Автоматизация технологических процессов производства продукции для цементной промышленности всегда являлась актуальной задачей и важнейшим средством, обеспечивающим технический прогресс.
Одна из основных задач развития современной промышленности состоит в существенном увеличении единичной мощности технологических агрегатов. Создание крупнотоннажных агрегатов выдвигает значительно более жёсткие требования к надёжности функционирования технологических комплексов. Наряду с требованиями высокой экономической эффективности, повышенное внимание уделяется также качеству выпускаемой продукции, а, следовательно, и качеству ведения технологических процессов, которые невозможно осуществить без применения современных методов проектирования.
Эффективное управление технологическими процессами возможно только с применением АСУТП, построенных на базе микропроцессорной и вычислительной техники. Применение подобных систем автоматизации позволяет существенно повысить качество решения задач управления технологическими процессами. Применение микропроцессорной техники делает возможным объединение множества контуров контроля и регулирования в единую систему, а вычислительная техника позволяет решать управленческие задачи на уровне оптимизации.
Создание и использование подобных систем автоматизации в технологических процессах цементной промышленности позволяет повысить качество цемента при одновременном повышении производительности агрегатов, снижении удельных расходов электроэнергии и топлива. Кроме того, создание АСУТП обуславливает и социальный эффект, приводящий к улучшению условии труда, техники безопасности и повышению производительности обслуживающего персонала.
1. Аналитический обзор
1.1 Динамика производства цемента в России
В последнее время все активнее звучат планы федеральных властей по увеличению объемов жилищного строительства.
Несмотря на то, что в этих заявлениях достаточно много популизма, очевиден факт высокого интереса государства к развитию строительной отрасли. Большое количество жилья (в особенности за пределами столицы) строится в рамках госпрограмм; выполнение плана по жилищному строительству является одним из критериев при оценке деятельности губернаторов. По этой причине, несмотря на стагнацию (застой в производстве) и низкий спрос на строительном рынке, в стране в 2011 г. удалось ввести в эксплуатацию свыше 62 млн.кв.м жилья, это видно на рисунке 1. Во многом столь высокий показатель был обеспечен за счет «административного фактора», в частности, ввода домов, не подключенных к коммуникациям, но в целом тенденции можно считать благоприятными. Подтверждает это и динамика потребления цемента — за 2011 г. рынок вырос на 16%.
Энергосберегающие технологии в промышленности
... энергосбережения в легкой промышленности: 1. Совершенствование технологических ... цемента. Наиболее энергоемким процессом в производстве цемента ... в результате внедрения энергосберегающих машин, технологических процессов и оборудования. Преобладающая доля потенциала энергосбережения приходится на устранение прямого расточительства и повышения экономичности работы сельскохозяйственной техники, ...
Рисунок 1 — Объемы жилищного строительства в России в 1990-2011 гг.
Исходя из этого, можно надеяться, что строительный рынок в ближайшие годы будет развиваться, если и не в соответствии с планами федеральных властей, то хотя бы достаточно быстрыми темпами. И здесь уже возникает вопрос о ресурсном обеспечении столь грандиозных планов. Речь идет, прежде всего, о поставках цемента, нехватка которого стала уже традиционной в строительный сезон.
Прогнозное потребление цемента было оценено государством в «Стратегии развития промышленности строительных материалов и индустриального домостроения на период до 2020 года», принятой в мае 2011 г. Однако эти прогнозы явно неадекватны: согласно данному документу прогнозное потребление цемента на 2011 г. должно было составить 53 млн.т, в то время как фактически было потреблено свыше 58 млн.т (56 млн.т внутреннее производство, еще 3 млн.т — импорт, менее 1 млн.т — экспорт цемента).
Поэтому уже сейчас можно говорить о том, что государство явно недооценивает угрозу дефицита этого базового стройматериала.
Аналитики «Амикрон-консалтинг» попытались представить более объективные и обоснованные прогнозы потребления (с учетом почти пятилетнего опыта анализа ситуации в этой сфе+ре).
С этой целью был проведен глубокий ретроспективный анализ за период с 1980 по 2011 гг., который показал, что в расчете на 1 кв.м введенных жилых площадей производится в среднем 1,1 тонн цемента, наглядно видно на рисунке 2.
Рисунок 2 — Производство цемента в расчете на 1 кв. м введенных жилых площадей в 1980-2011 гг.
В отдельные периоды наблюдались отклонения от этой величины из-за неравномерности развития строительной деятельности. Причем в периоды, когда объемы производства цемента были ниже среднего значения, фактически имело место недофинансирование инфраструктурного строительства.
Для обеспечения сбалансированного развития строительства (при котором возведение жилья сопровождается соответствующим развитием инфраструктуры), требуется производство не менее 1,1 тонны цемента в расчете на 1 кв.м вводимого жилья. В условиях преодоления инфраструктурного отставания потребление должно быть гораздо более существенным — на уровне не менее 1,2 тонны в расчете на 1 кв.м. В ближайшее десятилетие объективно необходима активная работа по инфраструктурному строительству: возведение мостов, автомобильных и железных дорог, энергообъектов, инженерных коммуникаций и т.п.
В заключении можно сказать, что несмотря на все трудности роста, перспективы у российского рынка цемента весьма оптимистичны: для организации выпуска этого стройматериала в достаточных объемах имеются необходимые сырьевые ресурсы, внутренний рынок имеет большой потенциал в связи с необходимостью строительства большого количества жилья и объектов инфраструктуры, установившийся уровень цен обеспечивает уровень рентабельности, достаточный для обеспечения высокой инвестиционной привлекательности отрасли.
1.2 Производство цемента в России
Цементная промышленность — базовая отрасль в комплексе отраслей, производящих строительные материалы. Роль цемента в современном строительстве очень велика, его ничем невозможно равноценно заменить. Цемент и изготовляемые из него бетон и железобетон являются в настоящее время основными строительными материалами, которые используются в самых разнообразных областях строительства. При этом цемент остается относительно простым, универсальным и дешевым веществом, для изготовления которого требуются широко распространенные материалы — известняк, мергель, глины, мел, гипс (всё перечисленное именуется цементным сырьем), а также вода.
В Советском Союзе 89 цементных заводов выпускали более 140 млн. т цемента в год — такого количества никто в мире, кроме Китая, тогда не производил. На сегодняшний день в России насчитывается 59 цементных заводов, а реально производят цемент из них лишь 46. Еще в первой половине 90-х прекратили существование такие цементные заводы, как «Спартак» (Рязанская обл.), Нижнетагильский (Свердловская обл.), Чечено-Ингушский, Косогорский (Тульская обл.), Поронайском (Сахалинская обл.), а также мощности по производству цемента на Волховском алюминиевом заводе (Ленинградская обл.).
Все российские предприятия отрасли имеют весьма почтенный возраст (были построены до 1980 г.) и технологически устаревшее оборудование, изношенное в среднем по отрасли на 70—80%. Сырьем для производства цемента служат глина и известняк, которые в процессе производства смешиваются и обжигаются в специальной (клинкерной) печи. По старым технологиям (так называемый мокрый способ) для приготовления смеси используется значительное количество воды, которая впоследствии выпаривается в печи. А в современном технологическом процессе (сухой способ) вода не применяется. Поэтому при сухом способе производства тратится в 2—3 раза меньше энергии (а значит, и топлива, которым служит главным образом уголь), чем при мокром. В результате себестоимость цемента, произведенного мокрым способом, составляет около 20 долл. за тонну, а тонна сухого цемента стоит не более 15 долл. Практически все страны мира, в том числе и скромные с точки зрения технологического развития (например, Румыния), уже и не помнят, что такое мокрый способ. В России же по этой технологии производится около 90% (или более 32 млн из 37,7 млн т).
Сухой способ принят, например, на предприятиях в Сланцах и Катав-Ивановске.
Таблица 1 — Основные потребители цемента в России, %
|
Производство асбестоцементных изделий |
20 |
|
|
Население |
6 |
|
|
Производство железобетонных изделий |
53 |
|
|
Строительно-монтажные работы |
21 |
|
Два основных фактора размещения предприятий цементной промышленности — потребительский и сырьевой. Первый выражается в концентрации производства близ крупных потребителей: крупнейших городов, значительных промышленных центров, то есть тех мест, где ведется активное строительство. Можно сказать, еще точнее: плотность цементных заводов по регионам России в целом подчинена плотности населения, это и видно на рисунке 3.
Рисунок 3 — Цементная промышленность в России
Таблица 2 — Крупнейшие цементные заводы России
|
Ранг |
Название |
Расположение |
Производство цемента, тыс. т |
|
|
1 |
Мальцевский портландцемент |
Брянская обл., г. Фокино |
3 591 |
|
|
2 |
Мордовцемент |
Респ. Мордовия, пос. Kомсомольский |
2 338 |
|
|
3 |
Новоросцемент (заводы «Пролетарий»,«Октябрь»,) |
Kраснодарский край, г. Новороссийск |
2 230 |
|
|
4 |
Себряковцемент |
Волгоградская обл., г. Михайловка |
2 230 |
|
|
5 |
Осколцемент |
Белгородская обл., г. Старый Оскол |
2 210 |
|
2. Описание технологического процесса
2.1 Производство цемента по сухому способу. Общая структура
Традиционно на всех цементных заводах существуют несколько методов производства, к ним относятся сухой, мокрый, полусухой и комбинированный.
В принципе, именно от выбранного способа производства напрямую зависят особенности производства сырьевых смесей. Основными способами являются мокрый и сухой; именно они приняты многими цементными заводами и именно такими способами производится основное количество всего качественного цемента в мире.
Различаются самые распространённые виды производства характером переработки сырьевого материала и физическими свойствами получаемой в производстве сырьевой смеси, которая в последующих производственных операциях поступает на обжиг.
В общем виде производства цемента складывается из следующих операций: добычи сырьевых материалов; приготовления сырьевой смеси, состоящей из дробления, помола в усреднения ее состава; обжиг сырьевой смеси (получение клинкера); помола клинкера в тонкий порошок.
В цементной промышленности применяют различные схемы измельчения сырьевых материалов, предусматривающие использование помольного оборудования различных типоразмеров. Существуют два основных способа помола — мокрый и сухой, в зависимости от вида подготовки сырья к обжигу, которые могут осуществляться по открытому и замкнутому циклам.
При мокром способе производстве измельчение сырьевых материалов, их перемешивание, усреднение и корректирование сырьевой смеси осуществляется в присутствии определенного количества воды, а при сухом все операции выполняются с сухим материалом.
В случае, когда сухую сырьевую муку гранулируют, добавляя при гранулировании необходимое для образования прочных гранул количество воды (до влажности 10-14%), такой способ называют полусухим.
При комбинированном способе подготовки сырья, размол его и перемешивание производится мокрым способом, после чего шлам механически или термически обезвоживается и поступает в печь для обжига.
Химический состав цемента определяется всем ходом его производства, но важнейшее значение имеет его завершающая стадия — процесс измельчения и смешивания клинкера с добавками.
Установлено, что качественный состав цементного клинкера получается при обжиге во вращающихся печах сырьевой смеси, не содержащей частиц крупнее 0,1 мм и с небольшим содержанием очень мелких фракций. Этого и добиваются, совершенствуя схемы и способы помола исходных сырьевых материалов.
Способ производства цемента выбирают в зависимости от технологических и технико-экономических факторов: свойств сырья, его однородности и влажности, наличия достаточной топливной базы и т.д. При сухом способе производства цемента выбор схемы зависит от физических и химических свойств сырья и складывается из следующих операции.
После выхода из дробилки известняк и глину высушивают до влажности примерно 1 %. после чего измельчают в сырьевую муку. Помол и сушку ведут в одном аппарате — сепараторной мельнице. Этот способ более эффективен и применяется на большинстве заводов, работающих по сухому способу.
Сырьевую муку заданного химического состава получают путем дозирования сырьевых компонентов в мельницу с последующим усреднением и корректированием сырьевой шихты в специальных смесительных силосах, куда дополнительно подается сырьевая мука с заведомо высоким или низким титром.
Затем подготовленная сырьевая смесь поступает в систему циклонных теплообменников, состоящую из нескольких ступеней циклонов. Время пребывания смеси в циклонных теплообменниках не превышает 25-30с. Из циклонов материал подается в печь, откуда клинкер пересыпается в холодильник. После охлаждения отправляется на склад.
Другие технологические операции при сухом способе производства- подготовка добавок и гипса, помол цемента его хранение и отправка потребителю — такие, как и при мокром способе. Схема производства цемента по сухому способу представлена на рисунке 4.
Сухой способ производства цемента.
Рисунок 4 — Схема сухого способа производства цемента
2.2 Описание процесса обжига в производстве цемента по сухому способу
технологический цементный обжиг
Данный способ считается наиболее экономически выгодным. Особенность его в том, что на всех стадиях используются материалы только в сухом состоянии. Выбор схемы производства цемента определяется химическими и физическими характеристиками сырья. Наиболее востребованным признано изготовление материалов во вращающихся печах, в котором используются глина и известняк.
После того, как глина и известняк прошли измельчение в дробилке, их сушат до требуемого состояния (влажность — не более 1%).
Просушка и измельчение производиться в сепараторной машине, после чего смесь отправляется в циклонные теплообменники, где находиться не более 30 секунд.
Далее идет стадия, на которой производиться обжиг сырья с дальнейшим перемещением в холодильник. Затем клинкер направляется на склад, где происходит его перемалывание и фасовка.
Рисунок 5 — Технологическая схема производства цемента сухим способом: 1 — циклоны, 2 — декарбонизатор, 3 — вращающаяся печь, 4 — клинкерный холодильник
3. Разработка информационной схемы процесса обжига в производстве цемента по сухому способу
В общем виде информационная схема любого процесса, в том числе и процесса помола, может быть представлена так, как на рисунке 6.
Рисунок 6 — Общий вид информационной схемы
Из рисунка видно, что процесс как объект управления характеризуется тремя основными группами переменных:
1. Вектор регулируемых и контролируемых переменных Y — совокупность параметров, характеризующих состояние процесса. Эти параметры необходимо стабилизировать или изменять по определенным законам. Как правило, они изменяются непосредственно, но в некоторых случаях они определяются по косвенным измерениям или вычисляются по адекватной математической модели процесса.
2. Вектор управляющих воздействий X — совокупность параметров, вменение которых может воздействовать на процесс с целью управления. Обычно это расходы компонентов, промежуточных или готовых продуктов, частота вращения или положение различных объектов.
3. Вектор возмущающих воздействий Z. На каждый технологический процесс оказывают влияние различные возмущения, действие которых не связано с управлением процессом. Они могут быть внешними (например, температура окружающей среды) и внутренними, контролируемыми и неконтролируемыми, носит случайный и систематический характер. Для системы подачи материала в мельницу это — влажность материала, нестабильность частоты питающего напряжения двигателей конвейеров, деформация ленты транспортеров, изменение физико-химического состава материала.
Рассмотрим возмущения и управляющие воздействия, действующие на наш процесс. Информационная схема представлена на рисунке 7.
Рисунок 7 — Упрощенная информационная схема печи обжига
Входными параметрами является расход топлива. Возмещением является изменение физико-химических свойств топлива. Выходными параметрами являются температура в зоне спекания и температура отходящих газов.
4. Синтез АСР для процесса обжига в производстве цемента по сухому способу
Целью синтеза является определение структуры и параметров АСР, обеспечивающих устойчивость и необходимые показатели качества регулирования при типовых внешних возмущающих воздействиях. Процедура подразделяется на этапы структурного и параметрического синтеза.
Структурный синтез подразумевает, выбор структуры АСР, которая определяется свойствами технологического процесса, как объекта регулирования, и определение структуры регуляторов (законов регулирования).
Параметрический метод синтеза состоит в расчете оптимальных параметров (настроек) регуляторов (ОНР), обеспечивающих требуемое качество регулирования при заданной структуре АСР.
Рисунок 8 — Структура каскадной АСР
Каскадные системы применяются для автоматизации объектов, обладающих большой инерционностью по каналу регулирования или большим запаздыванием по каналу управления.
Данные системы применяются в том случае, если можно выбрать промежуточную координату с лучшими динамическими свойствами и использовать для нее, то же регулирующее воздействие, что и для основной координаты. В этом случае в систему регулирования включают два регулятора: основной (внешний) регулятор, служащий для стабилизации основного выхода объекта и вспомогательный (внутренний) регулятор, предназначенный для регулирования вспомогательной координаты. Заданием для вспомогательного регулятора служит выходной сигнал основного регулятора. В системах такого типа стабилизация вспомогательных величин способствует более качественному регулированию основной величины. Задачей синтеза является выбор оптимальной структуры, обеспечивающей требуемое качество регулирования, которое приведено в таблице 3.
Таблица 3 — Требуемое качество переходных процессов для одноконтурной и каскадной АСР
|
Показатели качества |
Для одноконтурной АСР |
Для каскадной АСР |
||
|
Для основного канала |
Для вспомогательного канала |
|||
|
Тпп ,мин |
<ЗТ0 |
min |
— |
|
|
V |
>0,9 |
>0,9 |
>0,75-0,9 |
|
|
бдин, % |
<3% |
<5% |
<35% |
|
В качестве общих параметров задаются время расчета переходных процессов и дискретность квантования по времени. Качество переходных процессов оценивается по следующим параметрам:
- время переходного процесса, Тпп;
- степень затухания, y;
- динамической ошибке, 5дин;
- интегральному критерию.
При синтезе может быть рассмотрена как каскадная АСР, так и одноконтурная АСР. На основе сравнения качества их работы делается вывод о применении той или иной системы при разработке схемы автоматизации.
5. Упрощенная схема автоматизации
Рисунок 9 — Упрощенная схема автоматизации процесса обжига в производстве цемента по сухому способу
Литература
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kontrolnaya/razrabotka-avtomatizirovannoy-sistemyi-tsementnogo-zavoda/
1. Дудников Е.Г. Автоматическое управление в химической промышленности / Е.Г. Дудников. — М.: Химия, 1987. — 368 с.
2. Кочетов В.С. Автоматизация производственных процессов в промышленности строительных материалов: Учебн. для техникумов /В.С. Кочетов, В.И. Кубанцев, А.А. Ларченко. Под ред. В.С. Кочетова. -Изд. 3- е,перераб. и доп.- Л.:Стройиздат, Ленингр. отделение, 1986-392с.
3. Куркина В.В. Синтез автоматических систем регулирования с использованием ПЭВМ. Метод. указания / Куркина В.В, Пешехонов А.А., Рыченкова А.Ю, Изд СПбГТИ. -СПб, 2002 г.-39с.
4. Синтез каскадных АСР для процесса помола. Метод. указ. к лаб. работе, СПб, Изд. СПбГТИ, 2002 г.-23с.
