Software & Systems

В процессе работы агрегатов жидкофазного восстановления с отходящим газом теряется существенное количество физической и химической энергии, в результате снижаются КПД агрегата, а следовательно, и выход основной продукции. К тому же постоянный рост тарифов на энергоносители приводит к существенному удорожанию получаемого металла. Попытки увеличить КПД путем возврата энергии в металлургический агрегат не приводят к желаемым результатам. Например, подогрев шихты, топлива и окислителя является экономически невыгодным вариантом, так как затраты на установки подогрева весьма велики, а КПД возрастает незначительно. Выбрать конкретный вариант непросто. Необходимо знать цели использования утилизируемых вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), а также выполнить трудоемкие сравнительные расчеты [1]. Одним из наиболее перспективных способов выбора оптимального варианта утилизации ВЭР является моделирование на ЭВМ, что позволяет существенно сократить трудоемкость и избежать многих ошибок при проектировании и оценке [2, 3].

Для решения данной задачи использованы базовые математические модели теплопередачи и газодинамики энергоутилизирующих агрегатов, систем газоочистки, а также составлены алгоритмы для определения оптимального варианта утилизации энергии отходящих газов, модель для расчета сквозного коэффициента использования энергии газов. Для реализации данных моделей и алгоритмов разработана структура (рис. 1), а на ее основе – программный продукт SKV_Sapr, позволяющий моделировать варианты утилизации физической и химической энергии отходящего газа применительно к агрегату струйно-эмульсионного реактора (СЭР) [4]. В задачу программного продукта входят: компоновка схемы утилизации энергии отходящих газов; конструктивный расчет теплоэнергетических установок, используемых в схеме; расчет количества тепла, воспринятого установками энергоутилизации; оценка потерь давления по газовому тракту, включая энергоутилизаторы; расчет физических параметров отходящих газов на каждом участке газового тракта; поиск оптимального варианта теплоэнергетической установки и всей схемы с участием эксперта; выдача технической документации и рекомендаций по проектированию.

При разработке системы моделирования SKV_Sapr был использован объектно-ориентиро­ванный подход, при котором для описания каждой модели разрабатывается отдельный класс. Такой подход позволяет, с одной стороны, изолировать внутри класса все специфические свойства и методы расчета, реализуемые в модели, а с другой – предоставить стандартизированный интерфейс для взаимодействия с данной моделью. Применение данного подхода позволяет экспортировать результаты расчета одной модели на вход другой, что, в свою очередь, дает возможность выстраивать произвольные цепочки из моделей в любой разумной комбинации и с наименьшими затратами разрабатывать новые модели на основе существующего базового класса.

В программном продукте предусмотрены три расширяемые базы данных, разработанные в среде Access, которые содержат нормативную, конструкторскую, теплофизическую и энергетическую документацию стандартных моделей теплоутилизаторов и систем газоочистки. Организация структуры БД формируется с учетом адекватности описываемому объекту/системе на уровне концептуальной и логической модели, а также удобства использования для ведения учета и анализа данных.

Все БД расширяемы. Такой подход позволяет редактировать и добавлять новые данные. А используемая среда Access является весьма распространенной, поставляется с пакетом Microsoft Office, что исключает потребность в приобретении и установке альтернативного программного обеспечения.

На начальном этапе моделирования генерируются файлы, необходимые для работы с программным продуктом. Задаются технические условия и выходные параметры отходящего газа металлургического агрегата: состав, расход, давление, температура. Далее выполняется компоновка схемы энергоутилизации, при этом возможно обращение к расширяемой БД для выбора варианта, рассчитанного ранее, либо конструирования нового (рис. 2). В левой части оконного интерфейса находятся модели энергоутилизаторов и аппаратов очистки, соответствующие определенному классу.

В правой части компонуется схема энергоутилизации в строгой последовательности по ходу движения отходящего газа. Затем выполняется графическая прорисовка схемы (рис. 3). На каждом участке газохода вычисляются термодинамические параметры отходящего газа на основе известных законов, которые необходимы для дальнейшего анализа газа, моделирования энергоутилизаторов и систем газоочистки. Каждый энергоутилизатор, соединительный канал и унифицированный узел имеют собственный оконный интерфейс, который содержит блок ввода и вывода информации. Такое решение дает возможность на любом этапе моделирования выполнять корректировку входных параметров, производить перерасчеты и оптимизацию конструкции энергоутилизаторов с участием эксперта. Блок ввода информации состоит из конструкторской, термодинамической и теплотехнической частей, где выполняется полное описание моделируемых агрегатов и узлов.

По окончании ввода данных выполняется комплексный расчет всей схемы энергоутилизации, результатом которого являются расчеты: теплотехнический, конструктивный, газодинамический, определения коэффициента использования энергии утилизируемого газа, экономический. Все результаты сохраняются в специальной накопительной БД для дальнейшего использования и сравнения с другими вариантами. Для выбора оптимального варианта энергоутилизации выполняется поиск в БД наиболее эффективной схемы по одному из критериев (коэффициенту использования энергии утилизируемого газа или капитальным затратам), используя известные методы оптимизации. Согласно результату и экспертному заключению вариант может быть рекомендован для проектирования.

Предложенный программный комплекс позволяет сократить время на проектирование, а использование технологий БД дает возможность накапливать проектные решения и производить быстрые перерасчеты с изменением входных параметров. Предложенный программный продукт может использоваться и для других агрегатов жидкофазного восстановления. Его можно применять не только в целях проектирования и научных исследований, но также в качестве обучающей системы для технологического персонала и студентов, обучающихся специальностям по информационным технологиям в металлургии, теплогазоснабжении и вентиляции.

Литература

1.   Оленников А.А., Цымбал В.П. Варианты и оценка эффективности использования вторичных энергоресурсов для агрегатов жидкофазного восстановления // Изв. вузов. 2008. № 6. С. 53–57 (Черная металлургия).

2.   Семененко Н.А. Организация теплоиспользования и энерготехнологическое комбинирование в промышленной огнетехнике. М.: Энергия, 1976. 280 с.

3.   Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 264 с.

4.   Цымбал В.П., Мочалов С.П., Шакиров К.М., Кожемяченко В.И., Рыбенко И.А., Красноперов С.Ю. Процесс и агрегат типа самоорганизующийся струйно-эмульсионный реактор как пример наукоемкой технологии в металлургии // Изв. вузов. 2005. № 6. С. 60–65 (Черная металлургия).