Современные автоматизированные системы управления технологическими процессами требуют значительного количества разнообразия средств измерений, обеспечивающих выработку сигналов измерительной информации в форме, удобной для дистанционной передачи, сбора и дальнейшего преобразования, обработки и представления ее. Система автоматического контроля основных параметров доменного процесса представляет собой сложный комплекс датчиков, преобразователей и вторичных приборов.
Введение автоматических методов ведения технологических процессов повышает требования, предъявляемые к точности измерения отдельных параметров этих процессов. Наличие разнообразных средств измерений требует правильного их выбора для определенных целей.
Широкое использование ЭВМ для решения информационных задач АСУ ТП и для расчета технико-экономических показателей работы оборудования предопределяет применение таких методов и средств измерений, которые в определенных условиях эксплуатации обеспечивали бы заданную точность и позволяли обеспечивать технологический персонал оперативной информацией и реализовывать математические модели управления доменной печью.
Температура – важнейший параметр технологических процессов металлургической промышленности. Поэтому качество температурного контроля часто обусловливает успех процесса производства. В связи с этим важнейшими задачами является разработка надежных методов контроля температуры, создание систем автоматического контроля, стабильности и быстродействия. В настоящее время система автоматического управления нагревом дутья, разработанная фирмой «Сименс», обеспечивает получение информации о работе воздухонагревателей и управления тепловой работой блока в оптимальном режиме. Информация о результатах измерений и регулирования всех необходимых параметров, связанных с работой воздухонагревателей, система получает от подсистем TELEPERM.M.
На настоящем этапе развития доменного производства его автоматизация необходима вследствие огромной производительности доменных печей и постоянного усложнения как технологического процесса выплавки чугуна, так и оборудования доменных печей. С развитием технологического процесса увеличиваются требования к функциональности АСУТП. Для обеспечения качественного управления необходимо не только модернизация оборудования автоматизации, но введение нового эффективного математического обеспечения. Доменный процесс характеризуется многообразием и сложностью явлений газодинамики, движения шихты, теплообмена, восстановления, фазовых переходов и т.д. Исследования этих явлений в доменной печи с целью выявления резервов эффективности ее работы – снижение расхода кокса и повышения производительности – сопряжено с большими финансовыми, технологическими и техническими трудностями. Поэтому применеие автоматизации при разработке систем контроля и управления доменным процессом имеет большое значение.
Доменная печь самый большой и сложный плавильный агрегат, который работает без перерыва на протяжении пяти или семи лет. В печь непрерывно загружаются железорудные материалы и кокс, подают воздух (дутье), а из печи отводят доменный газ. Тепло, выделяемое в результате горения топлива, тратится на нагревание и расплавление материалов шихты и на образование чугуна и шлаков. Доменный процесс представляет собой совокупность механических, физических и физико-химических явлений, которые протекают в работающей доменной печи. Шихтовые материалы, которые загружают в доменную печь - кокс, железосодержащие компоненты и флюс - в результате протекания доменного процесса превращаются в чугун, шлаки и доменный газ. Полная схема всей доменной печи очень сложная и объемная рис.1. Современная доменная печь непрерывно потребляет 4000 – 4500 м3/мин дутья, нагретого до температуры 1100 – 1200С [1].
Достижение высокой температуры дутья осуществляется в воздухонагревателях, которые представляют собой регенеративные устройства периодического действия. Обычные его габариты: высота 40 – 50м, диаметр 9 – 10м. Современный вид воздухонагревателя показан на рис.2.
Для того, чтобы обеспечить непрерывный нагрев дутья, доменную печь оснащают тремя или четырьмя воздухонагревателями, работающими поочередно в режимах аккумуляции тепла насадками регенераторов (режим нагрева) или нагрева дутья (дутьевой режим). Перевод воздухонагревателей из одного режима работы в другой осуществляется с помощью пяти основных и трех вспомогательных (перепускных) клапанов.
Блок воздухонагревателей работает в седующих технологических режимах: последовательном, попарно – параллельном, смешанном. При последовательном режиме на нагреве может быть использовано любое количество воздухонагревателей, но не менее двух. При этом на дутье всегда находится один, остальные на нагреве и отделении. Температура дутья поступающая в доменную печь, регулируется выбором соотношения количеств горячего дутья, выходящего из находящегося на дутье воздухонагревателя, и холодного дутья, поступающего по смесительному воздухопроводу. После остывания воздухонагревателя на дутье переводится очередной нагретый и только после этого остывший ставится на нагрев.
При попарно – параллельном режиме в течение всего дутьевого периода постоянно находятся два воздухонагревателя, циклы работы которых смешаны во времени. Температура дутья регулируется соотношением количеств дутья, поступающих от более и менее нагретых воздухонагревателей. В переходных режимах предусмотрена стабилизация температуры горячего дутья добавлением холодного.
При смешанном режиме в течении дутьевого периода на дутье в начале находятся два воздухонагревателя – только что переведенный в это положение очередной нагретый воздухонагреватель и остывающий, который продолжает находиться вместе с вновь поставленным некоторое заданное время. Способ стабилизации температуры аналогичен способу при попарно – параллельном режиме. По истечению заданного времени остывший воздухонагреватель переводится на нагрев, на дутье остается один воздухонагреватель и температура горячего дутья стабилизируется добавлением холодного. В данной исследовательской работе, будет использоваться воздухонагреватель с последовательным режимом работы, так как он более эффективен с точки зрения технологии производства [8].
В настоящее время перевод воздухонагревателей из режима нагрева в дутьевой и обратно осуществляется автоматически, что исключает ошибки персонала при выполнении операций в заданной последовательности, обеспечивает безопасность и сокращает время перехода воздухонагревателей из одного режима в другой, в результате чего повышается КПД всей системы нагрева дутья.
В первый момент после перевода из режима нагрева в режим дутья энтальпия насадки воздухонагревателя максимальна. Температуры купола и верха насадки также максимальны. По мере работы в дутьевом режиме насадка отдает тепло воздуху и ее температура уменьшается. Когда температура верхних рядов насадки станет равной заданной температуре дутья, следует перевести в режим дутья новый нагретый воздухонагреватель, а остывший перевести в режим нагрева. Перевод воздухонагревателей осуществляется по программе: 1 ч. в режиме дутья; 2 ч. В режиме нагрева.
На некоторых заводах перевод воздухонагревателей осуществляется не по времени, а по сигналу о полном закрытии смесительного клапана. При этом время переключения получается неопределенным, что затрудняет планирование распределения газа между воздухонагревателей всех доменных печей цеха. В режиме нагрева воздухонагреватель отапливается доменным газом. Газ поступает в камеру горения из специальной горелки, в которую мощным вентилятором нагнетается воздух. Расход газа регулируется поворотной заслонкой, установленной в газопроводе, расход воздуха – либо изменением положения заслонок направляющего аппарата на всасывании вентилятора, либо заслонками типа жалюзи на стороне нагнетания воздуха [2].
Система автоматического управления нагревом воздухонагревателей должна решать следующие задачи:
• в режиме нагрева обеспечивать накопления насадками воздухонагревателей такого количества тепла, которого было бы достаточно для нагрева, в режиме дутья получить заданное количество дутья с требуемой температурой.
• обеспечивать накопление указанного выше количества тепла в течении заданного времени при минимальных затратах топлива или за минимальное время при ограниченных по расходам топлива и воздуха.
• обеспечивать защиту купола, верха насадок и нижних строений воздухонагревателя от перегрева. Температура купола и верхних рядов насадок ограничивается стойкостью огнеупоров, а нижних строений – строительной прочностью элементов конструкций.
Схема существующей автоматической системы управления нагревом воздухонагревателя показана на рис.3. Газ для отопления 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 регулирований – 3.
1 – газопровод; 2 – стандартный комплект приборов для регистрации общего количества газа; 3 – система стабилизации давления газа; 4 – прибор для контроля расхода газа; 5 – регулятор расхода; 6 – исполнительный механизм; 7 – система стабилизации температуры купола; 8 – исполнительный механизм; 9 – лопасти вентилятора; 10 – заслонки жалюзи; 11 – воздушный тракт горелки; 12 – вторичный прибор; 13 – датчик контроля факела; 14 – дроссельный клапан подачи дутья в печь.
Расход газа на каждый воздухонагреватель контролируется стандартным комплектом приборов – 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 и на дроссельный клапан регулирования подачи горячего дутья в доменную печь – 14. Температура дыма измеряется термопарой и вторичным прибором – 12 [3].
В отличии от типовых схем стабилизации температуры, в которых регулирующим воздействием является изменение расхода топлива при постоянном коэффициенте расхода воздуха ?, в данной системе управление осуществляется путем изменения этого коэффициента.
Работа системы управления нагревом воздухонагревателя протекает следующим образом: из схемы автоматического перевода воздухонагревателя поступают сигналы на включение вентилятора и частичное открытие клапана на газопроводе горелки. Если в камере горения воздухонагревателя вспыхнет факел, то датчик – 13, дает разрешение на включение автоматического регулятора – 5, который поддерживает заданный расход газа. Расход воздуха в этот момент устанавливается с таким расчетом, чтобы коэффициент расхода воздуха ? был близок к единице. Температура купола воздухонагревателя начинает возрастать и в некоторый момент времени достигает максимально допустимого значения. С этого момента регулятор – 7 начинает увеличивать расход воздуха, открывая лопатки направляющего аппарата. При этом температура купола стабилизируется вследствие уменьшения температуры продуктов сгорания, а теплопередача от газов к насадке воздухонагревателя увеличивается, так как возрастает количество продуктов сгорания и увеличивается скорость их движения по каналам насадки [7].
По мере прогрева насадки возрастает температура дыма, уходящего из воздухонагревателя. Когда она достигает максимально допустимого значения, система контроля температуры дыма – 12 начинает корректировать задание регулятору расхода газа – 5, уменьшая задание так, чтобы температура дыма не превышала максимально допустимого значения. Расход воздуха при этом не изменяется, поэтому система коррекции действует весьма эффективно. Если при этом температура купола несколько снизится, то стабилизатор температуры сократит расход воздуха, что также уменьшит коэффициент расхода воздуха и, следовательно, повысит температуру верхней части воздухонагревателя.
Анализ работы системы управления нагревом воздухонагревателей показала, что из всей системы управления воздухонагревателем, недостаток имеет система стабилизации температуры купола – 7, состоящая из датчика температуры, вторичного прибора, регулятора и исполнительного механизма – 8, который воздействует на заслонки жалюзи – 10 на воздушном тракте горелки – 11 [4].
Для стабилизации температуры купола воздухонагревателя при нагреве в данной системе используется лопатки направляющего аппарата. Приоткрывая их на нужный угол увеличивается подача холодного воздуха, при этом двиготель вентилятора работает на полную мощность. Исходя из этого анализа, можно выделить ряд недостатков данной системы:
- большие потери электроэнергии за счет постоянной работы двигателя, не зависимо от угла поворота заслонки жалюзи (даже и при закрытом трубопроводе);
- износ двигателя за счет постоянной работы и преждевременный выход его из строя (материальные затраты на его восстановление);
- применение исполнительных механизмов для поворотов заслонок жалюзи, что снижает быстродействие и надежность системы управления.
На основании приведенных недостатков автоматической системы контроля температуры в предыдущем разделе, предлагается разработать новую систему автоматизации на базе существующей. Схема разрабатываемой системы контроля температуры купола воздухонагревателя приведена на рис. 4.
ТП – термопара типа ТПП (платинородный - платина) с диапазоном измерения от 0 до 1300 С;
ВП – вторичный прибор (измерительный мост);
УП – устройство преобразования (дифференциальный усилитель, преобразователь напряжение-ток);
Р – регулятор;
ЧП – частотный преобразователь (общепромышленный преобразователь фирмы «DANFOSS»).
Д – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором модели А2 – 91 на 40кВт (исполнительный механизм центробежного вентилятора Ц4 – 70 №12 со скоростью вращения 960 об./мин.).
В основе разрабатываемой системы лежит принцип регулирования подачи холодного воздуха в купол при перегреве воздухонагревателя за счет за счет управления частотой вращения короткозамкнутого асинхронного электродвигателя центробежного вентилятора. В зависимости от изменения температуры купола, регулятор будет вырабатывать необходимые сигналы управления двигателем для ее стабилизации. В такой установке плавное регулирование скорости вращения двигателя позволит отказаться от использования дросселей, задвижек, заслонок, исполнительных механизмов и другой регулирующей аппаратуры. Это значительно упрощает механическую систему, повышает ее надежность и снижает эксплуатационные затраты, а также затраты, связанные с приобретением регулирующей аппаратуры. При подключении через частотный регулятор, пуск двигателя происходит постепенно без пусковых токов и ударов, что снижает нагрузку на двигатель и механизмы, увеличивает продолжительность эксплуатации двигателя. Использование частотно-регулируемого электропривода разрешает получить экономия электроэнергии до 50%. Энергосбережение возникает при устранении непроизводственных затрат в регулирующих устройствах (решетки, жалюзи, дроссели, заслонки). Можно применять отечественные недорогие стандартные электродвигатели со скоростью вращения 950 об./мин. За счет введения частотного регулирования и встроенного ПИД – регулятора, имеем возможность достичь необходимых оборотов при неизменном усилии на валу, который дает, в свою очередь, постепенное регулирование скорости вращения вентилятора и точное соблюдение температуры дутья [5].
При регулировании скорости электропривода, частота и напряжение на выходе преобразователя частоты изменяется в соответствии с изменением температуры купола воздухонагревателя. Изменяя частоту, можно в широких пределах, регулировать частоту вращения ротора двигателя. При этом скольжение асинхронного двигателя в процессе регулирования, при заданном значении нагрузки, изменяется незначительно, а следовательно потери в цепи ротора пропорциональны скольжению, также изменяются незначительно, что обеспечивает повышение энергосбережения [6].
В ходе исследования тепловых процессов воздухонагревателей доменной печи была раскрыта актуальность выбранной темы, проведен анализ технологического процесса нагрева дутья в воздухонагревателях доменной печи, приведены примеры существующих технических решений а также собственные результаты по разработке средства контроля температуры для усовершенствования системы автоматического управления. Предложенная система соответствует техническим, метрологическим, динамическим и эксплуатационным требованиям, предъявляемых к данному объекту и может применяться в качестве динамического звена системы автоматического управления с дальнейшим использованием измерительной информации для регулирования работы воздухонагревателей доменной печи. Данная система осуществляет контроль за нагревом купола воздухонагревателя в нужном диапазоне регулируя температуру дутья автоматически.
Основными преимуществами разработанной системы являются:
- не высокая стоимость системы автоматизации;
- возможность гибкой настройки устройства на определенные условия срабатывания;
- высокая надежность и точность системы;
- высокое быстродействие и инерционность прибора;
- высокая экономичность (экономия электроэнергии до 50%);
- увеличения продолжительности работы двигателя вентилятора;
- легкая интеграция в АСУ ТП предприятия;
- простой и быстрый запуск электродвигателя;
- низкий уровень шума;
- сохранение целостности трубопровода за счет применения частотно-регулируемого электропривода.
При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.