ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Оптимизация динамического управления тепловым режимом термохимического отжига холоднокатаной ленты»

Рекомендуемая область пременения

Металлургическая промышленность, производство оцинкованного и защищенного полимерным покрытием листового металла:
Энергосберегающая технология термохимического светлого отжига холоднокатаной ленты перед процессом оцинкования;
Управление распределением топлива по длине печи с целью обеспечения наибольшей стойкости дорогостоящих радиационных труб;
Создание самоадаптирующихся нейросетевых систем динамической оптимизации управления теплоэнергетическими и теплохимическими процессами в промышленном производстве.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта – создание высокоэффективного энергосберегающего способа сжигания невозобновляемого природного газа и поиск методов управления перераспределением топлива с целью продления эксплуатационного срока функционирования радиантных труб при светлом термохимическом отжиге холоднокатаного листового проката.

Во многих отраслях промышленного производства используются нагревательные печи и агрегаты проходного или протяжного принципа перемещения нагреваемого металла через рабочее пространство. До 30% всего потребляемого в промышленности газообразного топлива используется для нагрева заготовок и изделий в процессе технологических процессов.

Использование энергосберегающих оптимальных режимов динамического управления энергоемкими процессами сжигания топлива позволит реально сократить на 3-5% величины удельных расходов топлива.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

В настоящее время в России идеология управления режимом нагрева металла ориентирована на обеспечение максимально возможной производительности нагревательных печей. Такой режим предусматривает интенсивный нагрев на начальном интервале общего времени нагрева и поддержания заданного температурного состояния нагреваемого металла в заключительном периоде.

Для печи протяжного типа и особенно для проходных печей такой режим работы является затратным, поскольку приходится длительное время поддерживать нагреваемый металл на высоком температурном уровне, неэффективно расходуя тепловую энергию.

В последнее время на современных промышленных предприятиях активно используются энергосберегающие технологии режимов нагрева с использованием дорогостоящих автоматизированных систем, программное обеспечение которых, как правило, является коммерческой тайной фирмы поставщика. Применение подобных технологий и систем управления этими технологиями делает Россию технологически зависимой от зарубежных разработок и наносит научно-технический потенциальный ущерб темпам развития собственных отечественных разработок по причине отсутствия надлежащего финансирования.

Опыты практической эксплуатации импортных технологий в реальных условиях показали их чрезвычайную чувствительность к отклонению от регламентированных технологических параметров. Все это приводит к дополнительным затратам и оплате консультирующих услуг фирмы поставщику (пример АНГЦ ОАО «ММК»).

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Принцип оптимизации динамического управления тепловым режимом светлого термохимического отжига холоднокатанного металла или нагрева металла в печах протяжного или проходного типов заключается в реализации необходимого распределения подачи топлива по длине рабочего пространства в соответствии с принятым на текущий момент времени критерием управления.

Оптимальное энергосберегающее управления температурным режимом печей и агрегатов обеспечивается  расчетом и автоматическим поддержанием необходимой температурной траектории температуры рабочего пространства или температуры поверхности нагреваемого тела, за счет соответствующего распределения подачи топлива по длине рабочего пространства.

Использование принципа динамической оптимизации управления тепловым режимом термических и нагревательных печей позволит сократить на 3-5% удельные затраты топлива по сравнению с управлением тепловым режимом технологом-оператором.

Предлагаемый проект представляет собой программный продукт технически реализуемый с использованием отечественных или импортных контроллеров и промышленного компьютера.

Принцип работы

Перед термохимической обработкой очередной холоднокатанной полосы или новой партии нагреваемого металла в систему вводится:

Марка стали нагреваемого или термообрабатываемого металла;

Размеры (ширина и толщина) нагреваемого металла;

Директивный (технологически заданный) режим термохимической обработки или нагрева для данной марки стали (скорость нагрева, конечное температурное состояние, продолжительность выдержки);

Скорость движения полосы через агрегат (производительность печи или требуемое время нагрева).

УВМ для заданных условий в соответствии с принципом максимума Понтрягина или с использованием нейросетевой модели нагрева рассчитывает требуемую температурную траекторию по длине рабочего пространства для безусловного выполнения требуемой технологии и заданной производительности.

Эта информация в виде заданных значений температуры для фиксированных значений длин рабочего пространства, определяемых местом установки датчиков температуры, передаются в контроллер. Конроллер в зависимости от отклонения действительного значения температуры от заданного в каждой фиксированной точке рабочего пространства определяет по специальному алгоритму количество работающих радиационных труб и величину расхода топлива в каждой из радиационных труб на контролируемом участке рабочего пространства.

Специальная система управления процессом сжигания топлива обеспечивает рациональное и равномерное по длине радиационной трубы горение топлива. 

Управление газодинамическим режимом, обеспечивающим удаление продуктов сгорания топлива в каждой зоне осуществляется специальной системой регулирования разряжения в дымовом сборном коллекторе.

В рабочем пространстве агрегата поддерживается заданное значение давления защитного газа, путем управления подачей дополнительного защитного газа при уменьшении давления или изменения состава (точка росы).

Принцип действия системы на примере управления тепловым режимом отделения нагрева АНГЦ цеха покрытий ОАО “ММК”

В процессе решения задачи по разработке нейросетевой математической модели оптимизации управления процессом термического отжига полосы на АНГЦ цеха покрытий ОАО ММК было принято решение о разбиении рабочего пространства отделения нагрева на 51 условную микрозону, каждая из которых включает 5-6 радиантных индивидуально управляемых горелок-труб (всего 161 труба).

Условные микрозоны расположены последовательно по направлению движения полосы таким образом, что одна и та же радиантная труба горелка может находится одновременно в двух условных микрозонах.

Разработанная модель является экспериментально-статистической основанной на использовании искусственной нейронной сети.

Количество и наименование информационных сигналов используемых для обучения созданной нейросети приведено в таблице 1.

Используемые информационные сигналы

Таблица 1.

Искомое значение температуры полосы на выходе из отделения нагрева, измеряемое оптическим пирометром спектрального отношения являющееся единственным выходным параметром нейронной сети рассчитывается с использованием динамики изменения суммарного среднего расхода топлива на каждую из 51-й условных микрозон в предшествующие текущему моменту проведения расчета периоды времени 1, 2, 6, 14, 22 минуты. Одновременно на вход нейросетевой модели подаются расходы топлива в условную микрозону в момент прохождения участка полосы, температура которого будет рассчитана на выходе отделения нагрева.

В процессе управления температурным режимом часть радиационных труб горелок может быть отключена по причине выхода на минимально допустимый расход топлива на отдельную горелку. При этом воздух на отключенную горелку может по прежнему поступать. Это неизбежно приводит к некоторому охлаждению полосы при прохождении отключенной трубы.

Для учета данной особенности на вход НС подаются средние за три периода времени (2, 6, 14 минут) расходы воздуха в каждую из условных зон.

Подобный способ подачи воздуха порождает проблему выбора метода управления соотношением газ-воздух и соответствующей организации работы нейросети.

Используемым видам искусственной нейросети (ИНС) является многослойный перцептрон, используемая функция активации – гиперболический тангенс.

Конфигурация входов ИНС позволяет рассчитывать значения температур полосы на выходе отделения нагрева и выдержки как в автономном режиме «советчика», когда нет необходимости в синхронизации работы агрегата и модели, так и при решении задачи управления температурой полосы.

Перед использованием ИНС в качестве модели ее необходимо предварительно обучить (настроить на процесс).

Обучение производится на выборке экспериментальных данных постоянного размера, включающий 32 тысячи наборов входных-выходных данных. Ограничение на объем обучающей выборки введено исходя из приемлемости срока настройки ИНС за 4-5 часов с использованием современных технических средств.

В процессе накопления новой информации с целью адаптации ИНС к реальному состоянию моделируемого процесса отдельные наборы экспериментальных данных вновь включаются в обучающую выборку, а отдельные наборы наоборот исключаются.

Модификация обучающей выборки производится с целью повышения равномерности распределения входных-выходных параметров в рабочем диапазоне изменений параметров процесса. Для решения задачи модификации обучающей выборки разработан специальный алгоритм, позволяющий обоснованно принять решение о включении или нет полученного нового отдельного набора о значении входных-выходных параметров в полностью заполненную выборку. В случае принятия решения о включении набора одновременно определяется, какой набор подлежит исключению из обучающей выборки.

После изменения состава обучающей выборки каждый раз производится повторная настройка ИНС, чем и обеспечивается адаптация модели к реальному процессу.

Обучение ИНС осуществляется с использованием улучшенного алгоритма обратного распространения ошибки. Увеличение скорости настройки ИНС осуществляется за счет использования разработанного алгоритма управления скоростью обучения и пакетной разработки информации.

Разработана методика определения рациональной структуры ИНС. В основу метода положено достижение минимального значения среднеквадратического отклонения расчетной температуры на выходе отделения от действительной температуры.

Результаты тестирования полосы ИНС отделением нагрева полосы при скорости 180 м/мин и рациональной структуре нейронной сети один скрытый слой и 60 нейронов в этом слое представлены на рис. 1.

Рис. 1. Результаты тестирования НС

Настроенная ИНС, используемая в качестве модели процесса обладает достаточно высокой точностью и может быть использована для решения поставленной задачи управления процессом светлого термохимического отжига холоднокатаной полосы.

Энергосберегающий оптимальный режим термического отжига холоднокатаной полосы на АНГЦ

Математическое описание процесса термохимического отжига полосы можно представить в виде одномерного уравнения теплопроводности вида

где t(t,x) –температурное поле; t - время, с; х-пространственная координата,м; Т-заданное время процесса, с; С’(t)-удельная объемная теплоемкость, Дж/(м³?К); l(t)- коэффициент теплопроводности, Вт/(м?К); S=mS₀ – принимаемая в расчетах толщина заготовки, м; m- коэффициент несимметричности нагрева; S₀ – полная толщина заготовки, м.

При заданных граничных условиях

где a(t)- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²?К); t_ГС(t) – температура греющей среды, ⁰К.

Коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле:

где Т_Г.С.- температура греющей среды, ^оК; Т_ПОВ.- температура поверхности полосы, ^оК; a_К - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²?К); s_ПРИВ- приведенный коэффициент излучения который рассчитывается по формуле В.Н. Тимофеева:

где s₀- постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м²?К); e_М- интегральная степень черноты поверхности металла; e_ГС- интегральная степень черноты результирующего источника излучения, приведенная к температуре греющей среды; k-угловой коэффициент излучения футеровки на тепловоспринимающую поверхность.

Задано также начальное распределение температур по толщине полосы (при t=0)

и распределение температур по толщине полосы в конце нагрева (при t=Т):

где t⁰(x) - функция начального распределения температур; t^К(x)- функция конечного распределения температур по толщине нагреваемой заготовки.

Целью оптимизации управления тепловым режимом является минимизация энергетических затрат (расхода топлива) на нагрев металла до заданного теплового состояния за заданное время Т, затраты энергии на нагрев заготовки определим функционалом следующего вида:

где U(t)=к?V_Г(t) – характеристическая температура управления, пропорциональная расходу топлива, ⁰С; V_Г(t) – расход топлива; к – коэффициент передачи по каналу расход топлива – характеристическая температура управления; t - текущее время процесса ; Т – заданное время отжига полосы, определяемое скоростью движения полосы через отделение нагрева.

Связь между температурой греющей среды t_ГС(t) с управляющим воздействием U(t) определяется дифференциальным уравнением:

Для реализации энергосберегающего оптимального режима термохимического отжига холоднокатаной полосы требуется определить такую траекторию U(t), чтобы по окончании заданного времени отжига Т температурное состояние полосы из начального, определяемого функцией  t⁰(x) состояния, перешло в конечное, определяемое функцией t^К(x) и при этом функционал I принимал бы наименьшее из всех возможных значений.

Применяя метод максимума Л.С.Понтрягина, необходимое условие оптимальности для поставленной задачи запишется в виде функции:

где j(S,t), j_ГС(t), j(х,t) – играют роль сопряженных переменных и определяются из уравнений:

Если допустимое управление U(t) обеспечивает минимум функционалу I, то оно должно удовлетворять условию максимума функции Н по U, т.е.

где  по определению.

Откуда

При решении системы уравнений используются конечно-разностные схемы. Поиск минимума функционала осуществляется симплекс методом Нелдера-Мида.

Реализация оптимального энергосберегающего режима осуществляется с учетом ограничений на управляющее воздействие (максимальные и минимальные значения расхода топлива) на температуру поверхности нагреваемой полосы.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Как показала практика трехлетней эксплуатации АНГЦ итальянской фирмы «Danieli» существующая концепция и принятый способ управления температурным режимом термохимического отжига полосы нормально функционирует в автоматическом режиме только при толщинах не более 0,4-0,6 мм.

При термохимическом отжиге более толстых полос (от 0,7 до 2 мм) управление температурным режимом осуществляется в режиме ручного дистанционного управления в соответствии в директивным (заданным технологической инструкцией) режимом в соответствии с индивидуальными субъективными мнениями технологов операторов и их профессиональной квалификацией.

Существующая сейчас на АНГЦ концепция распределения топлива по зонам нагрева, ориентированная на реализацию режима максимального быстродействия обуславливает неравномерное распределение тепловых нагрузок по зонам, представленная на рис. 2.

Рис. 2. Существующая на АНГЦ концепция распределения топлива по зонам

При таком режиме основной нагрев полосы осуществляется на начальном интервале времени (в первых по ходу полосы зонах нагрева). В последующих зонах происходит просто выдержка полосы на заданном значении температуры.

Такой режим при постоянной скорости движения полосы в принципе является затратным, поскольку приходится длительное время поддерживать температурное состояние полосы на высоком уровне, нерационально затрачивая на это часть тепловой энергии (расход топлива).

Концепция энергосберегающего и экономически выгодного режима нагрева полосы при термохимическом отжиге предусматривает, при безусловном обеспечении заданного значения температуры полосы при выходе из отделения нагрева, создания благоприятных условий (по термическим напряжениям) работы радиантных труб-горелок и более равномерного распределения тепловых нагрузок по зонам нагрева.

Для определения экономической эффективности предлагаемого проекта рассмотрим отчетные результаты установившихся режимов выводимых в текстовой форме для условий: заданное значение температуры полосы на выходе отделений нагрева и выдержки – 720°С; толщине полосы – 0,00048 м; ширине – 1,275 м; скорости движения полосы – 180 м/мин.

При существующем режиме нагрева суммарный расход топлива в отделении нагрева составит 1019 м³/ч и в отделении выдержки 172,4 м³/ч. Включено 102 радиационных труб-горелок:

При рекомендуемом экономически эффективном режиме работы результаты получены следующие:

При сохранении заданного значения температуры 720°С суммарный расход топлива (природного газа) снизился до 946 м³/ч, т.е. на 6-7% меньше чем при существующем режиме. Включено 127 горелок при расходе газа на горелку 7,45 м³/ч.

Рекомендуемое распределение топлива по зонам нагрева представлено на рис. 3.

Рис. 3. Рекомендуемое распределение топлива по зонам нагрева

Включение большего числа горелок при уменьшении расхода газа на горелку принято из условия повышения срока службы этих элементов, поскольку каждая радиационная труба-горелка стоит 280 тыс. руб.

При существующем режиме управления тепловым режимом за непродолжительный срок работы АНГЦ (4 года) повреждены более 30 радиантных труб.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Проведенное исследование показало, что при нагреве полосы толщиной 0,48 мм ширины 1,275 м при скорости 180 м/мин среднее за 6 часов работы АНГЦ значение расхода топлива в отделении нагрева изменяется в диапазоне 1035-1040 м³/ч.

Расчетный режим для равномерного распределения топлива с целью обеспечения продолжительности срока эксплуатации радиационных труб-горелок обеспечивается при среднем расходе топлива 950-955 м³/ч.

Снижение среднего расхода топлива в отделении нагрева составляет:

1037,5 – 952 = 85 м³/ч.

Снижение суточного потребления газа на АНГЦ составит:

85 * 24 = 2040 м³/ч.

При 300 рабочих суток агрегата снижение годового потребления природного газа равно:

2040 * 300 = 612000 м³/ч.

При стоимости 1000 м³ природного газа для условий АНГЦ – 921,03 руб. экономический эффект только от снижения потребления газа составит:

612 * 921,03 = 563670 руб.

Дополнительный эффект будет получен при сохранении работоспособности дорогостоящих радиационных труб, которые можно приобрести только по импорту фирм производителей.

Новые потребительские свойства продукции

Повышение качества термообработки холоднокатаной полосы во всем диапазоне толщин;
Снижение себестоимости оцинкованной полосы
Последнее обеспечивается за счет снижения удельного расхода топлива и повышения срока эксплуатации дефицитных и дорогостоящих радиационных труб.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Качество холоднокатаной полосы и используемых материалов должно соответствовать Государственным российским стандартам и контрактам оговоренным показателям при поставках по импорту.

Стадия и уровень разработки

Прогнозирующая модель термохимического отжига холоднокатаной полосы на основе искусственной нейронной сети прошла этап разработки и экспериментально-промышленного освоения на АНГЦ цеха покрытий ОАО «ММК».
Разработано программное обеспечение новой системы визуализации процесса термохимического отжига полосы на АНГЦ. Это связано с необходимостью информационного обеспечения технологов-операторов предлагаемым ИНС режимом:
Количеством включенных горелок в каждой зоне нагрева;
Рекомендуемые расходы газа и воздуха в каждую зону нагрева.
Система визуализации находится в промышленной опытной эксплуатации с декабря 2005 года. В настоящее время имеется полный комплект технической документации, проводятся работы по улучшению системы и эффективному ее использованию с целью повышения потребительских свойств оцинкованной полосы. Все предлагаемые технические решения программно реализуемы и не требуют никаких изменений в конструкции АНГЦ и проведения монтажных механических работ.

Предлагаемые инвестиции

3 млн. руб.

Рынки сбыта

Предполагаемый проект может быть рекомендован для всех теплотехнических агрегатов, в которых осуществляется нагрев или термическая обработка металла на любых предприятиях промышленного производства.
Как показывает опыт промышленной эксплуатации оптимальных энергосберегающих режимов управления нагревом позволяет уменьшить удельный расход топлива на 1,5-3,5% без существенных затрат путем программного решения проблемы с применением современных технических средств автоматического управления.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемый проект по совершенствованию и реализации энергосберегающих оптимальных режимов нагрева и термической обработки металла не имеет на мировом рынке аналогов по оказанию аналогичных услуг по стоимости работ и полноты реализации оговоренных функций управления.

Возможность выхода на мировой рынок

Да. Поскольку в предлагаемом проекте решена задача оптимизации управления с минимальными затратами денежных средств, нерешенная до конца фирмой-поставщиком «Danieli» по неизвестным причинам.

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

27.11.2006