Источник : Материалы международной научно-технической Ухтинской конференции аспирантов и студентов. Донецьк-Ухта, ДонНТУ - 2010.
Доменная печь – один из самых сложных непрерывно работающих агрегатов металлургического предприятия. Современная доменная печь потребляет 4000 – 4500 м3/мин дутья, нагретого до температуры 1100 – 1200С. Достижение высокой температуры дутья осуществляется в воздухонагревателях, которые представляют собой регенеративные устройства периодического действия. Для обеспечения непрерывности нагрева дутья, доменную печь оснащают тремя или четырьмя воздухонагревателями, работающими поочередно в режимах аккумуляции тепла насадками регенераторов (режим нагрева) или нагрева дутья (дутьевой режим) [1]. Перевод воздухонагревателей из режима нагрева в дутьевой и обратно осуществляется автоматически.
Основными задачами автоматического управления тепловыми режимами воздухонагревателей являются полное и экономичное сжигание топлива, нагрев насадки до заданной температуры с ограничением предельной температуры купола для предотвращения разрушения огнеупоров, автоматическое переключение с режима нагрева на режим дутья и наоборот (рис. 1) [2]. Кроме того, система автоматизации воздухонагревателей доменной печи должна контролировать: влажность, расход, концентрацию доменного газа и воздуха в смеси, подаваемой в качестве топлива для нагрева воздухонагревателя [1, 2].
Газ для нагрева воздухонагревателей доменной печи поступает в газопровод – 1, в котором установлена измерительная диафрагма. Стандартный комплект приборов – 2 обеспечивает регистрацию общего количества газа, расходуемого на нагрев всех воздухонагревателей данной доменной печи. Давление газа стабилизируется локальной типовой системой регулирования – 3. Расход газа на каждый воздухонагреватель контролируется измерительными преобразователями – 4 и поддерживается на заданном уровне регулятором расхода – 5, который управляет исполнительным механизмом – 6 при регулирующей заслонке, установленной на подводе газа к горелке. Температура купола стабилизируется системой – 7, состоящей из датчика температуры, вторичного прибора, регулятора и исполнительного механизма – 8, который воздействует на заслонки жалюзи – 10 на воздушном тракте горелки – 11, 13 – дроссельный клапан регулирования подачи горячего дутья в доменную печь. Температура дыма измеряется термопарой и вторичным прибором – 12 [1, 2].
При анализе технологического объекта и условий эксплуатации воздухонагревателей доменной печи, выявлены факторы снижающие эффективность работы системы стабилизации температуры купола воздухонагревателя – 7. Вентилятор – 9 работает в режиме непрерывной работы, а количество подаваемого холодного воздуха в воздухонагреватель регулируется заслонками жалюзи – 10. Основными факторами снижающими эффективность работы системы являются непроизводственные потери мощности в заслонках жалюзи, дросселях и других регулирующих устройствах. Это увеличивает электропотребление технологическим оборудованием, повышает износ приводного двигателя аппарата вентилятора. Кроме этого, необходимо учитывать тяжелый режим пуска вентилятора. Это обусловлено 6 – 7 кратными пусковыми токами и продолжительным временем разгона из-за большой инерции рабочего колеса вентилятора. Кроме электрических и механических перегрузок двигатель подвергается и большим тепловым перегрузкам во время пуска, что в совокупности значительно снижают его надежность. Применение устройства плавного пуска не решают все проблемы, возникающие при прямом пуске электропривода. Для разгона вентилятора с помощью устройства плавного пуска, даже на закрытую заслонку, необходимо обеспечить как минимум 3 – 3,5 кратный пусковой ток в длительном режиме работы, что не позволяет значительно повысить ресурс электродвигателя.
Для снижения энергопотребления предлагается использовать систему автоматического управления с применением частотно-регулируемого электропривода вентилятора. Кроме снижения потребления электроэнергии это позволяет значительно упростить механическую систему, повысить надежность системы вентиляции в целом и снизить эксплуатационные затраты. При использовании регулятора частоты, двигатель запускается плавно без пусковых токов и динамических перегрузок в механической системе вентиляции.
Структурная схема предлагаемой системы автоматического контроля температуры воздухонагревателя доменной печи с частотно-регулируемым электроприводом представлена на рис. 2. На вход системы измерения блока воздействует измеряемая величина (t) - тепловой поток. Величина температуры измеряется при помощи термопарой ТП - 0395 производства «Элемер» (Россия) [3]. Сигнал с термопары поступает на вход блока усиления сигнала (БУС) и усиливается до стандартного выходного напряжения (U). БУС представляет собой двухкаскадный усилитель. Первый каскад представляет собой дифференциальный усилитель. Для повышения входного сопротивления входной каскад построен на двух отдельных (невзаимосвязанных) неинвертирующих усилителях. Второй каскад — дифференциальный инвертирующий усилитель. Далее стандартный сигнал попадает в блок преобразования сигнала (БПС). Этот блок состоит из преобразователя напряжение - ток и обеспечивает помехозащищенную передачу сигналов. После чего, подготовленный токовый сигнал подается на вход сумматора, где сравнивается с сигналом пропорциональным заданной температуры купола и поступает на регулятор (Р).
В свою очередь регулятор вырабатывает управляющее воздействие, в зависимости от состояния температурного режима под куполом воздухонагревателя, и посредством частотного преобразователя (ЧП), осуществляет управление электроприводом и контроль подаваемого холодного дутья в воздухонагреватель. При регулировании скорости электропривода частота и напряжение на выходе ЧП изменяется в соответствии с требуемым соотношением. Изменяя частоту напряжения, можно плавно в широких пределах регулировать частоту вращения ротора двигателя и производительность вентилятора. При этом, скольжение асинхронного двигателя в процессе регулирования при заданном значении нагрузки изменяется незначительно, а, следовательно, потери в цепи ротора, пропорциональные скольжению, также изменяются незначительно, что обеспечивает энергосбережение. Питание мостовой измерительной схемы, дифференциального усилителя, а также преобразователя напряжение - ток осуществляется блоком питания (БП). Использование разработанного блока позволит обеспечить эффективную работу воздухонагревателей доменной печи и защиту купола, верха насадок и нижних строений воздухонагревателей от перегрева и последующего разрушения путём повышения качества процесса контроля температуры. При производительности системы вентиляции равной 80% номинального значения применение энергосберегающего частотно-регулируемого электропривода позволит получить экономию электроэнергии до 50 %. Автоматическое регулирование частоты напряжения, питающего электропривод вентилятора обеспечивает изменение производительности без применения дросселирования и механических заслонок, что значительно упрощает и удешевляет конструкцию системы вентиляции, повышает ее надежность.