Тема: Энергоэффективное управление мельницей цементного производства в противоречивых условиях

Актуальность темы исследования. На сегодняшний день цементная промышленность считается одной из наиболее динамичных отраслей экономики РФ. Более 75% опрошенных компаний которое занимаются производством цемента уделяют внимание повышению энергоэффективности использования имеющихся производственных мощностей и их модернизации.
Таким образом, в условиях постоянного роста тарифов на энергоносители актуальной задачей является разработка научно - обоснованных энергоэффективных система управление которое способен улучшить показателей при производстве цемента.
Производство цемента является энергоемким процессом, требующим энергозатрат в размере 850 - 1100 кВтч / т произведенного цемента. Тепловая энергия при производстве цемента составляет примерно 90% от общего удельного расхода энергии при использовании основных источников топлива, от угля, мазута до альтернативных остаточных видов топлива, таких как биомасса, отходы животного происхождения и выброшенные шины. Электроэнергия составляет оставшиеся 10% от общего удельного потребления энергии. Выбор источника топлива в первую очередь основан на стоимости. Электрическая энергия, потребляемая в обычном процессе производства цемента, обычно составляет 95 - 110 кВтч / т. Процесс дробления и измельчения цементного сырья и готового цемента составляет 70% от общей электрической энергии. Из них на стадию измельчения клинкера и других добавок приходится примерно от 40 до 50% общего потребления электроэнергии.
Несмотря на высокое удельное потребление энергии, трубчатые шаровые мельницы с двумя отсеками с воздушным классификатором в замкнутом контуре используются для окончательного измельчения цемента в течение более 100 лет из-за их высокой надежности и благоприятных физических и химических свойств цементного продукта, таких как более узкое распределение частиц по размерам. К сожалению, шаровые мельницы являются одними из самых низких показателей энергоэффективности среди всех мельниц. Шаровые мельницы страдают от значительных потерь энергии (примерно 98%) в виде тепла из-за трения и столкновения в падающей массе шаров, которая передает входную энергию в неконцентрированный слой частиц. Многочисленные удары необходимы для эффективного разрушения. В связи с высокой потребностью в энергии и низкой энергоэффективностью обычного измельчения в шаровой мельнице цементная промышленность постоянно ищет новые способы снижения потребления энергии за счет улучшения конструкции мельницы и конфигурации контура.
В последние годы использование альтернативных видов топлива значительно возросло, однако потенциал для дальнейших улучшений все еще существует. В цементе восстановление клинкера во время измельчения готового цемента путем замены некоторыми конкретными материалами, имеющими свойства, сходные с клинкером (такими как известняк, пуццолан и доменный шлак), остается ключевым приоритетом. В этой области уже достигнут значительный прогресс. Тем не менее, соответствующие материалы ограничены их региональной доступностью.
При выполнении данной работы были рассмотрены научные труды следующих отечественных и зарубежных ученых, работы которых отражали вопросы энергоэффективность при измельчение шихты в цементном производстве, таких как: А.А. Романович, С. Зиннера, В.З. Партона, М.Б. Генералова, С.Г. Ходокова, Д. Броек, Г.П. Черепанова, Р.А. Родина, К. Шонерта, D. Touil, S. Belaadi, E. Worrel, D.W. Fuersteneau, J.A. Herbst, K. Shoji, W.S. Choi, J. Bhatty, D. Fortsch и другие. Изучение трудов, перечисленных ученых позволили расширить область знаний о процессе измельчения в шаровых мельницах.
Несмотря на технические новации последних десятилетий, которые направленны на повышение эффективности технологических процессов, на цементных заводах неуклонно растет общее энергопотребление за счет более высоких темпов производства, повышения тонкости цемента и более строгих требований по охране окружающей среды.
Разработка систем управления, направленных на снижение энергозатрат на процесс помола в шаровых мельницах замкнутого цикла, является актуальной задачей.
Предмет исследования составляют модели, алгоритмы и метод управления процессом помола клинкера в замкнутом контуре измельчения.
Целью данной научно-квалификационной (диссертация) работы является повышение энергоэффективности процессов измельчения цементного клинкера, работающих в замкнутом цикле, за счет управления технологического процесса с использование искусственной нейронной сети.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решались следующие основные задачи:
1. Описание технологического процессов измельчения клинкера.
2. Оперативное нейроуправление процессом помола шихты в цементном производстве при неопределенности исходных данных
3. Разработка алгоритма обратного распространение ошибки для настройки многослойный нейронных сети с использованием регуляризации некорректно поставленных задач
4. Сбор и анализ экспериментальных данных на опытном заводе
5. Апробация разработанной системы управления на примере измельчения цементного клинкера в шаровых мельницах замкнутого цикла.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались следующие методы: математического моделирования, современной теории управления, аппарат нейронных сетей, а также методы проектирования систем автоматического управления.
Научная новизна работы заключается в следующим:
1. Разработан алгоритм идентификации модели процесса измельчения клинкера цементного производства при неопределенности исходных данных с использованием нейронных сетей и регуляризации постановленной задачи
2. Разработан метод оперативного принятия решений по управлению мельницей цементного производства при наличии множества противоречивых технических требований к значениям режимных параметров.
3. Предложена интерактивная процедура использования разработанных методов принятия решений в практике оперативного управления мельницей цементного производства.
Основная теоретическая значимость. В работе предлагается методика построения систем управления процессом измельчения клинкера, которая позволяет учесть неопределённость в знаниях и статистическую неопределённость, что приведёт к повышению эффективности функционирования системы управления. Разработанный подход может быть применён и для других аналогичных процессов.
Практическая значимость заключается в:
- повышении энергоэффективности процесса помола клинкера за счет применение искусственной нейронной сети.
- разработанная система управления позволяет повысить эффективность функционирования технологического процесса измельчения за счет улучшения управления контуром измельчения.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. алгоритм идентификации модели процесса измельчения клинкера цементного производства при неопределенности исходных данных с использованием нейронных сетей и регуляризации постановленной задачи
2. метод оперативного принятия решений по управлению мельницей цементного производства при наличии множества противоречивых технических требований к значениям режимных параметров.
3. Интерактивная процедура использования разработанных методов принятия решений по оперативному управлению мельницей цементного производства.
Достоверность результатов исследования обеспечивается корректностью и непротиворечивостью результатов работы положения теории АСУ, методам искусственных нейронных сетей, выводов и рекомендаций соответствует современным требованиям и подтверждается положительными результатами промышленных испытаний в условиях реального производства на ООО «Дюккерхофф Коркино Цемент» и ООО «Цементный завод имени Б. Самадов» г. Исфара.
Апробация работы. Основные положения и результаты научноквалификационной (диссертация) работы были представлены и обсуждены на конференции (международной научно-техническое конференции «International Russian Automation Conference, RusAutoCon. 2019» в городе Сочи, «IEEE Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry: Research & Practice (PEAMI)» в Магнитогорск и «Proceedings of the Scientific-Practical International Conference of Students, Magisters, Phd Students and Young Scientists «Muhandis-2019»» в город Душанбе).
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Научно-квалификационная (диссертация) исследования соответствуют паспорту по областям исследования п.4 - «Теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация», п.15 - «Теоретические основы, методы и алгоритмы интеллектуализации решения прикладных задач при построении АСУ широкого назначения (АСУТП, АСУП, АСТПП и др.)», п.16 - «Теоретические основы, методы и алгоритмы построения экспертных и диалоговых подсистем, включенных в АСУТП, АСУП, АСТПП и др».
Публикации. По материалам научно-квалификационной (диссертация) работы опубликовано 6 работ, среди них 3 в журналах, рекомендованных ВАК России и 2 статьи в международных журналах, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science.
Структура и объем работы. Научно- квалификационная (диссертация) работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на (88) страницах основного машинописного текста, включающего (32) рисунков и (13) таблиц, (16) графиков, список используемой литературы из (113) наименований. Общий объем диссертации (100).
Глава 1 содержит обзор литературы по краткому обзору мировой цементной промышленности, современным технологиям, используемым в процессе помола, и ключевым факторам, связанным с качеством цемента.
В главе 2 освещается применение интеллектуальных систем для управление технологического процесса помола клинкера
В главе 3 представлено автоматизированная система управления технологическим процессом измельчения шихты
В главе 4 приведено экспериментальное исследование системы управления замкнутого контура измельчения

Купить

Анализ существующей практики оперативного управления режимами помола клинкера на цементных заводах показывает, что ряд операций по управлению режимами работы мельницы помола в настоящее время недостаточно автоматизированы. Это приводит к снижению эффективности технологического процесса помола клинкера. Так как процесс помола клинкера является энергоемким, то одной из центральных задач здесь стоит снижение энергоемкости процесса за счет рационального выбора текущих значений режимных параметров при оперативном управлении. Данная задача в настоящее время решена недостаточно вследствие высокой степени неопределенности данных эксплуатации и противоречивости связей базовых режимных параметров процесса помола.
Для решения указанной задачи в работе предложен метод поддержки принятия решений по оперативному управлению мельницей цементного производства при неопределенности исходных данных и противоречивых технических требований к процессу помола.
С этой целью в работе предложена процедура регуляризации постановки задачи идентификации технологического процесса помола при неопределенности данных эксплуатации. Процедура регуляризации состоит в нормализации данных за счет выявления нерегулярных данных и удаления их из обучающей выборки. Кроме того, в алгоритме решения задачи идентификации с помощью нейронной сети предложена модификация алгоритма настройки сети с введением дополнительного условия минимизации уклонения текущего решения от принятого номинала.
Разработана интерактивная процедура поддержки принятия решений по многим показателям при противоречивых технических требованиях. Процедура основывается на определении максимально-совместной системы взвешенных неравенств, представляющих текущие значения технических требований, предъявляемых к процессу помола. Апробация предложенной процедуры принятия оперативных решений при управлении процессом помола проводилась на реальных данных эксплуатации мельницы цементного завода (г. Коркино). Расчеты показали, что снижение потребления электрической энергии составляет до 5%.
Купить