Овчаренко А.В.
Актуальность. В настоящее время моноксид углерода СО является наиболее распространенным загрязнителем атмосферы. Значительную долю в суммарном выбросе СО вносит черная металургия и особенно - доменное производство. При выплавке чугуна СО как продукт технологического процесса выделяется непосредственно в горне доменной печи и в процессе нагрева воздухонагревателей доменных печей. Проектирование системы автоматического нагрева воздухонагревателей позволит практически свести к нулю выброс СО при нагреве воздухонагреваталей и, как следствие, понизить суммарное загрязнение от этого ядовитого газа.
Анализ известных решений. В настоящее время среди металлургических комбинатов Донбасса нет системы автоматического нагрева воздухонагревателей, исключающей необходимость человека-оператора. Каким образом сегодня осуществляется нагрев воздухонагревателей? В рамках работы цеха КИП и А обеспечивается измерение необходимых технологических параметров доменного процесса, характеризующих в том числе и работу воздухонагревателя. В частности, интересующий нас параметр - концентрация СО чаще всего измеряется посредством оптико-акустических газоанализаторов (например, газоанализатор ГИАМ-14, который уже устарел и постепенно вытесняется более современными моделями). Сигналы с датчиков поступают на цифровые модули, которые, в свою очередь, объединяются посредством локальной сети Ethernet (так называемые SCADA-системы). Каждый из модулей, воспринимающих сигналы с датчиков, предназначен для конкретного вида сигнала (в частности, применяются различные модули в зависимости от типа термопар - ТХА, ТХК, ТПП и т.д.). Информация со всех модулей передается на головную ЭВМ и представляется в удобной для человека-оператора визуальной форме. С головного компьютера информация посредством Ethernet может быть передана на другие ЭВМ. Программное обеспечение такой системы помимо визуального представления состояния технологического процесса в реальном времени позволяет получать графики изменения во времени всех интересующих технологических параметров, что оказывается немаловажным при анализе. Однако подобные системы дают возможность только наблюдать за состоянием процесса. Управляющие воздействия на процесс человек-оператор должен подать самостоятельно (как правило, дистанционно), опираясь на полученную измерительную информацию. При этом оказываются существенными субъективные факторы - опыт человека-оператора, сиюминутная работоспособность и т.д. Развитие доменного производства в настоящее время направлено, наверное в первую очередь, на обеспечение автоматизации высокой степени инте-грации. Задачи наблюдения оказываются устаревшими и малоинтересными. Важной необходимостью является проектирование такой системы, которая бы самостоятельно управляла доменным процессом и нагревом воздухонагревателей, в частности - АСУ ТП.
Постановка задачи исследования. Вкратце рассмотрим особенности воздухонагревателя как объекта, подлежащего автоматизации, а также в общих чертах опишем возможный экологический эффект от внедрения системы автоматического нагрева воздухонагревателей.
Целевая функция имеет следующий вид:
| |
(1) |
где а - коэффициент переизбытка воздуха в газо-воздушной смеси, подаваемой в горелку воздухонагревателя,
аопт - некоторое оптимальное значение коэффициента переизбытка воздуха, соответствующее максимальному выделению тепла от сжигания газо-воздушной смеси.
Изложение основного материала. Принцип действия системы автоматического регулирования подачи в горелку воздухонагревателя доменного газа и воздуха, смесь которых является топливом для нагрева воздухонагревателя, заключается в измерении значений технологических параметров и анализе этих значений. Среди параметров, которые должны подвергаться анализу, можно выделить температуру, влажность, расход, наконец, содержание СО в выходном дыме воздухонагревателя - параметр, интересующий нас в экологическом плане.
Современный воздухонагреватель представляет собой вертикально расположенный куполообразный цилиндр высотой до 50 м и диаметром 9 м. Снаружи воздухонагреватель заключен в стальной кожух, который изнутри выложен огнеупорным и теплоизоляционным кирпичом. Внутреннее пространство воздухонагревателя разделено не доходящей до верха вертикальной стеной из огнеупорного кирпича на две части: камеру сгорания и огнеупорную насадку с вертикальными каналами, а внизу - с поднасадочным пространством. Воздухонагреватели доменной печи сооружают на общем фундаменте в блоке по четыре воздухонагревателя на каждую печь.
Рисунок 1 - Разрез воздухонагревателя
Рисунок 2 - Расположение блока четырех воздухонагревателей
Воздухонагреватель работает циклично. Цикл состоит из нагрева посредством сжигания смеси "доменный газ - воздух" и охлаждения за счет пропускания через нагретый воздухонагреватель холодного воздуха, который, нагревшись, поступает в доменную печь. Имеются различные виды циклов работы воздухонагревателей, отличающиеся последовательностью подачи на нагрев или дутье очередного воздухонагревателя (последовательный цикл, параллеьный, последовательно-параллельный и др.). На металлургических предприятиях Донбасса наиболее распространенным является последовательный цикл нагрева, который может быть охарактеризован в виде диаграммы (см. рис. 3).
Рисунок 3 - Последовательный режим работы воздухонагревателей
Рассмотрим зависимость количества тепла, которое выделяется в горелке воздухонагревателя при сжигании газо-воздушной смеси, от объемной доли воздуха в смеси "доменный газ - воздух":
| |
(2) |
где Q - количество тепла, выделяющееся при сжигании газо-воздушной смеси,
а - коэффициент переизбытка воздуха, который может быть определен как отношение концентраций доменного газа и воздуха в газо-воздушной смеси:
| |
где Сдг - объемная концентрация доменного газа в газо-воздушной смеси,
Cв - объемная концентрация воздуха в газо-воздушной смеси.
Рисунок 4 - График зависимости Q = f(a)
Зависимость (2) носит экстремальный характер.
Как видно из рис. 4, максимальная эффективность от сжигания газо-воздушной смеси наблюдается при определенном соотношении "доменный газ - воздух", характеризуемой некоторым оптимальным значением коэффициента переизбытка воздуха а = аопт.
С другой стороны, положим, что возможно обеспечить стабильность равенства а = аопт. При этом в горелке воздухонагревателя будет сжигаться вся газо-воздушная смесь, т.е. в отходящем дыме не будет содержаться не сгоревшего СО, что и требуется обеспечить.
Рассмотрим зависимость концентрации СО (Ссо) в зависимости от а.
Рисунок 5 - График зависимости Cco = f(a)
Из рисунка видно, что по мере увеличения а содержание СО в отходящем дыме уменьшается и, начиная с точки, в которой а = аопт, остается в области малых значений (Ссоост - остаточная концентрация СО составляет доли процента), не достигая нуля.
Легко увидеть (см. рис. 5), что при подаче в горелку излишнего вздуха (а > аопт) экологическая задача минимизации выброса СО решается. Однако помимо экологического параметра важнейшим оказывается такой параметр технологического процесса как температура. Подача излишнего избытка воздуха приведет к тому, что часть воздуха останется не сгоревшей и будет забирать часть тепла на себя (см. рис. 4). Как следствие - снижение скорости нагрева воздухонагревателя, к значению которой выдвигаются довольно жесткие требования.
Задача автоматизации решается в комплексе, необходимо учитывать все параметры и все факторы, а не один только экологический эффект. Поэтому требуется обеспечить также и максимальную эффективность от сжигания топлива.
Итак, создание системы автоматического регулирования коэффициента избытка воздуха а помимо прочего положительного эффекта позволяет решить экологическую задачу минимизации выброса СО в атмосферу.
Каким образом осуществляется изменение коэффициента а?
Рассмотрим технологические параметры, характеризующие работу воздухонагревателя, а сам воздухонагреватель представим в виде "черного ящика" (см. рис. 6).
Рисунок 6 - Структурная схема воздухонагревателя как объекта моделирования
Среди характеризующих процесс параметров можно выделить:
а) выходные параметры (содержание СО, О2, скорость изменения температуры воздухонагревателя);
б) контролируемые возмущающие воздействия (влажность воздуха, температура окружающей среды);
в) управляющие воздействия (расход доменного газа, расход воздуха);
г) неконтролируемые возмущающие воздействия.
Задача анализа измерений, решаемая в рамках автоматизации процесса нагрева, подразумевает математическое описание объекта контроля. Каким образом взаимодействуют те или иные параметры процесса? Как изменение одного параметра скажется на других параметрах? Эти вопросы решаются при создании математической модели объекта.
Воздухонагреватель, как и большинство других объектов черной металлургии, является объектом нестационарным. Т.е. будет нецелесообразно описывать данный объект посредством некоторых математических зависимостей, не изменяющих своей структуры при функционировании воздухонагревателя. Иными словами, если, предположим, выявить некоторую математическую зависимость между параметрами, описывающую объект с удовлетворительной точностью, то нет основания полагать, что при дальнейшей работе воздухонагревателя эта зависимость останется по-прежнему верной и по-прежнему будет описывать объект с требуемой точностью. Не все факторы, влияющие на процесс, могут быть измерены и учтены при анализе. Поэтому наиболее адекватной моделью будет являться самонастраивающаяся модель (статическая и вероятностная модели дадут неудовлетворительную точность). Самонастраивающаяся модель предполагает изменение своей математической структуры на основании анализа значений технологических параметров в реальном масштабе времени. Модель подобной структуры оказывается способной учитывать возмущения, которые не могут быть измерены.
Создание подобной модели - чрезвычайно трудоемкий процесс, однако неизбежный при решении задачи автоматизации.
Как видно из рис. 6, проектируемая автоматическая система является замкнутой. При этом работа ее функционально может быть разбита на три этапа (части) (см. рис. 7).
Рисунок 7 - Функциональная схема системы
Рассмотрим этап "информационный", заключающий в себя получение измерительной информации о протекании процесса.
На этом этапе производятся преобразования "физическая величина - электрический сигнал" посредством ПИП датчиков, затем - подгонка полученных электрических сигналов к унифицированному диапазону посредством нормирующих усилителей, наконец - соединение с ЭВМ. Функционирование же ЭВМ относится уже к этапу "аналитическому".
Функции анализа выполняются посредством ЭВМ на программном уровне на основании математической самонастраивающейся модели.
Наконец, ЭВМ производит суждение правильности протекания процесса и, если необходимо, подает управляющий электрический сигнал на исполнительный механизм, осуществляющий регулирование управляющих параметров - расходов воздуха и доменного газа. Как производится данное регулирование? В трубопроводах, через которые в горелку поступают доменный газ и воздух, содержатся вентили. Исполнительный механизм воздействует на вентили, уменьшая либо увеличивая таким образом диаметр трубы и, соответственно, подачу воздуха газа.
Выводы.В настоящей статье рассмотрены принципы, лежащие в основе автоматической системы, управляющей нагревом воздухонагревателей. Выделены физические параметры, оказывающие существенное влияние на работу системы, а также описаны основные этапы работы подобной системы.
1. Полтавец В.В. Доменное производство. М.: «Металлургия». - 1981.
2. Щербаков В.П. Основы доменного производства. М.: «Металлургия». - 1969.