Сучасні автоматизовані системи управління технологічними процесами вимагають значної кількості різноманітності засобів вимірювань, що забезпечують вироблення сигналів вимірювальної інформації у формі, зручній для дистанційної передачі, збору та подальшого перетворення, обробки і представлення її. Система автоматичного контролю основних параметрів доменного процесу являє собою складний комплекс датчиків, перетворювачів і вторинних приладів.
Введення автоматичних методів ведення технологічних процесів підвищує вимоги, які пред'являються до точності вимірювання окремих параметрів цих процесів. Наявність різноманітних засобів вимірів вимагає правильного їхнього вибору для визначених цілей.
Широке використання ЕОМ для вирішення інформаційних задач АСУ ТП і для розрахунку техніко-економічних показників роботи устаткування визначає застосування таких методів і засобів вимірювань, які в певних умовах експлуатації забезпечували б задану точність і дозволяли забезпечувати технологічний персонал оперативною інформацією та реалізовувати математичні моделі управління доменною піччю.
Температура - найважливіший параметр технологічних процесів металургійної промисловості. Тому якість температурного контролю часто зумовлює успіх процесу виробництва. У зв'язку з цим найважливішими завданнями є розробка надійних методів контролю температури, створення систем автоматичного контролю, стабільності і швидкодії. В даний час система автоматичного управління нагрівом дуття, розроблена фірмою «Сіменс», забезпечує отримання інформації про роботу повітронагрівачів та управління тепловою роботою блоку в оптимальному режимі. Інформація про результати вимірювань і регулювання всіх необхідних параметрів, пов'язаних з роботою повітронагрівачів, система отримує від підсистем TELEPERM.M.
На теперішньому етапі розвитку доменного виробництва його автоматизація необхідна внаслідок величезної продуктивності доменних печей і постійного ускладнення як технологічного процесу виплавки чавуну, так і устаткування доменних печей. З розвитком технологічного процесу збільшуються вимоги до функціональності АСУТП. Для забезпечення якісного управління необхідно не тільки модернізація обладнання автоматизації, але введення нового ефективного математичного забезпечення. Доменний процес характеризується різноманіттям і складністю явищ газодинаміки, руху шихти, теплообміну, відновлення, фазових переходів і т.д. Дослідження цих явищ в доменній печі з метою виявлення резервів ефективності її роботи - зниження витрати коксу і підвищення продуктивності - пов'язане з великими фінансовими, технологічними і технічними труднощами. Тому застосування автоматизації при розробці систем контролю та управління доменним процесом має велике значення.
Доменна піч самий великий і складний плавильний агрегат, який працює без перерви протягом п'яти або семи років. У піч безперервно завантажуються залізорудні матеріали і кокс, подають повітря (дуття), а з печі відводять доменний газ. Тепло, що виділяється в результаті горіння палива, витрачається на нагрівання і розплавлення матеріалів шихти і на освіту чавуну і шлаків. Доменний процес являє собою сукупність механічних, фізичних і фізико-хімічних явищ, які протікають в працюючій доменній печі. Шихтові матеріали, які завантажують у доменну піч - кокс, залізовмісні компоненти і флюс - в результаті протікання доменного процесу перетворюються на чавун, шлаки і доменний газ. Повна схема всієї доменної печі дуже складна і об'ємна рис.1. Сучасна доменна піч безперервно споживає 4000 - 4500 м3/хв дуття, нагрітого до температури 1100 - 1200С [1].
Досягнення високої температури дуття здійснюється в повітронагрівачах, які представляють собою регенеративні пристрої періодичної дії. Звичайні його габарити: висота 40 - 50м, діаметр 9 - 10м. Сучасний вигляд повітронагрівача показаний на рис.2.
Для того, щоб забезпечити безперервний нагрів дуття, доменну піч оснащують трьома або чотирма повітронагрівачами, що працюють по черзі в режимах акумуляції тепла насадками регенераторів (режим нагрівання) або нагріву дуття (дутьевой режим). Переклад повітронагрівачів з одного режиму роботи до іншого здійснюється за допомогою п'яти основних і трьох допоміжних (перепускних) клапанів.
Блок повітронагрівачів працює в слідуючих технологічних режимах: послідовному, попарно - паралельному, змішаному. При послідовному режимі на нагріванні може бути використано будь-яку кількість повітронагрівачів, але не менше двох. При цьому на дуття завжди знаходиться один, інші на нагріванні та відділенні. Температура дуття надходить в доменну піч, регулюється вибором співвідношення кількостей гарячого дуття, що виходить з повітронагрівача, який знаходиться на дутті, і холодного дуття, що поступає по змішувальному воздухопроводу. Після охолодження повітронагрівача на дуття перекладається черговий нагрітий і тільки після цього остиглий ставиться на нагрів.
При попарно - паралельному режимі протягом всього дуттєвого періоду постійно знаходяться два повітронагрівача, цикли роботи яких змішані в часі. Температура дуття регулюється співвідношенням кількостей дуття, що надходять від більш і менш нагрітих повітронагрівачів. У перехідних режимах передбачена стабілізація температури горячого дуття додаванням холодного.
При змішаному режимі протягом дуттєвого періоду на дутті на початку знаходяться два повітронагрівача. Спосіб стабілізації температури аналогічний способу при попарно - паралельному режимі. По закінченню заданого часу остиглий повітронагрівач перекладається на нагрів, на дутті залишається один повітронагрівач і температура гарячого дуття стабілізується додаванням холодного. У даній дослідницькій роботі, буде використовуватися повітронагрівач з послідовним режимом роботи, так як він більш ефективний з точки зору технології виробництва [8].
В даний час перевід повітронагрівачів з режиму нагріву в режим дуття і назад здійснюється автоматично, що виключає помилки персоналу при виконанні операцій в заданій послідовності, забезпечує безпеку і скорочує час переходу повітронагрівачів з одного режиму в інший, в результаті чого підвищується ККД всієї системи нагрівання дуття.
У перший момент після переведення з режиму нагріву в режим дуття ентальпія насадки вповітронагрівача максимальна. Температури купола і верха насадок також максимальні. Коли температура верхніх рядів насадки стане рівною заданій температурі дуття, слід перевести в режим дуття новий нагрітий повітронагрівач, а остиглий перевести в режим нагрівання. Перевід повітронагрівачів здійснюється за програмою: 1 ч. в режимі дуття; 2 ч. В режимі нагріву.
На деяких заводах переклад повітронагрівачів здійснюється не за часом, а по сигналу про повне закриття змішувального клапана. При цьому час перемикання виходить невизначеним, що ускладнює планування розподілу газу між повітронагрівачами всіх доменних печей цеху. В режимі нагріву повітронагрівач опалюється доменним газом. Газ надходить у камеру згорання зі спеціального пальника, в яку потужним вентилятором нагнітається повітря. Витрата газу регулюється поворотною заслінкою, встановленою в газопроводі, витрата повітря - або зміною положення заслонок направляючого апарату на всмоктуванні вентилятора, або заслонками типу жалюзі на боці нагнітання повітря [2].
Система автоматичного управління нагрівом повітронагрівачів повинна вирішувати такі завдання:
• в режимі нагріву забезпечувати накопичення насадками повітронагрівачів такої кількості тепла, якого було б достатньо для нагрівання дуття з необхідною температурою.
• забезпечувати накопичення зазначеної вище кількості тепла протягом заданого часу при мінімальних витратах палива.
• забезпечувати захист купола, верхів насадок і нижніх будов повітронагрівачів від перегріву. Температура купола і верхніх рядів насадок обмежується стійкістю вогнетривів, а нижніх будов - будівельною міцністю елементів конструкцій.
Схема існуючої автоматичної системи управління нагрівом повітронагрівачів показана на рис.3. Газ для опалення повітронагрівачів доменної печі надходить в газопровід - 1, в якому встановлена ??вимірювальна діафрагма. Стандартний комплект приладів - 2 забезпечує реєстрацію загальної кількості газу, що витрачається на нагрівання всіх повітронагрівачів даної доменної печі. Тиск газу стабілізується локальної типової системою регулювань - 3.
1 - газопровід; 2 - стандартний комплект приладів для реєстрації загальної кількості газу, 3 - система стабілізації тиску газу; 4 - прилад для контролю витрати газу; 5 - регулятор витрати; 6 - виконавчий механізм; 7 - система стабілізації температури куполу; 8 - виконавчий механізм; 9 - лопатки вентилятора; 10 - заслонки жалюзі; 11 - повітряний тракт пальника; 12 - вторинний прилад, 13 - датчик контролю факела; 14 - дросельний клапан подачі дуття в піч.
Витрата газу на кожен повітронагрівач контролюється стандартним комплектом приладів - 4 і підтримується на заданому рівні регулятором витрати - 5, який управляє виконавчим механізмом - 6 за регулюючий заслонці, встановленої на підводі газу до пальника. Температура купола стабілізується системою - 7, що складається з датчика температури, вторинного приладу, регулятора і виконавчого механізму - 8, який впливає на заслонки жалюзі - 10 на повітряному тракті пальника - 11 і на дросельний клапан регулювання подачі гарячого дуття в доменну піч - 14. Температура диму вимірюється термопарою і вторинним приладом - 12 [3].
На відміну від типових схем стабілізації температури, в яких регулюючим впливом є зміна витрати палива при постійному коефіцієнті витрати повітря, в даній системі управління здійснюється шляхом зміни цього коефіцієнта.
Робота системи управління нагрівом повітронагрівача протікає в такий спосіб: зі схеми автоматичного перекладу повітронагрівачів надходять сигнали на включення вентилятора і часткове відкриття клапана на газопроводі пальника. Якщо в камері горіння повітронагрівача спалахне факел, то датчик - 13, дає дозвіл на включення автоматичного регулятора - 5, який підтримує задану витрату газу. Витрата повітря в цей момент встановлюється з таким розрахунком, щоб коефіцієнт витрати повітря був близький до одиниці. Температура купола повітронагрівача починає зростати і в деякий момент часу досягає максимально допустимого значення. З цього моменту регулятор - 7 починає збільшувати витрати повітря, відкриваючи лопатки направляючого апарату. При цьому температура купола стабілізується внаслідок зменшення температури продуктів згоряння, а теплопередача від газів до насадки повітронагрівача збільшується, тому що зростає кількість продуктів згоряння і збільшується швидкість їх руху по каналах насадки [7].
У міру прогріву насадки зростає температура диму, що минає з повітронагрівача. Коли вона досягає максимально допустимого значення, система контролю температури диму - 12 починає коригувати завдання регулятору витрати газу - 5, зменшуючи завдання так, щоб температура диму не перевищувала максимально допустимого значення. Витрата повітря при цьому не змінюється, тому система корекції діє дуже ефективно. Якщо при цьому температура купола дещо знизиться, то стабілізатор температури скоротить витрату повітря, що також зменшить коефіцієнт витрати повітря і, отже, підвищить температуру верхньої частини повітронагрівача.
Аналіз роботи системи управління нагрівом повітронагрівачів показала, що з усієї системи управління повітронагрівачем, недоліки має система стабілізації температури купола - 7, що складається з датчика температури, вторинного приладу, регулятора і виконавчого механізму - 8, який впливає на заслонки жалюзі - 10 на повітряному тракті пальника - 11 [4].
Для стабілізації температури купола повітронагрівача при нагріванні в даній системі використовується лопатки направляючого апарату. Відкриваючи їх на потрібний кут збільшується подача холодного повітря, при цьому двигун вентилятора працює на повну потужність. Виходячи з цього аналізу, можна виділити ряд недоліків даної системи:
- великі втрати електроенергії за рахунок постійної роботи двигуна, не залежно від кута повороту заслонки жалюзі (навіть і при закритому трубопроводі);
- зношення двигуна за рахунок постійної роботи і передчасний вихід його з ладу (матеріальні витрати на його відновлення);
- застосування виконавчих механізмів для поворотів заслінок жалюзі, що знижує швидкодію і надійність системи управління.
На підставі наведених недоліків автоматичної системи контролю температури в попередньому розділі, пропонується розробити нову систему автоматизації на базі існуючої. Схема розробляємої системи контролю температури купола повітронагрівача наведена на рис. 4.
ТП - термопара типу ТПП (платінородний - платина) з діапазоном вимірювання від 0 до 1300 С;
ВП - вторинний прилад (вимірювальний міст);
УП - пристрій перетворення (диференційний підсилювач, перетворювач напруга-струм);
Р - регулятор;
ЧП - частотний перетворювач (загальнопромисловий перетворювач фірми «DANFOSS»).
Д - асинхронний двигун з короткозамкненим ротором моделі А2 - 91 на 40кВт (виконавчий механізм відцентрового вентилятора Ц4 - 70 № 12 зі швидкістю обертання 960 об. / хв.).
В основі розробляємої системи лежить принцип регулювання подачі холодного повітря в купол при перегріві повітронагрівача за рахунок управління частотою обертання короткозамкнутого асинхронного електродвигуна відцентрового вентилятора. У залежності від зміни температури купола, регулятор буде виробляти необхідні сигнали управління двигуном для її стабілізації. У такій установці плавне регулювання швидкості обертання двигуна дозволить відмовитися від використання дроселів, засувок, заслонок, виконавчих механізмів та іншої регулюючої апаратури. Це значно спрощує механічну систему, підвищує її надійність і знижує експлуатаційні витрати, а також витрати, пов'язані з придбанням регулюючої апаратури. При підключенні через частотний регулятор, пуск двигуна відбувається поступово без пускових струмів і ударів, що знижує навантаження на двигун і механізми, збільшує тривалість експлуатації двигуна. Використання частотно-регульованого електропривода дозволяє отримати економію електроенергії до 50%. Енергозбереження виникає при усуненні невиробничих витрат у регулюючих пристроях (решітки, жалюзі, дроселі, заслонки). Можна застосовувати вітчизняні недорогі стандартні електродвигуни зі швидкістю обертання 950 об./ хв. За рахунок введення частотного регулювання та вбудованого ПІД - регулятора, маємо можливість досягти необхідних обертів при незмінному зусиллі на валу, який дає, у свою чергу, поступове регулювання швидкості обертання вентилятора і точне дотримання температури дуття [5].
При регулюванні швидкості електропривода, частота і напруга на виході перетворювача частоти змінюється відповідно до зміни температури купола повітронагрівача. Змінюючи частоту, можна в широких межах, регулювати частоту обертання ротора двигуна. При цьому ковзання асинхронного двигуна в процесі регулювання, при заданому значенні навантаження, змінюється незначно, а отже втрати в ланцюзі ротора пропорційні ковзанню, також змінюються незначно, що забезпечує підвищення енергозбереження [6].
У ході дослідження теплових процесів повітронагрівачів доменної печі була розкрита актуальність обраної теми, проведено аналіз технологічного процесу нагрівання дуття в повітронагрівачах доменної печі, наведені приклади існуючих технічних рішень а також власні результати з розробки засобу контролю температури для удосконалення системи автоматичного управління. Запропонована система відповідає технічним, метрологічним, динамічним та експлуатаційним вимогам, що пред'являються до даного об'єкту і може застосовуватися в якості динамічної ланки системи автоматичного управління з подальшим використанням вимірювальної інформації для регулювання роботи повітронагрівачів доменної печі. Дана система здійснює контроль за нагріванням купола повітронагрівача в потрібному діапазоні регулюючи температуру дуття автоматично.
Основними перевагами розробленої системи є:
- не висока вартість системи автоматизації;
- можливість гнучкого налаштування пристрою на певні умови спрацьовування;
- висока надійність і точність системи;
- висока швидкодія і інерційність приладу;
- висока економічність (економія електроенергії до 50%);
- збільшення тривалості роботи двигуна вентилятора;
- легка інтеграція в АСУ ТП підприємства;
- простий і швидкий запуск електродвигуна;
- низький рівень шуму;
- збереження цілісності трубопроводу за рахунок застосування частотно-регульованого електроприводу.
При написанні данного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2011 р. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.