Разработка и применение динамической математической модели системы кислородоснабжения на металлургическом комбинате тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Евсеенко, Илья Викторович

• Евсеенко, Илья Викторович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Евсеенко, Илья Викторович

Введение.

1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи.

1.1. Использование кислорода в чёрной металлургии.

1.1.1. Производство и распределение кислорода на металлургическом комбинате.

1.1.2. Использование кислорода в конвертерном производстве.

1.1.3. Использование кислорода в электросталеплавильном производстве

1.1.4. Использование кислорода в мартеновском производстве.

1.1.5. Использование кислорода в доменном производстве.

1.2. Схема системы обеспечения кислородом производств металлургического комбината.

1.2.1. Схема обеспечения металлургических производств техническим кислородом.

1.2.2. Схема обеспечения металлургических производств технологическим кислородом.

1.2.3. Совместная схема обеспечения металлургических производств техническим и технологическим кислородом.

1.3. Система аккумулирования кислорода на металлургическом комбинате

1.3.1. Система аккумулирования газообразного технологического кислорода.

1.3.2. Система аккумулирования газообразного технического кислорода.

1.3.3. Система аккумулирования жидкого кислорода.

1.4. Выводы по главе.

2. Анализ режимов потребления кислорода основными металлургическими производствами и статистическое моделирование системы кислородоснабжения.

2.1 Статистическая модель работы конвертерного производства.

2.1.1. Анализ режима потребления кислорода конвертерами.

2.1.2. Выявление статистических закономерностей.

2.2. Статистическая модель работы электросталеплавильного производства.

2.2.1. Анализ режима потребления кислорода электросталеплавильной печью.

2.2.2. Выявление статистических закономерностей.

2.3. Анализ режима потребления кислорода мартеновским производством

2.4. Анализ режима потребления кислорода доменным производством.

2.5. Статистическое моделирование системы кислородоснабжения.

2.6. Выводы по главе.

3. Динамическая модель системы кислородоснабжения металлургического комбината.

3.1. Определение исследуемой системы.

3.2. Постановка задачи исследования динамики процессов системы кислородоснабжения металлургического комбината.

3.3. Построение математической модели.

3.4. Реализация модели на ЭВМ.

3.5. Выводы по главе.

4. Проведение вычислительных экспериментов и тестирование результатов расчётов.

4.1. Определение исходных данных.

4.2. Расчёт параметров работы системы кислородоснабжения и тестирование результатов вычислительного эксперимента.

4.3. Оценка величины перепуска технического кислорода в коллектор технологического.

4.4. Оценка величины потерь технического кислорода.

4.5. Определение влияния внешних и внутренних факторов на изменение параметров работы системы кислородоснабжения.

4.5.1. Оценка влияния режимов потребления кислорода конвертерами на параметры работы системы кислородоснабжения.

4.5.2. Оценка изменения параметров работы системы кислородоснабжения при исключении из схемы обратного клапана.

4.5.3. Оценка влияния величины потерь технического кислорода и ёмкостных свойств системмы аккумулирования на параметры работы системы кислородоснабжения.

4.6. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 комбината; не учитывается газодинамика происходящих процессов и вопросы регулирования; отсутствие 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.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Евсеенко, Илья Викторович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Евсеенко, Илья Викторович, 2004 год

1. Амосов А. А., Дубинский Ю. А., Копчёнова Н. В. Вычислительные методы для инженеров: Учебное пособие. 2-е изд., доп. М.: Издательство МЭИ, 2003. - 596 е., ил.

2. Бородулин А. В., Горбунов А. Д., Романенко В. И., Орел Г. И. Домна в энергетическом измерении Кривой Рог: СП «Мира», 2004. - 412 с.

3. Шмидт Б. Искуство моделирования и имитации. М.: ООО «Франтера», 2003.-460 с.

4. Чермак И., Петерка В., Заворка И. Динамика регулируемых систем в теплоэнергетике и химии. М.: Мир, 1972. - 623 с.

5. Тарасов А. В., Уткин Н. И. Общая металлургия. М.: Металлургия, 1997. -590 с.

6. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука. -М.: Мир, 1978.-418 с.

7. Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика: Учебник для вузов. 2-е. изд. М.: Энергия, 1974. - 448 е., ил.

8. Кампсти Н. Аэродинамика компрессоров: Пер. с англ. М.: Мир, 2000.- 688 е., ил.

9. Архаров А. М. и др. Криогенные системы: Том 1. -2-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1999. 720 е., ил.

10. Архаров А. М. и др. Криогенные системы: Том 2. 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1999. 720 е., ил.

11. Капитонов Е. Н. Системный подход в технике: Учебное пособие. -Тамбов.: ТГТУ, 1996. 62 с.

12. Калинин Н. В., Ратников А. Н., Логинов В. Б., Фролов Д. А. Определение потребности в сжатом воздухе и расчёт показателей компрессора: Методическое пособие. М.: Издательство МЭИ, 2002. - 48 е., ил.

13. Борисов Б. Г., Калинин Н. В., Михайлов В. А. Системы воздухоснабжения промышленных предприятий. М.: Издательство МЭИ, 1989. - 180 с.

14. Черкасский В. М., Калинин Н. В., Кузнецов Ю. В., Субботин В. И. Нагнетатели и тепловые двигатели. М.: Энергоатомиздат, 1997. - 384 с.

15. Епифановой В. И., Аксельрода JI. С. Разделение воздуха методом глубокого охлаждения. Том 1, М.: Машиностроение, 1964. - 477 с.

16. Каталог: Компрессорные машины. М.: Цинтихимнефтемаш, 1987. -191 с.

17. Н. Хастингс, Дж. Пикок Справочник по статистическим распределениям. -М.: Статистика, 1980. 94 с.

18. Варгафтик Н. В. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Физико-математическая литература, 1963. - 708 с.

19. Малкова М. П. Справочник по физико-техническим основам криогеники. М.: Энергия, 1882. - 432 с.

20. Denton J.D. 1987 Computional methods for turbomachinery flows. ASME Turbomachinery Institute, Ames, Iowa

21. Крейт Ф., Блек У. Основы теплопередачи. М.: Мир, 1983. - 512 с.

22. Ластовиря В. Н., Бушман В. О. Введение в теорию автоматического управления: Учеб. Пособие. -М.: Издательство МЭИ, 2003. 72 с.

23. Арушанян О. Б., Залеткин С. Ф. Численное решение обыкновенных дифференциальных уравнений на Фортране. М: МГУ, 1990. - 130 с.

24. Ракитский Ю. В., Устинов С. М., Черноруцкий И. Г. Численные методы решения жестких систем. М.: Наука, 1979. - 230 с.

25. Тюрин Ю. Н., Макаров А. А. Анализ данных на компьютере. М.: Инфра-М, Финансы и статистика, 1995. - 384 е., ил.

26. Бартеньев О. В. Фортран для профессионалов. Математическая библиотека 1М8Ь. Выпуск 1. -М.: Диалог-МИФИ, 2001. 449 с.

27. Бартеньев О. В. Фортран для профессионалов. Математическая библиотека ШКЬ. Выпуск 2. М.: Диалог-МИФИ, 2001. - 320 с.

28. Бартеньев О. В. Фортран для профессионалов. Математическая библиотека ШБЬ. Выпуск 3. -М.: Диалог-МИФИ, 2001. 369 с.

29. Дымов В. Язык программирования Фортран. -М.: Издательство «Майор», 2003. -192 с.

30. Никуленков К. Е. Повышение эффективности кислородоснабжения металлургического комбината на основе математического моделирования. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. М.: МЭИ, 1993. -132 с.

31. Егоричев А. П., Лисиенко В. Г., Розин С. Е., Щелоков Я. М. Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов. М.: Металлургия, 1990. - 149 с.

32. Борнацкий И. И., Михневич В. Ф., Яргин С. А. Производство стали. М.: Металлургия, 1991. - 400 с.

33. Евсеенко И. В., Султангузин И. А., Шомов П. А., Логинов И. Г. Динамическое моделирование системы кислородоснабжения металлургического комбината / / Журнал «Промышленная энергетика», №3, 2004 г., С. 42 - 44.

34. Михайлов А. К., Ворошилов В. П. Компрессорные машины: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 288 е., ил.

35. Сафарян М. К. Металлические резервуары и газгольдеры. М.: Недра, 1987. - 200 е., ил.

36. Кулаков Ю. В. Оптимизация режимов работы воздухоразделительных установок низкого давления при переменном потреблении продуктов воздухоразделения. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. Тамбов.: ТИХМ, 1991. -141 с.

37. Попов Е. П. Автоматическое регулирование. М.: Физико-математическая лмтература, 1959. - 296 с.

38. Дейч М. Е. Техническая газодинамика. 2-е изд., перебот. М.: Госэнергоиздат, 1961.-671 е., ил.

39. Негойце К. Применение теории систем к проблемам управления. М.: Мир, 1981.-184 е.

40. Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвиснев А. Н., Юсфин Ю. С. Металлургия чугуна. М.: Металлургия, 1989. - 512 с.

41. Бигеев А. М. Непрерывные сталеплавильные процессы. М.: Металлургия, 1986. - 135 с.

42. Попырин Л. С. Математическое моделирование и оптимизация теплоэнергетических установок. М.: Энергия, 1978. - 416 е., ил.

43. Абрамов А. В. и др. Автоматизация воздухоразделительных установок. Серия ХМ-6. Криогенное и вакуумное машиностроение. 1983. 39 с.

44. Бродянский В. М., Меерзон Ф.И. Производство кислорода. М.: Металлургиздат, 1960. - 470 е., ил.

45. Соколов В. Н., Семенов Л. Г. Монтаж эксплуатация и ремонт кислородных и криогенных установок. М.: Машиностроение, 1984. - 269 с.

46. Султангузин И. А. Рациональное построение системы аккумулирования конвертерных газов под давлением на основе методов математического моделирования. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. -М.: МЭИ, 1985. 144 с.

47. Проблемы криогенной техники // Сборник научных трудов. Под ред. д-ра техн. наук В. И. Сухова. Балашиха Моск. обл.: ОАО «Криогенмаш», 1992.-110 с.

48. Криогенная техника (проблемы и перспективы) // Сборник научных трудов. Под ред. д-ра техн. наук В. И. Сухова. Балашиха Моск. обл.: ОАО «Криогенмаш», 1997. - 104 с.

49. Криогенная техника (проблемы и перспективы) // Сборник научных трудов. Под ред. д-ра техн. наук В. И. Сухова. Балашиха Моск. обл.: ОАО «Криогенмаш», 1998. - 99 с.

50. Криогенная техника: Процессы. Аппараты. Установки. Системы // Сборник научных трудов: 50 лет. Юбилейный вып. Под ред. д-ра техн. наук В. И. Сухова. Балашиха Моск. обл.: ОАО «Криогенмаш», 1999. - 100 с.

51. Kuhlberg J.F., Sheppard D.E., King E.O. and Baker J.R. The Dynamic Simulation of Turbine Engine Compressors. AIAA paper, 1969, June 9-13, N486, pp. 1-9.

52. Каганер M. Г. Тепломассообмен в низкотемпературных теплоизоляционных конструкциях. М: Энергия, 1979. - 256 с.

53. Беляков В. П. Криогенная техника и технология. М.: Энергоиздат, 1982. - 272 с.

54. Архаров А. М., Беляков В. П. и др. Криогенные системы. Основы проектирования аппаратов и установок: Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1987. - 536 е., ил.

55. Филин Н. В., Буланов А. Б. Жидкостные криогенные системы. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1985. - 244 с.

56. Романенко Н.Т., Куликов Ю.Ф. Криогенная арматура. М.: Машиностроение, 1976. - 110 с.

57. Gear C.W. Numerical Initial Value Problems in Ordinary Differential Equations. Englewood Cliffs, NJ. Prentice-Hall. 1971

58. Белякова В. П, Фанштейна В. И. Взрывобезопасность воздухоразделительных установок. М.: Химия, 1986. - 224 с.

59. Иванов Б. А. Розовский А. С. Безопасность работы с жидким кислородом -М.: Химия, 1989. 190 с.

60. Солнцев Ю. П., Степанов Г. А. Материалы в криогенной технике. Справочник. -Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1982.-312 с.

61. Кудрин В. А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. М.: Мир, ООО «Издательство ACT», 2003. - 528 е., ил.

62. Глинков Г. М., Маковский В. А. АСУ ТП в чёрной металлургии: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1999. - 310 с.

63. Арсентьев П. П., Яковлев В. В., Комаров С. В. Конвертерный процесс с комбинированным дутьём. М.: Металлургия, 1991. - 176 с.

64. Баптизманский В. И. Теория кислородно-конвертерного процесса. М.: Металлургия, 1975. - 376 е., ил.

65. Данная работа выполнялась в рамках договора № ЛАГ-КЦ/РС 3149 «Энергетическое обследование кислородного цеха» между ЗАО «Научно-технический центр ЛАГ Инжиниринг» и ОАО «Северсталь».

66. На основе построенной динамической модели системы кислородоснабжения металлургического комбината считаем целесообразным разработку автоматизированного рабочего места диспетчера кислородного цеха.комбинате»

67. Начальник кислородного цеха1. И. Г. Логинов