Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
САФОНОВ Дмитрий Николаевич
управление процессом разделения технологических пульп медно-никелевого производства в современных фильтр-прессах
Специальность 05.13.06 Ц | Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (металлургия) |
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете Горный
Научные руководители:
доктор технических наук, профессор
Белоглазов Илья Никитич
кандидат технических наук, доцент
Фирсов Александр Юрьевич
Официальные оппоненты:
Педро Анатолий Александрович
доктор технических наук, профессор,
ООО ЛЕННИИГИПРОХИМ, зав. лабораторией высокотемпературных процессов и аппаратов
Жмарин Евгений Евгеньевич
кандидат технических наук, ЗАО Оутотек Санкт-Петербург, менеджер по оборудованию
Ведущая организация: ООО Институт Гипроникель
Защита состоится 02 июля 2012аг. в 16ач 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Национальном минерально-сырьевом университете Горный по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1303.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета Горный
Автореферат разослан 01 июня 2012 года.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета
доктор технических наук В.Н.аБРИЧКИН
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследований
Одним из основных процессов, определяющих эффективность гидрометаллургических схем предприятий цветной металлургии при переработке сульфидных медно-никелевых руд и концентратов является стадия фильтрования технологических пульп. Применение современных высокоэффективных фильтр-прессов, способных объединять несколько разных по физической сущности процессов обезвоживания в одной установке, позволяет существенно сократить расходы на проведение последующей в технологической цепочке конвективной сушки материала, требующей больших энергетических затрат. От эффективности работы установленных фильтр-прессов зависит производительность передела, себестоимость обезвоженного концентрата и его пригодность для дальнейшей металлургической переработки.
Поступающая на обезвоживание пульпа не постоянна по своему физико-химическому составу. Такие её параметры как крупность частиц, плотность твёрдой и жидкой фазы, концентрация, температура и др. изменяются во времени. Непостоянство параметров питающей пульпы и значительное время запаздывания в получении информации о протекании процессов обезвоживания в фильтр-прессе существенно усложняют задачу качественного управления.
Задача повышения эффективности разделения пульп на фильтр-прессах решается двумя основными путями. Первый путь заключается в совершенствовании математического описания процессов обезвоживания и методов тестирования пульп на фильтруемость. Огромный вклад в развитие и совершенствование математического моделирования процессов фильтрования внесли такие крупные специалисты, как В.А.Жужиков, В.Н. Виноградов, Р.Д. Вэйкман. Вследствие сложности создания точных математических моделей процессов фильтрования, наиболее перспективным является второй путь, заключающийся в повышении эффективности систем автоматического управления фильтр-прессами. Хорошо известны разработки отечественных (ООО Институт Гипроникель) и зарубежных (лOutotec, Andritz) организаций в области создания систем автоматического управления процессами фильтрования.
Однако существующие методы определения фильтруемости пульпы имеют ряд недостатков, связанных с высокой стоимостью и длительностью проведения тестирования. Существующие системы автоматического управления фильтр-прессами не в полной мере учитывают наличие имеющихся нестационарностей в параметрах питающей пульпы и требуют дальнейшего совершенствования.
Цель работы - научное обоснование и разработка системы управления фильтр-прессом, обеспечивающей ведение процесса фильтрования при наилучших режимных настройках, в соответствие с критерием оптимальности.
Идея работы - с целью определения наилучших режимных настроек и повышения эффективности процесса разделения пульп, в системе автоматического управления необходимо использовать предиктивный регулятор, включающий в себя математическую модель процессов обезвоживания и блок оптимизации с алгоритмом работы, основанным на использовании искусственной иммунной сети.
Основные задачи исследований:
1.аНаучно-технический анализ использования промышленных фильтров на металлургических предприятиях и существующих систем автоматического управления;
2.аНаучно-технический анализ известных способов оценки характеристик питающей пульпы и их влияния на кинетику процессов обезвоживания в фильтр-прессе;
3.аЭкспериментальные исследования воздухопроницаемости твёрдой фазы поступающей на фильтрование в составе пульпы;
4. Экспериментальные исследования фильтруемости медно-никелевой пульпы на пилотном фильтр-прессе Outotec Larox PF-0,1;
5.аРазработка математической модели обезвоживания концентратов на фильтр-прессе и идентификация её параметров по экспериментальным данным;
6.аРазработка алгоритма для осуществления высокоэффективного параллельного поиска оптимума функций, имеющих не единственное решение на основе использования искусственной иммунной сети;
7.аСинтез системы автоматического управления фильтр-прессом, которая состоит из блока оптимизации с иммунным алгоритмом работы и прогнозирующей модели процесса обезвоживания.
Методы исследований. Принятые в работе научные положения базируются на современных представлениях о закономерностях процессов, протекающих в гидрометаллургических аппаратах непрерывного и периодического действия. При выводе основных зависимостей применены положения системного подхода к исследованию технологических процессов, а также методы математического и физического моделирования. Анализ влияния параметров на показатели процесса и эффективность работы оборудования осуществлялся с применением стандартного и специального программного обеспечения. В экспериментальной части работы использовались методы организации исследований и обработки экспериментальных данных, методы аналитического контроля и статистического анализа.
Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в следующем:
1.аУстановлена зависимость, позволяющая по результатам измерений воздушной проницаемости твёрдой фазы поступающей на фильтрование в составе пульпы оценить удельное сопротивление осадка;
2.аСинтезирована система автоматического управления фильтр-прессом. В систему включён предиктивный регулятор, включающий блок прогнозирования, рассчитывающий на основе модели объекта выходные параметры, и блок оптимизации, выбирающий наилучшие режимные настройки фильтра в соответствии с критерием оптимальности, что позволяет повысить качество управления.
Основные защищаемые положения:
1. С целью получения оперативных данных об удельном сопротивлении осадка - параметре, используемом в математических моделях процесса фильтрования, следует использовать данные о воздушной проницаемости твёрдой фазы, поступающей на фильтрование в составе пульпы;
2. Для поиска оптимальных режимных настроек процесса обезвоживания на фильтр-прессе целесообразно использовать систему автоматического управления, имеющей в своём составе предиктивный регулятор, который состоит из блока прогнозирования, рассчитывающего по модели объекта выходные параметры и блока оптимизации, выбирающий наилучшие настройки фильтр-пресса в соответствии с критерием оптимальности в области планирования.
Практическая значимость работы:
1. Оперативный способ определения удельного сопротивления осадка по данным воздушной проницаемости твёрдой фазы поступающей на фильтрование в составе пульпы обеспечивает получение более полной информации о фильтруемости технологических пульп металлургического производства.
2. Разработанный алгоритм предиктивного регулятора, основанный на использовании искусственной иммунной сети, представляет собой универсальное решение для поиска оптимальных условий протекания сложных технологических процессов, обеспечивая снижение себестоимости, увеличения производительности и т.д.
Достоверность научных результатов. Приводимые результаты, выводы и рекомендации обоснованы значительным объемом экспериментальных данных и их соответствием теории и практики обезвоживания металлургических предприятий, применением современных методов физико-химического анализа технологических продуктов, использованием адекватных математических моделей и статистических методов обработки данных с применением компьютерных технологий, а также проверкой полученных результатов на укрупненной пилотной установке.
Апробация работы.
Содержание и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 4-х международных научных специализированных конференциях: в Краковской горной академии (Польша, г. Краков) в 2009 г., в Лаппеенрантском технологическом университете (Финляндия, г. Лаппеенранта) в 2010 г., на XXV международном конгрессе по обогащению полезных ископаемых (Австралия, г. Брисбан) в 2010 г., в Технологическом Университете г. Оулу (Финляндия, г. Оулу) в 2011 г, на 4-х научных конференциях студентов и молодых ученых в СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова в 2009-2012 г.г.; научных семинарах кафедры АТПП СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2009-2012 г.г.; на научно-технических советах по работе с аспирантами СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2009-2012 г.г.
ичный вклад автора.
Автор самостоятельно выполнил:
1.аПостановку задач и разработку общей методики исследований;
2.аАнализ современных методов обезвоживания на металлургических предприятиях и существующих систем управления фильтр-прессами;
3.аЛабораторные экспериментальные исследования по определению удельной площади поверхности на Блэйн-метре и фильтруемости технологических пульп на нутч-фильтре.
4.аЛабораторные экспериментальные исследования по фильтрованию образцов медно-никелевой пульпы с комбината Печенганикель ОАО Кольской ГМК на пилотном фильтр-прессе Outotec Larox Pf-0,1;
5.аРазработку математической модели обезвоживания концентратов на фильтр-прессе и идентификацию её параметров по экспериментальным данным;
6.аРазработку алгоритма для осуществления высокоэффективного параллельного поиска оптимума функций, имеющих не единственное решение на основе использования искусственной иммунной сети;
7. Синтез системы автоматического управления фильтр-прессом, включающую блок оптимизации с иммунным алгоритмом работы и прогнозирующую модель процесса обезвоживания.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка и приложений. Содержит 120 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 110 наименований, приложений - 3.
Автор выражает благодарность научным руководителям д.т.н., проф. Белоглазову И.Н. и доц., к.т.н. Фирсову А. Ю. за помощь и поддержку, оказанную при работе над диссертацией.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе представлена теоретическая информация о фильтровании технологических пульп медно-никелевого производства. Рассмотрены основные характеристики пульпы, влияющие на процесс фильтрования и возможные способы их определения. Приведено описание конструкции и принципа действия фильтр-пресса, а также рассмотрены особенности применения данного типа фильтров в металлургической промышленности. Представлено описание и выявленные недостатки существующих систем автоматического управления фильтр-прессами. Приведена общая технологическая схема производства комбината ОАО ГМК Печенганикель и технологическая схема цеха обжига.
Вторая глава посвящена разработке математической модели процессов обезвоживания технологических пульп в фильтр-прессе. Рассчитана и проверена адекватность разработанной математической экспериментальным данным, полученным с пилотного фильтр-пресса Outotec Larox PF-0,1.
В третьей главе описаны экспериментальные исследования, выполненные в лабораторном масштабе, целью которых было установление зависимости, позволяющей по результатам измерений воздушной проницаемости твёрдой фазы поступающей на фильтрование в составе пульпы оценить удельное сопротивление осадка;
В четвёртой главе синтезируется система автоматического управления фильтр-прессом. Система имеет в своём составе предиктивный регулятор, который состоит из блока прогнозирования, рассчитывающего по модели объекта выходные параметры и блока оптимизации, выбирающий наилучшие настройки фильтр-пресса в соответствии с критерием оптимальности в области планирования.
Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследования в соответствии с поставленной целью и решёнными задачами.
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. С целью получения оперативных данных об удельном сопротивлении осадка Ц параметре, используемом в математических моделях процесса фильтрования, следует использовать данные о воздушной проницаемости твёрдой фазы, поступающей на фильтрование в составе пульпы;
Рассмотрим процесс обезвоживания медно-никелевого концентрата на фильтр-прессе, включающий в себя две последовательно реализуемых стадии - фильтрования под давлением и диафрагменное прессование. Математические модели процессов могут быть представлены в следующем виде:
1.аФильтрование под давлением:
(1) | |
(2) | |
(3) | |
(4) | |
(5) | |
(6) |
Начальные условия:
2.аДиафрагменное прессование:
(7) | |
(8) | |
(9) |
Начальные условия:
Толщина осадка при максимальном сжатии:
(10) |
Для обеих стадий справедливы следующие уравнения:
(11) | |
(12) |
В уравнениях (1) - (12) обозначены: - общий объём фильтрата [м3]; - объём фильтрата образовавшийся при фильтровании [м3]; - объём фильтрата, образовавшийся при диафрагменном прессовании [м3]; - время [c]; - длительность фильтрования [c]; - длительность диафрагменного прессования [с]; - площадь фильтровальной перегородки [м2]; - перепад давления при фильтровании [Па]; - перепад давления при диафрагменном прессовании [Па]; - динамическая вязкость жидкой фазы пульпы [Пас]; - удельное сопротивление осадка [мкг-1]; - масса твёрдого в осадке [кг]; - масса жидкости в осадке [кг]; - сопротивление фильтровальной перегородки [м-1]; - толщина осадка [м]; - концентрация твёрдой фазы в пульпе [-]; - плотность твёрдой фазы пульпы [кгм-3]; - плотность жидкой фазы пульпы [кгм-3]; - влагосодержание осадка [-], - влажность осадка [-]; - порозность осадка [-]; - коэффициенты; - удельная поверхность твёрдой фазы в составе пульпы [м2 м-3]; - предельная толщина осадка при минимальном сжатии [м]; - толщина осадка при максимальном сжатии диафрагмой [м]; - константа скорости сжатия [ м2с-1]; - коэффициенты.
Параметры, входящие в уравнения (1) - (10) идентифицировались по экспериментальным данным фильтрования медно-никелевой пульпы на пилотном фильтр-прессе Outotec Larox PF-0,1.
Характеристики пульпы и настройки фильтра:
Рассчитанные параметры, входящие в модель:
Промоделируем изменение объёма фильтрата для разных стадий обезвоживания в Matlab с учётом характеристик тестируемой пульпы, настроек фильтра и рассчитанных параметров, входящих в модель (рис.1).
Рис.1. Образование фильтрата в зависимости от настройки фильтр-пресса
В некоторых случаях проведение стандартных тестов на фильтруемость пульпы представляет собой сложную задачу, так как для её решения необходима транспортировка и последующая наладка лабораторного пилотного фильтра на металлургическом предприятии, либо отправки достаточно большого количества образцов пульпы в лабораторию.
Одним из направлений в решении задачи интенсификации тестирования является применение новых методов определения характеристик и параметров процесса. Перспективным является метод определения удельного сопротивления осадка, основного влияющего фактора на кинетику фильтрования, по данным воздушной проницаемости твёрдой фазы идущей на фильтрование в составе пульпы.
Для определения зависимости удельного сопротивления осадка от воздушной проницаемости твёрдой фазы (рис. 2) использовались различные материалы: угольный порошок, карбонат кальция, апатитовый концентрат, магнетит, цинковый концентрат, медный концентрат, пиритный концентрат.
Наиболее простой реализацией установки для определения воздушной проницаемости является лабораторный Блэйн-метр. Важными преимуществами данного метода тестирования являются высокая скорость получения результатов и использование малого количества материала для тестирования (менее 100 г.). Блэйн-метр измеряет т.н. Блэйн-индекс - удельную поверхность в м2кг-1.
Для определения удельного сопротивления осадка использовался стандартный метод фильтрования на нутч-фильтре.
Рис.2. Зависимость удельного сопротивления осадка от удельной поверхности (индекс Блэйна): 1 - пиритный к-т, 2 - апатитовый к-т, 3 - Zn к-т, 4 - Cu к-т, 5 - магнетит, 6 - угольный порошок, 7 - карбонат кальция.
Анализируя графики на рис.2 можно сделать вывод о том, что для тестируемых материалов прослеживается квадратичная связь между удельным сопротивлением осадка и удельной поверхностью материала, определённой методом воздушной проницаемости. Вид этой зависимости может быть представлен в виде:
Таким образом, с целью получения оперативных данных о значении удельного сопротивления осадка, следует использовать данные о воздушной проницаемости твёрдой фазы, поступающей на фильтрование в составе пульпы. Принимая во внимание простоту использования метода и низкую стоимость измерений, можно сделать вывод о возможности его широкого применения промышленности и разработке на его основе автоматических устройств, позволяющих за короткий промежуток времени определить фильтруемость материала.
2. Для поиска оптимальных режимных настроек процесса обезвоживания на фильтр-прессе целесообразно использовать систему автоматического управления, имеющей в своём составе предиктивный регулятор, который состоит из блока прогнозирования, рассчитывающего по модели объекта выходные параметры и блока оптимизации, выбирающий наилучшие настройки фильтр-пресса в соответствии с критерием оптимальности в области планирования.
При синтезе системы управления стоит задача создания такого управляющего устройства, при котором система удовлетворяла бы заданным требованиям к ее качеству. Использование управляющего устройства, в состав которого входит прогнозирующая модель и блок оптимизации, позволяет определить оптимальные режимные настройки фильтр-пресса для следующего цикла фильтрования с учётом всех особенностей: измеряемых и не измеряемых возмущающих воздействий, входных и выходных ограничений и т.д.
На структурной схеме (рис. 3) представлен принцип построения системы управления на основе предиктивного регулятора. Регулятор включает в себя прогнозирующую модель и блок оптимизации, работа которого основана на использовании алгоритма искусственной иммунной сети.
Рис. 3. Структура схема системы управления
Общую структуру фильтра как объекта управления можно представить в следующем виде:
(13) |
где - вектор выходных регулируемых величин, - вектор измеряемых возмущающих воздействий, - вектор не измеряемых возмущающих воздействий, - вектор управляющих воздействий.
Х Вектор измеряемых возмущающих воздействий включает: - удельную площадь поверхности частиц пульпы; - плотность пульпы;
Х Вектор не измеряемых возмущающих воздействий включает: - концентрацию твёрдой фазы в пульпе;
Х Вектор возможных управляющих воздействий представляет собой набор уставок для существующих локальных систем автоматического управления фильтр-прессом и включает: - время фильтрования, - давление пульпы при фильтровании, - давление воды над диафрагмой при прессовании, - время диафрагменного прессования;
Х Вектор выходных регулируемых величин включает: - объём образующегося фильтрата, - толщина слоя осадка, - концентрация жидкой фазы в осадке.
Параметры пульпы медно-никелевого концентрата, поступающей с нижнего слива сгустителя, не постоянны во времени. Изменения характеристик питающей пульпы медно-никелевого концентрата изменяются в следующих пределах (по данным с комбината Печенганикель ОАО Кольская ГМК):
[]; ;
[]; [];
Критерий оптимальности, имеющий смысл условно-переменных затрат в составе себестоимости продукции может быть выражен как:
(14) |
где - коэффициенты, показывающие стоимость единицы времени, затрачиваемого на операции фильтрования и диафрагменного прессования соответственно; - настроечные коэффициенты, предусмотренные для уточнения критерия в процессе эксплуатации системы управления; - расходы на проведение вспомогательных операций (открытие и закрытие пакета пластин, разгрузку осадка, промывку фильтровальной ткани и т.д.).
Задача создаваемой системы автоматического управления заключается в поиске режимных настроек фильтр-пресса, которые позволяют стабилизировать влажность осадка на регламентированном уровне при одновременной минимизации критерия оптимальности в области планирования:
(15) |
Прогнозирующая модель
Прогнозирующая модель, входящая в состав предиктивного регулятора, состоит из моделей процессов фильтрования и диафрагменного прессования, описываемых уравнениями (1)-(12).
Блок оптимизации
Основным блоком предиктивного регулятора является блок оптимизации, использующий алгоритм поиска оптимальных режимных настроек, основанный на использовании искусственной иммунной сети.
Суть алгоритма состоит в дискретизации допустимого диапазона каждой настройки с получением n1=2^7=128 дискретных значения каждой настройки, далее в переводе 4х мерного дискретного пространства допустимых управляющих воздействий (настроек фильтр-пресса) в одномерное дискретное пространство набора настроек, закодированных в двоичном коде, с числом элементов n=n1^4=128^4=268435456. Длина массива бит для хранения двоичного кода одного параметра составляет 7 бит. Длина массива бит для хранения двоичного кода одного набора из 4 настроек составляет 4*7=28:
В данном одномерном пространстве целевая функция имеет множество локальных минимумов, но предложенный алгоритм, относящийся к классу алгоритмов параллельного поиска, легко справляется с поиском глобального минимума. Алгоритм блока оптимизации формально может быть представлен в виде следующей последовательности шагов:
[Шага1] Создание и инициализация массива из 7 структур (лклеток памяти) , содержащих случайные настройки, значение критерия и показателя степени близости aff (лаффинности) к текущему минимальному (лантигену):
; ,
;
[Шага2]аФормирование массива структур (лB-лимфо-цитов) по массиву структур :
Проверка останова программы: если значения всех элементов массива структур близки друг к другу с определённым допуском , то оставить поиск, иначе - переходим к шагу 3.
[Шаг 3] Формирование массива из 3 случайных структур , что обеспечивает постоянное наличие разнообразия при поиске:
; ,
[Шаг 4] Размножение массива структур - создание массива структур (лантител) из 100 элементов таких, что:
, , Е,
[Шага5] Случайный отбор 10 элементов массива структур из всех 100 элементов массива структур (лиз всей популяции).
[Шага6] Изменение (инвертирование бит в двоичном коде) значений режимных настроек (лмутация клеток), отобранных на Шаге 5 элементов массива структур в соответствии с шаблоном вероятности лизменчивости: .
[Шага7] Декодирование из двоичной системы в десятичную систему счисления и масштабирование в заданный диапазон изменения физических единиц настроек:
[Шага8]аРасчёт модели фильтр-пресса по 10 вариантам настроек. Режимные настройки берутся из 10 отобранных элементов массива структур. Производится проверка выходных параметров модели на технологические ограничения. Задача условной минимизации решается за счет назначения целевой функции максимального значения . Значения целевой функции сохраняются в элементе в физических единицах измерения в десятичной системе счисления: .
[Шаг 9] Определение минимального значения :
Если
[Шага10] Расчёт степени близости критерия отобранных структур и к минимальному значению (Уаффинности взаимодействия антитела и антигенаФ):
[Шаг 11] Сохранение 7 из 10 элементов массива структур с наибольшими значениями степени близости в массиве структур памяти:
[Шаг 12] Переход к шагу 2.
Когда поиск завершён, регулятор выдает управляющие воздействия существующим локальным системам управления фильтр-прессом, который функционирует с найденными настройками до следующего цикла обезвоживания. Затем регулятор получает измеренные значения исходных характеристик пульпы и полностью пересматривает свой расчет.
Поиск минимальных значений критерия оптимальности при некоторых параметрах питающей пульпы с использованием предиктивного регулятора показан на рис. 4.
Рис.4. Поиск минимума критерия оптимальности с помощью иммунного регулятора
Следующий график (рис. 5) показывает значение критерия оптимальности (себестоимости) фильтр-пресса при различных способах управления процессом обезвоживания - с использованием и без использования предиктивного регулятора в условиях меняющихся исходных характеристик пульпы.
Рис.5. Изменение себестоимости по циклам фильтрования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты выполненных исследований:
1. Произведён анализ научно-технической литературы по тематике исследований. Выявлены недостатки существующих систем автоматического управления фильтр-прессами и способы повышения качества управления.
2. Разработана математическая модель процесса обезвоживания медно-никелевого концентрата на пилотном фильтр-прессе и произведена идентификация её параметров по экспериментальным данным.
3. Уста
GEUM RU