Разработка автоматизированной системы оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов комплекса доменных печей : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.13.06

Актуальность работы. Металлургическая промышленность является базовой для других отраслей – машиностроения, строительства, электротехники и других. При этом более 90 % получаемой в металлургии продукции приходится на сталь, в технологиях производства которой особое место занимает доменный процесс. Доменное производство является самым сложным в цепочке производства стали, наиболее ресурсоёмким и энергоёмким процессом.
Доменный процесс имеет высокий уровень автоматизации. Об этом свидетельствуют современные устройства и технические системы, например, засыпные аппараты с контролем уровня засыпи, системы контроля температуры колошникового газа по радиусу и окружности печи, системы контроля температуры тела холодильников и определения прогара воздушных фурм и другие средства контроля технологии доменной плавки. Для управления доменной плавкой применяются разнообразные системы управления и контроля, к которым относятся автоматизированные рабочие места, системы поддержки принятия решений, информационно-моделирующие системы, экспертные системы и др. Научной базой технических и программных средств автоматизации являются соответствующие математические модели.
Анализ используемых в настоящее время математических моделей при распределении сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в комплексе доменных печей показал, что распределение ресурсов при планировании работы построено на экспертной оценке технологического персонала, а методы их оптимального распределения практически не используются. Это определило актуальность работы и необходимость разработки соответствующей автоматизированной системы.
Степень разработанности темы исследования. Решение задач оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов комплекса агрегатов осуществляется с применением методов математического моделирования и математического программирования, широко используемых в
5
разных отраслях промышленности – металлургической, химической, энергетике и
других. Над созданием систем автоматизации и разработкой математических моделей оптимизации доменного процесса работали в разное время известные отечественные и зарубежные учёные Боковиков Б.А., Большаков В.И., Бородулин А.В., Гизатуллин Х.Н., Дмитриев А.Н., Загайнов С.А., Китаев Б.И., Курунов И.Ф., Лисиенко В.Г., Овчинников Ю.Н., Онорин О.П., Сибагатуллин С.К., Товаровский И.Г., Ченцов А.В., Шаврин С.В., Ярошенко Ю.Г. и другие.
Применяемые до настоящего времени алгоритмы оптимального распределения железорудного сырья, природного газа и технологического кислорода в доменном цехе позволяют оценивать эффективность их использования только при известном комплексе как контролируемых входных, так и выходных переменных каждой из печей и цеха в целом. Поэтому такие алгоритмы не позволяют решать задачи оптимального распределения сырьевых и топливно- энергетических ресурсов в комплексе доменных печей для проектных периодов при изменении характеристик дутья, состава и свойств загружаемых шихтовых материалов, что ограничивает область их применения.
Цель работы. Снижение затрат на доменный передел и повышение его энергоэффективности на основе разработки и применения новых методов и алгоритмов оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в доменном производстве, прогнозирования работы комплекса доменных печей в условиях изменения конъюнктуры рынка сырья и топлива, нестабильности состава и свойств проплавляемого железорудного сырья.
Задачи исследования:
1. Анализподходовиметодовоптимальногораспределениясырьевыхитопливно- энергетических ресурсов в комплексе доменных печей. Развитие метода оптимального распределения ресурсов на основе натурно-математического моделирования, использования физико-химических закономерностей процессов и принципа малых отклонений выходных переменных и переменных состояния в окрестностях базового режима с целью прогнозирования работы отдельных печей и цеха в целом.

6
2. Разработка алгоритма оптимального распределения сырья и топлива с учётом
требований технологического персонала на основе созданного метода и функциональной модели применительно к комплексу доменных печей при изменении характеристик дутья, состава и свойств проплавляемого железорудного сырья и топлива в виде блок-схем и программного модуля библиотеки классов.
3. Разработка автоматизированной системы оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в комплексе доменных печей с учётом требований, предъявляемых к современным информационным системам.
4. Интеграциясистемывавтоматизированнуюсистемуанализаипрогнозирования производственных ситуаций доменного цеха. Модельные испытания разработанной автоматизированной системы.
Научная новизна:
1. Метод оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в организационно-технологической системе доменного цеха, отличающийся интеграцией физико-химических закономерностей основных процессов объекта управления и пересчётных моделей. Метод включает формирование базовых режимов системы управления, определение коэффициентов модели путём линеаризации модели в окрестностях базовых режимов, возможность прогнозирования работы отдельных печей и цеха в целом при изменяющихся условиях их функционирования и проверку выполнения технологических и сырьевых ограничений.
2. Структураалгоритмаоптимальногораспределениясырьяитопливавкомплексе доменных печей, отличающаяся декомпозицией задачи оптимизации, формированием базовых режимов функционирования доменных печей на интервале не менее одного месяца с последующей возможностью их коррекции путём выбора периодов, аналогичных прогнозному по режимным параметрам и свойствам шихтовых материалов.

7
3. Метод решения сложных математических задач при разработке ПО
автоматизированных систем, отличающийся синтезом пакетов прикладных программ со специализированным ПО, предназначенным для моделирования процессов в отдельных технологических агрегатах, и с внешними математическими пакетами с целью использования имеющихся в них алгоритмов решения математических задач.
4. Результаты модельных испытаний и опытной эксплуатации разработанных алгоритмов и автоматизированной системы, показывающие возможность повышения технико-экономических показателей работы цеха без улучшения показателей на всех без исключения доменных печах.
Теоретическая значимость заключается в возможности использования
разработанных методов:
–
распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов комплекса доменных печей при планировании работы цеха в условиях нестабильности состава и свойств проплавляемого железорудного сырья и топлива с учётом технологических ограничений и конструктивных особенностей работы отдельных печей, ограничений на топливно-энергетические и сырьевые ресурсы доменного цеха.
решения математических задач на основе синтеза со специализированными пакетами прикладных программ при разработке ПО автоматизированных систем.
–
Практическая значимость заключается в возможности использования научных и практических результатов исследования:
– при решении задач оптимального распределения сырьевых и топливно-
энергетических ресурсов в доменном производстве;
– при разработке математического и программного обеспечения
автоматизированных систем для управления сложными технологическими
объектами и их комплексами в металлургии;
– в преподавании дисциплин для студентов вузов соответствующих
специальностей.

8
Реализация результатов работы. Программное обеспечение «Оптимизация
распределения топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей» передано для промышленных испытаний управлению информационных технологий ПАО «ММК». Программные блоки «Расчёт выхода конечного шлака, диагностики шлакового режима, оценки десульфурирующей способности шлака, расчет прогнозного содержания серы в чугуне», «Расчёт оптимального состава доменной шихты при заданных свойствах конечного шлака» и «Расчёт показателей хода тепловых, восстановительных процессов и коэффициентов влияния свойств железорудного сырья, кокса, дутьевых параметров на показатели плавки» приняты доменным цехом ПАО «ММК» в опытную эксплуатацию.
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» для подготовки магистров по направлениям 09.04.02 «Информационные системы и технологии», 22.04.02 «Металлургия»; бакалавров по направлению 09.03.02 «Информационные системы и технологии».
Методология и методы исследования базируются на: структурном анализе; физико-химических закономерностях основных процессов, протекающих в доменной печи; использовании методов математического моделирования доменного процесса и математического программирования; современных принципах разработки алгоритмического и программного обеспечения автоматизированных систем управления сложными технологическими процессами и комплексами агрегатов в металлургии.
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в доменном цехе, отличающийся интеграцией физико-химических закономерностей основных процессов объекта управления и пересчётных моделей, включающий возможность прогнозирования работы отдельных печей и цеха в целом при изменяющихся условиях их функционирования.
2. Алгоритмоптимальногораспределениясырьяитопливавкомплекседоменных печей, отличающийся декомпозицией задачи оптимизации, формированием

9
базовых режимов функционирования доменных печей и их коррекцией путём
выбора периодов, аналогичных прогнозному.
3. Метод решения сложных математических задач при разработке ПО
автоматизированных систем, отличающийся синтезом пакетов прикладных программ со специализированным ПО, предназначенным для моделирования процессов.
4. Результаты исследования методов управления распределением сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в доменном производстве в изменяющихся сырьевых условиях, обеспечивающие повышение технико-экономических показателей доменной плавки.
Соответствие паспорту специальности. В диссертации представлены
математическое, информационное и программное обеспечение автоматизированный системы управления производством (АСУП) доменного цеха, методология исследования и проектирования, формализованное описание и алгоритмы, оптимизация и имитационное моделирование функционирования систем. Разработанная система оптимального распределения сырьевых и топливно- энергетических ресурсов комплекса доменных печей предназначена для интеллектуальной поддержки процессов управления доменным производством. Диссертация соответствует областям исследования 4, 9 и 10 паспорта научной специальности 05.13.06.
Личный вклад соискателя состоит в разработке математического обеспечения для оптимального распределения сырьевых и топливно- энергетических ресурсов в доменном производстве; разработке функциональной модели автоматизированной системы оптимального распределения ресурсов в комплексе доменных печей; разработке соответствующего программного обеспечения; в исследовании методов управления распределением сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в доменном производстве при изменяющихся сырьевых условиях, обеспечивающих повышение технико-экономических показателей доменной плавки; обобщении и научном обосновании полученных результатов, формулировке выводов и рекомендаций.

10
Достоверность научных результатов. Обоснованность научных положений
обеспечивается соответствием полученных результатов современным знаниям о закономерностях доменного процесса, сопоставлением результатов моделирования с производственными данными, использованием современных методов и средств разработки программного обеспечения. Подтверждается положительной оценкой теоретических и практических исследований на научных семинарах и конференциях.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследования представлены на следующих конференциях: VII Международная научно- практическая конференция «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология» (Москва, 2014); научно-практическая конференция с международным участием «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» (Екатеринбург, 2015); VIII Международная научно-практическая конференция «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии в промышленности. 100 лет отечественного проектирования металлургических печей» (Москва, 2016); IV Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Моделирование и наукоемкие информационные технологии в технических и социально-экономических системах» (Новокузнецк, 2016); II Международная научно-практическая конференция «Современные научные достижения металлургической теплотехники и их реализация в промышленности» (Екатеринбург, 2017); X и XI Всероссийские научно-практические конференции с международным участием «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2015, 2017); V, VI и VII Всероссийские научно- практические конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве» (Екатеринбург, 2016, 2017, 2018).
По теме диссертации опубликовано 19 статей, из них семь статей в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, из которых четыре представлены в реферативной базе данных Scopus. Три научных доклада

11
конференций проиндексированы в базах данных Scopus и Web Of Science. Также
получено два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ. Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 136 страницах основного машинописного текста, включает 30 рисунков, 6 таблиц и 4 приложения. Состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из
124 источников.