Способ управления процессом измельчения материалов в мельничном агрегате

Изобретение относится к средствам автоматизации процесса измельчения материалов в мельничных агрегатах и может быть использовано в металлургической, химической, цементной, алмазной, строительной и других отраслях промышленности, связанных с процессом измельчения материалов. Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей, повышение оперативности и улучшение оптимизации процесса измельчения материалов. Этот результат обеспечивается за счет того, что согласно изобретению способ управления процессом измельчения материалов в мельничном агрегате включает регулирование величины загрузки материала и расхода транспортной среды для оптимизации, по меньшей мере, одного контролируемого параметра, в качестве которого определяют удельный расход электроэнергии на измельчение материала, а в качестве дополнительного контролируемого параметра оптимизации определяют производительность мельничного агрегата по заданному классу измельченного материала. При этом для оптимизации контролируемых параметров и достижения максимальной производительности при минимальном энергопотреблении периодически производят в процессе работы по измельчению материала контролируемый перегруз мельничного агрегата и устанавливают соответствующее ему максимальное значение загрузки мельничного агрегата в любой момент времени его работы, при этом в каждый момент времени в мельничный агрегат подают транспортную среду, количество m_тс которой рассчитывают по формуле, раскрытой в изобретении. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к автоматизации одновременного контроля электрических и неэлектрических параметров и управления ими, в частности к оптимизации регулирования процесса измельчения материалов в мельничных агрегатах, и может быть использовано в металлургической, химической, цементной, алмазной, строительной и других отраслях промышленности, связанных с процессами измельчения материалов.

Известен способ одновременного контроля и управления электрическими и неэлектрическими параметрами в процессе автоматического регулирования загрузки сепараторной мельницы, в котором применены средства преобразования, например, акустического и других сигналов в э.д.с., воздействующую на исполнительные механизмы с использованием обратной связи от циркуляционной загрузки камер мельницы (SU, № 158940 А, МКИ G05D 29/00, 1962).

Недостатками этого технического решения являются инерционность и невысокая надежность системы регулирования из-за использования измерительных преобразователей, не связанных напрямую с производительностью и энергопотреблением привода мельницы.

Известен способ управления и одновременного регулирования электрических и неэлектрических параметров процесса автоматического регулирования загрузки мельницы, в котором решается задача исключения потерь производительности в режимах первоначальной загрузки при перерывах в подаче исходного материала, реализованный в устройстве для автоматического регулирования загрузки мельницы (SU, № 383464 А, МКИ G05D 29/00, 1970).

Недостатком этого способа является невозможность оптимизации работы мельницы с достижением максимальной производительности при минимальном энергопотреблении из-за отсутствия средств контроля параметров, характеризующих работу самой мельницы.

Известен способ управления работой мельничного агрегата самоизмельчения, реализованный в устройстве для автоматического управления процессом мокрого измельчения в мельничном агрегате, работающем в замкнутом цикле с классифицирующим аппаратом, содержащем датчики расхода руды, плотности готового продукта, расхода воды в классифицирующий аппарат и расходомер воды, поступающей в мельничный агрегат, каждый из которых соединен через регулятор с соответствующим исполнительным механизмом, в котором дополнительно введены блоки коррекции, сравнения, управления и блок определения качества готового продукта, входы которого соединены с выходами датчиков плотности готового продукта, степени заполнения мельничного агрегата и датчика руды, а выходы - с блоком управления и со входами блоков сравнения, к другим входам которых подключены выходы датчика расхода воды в классифицирующий аппарат, причем выходы блоков сравнения подключены ко входам блока управления, выходы которого через корректирующие блоки соединены с регулятором расходов воды в классифицирующий аппарат и руды в мельничный агрегат (SU 511969 А, 14.06.1976.).

Недостатками известного способа, реализованного в указанном устройстве, являются его сложность, невысокие быстродействие и надежность в связи с большим количеством контролируемых параметров и обратных связей, а также невозможность достижения максимальной производительности при минимальном энергопотреблении.

Известен способ автоматического управления процессом мокрого измельчения, заключающийся в стабилизации звукометрического параметра мельничного агрегата, поддержании соотношения руда - вода и стабилизации крупности слива классификатора, в котором осуществляют периодическое запоминание среднего значения расхода руды в мельничный агрегат за определенный промежуток времени, вычитают эту величину из ее предыдущего значения и по величине их разности вводят коррекцию в соотношение руда - вода, увеличивая расход воды при отрицательной разности и уменьшая при положительной (SU 575130 А, 28.10.1977).

Недостатком этого способа является невысокая надежность в связи с необходимостью контроля и стабилизации звукометрического параметра, не являющегося параметром самого процесса измельчения и не отражающего напрямую его характеристики.

Известен способ управления процессом измельчения в барабанном мельничном агрегате, заключающийся в том, что величина шага изменения уровня заполнения мельничного агрегата, определенная экстремальным регулятором, корректируется в зависимости от разности значений текущей мощности привода мельничного агрегата и базовой мощности, которая определяется в зависимости от числа фиксаций признака режима перегрузки в определенный предшествующий период времени. Этим достигается возможность контроля запаса устойчивости системы, обеспечения определенной, оптимальной в данных производственно-экономических условиях вероятности наступления режима перегрузки, что повышает эффективность экстремального регулирования (RU 2062656 С1, 27.06.1996).

Недостатками способа являются невысокие функциональные возможности и сложность реализации способа в связи с необходимостью учета статистического характера вероятности наступления режима неконтролируемой перегрузки.

Известен способ управления работой мельничного агрегата самоизмельчения, в котором измеряют величины электрических характеристик работы приводного двигателя мельничного агрегата и заполнения мельничного агрегата, вычисляют производные потребляемой мощности двигателя по величине заполнения мельничного агрегата и изменяют подачу питания в мельничный агрегат пропорционально величине производной в сторону увеличения при положительном значении производной и в сторону уменьшения при отрицательном значении. Поддерживают максимальное значение коэффициента мощности синхронного приводного двигателя мельничного агрегата, изменяя ток возбуждения в зависимости от результата сравнения измеряемых величин (RU 2080932 С1, 10.06.1997).

Недостатками способа являются сложность его реализации, невысокие функциональные возможности, быстродействие и эффективность увеличения производительности мельничного агрегата при уменьшении потерь электроэнергии.

Известен способ управления процессом мокрого измельчения, включающий стабилизацию звукометрического параметра мельничного агрегата и крупности слива классификатора, измерение расходов руды и воды в мельничный агрегат, расхода воды в классификатор, вычисление отношения жидкого к твердому в сливе классификатора и изменение расхода воды в мельничный агрегат, в котором дополнительно измеренную величину расхода руды в мельничный агрегат умножают на вычисленное отношение жидкого к твердому в сливе классификатора, из величины полученного произведения вычитают измеренную величину расхода воды в классификатор, а изменение расхода воды в мельничный агрегат поддерживают равной вычисленной разности (SU 656662 А, 18.04.1979).

Недостатками этого способа являются высокое энергопотребление мельничного агрегата при низкой производительности, невысокая надежность в связи с необходимостью контроля и стабилизации звукометрического параметра, не являющегося параметром самого процесса измельчения и не отражающего напрямую его характеристики.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ управления процессом мокрого самоизмельчения материалов, который включает в себя регулирование величины загрузки и расхода воды для оптимизации контролируемого параметра, при этом в качестве контролируемого параметра оптимизации определяют удельный расход электрической энергии на измельчение регулированием расхода воды в зависимости от разницы температур пульпы на выходе и воды на входе и величины загрузки мельничного агрегата (RU 2184615 С2, 22.02.2000).

Недостатками способа являются невысокие функциональные возможности, сложность и трудоемкость обеспечения процесса автоматизации измельчения материала и низкая оперативность способа в связи с необходимостью использования статистических данных. Прототип так же как и другие указанные выше способы управления процессом измельчения материалов в мельничных агрегатах по мощности, потребляемой из электрической сети, а также по заполнению мельничного агрегата материалом основываются на многолетних статистических данных, полученных в лабораторных условиях и на промышленных предприятиях. К общим недостаткам существующих способов управления следует отнести отсутствие математического описания, функциональных и количественных связей основных технологических параметров процесса измельчения, а также низкую эффективность использования энергетических ресурсов.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, расширение функциональных возможностей при автоматизации процесса измельчения материала, повышение оперативности и улучшение оптимизации процесса измельчения материалов, заключающейся в достижении максимальной производительности мельничного агрегата и минимального энергопотребления.

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления процессом измельчения материалов в мельничных агрегатах, включающем регулирование величины загрузки материала и расхода транспортной среды для оптимизации, по меньшей мере, одного контролируемого параметра, в качестве которого определяют удельный расход электроэнергии на измельчение материала, в качестве дополнительного контролируемого параметра оптимизации определяют производительность мельничного агрегата по заданному классу измельченного материала, а для оптимизации контролируемых параметров и достижения максимальной производительности при минимальном энергопотреблении периодически производят в процессе работы по измельчению материала контролируемый перегруз мельничного агрегата и устанавливают соответствующее ему максимальное значение загрузки мельничного агрегата в любой момент времени его работы, при этом в каждый момент времени в мельничный агрегат подают транспортную среду, количество m_тс которой рассчитывают по формуле

m_тс=(Э×К_тепл-q_эл-q_мех-q_изл)/(2×С_тс×(t2-t_тс)),

где Э - количество электрической энергии, полученной из электросети,

К_тепл - переводной коэффициент электрической энергии в тепловую,

q_эл - электрические потери в электрооборудовании,

q_мех - механические потери энергии в приводе мельничного агрегата,

q_изл - тепло, излучаемое корпусом мельничного агрегата,

С_тс - теплоемкость транспортной среды,

t2 - температура материала и транспортной среды на выходе из мельничного агрегата,

t_тс - температура транспортной среды на входе в мельничный агрегат.

Кроме того, перед процессом измельчения материала могут осуществлять термоизоляцию корпуса мельничного агрегата.

Сущность предлагаемого способа поясняется ниже.

Процесс измельчения материала в рабочей зоне мельничного агрегата представляет собой физический процесс соударения и трения частиц, сопровождающийся выделением тепла при разрыве связей между отдельными частицами измельчаемого материала. Электрический двигатель, потребляя электрическую энергию из сети, приводит во вращательное движение барабан мельничного агрегата. Величина этой энергии определяется формулой (1):

где Э кВт·ч - количество потребленной электрической энергии,

Р кВт - мощность электрического двигателя привода мельничного агрегата,

Т час - период рабочего времени.

Частицы материала, находящиеся внутри мельничного агрегата, получают потенциальную и кинетическую энергию. При вращении мельничного агрегата осуществляется подъем частиц на высоту Н=К×R и придание им линейной скорости до величины U=K×π×R×ω. Коэффициент К определяет расстояние от центра барабана мельничного агрегата до элементарной частицы измельчаемого материала; R - внутренний радиус барабана мельничного агрегата; ω - угловая скорость барабана мельничного агрегата. В результате этого движения происходит процесс соударения и трения частиц материала, приводящий к разрывам связей между ними и выделению тепла в рабочей зоне мельничного агрегата. Количество тепла q, выделенного в рабочей зоне мельничного агрегата, в общем виде определяется формулой (2):

где m_м=V×ϕ×δ_м - масса материала, проходящая через рабочую зону мельничного агрегата в единицу времени,

m_тс - масса транспортной среды, проходящей через рабочую зону мельничного агрегата в единицу времени,

V - объем рабочей зоны мельничного агрегата,

ϕ - коэффициент загрузки рабочей зоны мельничного агрегата,

δ_м- удельный насыпной вес материала,

С_м - теплоемкость измельчаемого материала,

С_тс - теплоемкость транспортной среды,

t1 - температура материала на входе в мельничный агрегат,

t_ТС - температура транспортной среды на входе в мельничный агрегат,

t2 - температура материала и транспортной среды на выходе из мельничного агрегата,

q_изл - тепло, излучаемое корпусом мельничного агрегата.

Как видно из формулы (2), выделяемое тепло прямо пропорционально количеству материала m_м, следовательно, максимум этой функции будет ограничен конструкцией мельничного агрегата (V), т.е. его геометрическими размерами. Чем больше тепла будет выделено в рабочей зоне мельничного агрегата, тем больше связей будет разрушено, значит, выше будет и производительность мельничного агрегата.

Транспортная среда в мельничном агрегате выполняет следующие функции:

- в сочетании с измельчаемым материалом определяет плотность (ρ) смеси в рабочей зоне мельничного агрегата;

- осуществляет транспортировку из рабочей зоны мельничного агрегата измельченного продукта;

- определяет температурный режим рабочей зоны мельничного агрегата;

- является носителем тепла, выделяемого в процессе измельчения.

Расход транспортной среды в мельничный агрегат является одним из важнейших факторов, при помощи которого изменяется разность температур измельчаемого материала на выходе и входе в мельничный агрегат, т.е.

При малом расходе транспортной среды плотность (ρ) возрастает и материал дольше находится под ударным и истирающим воздействием, готовый продукт получается более тонким, но при этом падает производительность. При большом расходе воды содержание мелких классов в разгрузке мельничного агрегата начинает падать, следовательно, производительность также падает. Так как при изменении расхода воды в мельничный агрегат в одну и другую стороны производительность имеет тенденцию к снижению, то из этого следует, что производительность имеет максимум на всем диапазоне изменения расхода воды в мельничный агрегат. Этот экстремум является оптимальным по производительности и определяется максимальной величиной тепла(q), выделенной в рабочей зоне мельничного агрегата.

Количество тепла, выделенного в рабочей зоне, равно количеству тепла (энергии Э), полученной приводом мельничного агрегата из электрической сети с учетом электрических потерь в шинах, кабелях и электродвигателе и потерь на трение в подшипниках и редукторе, т.е. механических потерь. Следовательно, можно составить уравнение (4), представляющее собой уравнение теплового (энергетического) баланса:

где Э - количество электрической энергии, полученной из сети,

К_тепл - переводной коэффициент электрической энергии в тепловую,

q_мех - механические потери энергии в приводе мельничного агрегата,

q_эл - электрические потери в электрооборудовании,

Подставив уравнение (3) в уравнение (4) и представив полученное выражение в виде

m_м=f(m_тс), получим следующее:

Умножив обе части уравнения на m_тс, получим:

Перенеся левую часть выражения вправо С_м×m_м×к₁ влево и разделив обе части выражения на (-С_м×К₁), получим:

Это выражение представляет собой квадратное уравнение функции m_м от аргумента m_тс с отрицательным коэффициентом при квадрате аргумента (m²тс), а это означает, что экстремумом этой функции будет максимальное значение m_м

при d m_м/d m_тс=0.

Продифференцировав правую часть выражения (7), приравняв ее к нулю и преобразовав, найдем значение аргумента m_тс, при котором значение функции m_м будет максимальным:

Как видно в выражении (10), отсутствуют неопределенные теплоемкость измельчаемого материала С_м и коэффициент К₁, введенный в выражение (3), т.к. они сократились на стадии преобразования выражения (9).

Таким образом, зная тип транспортной среды (воздух, жидкость и пр.), контролируя в режиме реального времени потребление энергии из электрической сети и температуры транспортной среды на входе и выходе мельничного агрегата, подставив эти значения в выражение (10), можно в режиме реального времени, получить расчетное значение подаваемого в мельничный агрегат количества транспортной среды, при котором производительность мельничного агрегата будет максимальной. Значение максимальной производительности можно вычислить путем подстановки m_тс из уравнения (10) в уравнение (7)

и проведя преобразования, получим:

Анализируя выражение (11), можно сказать следующее:

- в знаменателе сосредоточены параметры, характеризующие физико-механические свойства неизвестного измельчаемого материала (С_м, K₁), состоящего из шихты (смеси) нескольких типов материалов (руд) разного минералогического состава и известной транспортной среды (С_тс). Изменения физико-механических свойств шихты будут полностью отражены в разности температур транспортной среды на выходе и входе в мельничный агрегат. Таким образом, в выражении (10), хотя и косвенно, полностью учтены физико-механические и минералогические свойства измельчаемого материала в режиме реального времени. В настоящее время не представляется возможным контроль состава шихты в режиме реального времени, поэтому невозможно предсказать, какое истинное значение примет выражение (11), но известно точно, что оно максимально для этой стихийно сложившейся шихты;

- в числителе представлены величины электропотребления мельничного агрегата, что пропорционально его загрузке измельчаемым материалом, потери энергии в электрооборудовании, подшипниках и редукторе привода мельничного агрегата, а также энергия, излучаемая барабаном мельничного агрегата при его нагреве в процессе измельчения материала. Видно, что загрузка мельничного агрегата является единственным положительным фактором, прямо пропорционально влияющим на его производительность. Потери энергии в электрооборудовании, подшипниках и редукторе привода мельничного агрегата зависят в большей степени от конструктивных решений, а энергию, излучаемую барабаном мельничного агрегата, можно уменьшить путем термоизоляции барабана мельничного агрегата и таким образом увеличить значение выражения (11).

Если потребленную электрическую энергию Э разделить на выражение (11), то получим величину удельного расхода электрической энергии λ на измельчение материала, которая будет равна:

Пусть (-q_эл-q_мех-q_изл)=q_п.Подставив это выражение в (12) и проведя преобразования, получим:

Знаменатель выражения (14) показывает, что самым важным и контролируемым в режиме реального времени параметром является величина потребленной электрической энергии Э и удельный расход электрической энергии обратно пропорционально зависит от величины потребленной электрической энергии Э. Таким образом, для обеспечения минимального удельного расхода электрической энергии на измельчение материала мельничный агрегат всегда должен быть максимально загружен. В числителе, кроме теплоемкости транспортной среды, стоят не контролируемые в режиме реального времени величины, которые характеризуют физико-механические и минералогические свойства измельчаемого материала.

Загрузка мельничного агрегата определяется объемом мельничного пространства, которое в процессе работы возрастает по причине истирания футеровки. В процессе загрузки мельничного агрегата может наступить так называемый перегруз мельничного агрегата, который сопровождается неконтролируемым выбросом измельчаемого материала из разгрузки мельничного агрегата, что может привести к завалам. Процесс перегруза мельничного агрегата сопровождается ростом электрической нагрузки привода мельничного агрегата на начальном этапе (в рабочей зоне нагрузочной характеристики привода мельничного агрегата), затем по мере заполнения мельничного агрегата измельчаемым материалом электрическая нагрузка привода достигает максимального значения и начинает снижаться. Максимальное значение электрической нагрузки является перегрузочной величиной мельничного агрегата.

Проводя периодически в зависимости от наработки по измельчаемому материалу контролируемый перегруз мельничного агрегата, можно устанавливать максимальное значение загрузки мельничного агрегата на любой момент времени.

Для оптимизации процесса измельчения материалов, заключающейся в достижении максимальной производительности мельничного агрегата при минимальном энергопотреблении, необходимо осуществлять следующие действия:

- периодически, в процессе работы устанавливать максимальное значение загрузки мельничного агрегата после проведения контролируемого перегруза;

- в каждый момент времени в мельничный агрегат подавать расчетное значение количества транспортной среды m_тс, определенное по формуле (10);

- Выполнить термоизоляцию барабана мельничного агрегата.

Таким образом, в предлагаемом способе устранены указанные выше недостатки аналогов и прототипа, расширены функциональные возможности при автоматизации процесса измельчения материала, повышена оперативность и оптимизирован процесс измельчения материалов, что выражается в достижении максимальной производительности мельничного агрегата и минимального энергопотребления.

1. Способ управления процессом измельчения материалов в мельничном агрегате, включающий регулирование величины загрузки материала и расхода транспортной среды для оптимизации, по меньшей мере, одного контролируемого параметра, отличающийся тем, что для оптимизации контролируемых параметров и достижения максимальной производительности при минимальном энергопотреблении в процессе по измельчению материала, периодически производят контролируемый перегруз мельничного агрегата и устанавливают соответствующее ему максимальное значение загрузки мельничного агрегата, при этом количество m_тс подаваемой в мельничный агрегат транспортной среды рассчитывают по формуле:

m_тс=(Э·К_тепл-q_эл-q_мех-q_изл)/(2·С_тс·(t2-t_тс)),

где Э - количество электрической энергии, полученной из электросети;

К_тепл - переводной коэффициент электрической энергии в тепловую;

q_эл - электрические потери в электрооборудовании;

q_мех - механические потери энергии в приводе мельничного агрегата;

q_изл - тепло, излучаемое корпусом мельничного агрегата;

С_тс - теплоемкость транспортной среды;

t2 - температура материала и транспортной среды на выходе из мельничного агрегата;

t_тс - температура транспортной среды на входе в мельничный агрегат.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве контролиремого параметра оптимизации определяют удельный расход электроэнергии на измельчение материала.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве контролируемого параметра оптимизации определяют производительность мельничного агрегата по заданному классу измельченного материала.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед процессом измельчения материала осуществляют термоизоляцию корпуса мельничного агрегата.