Разработка и применение динамической математической модели системы кислородоснабжения на металлургическом комбинате

Одним из существенных резервов экономии топливно-энергетических ресурсов в чёрной металлургии является эффективное использование наиболее энергоёмких продуктов. Одним из них является кислород. В металлургии кислород используется практически во всех производствах как интенсификатор технологического процесса. На крупном металлургическом комбинате производительностью около 10 млн. т стали/год годовое производство о кислорода составляет 1,5 млд. м /год. Расход электроэнергии на производство кислорода составляет более 95% в общих энергозатратах. На производство 1000 м³ кислорода расходуется 0,5 МВт*ч электроэнергии, помимо этого, дополнительное количество электроэнергии затрачивается на сжатие технического кислорода в кислородных компрессорах, для последующей подачи его сталеплавильным производствам. Потеря 1% кислорода эквивалентна годовому перерасходу электроэнергии 8 тыс. МВт*ч/год, что в денежном выражение составляет 7,5 млн. руб/год. Таким образом, видно, что нерациональное использование кислорода на металлургическом комбинате неизбежно приводит к громадному перерасходу электроэнергии. Принимая во внимание тот факт, что производство электроэнергии на металлургическом комбинате зачастую не обеспечивается за счёт своих собственных мощностей и необходимая оставшаяся часть электроэнергии покупается по рыночным ценам, пути экономии электроэнергии приобретают ещё более важный акцент.

Проблемам кислородоснабжения посвящены труды таких выдающихся Российских учёных как Бродянский В. М., Архаров А. М., Беляков В. П.

Проведено множество научных исследований направленных на совершенствование технологических схем систем воздухоразделения и параметров работы различного технологического оборудования входящего в её состав с целью повышения качества продуктов воздухоразделения и снижению энергопотребления на их производство.

Однако исследования производились для расчётных режимов работы технологического оборудования без учёта режимных параметров работы всей системы кислородоснабжения в целом.

Система кислородоснабжения металлургического комбината это единый комплекс генерирующих и потребляющих его установок связанных протяжёнными сетями, и включающая в себя кислородные компрессора, аккумулирующие ёмкости, различную кислородную арматуру.

Основная трудность повышения эффективности кислородоснабжения состоит в том, что графики его потребления в чёрной металлургии носят переменный характер, а производители кислорода, в качестве которых выступают воздухоразделительные установки, имеют практически постоянные расходные характеристики и труднорегулируемы, поскольку производят кислород из воздуха в жёстких термодинамических условиях. В силу этого имеет место противоречие между постоянным характером производства и случайным, а иногда и резкопеременным (конвертерное производство) характером потребления кислорода.

Задача снижения потерь кислорода решается сейчас на практике за счёт установки аккумулирующих ёмкостей, перепуска излишнего технического кислорода в сеть технологического, связи операторов производств потребителей кислорода с диспетчером кислородного производства.

Уровень автоматизации кислородного производства зачастую ограничивает возможности согласованного регулирования его работы с режимами работы основных потребителей кислорода. Поэтому возникает необходимость создания системы способной эффективно решать задачи кислородоснабжения металлургического комбината на основе исследований нестационарных газодинамических процессов в системе кислородоснабжения, обусловленных случайными колебаниями расходных характеристик потребителей кислорода. Решение данной задачи следует искать на основе комплексного системного подхода с использованием математического моделирования.

Впервые пути повышения эффективности кислородоснабжения металлургического комбината в целом были рассмотрены в научной работе Некуленкова К. Е. Им были разработаны и опробованы математические г алгоритмы для различных элементов системы кислородоснабжения, создана статистическая модель функционирования конвертерного производства по длительность циклов конвертеров и разработана математическая модель снабжения кислородом конвертерного производства стали в виде системы алгебраических уравнений.

В разработанной им модели на изменение параметров системы кислородоснабжения влияли только режимы потребления кислорода конвертерным производством и небыли учтены режимы работы других основных потребителей кислорода, к числу которых относятся электросталеплавильное, мартеновское и доменное производства.

К недостаткам существующих решений по определению путей повышения эффективности кислородоснабжения металлургического комбината относятся: отсутствие системного подхода при определении изменения параметров системы кислородоснабжения металлургического комбинатане учитывается газодинамика происходящих процессов и вопросы регулированияотсутствие возможности прогнозирования изменений параметров системы кислородоснабжения и упреждение возникновения аварийных ситуаций.

Целью диссертационной работы является анализ и оптимизация режимов производства, аккумулирования и потребления кислорода на металлургическом комбинате на основе результатов динамического моделирования системы кислородоснабжения, с учётом работы всех основных потребителей кислорода.

Основными задачами исследования системы кислородоснабжения металлургического комбината являются:

— анализ системы кислородоснабжения Череповецкого металлургического комбината (как типового предприятия металлургической промышленности с полным металлургическим циклом);

— определение статистических зависимостей, отражающих наиболее характерные режимы работы основных потребителей кислорода, и определение оптимальных параметров работы системы кислородоснабжения;

— разработка динамической модели и создание программы расчёта режимов работы системы кислородоснабжения, позволяющей проводить вычислительные эксперименты в масштабе реального времени и, таким образом, определять режимы надёжной и безаварийной работы оборудования;

— оценка влияния режимов потребления кислорода основными потребителями, объёма системы аккумулирования технического кислорода и величины его потерь на параметры работы системы кислородоснабжения с учётом характеристик работы регулирующей аппаратуры;

— реализация модели автоматизированного рабочего места диспетчера кислородного цеха на Череповецком металлургическом комбинате.

Предлагаемая динамическая модель системы кислородоснабжения металлургического комбината позволяет решать следующие задачи:

— определение параметров работы кислородных компрессоров, а так же диаметров, длин, объёмов кислородной арматуры входящей в состав системы аккумулирования технического кислорода при заданных режимах его потребления;

— определение совместных режимов потребления технического кислорода конвертерным, электросталеплавильным и мартеновским производствами с целью обеспечения минимального расхождения между выработкой кислорода на комбинате и его потреблением основными потребителями при условии надёжной и бесперебойной работы технологического оборудования;

— проведение расчётов, определяющих параметры работы системы кислородоснабжения металлургического комбината, при увеличении темпов производства стали;

При соответствующем уровне автоматизации, предлагаемая динамическая модель может входить в состав автоматизированного рабочего места диспетчера кислородного производства для прогнозирования изменения давления в системе аккумулирования технического кислорода с целью: — упреждения возникновения аварийных ситуаций вызванных снижением давления в системе аккумулирования до величины меньше минимальной необходимой потребителям при одновременном наложении плавок различных сталеплавильных производств;

— упреждения возникновения случаев байпасирования технического кислорода с нагнетания на вход кислородного компрессора, возникающих при увеличении давления в системе аккумулирования кислорода до критического значения;

— снижения выбросов кислорода в атмосферу, обусловленных неравномерным потреблением его основными потребителями.

Разработанные и применённые в данной работе методы математического моделирования носят универсальный характер и могут быть применены для решения широкого класса задач промышленной теплоэнергетики.

4.6. Выводы по главе.

1. Проведена оценка величины потерь и перепуска технического кислорода в коллектор технологического.

2. Выявлены аварийные режимы работы оборудования и проведено прогнозирование изменения параметров системы кислородоснабжения с целью исключения возникновения аварийных ситуаций вызванных снижением давления в системе аккумулирования технического кислорода меньше минимально необходимого потребителям значения.

3. Определено, что исключение из схемы моделируемой системы обратного клапана равносильно увеличению ёмкости реципиентов КРП-2 на 1000 м³.

4. Определено, что при сокращении потерь технического кислорода с 8% а до 2% и увеличение ёмкости реципиентов КРП-2 на 1000 м возможно вывести из работы один кислородный и один воздушный компрессор. Экономия электроэнергии при этом составит 96 тыс. МВт*ч/год, что в денежном выражение составляет 86,7 млн. руб/год.

Заключение

.

По итогам диссертационной работы можно сделать следующие выводы:

1. Построены статистические зависимости, отражающие наиболее характерные режимы работы основных потребителей кислорода, и определены оптимальные параметры работы системы кислородоснабжения (величина давления в системе аккумулирования технического кислорода должна поддерживаться на уровне 26 105 Па).

2. На основе комплексного системного подхода предложена динамическая модель и разработана программа расчёта режимов работы системы кислородоснабжения металлургического комбината в целом, представленная в виде системы дифференциальных уравнений.

3. Выявлены аварийные режимы работы оборудования и проведено прогнозирование изменения параметров системы кислородоснабжения с целью исключения возникновения аварийных ситуаций, вызванных снижением давления в системе аккумулирования технического кислорода ниже минимально необходимого потребителям значения.

4. Проведён анализ влияния режимов потребления кислорода основными потребителями и объёма системы аккумулирования технического кислорода на параметры работы системы кислородоснабжения с учётом характеристик работы регулирующей аппаратуры.

5. Разработаны технические предложения по усовершенствованию схемы системы кислородоснабжения с целью повышения надёжности снабжения кислородом основных потребителей. Исключение из схемы кислородоснабжения обратного клапана равносильно увеличению ёмкости реципиентов КРП-2 на 1000 м³.

6. По результатам динамического моделирования определено, что при сокращении потерь технического кислорода с 8% до 2% и увеличение ёмкости о реципиентов КРП-2 на 1000 м возможно вывести из работы один кислородный и один воздушный компрессор. Экономия электроэнергии при этом составит 96 тыс. МВт*ч/год, что в денежном выражение составляет 86,7 млн. руб/год.

7. Полученные результаты были использованы при разработке и внедрении автоматизированного рабочего места диспетчера кислородного цеха Череповецкого металлургического комбината.