ТОО «КАЗЦИНКМАШ» ЦХЕ В. А. — за поддержку во всех начинаниях.