Содержание
Сушка углей является важным технологическим процессом обогащения углей, позволяет предоставлять потребителям качественный продукт.
Вопросами сушки углей в нашей стране начали вплотную заниматься с середины 30-х годов 20 века. В то время были заложены базовые теоретические основы.
Впоследствии, в связи с развитием промышленности, этой теме уделялось немало внимания при обогащении полезных ископаемых.
В наше время некоторые аспекты технологического процесса нуждаются в автоматизации, чтобы упростить работу персонала, исключить или свести к минимуму возможность ошибок и просчетов.
Целью работы является создание программы для расчета коэффициента присосов атмосферного воздуха в многотоннажные сушильные установки.
Данная публикация является обобщением работы всей жизни к.т.н. Нины Васильевной Хашиной.
Результатом данной методологии стал простой результат, что с середины 80 годов прошлого века, сушильные установки на обогатительных фабриках больше не взрываются.
Описание предметной области исследований
Назначение сушки углей на углеобогатительных фабриках
Использование углей повышенной влажности снижает эффективность работы тепловых электростанций, коксохимических заводов, а повышение влажности углей приводит к увеличению объемов перевозок балласта в виде избыточной влаги и в зимнее время создает дополнительные трудности потребителям при разгрузке смерзшегося угля.
С целью снижения влажности отгружаемых углей до кондиционных норм на углеобогатительных фабриках проводят обезвоживание углей после их обогащения.
Для обезвоживания продуктов обогащения применяются механические и термические методы.
При механическом обезвоживании влага удаляется без изменения ее агрегатного состояния, при термическом обезвоживании (тепловая сушка) влага испаряется, то есть превращается в водяной пар.
Механический метод обезвоживания более экономичен, чем термический, но он не обеспечивает доведения влажности углей до необходимой кондиции. При тепловой сушке уголь можно высушить до любой влажности. Поэтому термический метод обезвоживания угля широко применяется на углеобогатительных фабриках.
В настоящее время сушка углей на углеобогатительных фабриках является завершающей операцией технологического процесса обогащения, определяющей показатели качества отгружаемых продуктов обогащения по содержанию влаги.
Содержание влаги в угле, или влажность угля , выражается в процентах от общей массы.
В сушильной практике принято различать следующие виды влаги:
- Внешнюю.
- Гидратную.
- Свободную.
- Гигроскопическую.
- Общую или рабочую.
В свою очередь в рабочую входит влага трех первых видов.
Влагу, содержащуюся в рядовом угле или продуктах его обогащения, принято называть:
- Начальной .
- Влага, оставшаяся после сушки, называется остаточной .
Конечная влажность угля зависит от конструктивных особенностей сушильного аппарата и требований, предъявляемых к готовому продукту.
Для сушки важное значение имеют такие свойства материала такие как:
- Размеры.
- Влагоемкость.
- Форма частиц.
- Допустимая температура нагрева.
- Взрывоопасность и пожаробезопасность.
- Токсичность и другие свойства материала.
Чтобы повысить эффективность термического процесса обезвоживания, необходимо обеспечить максимально возможное снижение начальной влажности угля: чем оно ниже, тем меньше воды требуется удалить при сушке и, следовательно, затратить меньшее количество тепла.
Термическая сушка осуществляется при организованной подаче тепла и отводе агента сушки в специальных установках, сушилках.
В зависимости от свойств сушимого угля, вида используемого теплоносителя, способа отвода испарившейся влаги и других технологических факторов определяется тип сушильного аппарата.
Основы сушки углей
Многие капиллярно-пористые материалы, в том числе и уголь, способны поглощать из атмосферы некоторую долю влаги до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное состояние материала, при котором практически прекратятся испарение влаги и поглощение ее из окружающей среды.
Равновесное состояние угля по влажности определяется структурой и влажностью угля, температурой и влажностью окружающей среды.
В результате взаимодействия угля с окружающим воздухом равновесная влажность угля достигается испарением влаги из него или поглощением паров воды из воздуха.
Поэтому следует учесть следующие моменты касательно угля:
- Если уголь в процессе установления равновесия отдает влагу, то оно достигается десорбцией или сушкой.
- Если же уголь поглощает влагу, то равновесное состояние наступает при сорбции или увлажнении.
- Зона изменения влажности угля из-за поглощения паров воды из воздуха – это область гигроскопического состояния угля.
- Влажность угля при относительной влажности воздуха, равной 100%, соответствует максимальной влагоемкости угля.
Кривую равновесной влажности угля называют изотермой сорбции, рисунок 1:
Равновесная влажность угля определяется не только относительной влажностью воздуха, но и его температурой.
С повышением температуры воздуха понижается равновесная влажность угля.
Следовательно, сушить угли ниже равновесной влажности нецелесообразно, так как при транспортировке и хранении пересушенный уголь будет поглощать влагу из атмосферы до наступления равновесного состояния.
Движущей силой процесса удаления влаги из угля является разность парциальных давлений паров, на материалом , и в окружающей среде (воздушной и газовоздушной):
(1)
где
- При наступает равновесие, и сушка прекращается.
- Если , то происходит противоположный процесс – увлажнение материала.
Сушка материала возможна при любой, даже отрицательной температуре, а именно:
- Для этого необходимо и достаточно, чтобы парциональное давление водяных паров над поверхностью материала было больше, чем окружающей среды.
- На этом положении основывалась применявшаяся ранее естественная сушка материалов.
- Однако скорость такой сушки невелики и не соответствует современному уровню развития промышленности.
- Для ускорения сроков сушки и сокращения расхода воздуха, необходимого для удаления влаги, стали применять нагретый воздух или продукты горения топлива, которые называют сушильным агентом.
Температура сушильного агента должна быть выше температуры материала, а парциальное давление водяных паров в нем должно быть меньше, чем над поверхностью материала, а именно:
- Поэтому если на материал воздействует сушильный агент, то есть отдает тепло материалу (теплообмен), то с поверхности материала влага испаряется (массобмен).
- Эти явления называют внешним тепло- и массообменном.
- Процессы передачи теплоты, влаги и воздуха внутри материала называют внутренним тепло- и массообменном.
- Тепло, которое получает поверхность материала при внешнем тепло- и массообменные, распространяется внутри материала за счет теплопроводности.
- Влага при сушке угля может перемещается внутри материала в виде жидкости или пара.
- Перенос пара, воздуха и газов, находящихся в материале, происходит молекулярным способом благодаря диффузии.
- С поверхности высушиваемого материала испаряется столько влаги, сколько ее подводится из центральных слоев к поверхности.
- Увеличить скорость испарения влаги с поверхности материала можно снижением влажности сушильного агента в результате повышения его начальной температуры и возрастания скорости движения в сушильном аппарате.
- Таким образом, подвергаемый сушке уголь под воздействием сушильного агента отдает влагу с открытых поверхностей.
При воздушной сушке происходят следующие процессы:
- Наружный воздух подогревается в нагревательном устройстве до температуры, которая устанавливается по заданным условиям для высушивания материала.
- При прохождении через нагреватель влажность воздуха не изменяется.
- По выходе из нагревательного устройства воздух поступает в сушилку и вступает во взаимодействие с сушимым материалом, при этом состояние его изменяется: температура понижается, влагосодержание и относительная влажность увеличиваются за счет воспринятой влаги.
При сушке горячими дымовыми газами, происходят следующие процессы:
- Сушильный агент получается при сжигании топлива в отдельной топке, куда поступает также и требующийся для горения воздух.
- Необходимая температура сушильного агента устанавливается путем подмешивания к продуктам сгорания атмосферного воздуха или же отработанных газов.
Сушка дымовыми газами более экономична, чем горячим воздухом, расход топлива приблизительно в два раза меньше при одинаковых параметрах сушильного агента.
Краткая характеристика работы многотоннажных сушильных установок на углеобогатительных фабриках
Схема цепи аппаратов сушильной установки
В промышленности применяется сушка различными методами:
- Контактная.
- Конвективная.
- Радиационная.
- Электрическим током.
- Сублимацией (холодом) и так далее.
На углеобогатительных фабриках нашли применение сушилки с конвективным методом передачи тепла, когда тепло передается от сушильного агента к поверхности высушиваемого материала и когда влага испаряется с поверхности материала в сушильный агент.
Принципиальная схема сушильной установки для сушки угля горячими дымовыми газами показана на рисунке 2:
Работа сушильной установки происходит следующим образом:
- При сжигании твердого, жидкого, газообразного топлива в топке 1 образуются газы.
- Далее газы поступают в камеру смешения 2, где они смешиваются с атмосферным воздухом.
- Полученная газовоздушная смесь направляется в сушильный аппарат 3, в который также поступает влажный уголь.
- При непосредственном контакте горячих газов с углем влага испаряется, и влажность угля доводится до заданной величины.
- При сушке угля газы и материал движутся в одном направлении, то есть используются прямоточные сушилки.
- Водяные пары от испарившейся влаги вместе с отработанными газами уносят из сушильного аппарата определенную массу мелких частиц высушенного угля, которые улавливаются в системе пылеулавливающих аппаратов 4.
- Тяга газов через сушильный тракт осуществляется дымососом 5.
На эффективность сушки влияют следующие факторы:
- Крупность угля.
- Влажность угля.
- Температура процесса.
- Скорость движения частиц.
- Относительная влажность сушильного агента.
В технологии сушки углей есть следующие отличительные особенности:
- Чем выше температура и скорость сушильного агента, чем меньше относительная влажность его, тем интенсивнее протекает сушка.
- С подъемом начальной температуры сушильного агента интенсивность сушки возрастает.
- Кроме того, чем выше температура поступающих газов в сушилку, при постоянном массовом расходе газов и ниже уходящих, тем экономичнее сушка.
- Чем эффективнее процесс, то есть чем быстрее он протекает, тем меньше уголь соприкасается с горячими газами и тем выше предельная температура сушильного агента.
Поэтому в сушилках, где используются температуры и активные аэродинамические режимы для удаления поверхностной влаги, применяются топочные газы.
При таком способе использования потенциального тепла сжигаемого топлива для сушки угля достигаются высокие теплоэнергетические показатели.
Тепловой баланс сушилки обычно составляется из ряда статей расхода и потерь тепла, отнесенных к 1 кг испаренной влаги, а именно:
- На испарение влаги, на нагрев материала во время сушки.
- На потери тепла с отходящими газами и в окружающую среду.
Диаграмма теплового баланса сушилки представлена на рисунке 3:
Диаграмма показывает, сколько тепла расходуется на испарение влаги и сколько тепла теряется с отработанными газами, выбрасываемыми в атмосферу.
Одним из основных требований, предъявляемых к выбору сушилки, является:
- Получение наилучших технико-экономических показателей по капитальным затратам.
- Себестоимости сушки при достижении заданного качества высушенного угля.
Поэтому сушильная установка должна быть:
- Компактной.
- Удобной для обслуживания и безопасной в работе.
- Иметь большую единичную мощность с минимальными удельными (отнесенными к 1 кг или 1т испаренной влаги) расходами тепловой и электрической энергии.
На углеобогатительных фабриках для сушки угля получили распространение сушильные аппараты с конвективными методами передачи тепла:
- Трубы сушилки.
- Барабанные сушилки.
- Сушилки кипящего слоя и другие.
Трубы-сушилки
На углеобогатительных фабриках нашли широкое применение трубы-сушилки.
Данная сушильная установка представлена на рисунке 4:
Работа данной установки происходит следующим образом:
- Из топки 1, к которой присоединяется труба-сушилка 2.
- Далее влажный уголь из бункера 4 подается в сушилку с помощью узла загрузки 3, в который входят скребковый питатель и цепной забрасыватель.
- Горячие газы проходят через трубу-сушилку снизу вверх, подхватывают угольные частицы и транспортируют их в разгрузочные аппараты – циклоны 5, в которых частицы угля отделяются от газов.
- Последние поступают на дополнительную сухую очистку в батарейный пылеуловитель 6 (7 – затвор).
- Тяга газов осуществляется дымососом 8.
- Окончательная (санитарная) очистка газов происходит в мокром пылеуловителе 9.
В трубах-сушилках сушка осуществляется при совместном движении частиц угля и горячих газов.
Для обеспечения движения частиц угля в газовом потоке необходимо, чтобы скорость газов была несколько больше скорости витания частиц материала.
Скорость витания зависит от размера частиц и их плотности, а также от плотности газов.
В трубах-сушилках однородное распределение влажного продукта способствует равномерному его высушиванию, а также лучшему использованию площади сушильной трубы, что обусловливает высокие показатели по напряжению объема труб-сушилок по испаренной влаге, примерно в 8-10 раз большие, чем в барабанных сушилках.
В трубах-сушилках происходит высокая интенсивность передачи тепла от газов к взвешенным угольным частицам, поэтому:
- Чем меньше размер частиц угля, тем быстрее и глубже протекает сушка в горячем газовом потоке.
- Материал находится в контакте с горячими газами около 0,5 с, а во всей системе – около 5 с.
На углеобогатительных фабриках применяются трубы-сушилки диаметром:
- 830 мм.
- 900 мм.
- 1000 мм.
- 1100 мм.
- 1200 мм.
- 1250 мм.
- 1600 мм.
Наибольшее распространение получили трубы-сушилки диаметром 900 и 1100 мм и рабочей длиной до 10 м.
Трубы сушилки работают при температуре газов на входе в сушилку 600-1000 °С и на выходе 90-120 °С.
Расход электроэнергии на 1 т испаренной влаги колеблется в пределах 35-60 кВт∙ч.
Основные показатели работы сушильной установки с трубой-сушилкой представлены в таблице 1:
Преимущества способа сушки угля во взвешенном состоянии:
- Простая конструкция стационарно устанавливаемой сушилки.
- Сравнительно низкие капитальные затраты.
Основные преимущества высокопроизводительных труб-сушилок:
- Компактность.
- Простота устройства.
- Существует возможность использования высокотемпературного сушильного агента.
- Отсутствие вращающихся тяжелых и быстроизнашивающихся узлов, таких как внутренние насадки в барабанных сушилках и газораспределительные решетки в сушилках кипящего слоя.
К недостаткам труб-сушилок можно отнести:
- Малый диапазон регулирования производительности.
- Сравнительно высокий расход энергии на перемещение сушильного агента со скоростью, обеспечивающей устойчивый вертикальный транспорт всех фракций материала.
Барабанные сушилки
В этих сушилках тепло передается от сушильного агента непосредственно высушиваемому материалу внутри сушильного барабана.
Внутри к стенкам сушильного барабана приварены лопасти, которые при вращении барабана захватывают материал и рассыпают его тонкими параллельными каскадами, занимающими все поперечное пространство барабана.
Принцип работы данной установки приведен на рисунке 5:
Работа данной установки происходит в следующей последовательности:
- При продвижении материала по барабану от места загрузки к месту выгрузки он подсушивается и пересыпается более свободно.
- Горячие газы, проходя между каскадами падающего материала, непосредственно соприкасаются с влажными поверхностями его частиц.
- Число каскадов, образующихся в сушильном барабане, зависит от числа и формы лопастей.
- Уголь перемещается вдоль сушильного барабана в результате наклона и вращения барабана и сноса частиц потоком газов, скатывания частиц по наружной поверхности материала.
Принципиальная схема барабанной сушилки показана на рисунке 6:
Работа данной установки происходит следующим образом:
- Горячие дымовые газы из топки 1 по газоходу поступают в сушильный барабан 5.
- Влажный уголь из аккумулирующего бункера 3 через скребковый питатель 4 по загрузочному желобу поступает в сушильный барабан.
- Благодаря вращению барабана и наличию в нем внутренних устройств, частицы угля поднимаются и ссыпаются с различной высоты и одновременно перемещаются вдоль оси барабана.
- Высушенный уголь выходит из барабана в разгрузочную камеру 12, где происходит осаждение материала.
- Из разгрузочной камеры через питатель 11 уголь поступает на конвейер.
- Отработанные дымовые газы направляются в батарейный пылеуловитель 6, в котором улавливается угольная пыль в сухом виде (10 – шлюзовый затвор).
- Тяга газов осуществляется дымососом 9.
- Окончательная очистка газов производится в мокром пылеуловителе 8, установленном на нагнетательной стороне дымососа.
- Очищенные отработанные газы выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу 7.
- Топлива поступает в топку из бункера.
- Зола и шлак из топки попадают в водяную ванну, в которой находится скребковый конвейер.
- Для растопки топки служит растопочная труба 2.
Барабанные сушилки изготавливаются с учетом возможности из установки на фундаментах под углом 3° к горизонтальной плоскости.
Они могут эксплуатироваться при температуре теплоносителя на входе в аппарат не более 850 °С.
В свою очередь, диаметр барабана может быть:
- 2500 мм.
- 2800 мм.
- 3000 мм.
- 3200 мм.
- 3500 мм.
Длина барабанов может варьироваться от 14000 до 27000 мм.
Производительность барабанных сушилок зависит от размеров сушильного барабана, крупности, влажности сушимого угля, начальной температуры и расходов сушильного агента.
Зависимость производительности разного размера барабанов, приведены в таблице 2:
Для повышения производительности барабанных сушилок необходимо увеличить степень взвешенности материала и скорость газового потока в сушильном барабане.
Основные преимущества барабанных сушилок:
- Можно сушить материалы, содержащие куски крупностью до 250 мм и материалы, не обладающие сыпучими свойствами.
- Возможность использования для сушки угля дымовых газов с достаточно высокой температурой (700-800 °С) без перегрева материала, что обеспечивает хорошую экономичность сушки.
К недостаткам барабанных сушилок можно отнести:
- Довольно большие габариты.
- Значительную массу сушилки.
- Возможные просыпания сырого материала через горячий конец барабана.
- Большую массу (до 25% рабочего объема) материала, постоянно находящегося в сушилке во время ее работы.
- Налипание влажного материала на внутренние устройства сушильного барабана, что существенно снижает эффективность ее работы.
Сушилки кипящего слоя
Одним из прогрессивных направлений сушки угля является использование принципа кипящего слоя.
Процесс сушки в кипящем слое заключается в продувке газа через слой материала, находящегося на газораспределительной решетке, с такой скоростью, при которой устойчивость слоя нарушается, высота его постепенно увеличивается и частицы приходят в беспорядочное движение, а слой материала приобретает вид кипящей воды.
Принципиальная схема сушилки кипящего слоя представлена на рисунке 7:
Работа данной установки происходит следующим образом:
- Горячие дымовые газы из топки 1 направляются под газораспределительную решетку 2 сушильной камеры 3.
- Сырой материал через питатель 4 подается на газораспределительную решетку.
- При продувке газа с такой скоростью, при которой слой материала приводится в кипящее состояние, создается хороший контакт между газом и материалом.
- Материал течет по решетке от точки питания к разгрузочному устройству сушилки.
- Крупный высушенный материал разгружается из сушилки через разгрузочное устройство (питатель) 5.
- Мелкий – унесенный потоком газов, попадает в циклон 6, из которого очищенные газы выбрасываются в атмосферу с помощью дымососа.
Топочные устройства сушилок кипящего слоя могут работать как под давлением, так и под разрежением.
В целях увеличения срока службы газораспределительных решеток и снижения опасности загорания отложившегося на решетке материала температуру газов под решеткой обычно поддерживают не более 550-600 °С.
Оборудование КИП
Сушильная установка обогатительной фабрики оснащена различными контрольно-измерительными приборами.
Для примера рассмотрим функциональную схему КИП труб-сушилок ГОФ «Томусинская», рисунок 8:
Интересующие нас измерения снимаются со следующих приборов:
- Термометр 6а – измеряет температуру топочных газов.
- Термометр 11 – измеряет температуру перед дымососом.
- Газоанализатор 14а – измеряет содержание за дымососом.
Оператор установки в штатном режиме производит следующие регулярные действия:
- Снимает показания приборов один раз в час.
- Заносит в рабочий журнал зафиксированные сведения КИП.
- Проводит расчет коэффициентов присосов атмосферного воздуха.
Негативное влияние присосов на работу сушильной установки
Движение сушильного агента в трактах сушильных установок осуществляется под действием внутренних и внешних, приложенных извне, сил.
Данный процесс происходит следующим образом:
- Внутренние силы сушильного агента возникают вследствие разности удельных масс в различных частях среды, из-за неодинаковых температур и влажности.
- Потоки сушильного агента с большой удельной массой опускаются вниз, с меньшей – поднимаются вверх.
- Приложенные извне силы создают принудительное движение сушильного агента вследствие создания разности давлений на необходимом пути его движения.
- Искусственно создается сила в установке, при помощи вентиляторов (дымососов), разность давлений заставляет сушильный агент передвигаться по каналам, трубопроводам и в сушильных аппаратах.
При ухудшении герметичности сушильного тракта происходят присосы атмосферного воздуха, возрастает объем газов и снижается давление, развиваемое дымососом.
Для обеспечения нормальной работы сушильной установки необходимо не допускать появления присосов воздуха в сушильный тракт через неплотности разного рода.
Неорганизованные присосы атмосферного воздуха в сушильный тракт отрицательно сказываются на всех показателях работы сушильных установок:
- Увеличивается взрывоопасность сушки.
- Ухудшается работа аппаратов пылеулавливания.
- Снижается производительность по испаренной влаге.
- Увеличиваются удельные расходы топлива и электроэнергии.
- На каждые 10% присосов воздуха расход тепла на испарение 1 кг влаги увеличивается в среднем на 1,1%, производительность сушилки по испаренной влаге снижается на 3%.
Наличие высоких присосов воздуха при наличии загорания угля – одна из наиболее распространенных причин взрывов на сушильных установках.
Присосы воздуха значительно влияют на эффективность работы аппаратов пылеулавливания:
- Каждый процент присоса воздуха снижает эффективность циклонов примерно на 2%.
- На отдельных сушилках общий объем присосов воздуха достигает 60-90%.
Только при частичном устранении неорганизованных присосов воздуха производительность труб-сушилок может быть увеличена в 1,2-1,5 раза.
Поэтому необходимо систематически вести работы по выявлению и устранению неорганизованных присосов воздуха в сушильный тракт.
Величина присосов воздуха по сушильному тракту при нормальной работе сушильной установки не должна превышать 20-30%.
Способ расчета присосов
Для оперативного расчета величины коэффициента присосов атмосферного воздуха в работающий сушильный агент пользуются номограммой, представленной на рисунке 9:
где
- Содержание кислорода и температура сушильного агента измеряются штатными приборами.
- КПД топки определяется в результате режимных испытаний, проводимых один раз в два года.
- Данная номограмма составлена для топки с КПД=93%.
В данном примере для и коэффициент присосов .
Данный расчет является быстрым, но очень приблизительным и неточным.
Также расчет можно проводить по формулам, но этот способ является очень трудоемким, не исключены ошибки и просчеты.
Поэтому для контроля за ситуацией на сушильной установке необходимы более точные и качественные расчеты с использованием программного обеспечения.
Алгоритм расчета коэффициента присосов
Данные, необходимые для расчета
Для расчета коэффициента присосов используются данные, которые можно разделить на 3 типа:
- Справочная информация.
- Данные, полученные в ходе штатного контроля.
- Данные, полученные в ходе режимных испытаний сушильной установки.
В составе справочной информации используются следующие таблицы:
Режимные испытания сушильных установок проводятся 1 раз в 2 года.
По результатам испытаний составляются «Режимная карта эксплуатации сушильных агрегатов», таблица 6:
Также в ходе режимных испытаний определяется элементный состав топлива, то есть определяются процентные содержания в топливе:
- Серы.
- Влаги.
- Азота.
- Углерода.
- Водорода.
- Кислорода.
Штатный контроль осуществляется оператором сушильной установки и состоит в сборе показаний приборов 1 раз в час, таблица 7:
Алгоритм расчета
Расчет коэффициента присосов происходит в следующем порядке, приведенном в последовательности вычислений.
Вычисляется теплота сгорания низшая рабочего топлива, ккал/кг:
(2)
Определяются характеристики топлива:
(3)
(4)
Рассчитывается теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива, нм3/кг:
(5)
Определяется количество и состав продуктов сгорания 1 кг топлива при коэффициенте α=1, нм3/кг:
Трехатомные газы:
(6)
Азот:
(7)
Водяные пары:
(8)
Рассчитывается теоретический объем сухих продуктов сгорания, нм3/кг:
(9)
Определяется избыток воздуха для фактических условий горения в топке:
(10)
Рассчитываем действительный объем азота, :
(11)
Определяем действительный объем водяных паров, :
(12)
Рассчитываем действительный объем кислорода, :
(13)
Определяем объем сухих продуктов сгорания, :
(14)
Рассчитываем содержание кислорода в продуктах сгорания на сухое состояние, об.%:
(15)
Определяем коэффициент присосов, об. %:
(16)
В конечном итоге получаем, нормативный коэффициент присосов на сухой газ, об. %:
(17)
На основании данной последовательности расчетных алгоритмов, строится логика формирования технического задания для программного обеспечения по расчету коэффициентов присосов.
Разработка программного обеспечения
Постановка задачи
Как уже говорилось ранее, сушка является важным технологическим процессом обогащения углей.
Данная технология предоставить конечному потребителю продукт, полностью соответствующий техническим требованиям.
Наиболее важным мероприятием, обеспечивающим качественную сушку углей, является:
- Контроль за присосами атмосферного воздуха.
- Контроль за взрывобезопасностью производства.
Для этого оператором сушильной установки выполняются следующие штатные действия:
- Каждый час снимаются показания приборов штатного контроля.
- Проводится расчет коэффициента по номограмме, составленной для конкретной сушильной установки.
- Затем запись данных осуществляется в рабочий журнал вручную.
Самая главная проблема, возникающая при таком способе расчета – это допущение ошибок оператором вследствие невнимательности, а именно:
- Так как при расчете можно перепутать номограмму, неправильно вести расчет по графику.
- Даже если оператором не будет допущено ошибок, сама номограмма не дает точного расчета коэффициента присосов, так как в ней учтены не все факторы, влияющие на коэффициент присосов.
Гораздо более точный расчет можно получить, используя алгоритм.
Но вручную пытаться делать расчеты по алгоритму приведут:
- Повышенной трудоемкости.
- Будут занимать длительное время.
- С большой вероятностью будут допущены ошибки.
Следующая проблема связана с тем, что запись ведется на бумажном носителе.
Это затрудняет отбор необходимой информации, оперативный анализ ситуации.
Также отдельно следует сказать о том, что разработанных программных продуктов для контроля за ситуацией на сушильных установках углеобогатительных фабрик не существует.
Именно для решения этих проблем должно быть создано программное обеспечение, существенно облегчающее труд оператора сушильной установки.
Необходимо создать приложение для расчета коэффициента присосов атмосферного воздуха на основе справочной информации, данных, известных после режимных испытаний и штатного контроля.
Для успешного внедрения и эксплуатации разрабатываемое программное обеспечение должно обладать следующими качествами:
- Легкое внедрение.
- Функциональность.
- Простой и понятный интерфейс.
К разрабатываемому программному обеспечению предъявляются следующие требования:
- Заполнение рабочего журнала.
- Правильный расчет коэффициента присосов.
- Возможность хранить данные и обеспечивать к ним доступ, редактировать.
- Элементарные проверки при вводе данных на заполненность полей и соответствие типу данных.
- Анализ зависимости коэффициента присосов от температуры топочных газов и выдачу рекомендаций о устранении неорганизованных присосов.
- Вывод справочной информации о соответствии коэффициента присосов нормативному значению, и о негативных последствиях при отклонении от нормы.
Выбор средств разработки
Обоснование выбора СУБД
Система управления базой данных (СУБД) является универсальным программным инструментом создания и обслуживания баз данных (БД) и приложений пользователя в самых разных областях.
СУБД выполняет следующие функции:
- Поиск информации.
- Управляет данными.
- Осуществляет хранение.
- Извлечение информации.
- Редактирование информации БД.
В СУБД поддерживаются различные модели данных.
Модель данных, это метод логической организации данных, используемый СУБД.
Наиболее известными моделями являются:
- Сетевая.
- Реляционная.
- Иерархическая.
Для персональных компьютеров поддерживается преимущественно реляционная модель, которую отличает:
- Простота.
- Единообразие представления данных простейшими двумерными таблицами.
Реляционная модель обеспечивает возможность:
- Использования в разных СУБД операций обработки данных, имеющих единую основу алгебру отношений (реляционную алгебру).
- Универсального языка структурированных запросов — SQL (Sequential Query Language).
Основной логической структурной единицей манипулирования данными является строка таблицы — запись.
Структура записи определяется составом входящих в неё полей.
Совокупность полей записи соответствует логическим связанным реквизитам, характеризующим некоторую сущность предметной области.
СУБД Microsoft Access является системой управления реляционной базы данных, а именно:
- Включает все необходимые инструментальные средства для создания локальной базы данных.
- Есть возможность создания общей базы данных в локальной сети с файловым сервером или базы данных на SQL-сервере.
- Служит для создания приложений пользователя, работающего с этими базами данных.
База данных Access, создаваемая на локальном компьютере, отличается от баз данных других настольных СУБД.
База данных хранится в одном mdb-файле, что существенно упрощает как создание, так и распространение приложения для работы с базой данных.
Обоснование выбора среды разработки
В качестве среды разработки была выбрана Embarcadero Delphi XE.
Высокопроизводительный инструмент визуального построения приложений включает в себя компилятор кода и предоставляет средства визуального программирования.
В Delphi также входят:
- Генераторы отчетов.
- Локальный SQL-сервер.
- Библиотеки визуальных компонентов.
- И прочие функции необходимые для того, чтобы чувствовать себя совершенно уверенным при профессиональной разработке информационных систем или просто программ для Windows-среды.
Прежде всего данное ПО предназначен для профессиональных разработчиков, желающих очень быстро разрабатывать приложения в архитектуре клиент-сервер.
Данная среда разработки производит небольшие по размерам высокоэффективные исполняемые модули (.exe и .dll), поэтому в ней должны быть, прежде всего, заинтересованы те, кто разрабатывает продукты на продажу.
С другой стороны, небольшие по размерам и быстро исполняемые модули означают, что требования к клиентским рабочим местам существенно снижаются – это имеет немаловажное значение и для конечных пользователей.
Преимущества Delphi по сравнению с аналогичными программными продуктами:
- Быстрота разработки приложения (RAD).
- Возможность удобной проработки иерархии объектов.
- Высокая производительность разработанного приложения.
- Низкие требования разработанного приложения к ресурсам компьютера.
- Наращиваемость за счет встраивания новых компонент и инструментов в среду Delphi.
- Возможность разработки новых компонентов и инструментов собственными средствами Delphi (существующие компоненты и инструменты доступны в исходных кодах).
Математические методы
Интерполяция
Интерполяция это способ нахождения промежуточных значений величины по имеющемуся дискретному набору известных значений.
Типичным примером такой функции является временной ряд, значения которого это наблюдения, зафиксированные через определенный интервал времени.
Например, если наблюдения за ходом исследуемого процесса (скажем, продаж) регистрировались в последний день каждой декады, то при необходимости оценить значения внутри данного интервала потребуется выполнить интерполяцию.
Пример данного явления представлен на рисунке 10:
где
- Точки x1, x2,…,xn называются узлами интерполяции, их совокупность – интерполяционной сеткой.
- Расстояние между ее соседними узлами шагом интерполяции, который может быть как равномерным, так и неравномерным.
Задача заключается в поиске интерполирующей функции:
- F(xi) = yi.
Иными словами, интерполяция позволяет узнать, какие значения принимает функция в точках, не являющихся ее узлами.
В настоящее время существует множество различных методов интерполяции.
Выбор наиболее подходящего из них определяется требованием к точности:
- Вычислительной сложности.
- Гладкости интерполирующей функции.
- Количеству точек данных и так далее.
Наиболее простым методом является линейная интерполяция, когда предполагается, что промежуточные точки лежат на прямых, соединяющих ее узлы (как показано на рисунке 10).
Интерполирующая функция в этом случае имеет вид:
(18)
В рамках данной работы интерполяция применяется для нахождения промежуточных значений в таблицах базы данных, содержащих справочную информацию.
Корреляция
Корреляция (корреляционная зависимость) это статистическая взаимосвязь двух или нескольких случайных величин, либо величин, которые можно с некоторой допустимой степенью точности считать таковыми.
Термин «корреляция» происходит от латинского correlatio — соотношение, связь.
При этом данный вид взаимосвязи между признаками проявляется в том:
- Что при изменении одной из величин изменяется среднее значение другой.
- Если функциональные связи одинаково легко обнаружить и на единичных, и на групповых объектах, то этого нельзя сказать о связях корреляционных, которые изучаются только на групповых объектах методами математической статистики.
- Задача корреляционного анализа сводится к установлению направления и формы связи между признаками, измерению ее тесноты и к оценке достоверности выборочных показателей корреляции.
- Корреляционная связь между признаками может быть линейной и криволинейной (нелинейной), положительной и отрицательной.
Существует два вида взаимосвязи:
- Прямая корреляция отражает однотипность в изменении признаков: с увеличением значений первого признака увеличиваются значения и другого, или с уменьшением первого уменьшается второй.
- Обратная корреляция указывает на увеличение первого признака при уменьшении второго или уменьшение первого признака при увеличении второго.
Корреляция изучается на основании экспериментальных данных, представляющих собой измеренные значения (xi, yi) двух признаков, поэтому:
- Если экспериментальных данных немного, то двумерное эмпирическое распределение представляется в виде двойного ряда значений xi и yi.
- При этом корреляционную зависимость между признаками можно описывать разными способами.
- Соответствие между аргументом и функцией может быть задано таблицей, формулой, графиком и т. д.
Корреляционный анализ, как и другие статистические методы, основан на использовании вероятностных моделей, описывающих поведение исследуемых признаков в некоторой генеральной совокупности, из которой получены экспериментальные значения xi и yi.
Когда исследуется корреляция между количественными признаками, значения которых можно точно измерить в единицах метрических шкал (метры, секунды, килограммы и так далее), то очень часто принимается модель двумерной нормально распределенной генеральной совокупности.
Такая модель отображает зависимость между переменными величинами xi и yi графически в виде геометрического места точек в системе прямоугольных координат.
Эту графическую зависимость называются также диаграммой рассеивания или корреляционным полем.
Данная модель двумерного нормального распределения (корреляционное поле) позволяет дать наглядную графическую интерпретацию коэффициента корреляции, так как распределение в совокупности зависит от пяти параметров:
- mx, my – средние значения (математические ожидания).
- sx,sy – стандартные отклонения случайных величин Х и Y.
- р – коэффициент корреляции, который является мерой связи между случайными величинами Х и Y.
Варианты размещения корреляционных зависимостей приведены на рисунке 11:
Из рисунка 11, а следует:
- Если р=0, то значения, xi, yi, полученные из двумерной нормальной совокупности, располагаются на графике в координатах х, у в пределах области, ограниченной окружностью.
- В этом случае между случайными величинами Х и Y отсутствует корреляция и они называются некоррелированными.
- Для двумерного нормального распределения некоррелированность означает одновременно и независимость случайных величин Х и Y.
Из рисунка 11, б следует:
- Если р = 1 или р = -1, то между случайными величинами Х и Y существует линейная функциональная зависимость (Y =c+dX).
- В этом случае говорят о полной корреляции.
- При р = 1 значения xi, yi определяют точки, лежащие на прямой линии, имеющей положительный наклон (с увеличением xi значения yi также увеличиваются).
- При р = -1 прямая имеет отрицательный наклон.
Из рисунков 11, в и 11, г следует:
- В промежуточных случаях (-1 < p < 1) точки, соответствующие значениям xi, yi, попадают в область, ограниченную некоторым эллипсом.
- Причем при p>0 имеет место положительная корреляция (с увеличением xi значения yi имеют тенденцию к возрастанию).
- При p <0 корреляция отрицательная.
- Чем ближе р к , тем уже эллипс и тем теснее экспериментальные значения группируются около прямой линии.
Из рисунка 11, д следует:
- Здесь же следует обратить внимание на то, что линия, вдоль которой группируются точки, может быть не только прямой, а иметь любую другую форму.
- График может быть в форме параболы, гиперболы и какой либо другой формы.
- В этих случаях мы рассматривали бы так называемую, нелинейную (или криволинейную) корреляцию.
Таким образом, визуальный анализ корреляционного поля помогает выявить не только наличия статистической зависимости (линейную или нелинейную) между исследуемыми признаками, но и ее тесноту и форму.
Это имеет существенное значение для следующего шага в анализе ѕ выбора и вычисления соответствующего коэффициента корреляции.
В рамках данной работы корреляция используется для установления формы связи между температурой сушильного агента и коэффициентом присосов атмосферного воздуха при анализе некоторого количества измерений.
Это необходимо для дальнейших выводов о месте в сушильной установке, где происходят присосы.
Программная реализация
Структура базы данных
База данных это совокупность хранимых в памяти компьютера данных, относящихся к определенному объему или кругу деятельности, специально организованных, обновляемых и логически связанных между собой.
Реляционной называется база данных, в которой все данные, доступные пользователю, организованны в виде таблиц, а все операции над данными сводятся к операциям над этими таблицами.
Структура базы данных изображена на рисунке 12:
База данных состоит из следующих таблиц:
- Таблица NormKpr содержит информацию о нормативном коэффициенте присоса атмосферного воздуха в зависимости от от расхода сухого сушильного агента в сушильную установку с =100 000 .
- Таблица Popravka содержит поправочный коэффициент k, учитывающий отклонение производительности от 100 000 .
- В таблице Teploemkost содержатся сведения о средних теплоемкостях воздуха и негорючих газов в диапазоне температур от 200 до 800 .
Эти три таблицы носят справочный характер, их нельзя редактировать, удалять и добавлять информацию.
Следующий блок базы данных содержит:
- Таблица SostavUglya содержит информацию, об элементом составе топлива, и дате его изменений. Это может произойти в результате режимных испытаний или использования другого топлива.
- Таблица Sushilka содержит перечень сушильных установок на углеобогатительной фабрике.
- Чаще всего их 5 на фабрике.
В таблицу ReIspitaniya заносятся данные, полученные в результате режимных испытаний:
- Data_RI — дата проведения испытаний.
- Sushilka_RI — сушилка, для которой проводились режимные испытания.
- Nu — КПД данной сушилки.
- Vd_RI — производительность сушильной установки.
- Hd_RI — разрежение перед дымососом.
Таблица StatKontrol является основной, в ней хранятся данные, известные по результатам штатного контроля и рассчитанный коэффициент присосов:
- Data_SK – дата.
- Vremya – время.
- Sushilka_SK – сушилка.
- TempVozd — температура атмосферного воздуха.
- TempTG — температура топочных газов.
- OFakt — фактическое содержание кислорода в отработавшем сушильном агенте.
- KprFakt — фактический (рассчитанный коэффициент присосов).
Интерфейс пользователя
Интерфейс пользователя — элементы и компоненты программы, которые способны оказывать влияние на взаимодействие пользователя с программным обеспечением.
Некоторые программисты склонны оставлять дизайн интерфейса пользователя на потом, считая, что реальное достоинство приложения — его программный код, который и требует большего внимания.
Однако часто возникает недовольство пользователей из-за неудачно подобранных элементов внешнего вида ПО:
- Шрифтов.
- Скорости его прорисовывания.
- Непонятного содержимого экрана.
Пользователь не видит программного кода, зато интерфейс либо хороший, либо плохой, всегда перед ним.
Разработка эффективных форм, это важный аспект, поскольку, являются строительными блоками интерфейса пользователя.
Хороший дизайн форм включает нечто большее, чем просто добавление элементов управления и программирование процедур обработки событии.
Чтобы создать хорошо спроектированную форму, необходимо:
- Уяснить ее назначение.
- Способ и время использования.
- Связи с другими элементами программы.
Кроме того, в приложении может находиться несколько форм, каждая из которых будет отображаться по мере необходимости.
Особый вид форм — формы, предназначенные для ввода данных.
В форме ввода данных необходимо максимально использовать свободное пространство, поскольку открытие и закрытие дополнительных форм существенно замедляет работу.
При разработке форм ввода данных основное внимание следует уделить скорости их работы.
Чтобы максимально ускорить процесс ввода данных, необходимо следовать приведенным ниже основным правилам:
- Расположение элементов должно быть согласовано с задачами пользователя.
- Не заставлять пользователя выполнять лишнюю работу. Другими словами, если информация, содержащаяся в полях со 2-го по 10-е, необходима только, когда первое поле имеет определенное значение, не нужно заставлять пользователя заполнять все поля подряд.
- Использовать заметную, но ненавязчивую обратную связь с пользователем. Например, контролировать вводимые им данные.
- Если возможно, выполнять добавление и редактирование записей в одной и той же форме, тогда пользователю не придется осваивать несколько методов доступа к одним и тем же данным.
Если интерфейс пользователя должен содержать несколько форм, вам предстоит принять самое важное решение, какой использовать вид интерфейса:
- Однодокументный (SDI).
- Многодокументный (MDI).
В SDI-приложениях окна форм появляются совершенно независимо друг от друга.
Однако, не имеет значения какой тип интерфейса SDI или MD1 выбран, поскольку взаимодействие пользователя с формами происходит одинаково, посредствам обработки событий, поступающих от элементов управления формы.
Поэтому, если в приложении предусмотрено несколько форм, программу необходимо написать так, чтобы у пользователей не было возможности нарушить предписанный ход ее выполнения.
Еще одна важная часть разработки форм — создание содержательных и эффективных меню, здесь необходимо:
- Избегать избыточных меню.
- Группировать пункты меню в логическом порядке и по содержанию.
- Для группировки пунктов в раскрывающихся меню использовать разделительные линии.
- Не забывать использовать символ троеточия для обозначения пунктов меню, активизирующих диалоговые окна.
- Следовать стандартным соглашениям о расположении пунктов меню принятым в Windows File, Edit, View, и так далее.
Очень важна скорость работы приложения поскольку:
- Может быть самый быстродействующий программный код, но это ничего не значит, если с точки зрения пользователя он работает медленно.
- Однако, если воспользоваться некоторыми уловками, то можно сделать так что будет казаться, будто программа работает быстрее.
- Пользователь гораздо более расположен к ожиданию, если считает, что компьютер работает с максимальной скоростью.
Хороший пример — загрузка Windows, которая обычно требует достаточно много времени.
Однако вывод графики, сопровождающие звуки, шум жесткого диска отвлекают настолько, что пользователь не ощущает ожидания.
Описанная ниже техника поможет в создании «более быстрых» приложений.
Описание основных интерфейсных окон для пользователя
При запуске приложения открывается окно «Штатный контроль», рисунок 13:
где
- В левом верхнем углу окна находятся часы, это сделано для удобства работы оператора.
- Для расчета коэффициента присосов необходимо ввести различные параметры температура топочных газов, фактическое содержание кислорода, температура воздуха в соответствующие поля.
- Сушильная установка выбирается из списка.
- При заполнении полей происходит проверка на заполненность и соответствие численному типу данных.
- После нажатия на кнопку «Расчет» коэффициент присосов рассчитывается, информация заносится в базу данных.
Также выводится информация о соответствии рассчитанного коэффициента присосов нормативному.
В случае отклонения от нормативного значения происходит расчет меры негативного влияния высокого коэффициента присосов на производительность сушильной установки и на производительность системы пылеулавливания.
В окне «Режимные испытания» можно изменить показатели сушильной установки и элементный состав топлива, рисунок 14:
Но необходимость в этом возникает редко, так как режимные испытания проводятся один раз в два года.
В данном окне можно проводить следующие изменения:
- При изменении полей происходит проверка на заполненность и соответствие численному типу данных.
- Сушильная установка выбирается из списка.
- Каждой сушильной установке соответствуют свои показатели.
Чаще всего на обогатительных фабрика пять сушильных установок.
Все эти данные влияют на расчет коэффициента присосов.
Также в программе осуществлена возможность анализа данных.
Под анализом подразумевается исследование зависимости коэффициента присосов от температуры сушильного агента для каждой сушилки:
- Это необходимо для определения места возникновения присосов атмосферного воздуха для последующего их устранения при ремонте сушильной установки.
- Если зависимость прямо пропорциональная, то присосы происходят в так называемом «горячем конце».
- Если зависимость обратно пропорциональная, то присосы происходят в «холодном конце».
Все это наглядно иллюстрируется графиком, рисунок 15:
Заключение
В рамках данной работы была разработана программа для расчета коэффициентов присосов атмосферного воздуха в многотоннажные сушильные установки углеобогатительных фабрик.
В ходе работы были выполнены все технологические требования.
Программа позволяет:
- Хранить информацию в электронном виде.
- Снизить вероятность возникновения ошибок при расчетах.
- Оперативно производить расчет коэффициентов присосов в зависимости от показаний приборов штатного контроля и технологических показателей сушильной установки.
Разработанная программа прошла контрольное тестирование и может использоваться на углеобогатительных фабриках, применяющих конвективный метод сушки угля.
Описанные алгоритмы можно внедрить с SCADA системах обогатительных фабрик.
Также возможно использование в учебных целях – для тренировки операторов сушильных установок и в учебном процессе для студентов, изучающих обогащение полезных ископаемых.
Список литературы
- Филиппов В.А., Машинист сушильной установки углеобогатительной фабрики. – М.: Недра, 1986. – 120с.: ил.
- Сорокин А.В., Delphi. Разработка баз данных. – СПб.: Питер, 2005. – 477с.: ил. Издательский дом «Вильямс», 2005. – 336 с.: ил. – Парал. тит. англ.
- Р. Стивенс., Delphi. Готовые алгоритмы; Пер. с англ. Мерещука П. А. — 2-е изд., стер. — М.: ДМК Пресс ; СПб.: Питер, 2004. — 384 с.: ил.
- Фленов М.Ф., Программирование в Delphi глазами хакера. — СПб.: БХВ-Петербург, 2004. — 368 с.: ил.
- Фаронов В.В., Система программирования Delphi — СПб: БХВ-Петербург, 2004.- 912 с.
- Хомоненко А.Д., Цыганков В.М., Мальцев М.Г., Базы данных: учебник для вузов / под ред. А.Д. Хомоненко.- 3-е изд. — СПб: Корона-Принт, 2003.- 672
- Купер А., Об интерфейсе. Основы проектирования взаимодействия. – Пер. с англ. – СПб.: Символ-Плюс, 2010. – 688 с., ил.
- Вейс М., Сушка угля. – Пер. с нем. – М.: Государственное научно-техническое горно-геолого-нефтяное издательство, 1934. – 271 с., ил.
- Производительность многотоннажных сушильных установок углеобогатительных фабрик.
