Работи-участници в състезанието Simulink-models
Работи-участници в състезанието Simulink-models.
Моделиране на работата на веригата за максимизиране на отделянето на топлина от решетките на решетъчен охладител на циментова пещ
Федоренко Артем Борисович, аспирант от катедрата по техническа кибернетика на Белгородския държавен технологичен университет. В.Г. Шухов, [email protected]; [email protected]; [email protected]
В България в 75% от случаите се използват решетъчни охладители за охлаждане на циментовия клинкер и връщане на топлината към пещта. Това са предимно решетъчни двукамерни хладилници тип "Волга". Решетъчните охладители, за разлика от други агрегати за възстановяване на топлината, ви позволяват да контролирате процеса на охлаждане на клинкера или да автоматизирате този процес. В САЩ, Япония и Западна Европа се използват решетъчни охладители с три и повече камери. Всяка камера има определени топлотехнологични параметри, при които агрегатът като цяло работи по-ефективно. Следните показатели могат да бъдат избрани като критерии за оптимизация: максимално отвеждане на топлината от решетките или минимизиране на изходната температура на клинкера.
Решетъчните охладители са най-модерните охладители за циментови пещи. Монтират се както в мокри, така и в сухи пещи. Схемата на решетъчния охладител е показана на фиг. 1.
Ориз. 1. Схема на охладител с бутаща решетка.
1 - циментова ротационна пещ; 2 - хладилен вал; 3 - решетка;
4 - фиксирана решетка; 5 - подвижна решетка; 6 - клинкер от пещта; 7 - клинкер върху решетка; 8 - клинкер от хладилника; 9 - рязко издухване; 10 - общо издухване; 11 - вторичен въздух;
12 - аспирациявъздух, 13 - гореща камера, 14 - студена камера, 15 - разделителна завеса от вериги.
Клинкерът влиза в решетъчния охладител от пещта и се движи по решетката с помощта на система от подвижни и неподвижни решетки. Отдолу, от пространството под скарата, се подава студен въздух с помощта на вентилатори за остър и общ взрив. Въздухът, преминавайки през прорезите на решетката и филтрирайки се през клинкера, го охлажда. За по-пълно охлаждане се подава излишък от въздух. Загрятият в горещата зона на хладилника въздух (вторичен въздух) се подава във фурната. Излишният въздух от студената зона на хладилника (аспирационен въздух) се изпуска в атмосферата.
Решетъчните охладители осигуряват охлаждане на клинкера до температура с 50 - 70°C по-висока от температурата на околния въздух. Температурата на вторичния въздух може да достигне 800°C. Температурата на всмукания въздух достига 150°C. Разходът на въздух за охлаждане на клинкера при еднократно засмукване на въздух е 2,0 - 2,5 m 3 /kg клинкер. Ефективността на хладилниците е около 85%. Постигането на максимални стойности на ефективност се постига както чрез избор на оптимални процеси на етапа на проектиране, така и чрез поддържане на оптимални режими с помощта на системата за управление.
Математически модел на решетъчен охладител
При фиксиран дебит на въздуха, отвеждането на топлина в горещата камера се определя от дебелината на слоя, неговия гранулометричен състав, температура и дебит на въздушния поток. Налягането под решетката в горещата камера при фиксиран въздушен поток зависи от дебелината на слоя клинкер и неговата гранулометрия. Отвеждането на топлина в горещата камера се определя от следния израз:
,
където qvv, Tvv, Cp - масов дебит, температура и топлинен капацитет на въздуха. В математическия модел на процеса на охлажданеклинкер се получи зависимост
W(qvv, , Hcl, Tcl, qcl),
където Hcl - дебелина на слоя клинкер, - гранулометрични характеристики на слоя клинкер; Tcl - температура на клинкера, qcl - масов разход на клинкер, напускащ пещта.
Анализът на математическия модел показа, че топлоотвеждането има максимална стойност при определена дебелина на слоя H0. (Съответно при тази дебелина минималната температура на клинкера, напускащ горещата скара). Стойността на максималното отвеждане на топлина Wmax зависи от всички горепосочени параметри. Да приемем, че хладилникът работи с капацитет 70 t клетки/час, температурата на клинкера от пещта е 1200 C. Скоростта на вторичния въздушен поток е 25 nm/s. Математическото моделиране показва, че при тези параметри отвеждането на топлина има максимална стойност при височина на слоя H0 = 16 cm, температурата на клинкера на изход от горещата скара на тази височина също е минимална и възлиза на 400 C. Нека производителността се промени и възлиза на 73 t/h, потреблението на вторичен въздух остава същото, отвеждането на топлина има максимална стойност на височината на слоя H0 = 15,9 cm, температурата на клинкера при излизането от горещата скара на тази височина също е минимално и е 420 C Отвеждането на топлина ще бъде по-голямо поради по-високата температура на въздуха. Температурата на клинкера може да се намали до 400 C (и да се увеличи отвеждането на топлина) чрез увеличаване на въздушния поток.
Грешки в модела могат да възникнат поради факта, че гранулометрията на клинкера, която се използва за изчисление в модела, може да се различава от гранулометрията в реалния слой клинкер. Гранулометрията може да се промени по време на работа на апарата поради промени в условията на процеса на изпичане на клинкер. Следователно стойността на дебелината H0, изчислена от модела, може да не съвпада със стойността на дебелината на максималното отвеждане на топлина вистински хладилник.
Стойността на вторичния въздушен поток се различава от общия въздушен поток с не повече от 5%. Следователно в системата за управление сигналът от измервателя на общия въздушен поток ще се използва за изчисляване на qww = 0,95 qod. Има и сигнал от сензора за температура на вторичния въздух. Това позволява, използвайки тези сигнали и калкулатор, внедрен на компютър или микроконтролер, да се намери отвеждането на топлина в горещата камера на хладилника в момента. Зависимостта Сp(T) може да бъде съхранена или под формата на таблица в паметта на компютъра, или изчислена по формулата Сp = .
На практика няма средства за измерване на дебелината на слоя в горещата камера на хладилника. Дебелината обаче може да се намери с помощта на аеродинамичен и топлопреносен модел. Основният индикатор, който отразява дебелината на слоя, е спадът на налягането върху решетката. Аеродинамичното съпротивление на слоя зависи от температурата на слоя (увеличава се с температурата). Н = f(р1, р2, Tvv, qod). Където p1 е налягането под първата решетка на горещата камера, p2 е налягането под втората решетка на горещата камера. За един капиляр изразът, който определя масовия дебит на въздуха:
,
където d е диаметърът на капиляра, H е дебелината на слоя, Tc е температурата на клинкера около капиляра; p е падът на налягането в слоя. От това може да се види, че скоростта на въздушния поток е обратно пропорционална на дебелината на слоя, пропорционална на спада на налягането. С помощта на математически модел можете да получите дебелината на слоя като функция на формата:
,
където f1 и f2 са функции, които характеризират зависимостта на вискозитета на въздуха от температурата и ако хладилникът е в режим на работа, те ще се променят малко и могат да се считат за постоянни коефициенти.
Система за управление на решетъчен охладител
Система за управление на процесите в решетъчния охладителще има следните вериги: верига за управление на въздушния поток, верига за оптимизиране на отвеждането на топлина в горещата камера, верига за охлаждане на клинкер в студената камера.
Схемата за оптимизиране на топлоотвеждането търси екстремума на функцията W(H) - топлоотвеждане от мрежата. Преходът на хладилника в състояние, при което топлоотвеждането има максимална стойност, е основната цел на управлението на тази верига.
Фигурата показва зависимостта на отвеждането на топлина W от дебелината на слоя H:
Ориз. 2. Зависимост на топлоотвеждането W от дебелината на слоя H.