Автоматизация доменного процесса. АСК давления природного газа. Расчет измерительной схемы автоматического потенциометра (0–700˚С)

На рисунке 2 приведена экспериментальная кривая разгона по каналу изменение содержания кремния в чугуне на выпуске из печи – изменение расхода кокса в подачу. Параметры аппроксимирующихся звеньев для этой печи объемом 2700 м³ составляют: τ = 4 ч; Т = 5,3 ч. Общее время переходного процесса 12–13 ч. Естественно, что управление режимом нагрева печи является более сложной задачей, чем стабилизация параметров горячего дутья.

Выше уже указывалось, что случайный характер явлений, протекающих в рабочем пространстве доменной печи, и нестационарность процесса затрудняют определение статических  и динамических характеристик объекта, поэтому в последние годы получили распространение статистические методы исследования процесса по данным, полученным в ходе нормальной эксплуатации печи.

Применение статистических методов исследования стало возможным  вследствие широкого применения электронных  цифровых вычислительных машин (ЭВМ), так как эти методы требуют большой вычислительной работы.

 

Таблица 1 – динамические характеристики доменной печи

Выходная величина	Входная величина	Параметры динамических Звеньев
		τ	Т	κ
Температура горячего дутья (термопара  в стальном чехле)	Положение смесительного клапана	20 с	80 с
Влажность дутья (психрометрический датчик влажности)	Расход пара на увлажнение дутья	45 с	135 с
Давление колошникового газа (сильфонный, компенсационный манометр)	Положение регулирующей заслонки на дроссельной группе	3 с	32 с
Перепады давления по высоте шахты  печи:	Расход дутья
а) верхний перепад		2 с	48 с
б) нижний перепад (сильфонный дифманометр)		2 с	39 с
Расход дутья через фурму (сильфонный дифманометр)	Положение дроссельной заслонки в фурменном рукаве	0,26 с	1 с
Температура купола воздухонагревателя (термопара в стальном чехле)	Коэффициент расхода воздуха	18с	88 с
Содержание кремния в чугуне на выпусках (доменная печь объемом 1518 м3)	Температура горячего дутья	1 ч	5 ч
То же	Влажность дутья	1,5 ч	5 ч
То же	Рудная нагрузка на кокс	4,5 ч	6 ч

 

Динамические свойства объектов в известной мере отражаются автокорреляционными и взаимокорреляционными  функциями различных параметров процесса. На рисунке 3, а и б показаны авто – корреляционные функции. Время затухания этих функций составляет в среднем около 400 мин.

На рисунке 3, в приведена взаимокорреляционная функция, показывающая связь между рудной нагрузкой на кокс (Р/К) и содержанием кремния в чугуне (Si) на выпусках из доменной печи. Коэффициент взаимной корреляции достаточно высок (максимальное r = 0,7), а сдвиг максимума функции относительно начала координат характеризует инерционность системы по этому каналу. Этот сдвиг составляет примерно 10 ч, что хорошо согласуется с экспериментальными данными, приведенными выше. Из сказанного следует, что статические и динамические характеристики доменного процесса могут быть получены известными аналитическими – балансовыми расчетами, составлением дифференциальных уравнений, экспериментальными методами нанесения пробных возмущений или статистическими исследованиями. Инерционность объекта по отдельным каналам существенно различается. В большинстве случаев связи между параметрами процесса нелинейны, поэтому характеристики процесса зависят от конкретной производственной ситуации.

 

Рисунок 3 – автокорреляционные и взаимокорреляционные функции:

а – общий перепад давления; б – скорость схода шихтовых материалов; в-рудная нагрузка на кокс – содержание кремния в чугуне на выпусках

 

1.3 Автоматический контроль основных параметров доменного процесса

 

Контрольно-измерительная  аппаратура, установленная на доменных печах, позволяет получить доступную  для измерения рабочую информацию о технологическом процессе, а  также о состоянии печи и вспомогательного оборудования. Кроме того, она должна обеспечить безопасность работы всех агрегатов, составляющих комплекс доменного производства.

 

Рисунок 4 – принципиальная схема автоматического контроля параметров доменного процесса: Т – турбовоздуходувная машина; В-воздухонагреватели; Ш – шихтоподача; 3 – загрузка печи; ГО – газоочистка; Д – дроссельная группа, Ч – чугун; Шл – шлак на выпусках

 

На рисунке 4 представлена схема контроля параметров доменного производства.

Контролируемыми параметрами являются:

I. Химический состав и физические свойства шихтовых материалов: рудно-флюсовой части 1, кокса 2.

Эта информация поступает периодически и сравнительно редко (один раз в  смену или в сутки). Она используется для коррекции шихтовки доменной плавки. Разрабатываются методы автоматического отбора представительной пробы материалов и средства для экспресс-анализа состава материалов, в частности квантометры, рентгеновские спектрометры и др. Более частый контроль состава шихты позволит корректировать шихтовку по ходу доменной плавки, что существенно уменьшит возмущения процесса по этому каналу.

 

II. Загрузка шихтовых материалов.

Сюда входят: рудная 3 и коксовая 4 подачи, количество подач 5, порядок загружаемых материалов 6, работа конусов 7, уровень засыпи и скорость схода шихты 8, положение вращающегося распределителя шихты (ВРШ) 9, распределение материалов в печи 10. 

III. Состояние верхней зоны печи (колошника).

Здесь контролируются: давление 11 и температура 12 в газоотводах, давление колошникового газа 13, расход 14 и давление 15 пара, подаваемого в печь, давление в междуконусном пространстве 16, температуры по окружности 17 и по диаметру 18 колошника, содержание СО 19, СО₂ 20 и Н₂ 21 в колошниковом газе и по диаметру колошника 22 (проводится периодически).

IV. Состояние шахты печи.

На нескольких горизонтах шахты по окружности в кладку вмонтированы термопары, контролирующие температуру  по окружности шахты на данном горизонте 23. Измеряются расход 24 и давление 25 охлаждающей воды на различных горизонтах шахты. В средней части шахты встраивается отборное устройство 26, позволяющее измерять перепады статического давления между кольцевым воздухопроводом 27 и серединой шахты АР_Н (нижний перепад) и между серединой шахты 26 и колошником 13 (верхний перепад). Измеряется также общий перепад давления по шахте печи от кольцевого воздухопровода 27 до колошника 13. Измерение перепадов статического давления позволяет судить о гидравлическом сопротивлении столба шихтовых материалов на различных участках шахты печи.

V. Параметры комбинированного дутья.

Количество 28, давление 29 и температура 30 холодного дутья, количество 31 и давление 32 природного газа, количество 33 и давление 34 кислорода, содержание кислорода в дутье 35, влажность дутья 36, температура дутья 37, распределение дутья 53 и природного газа по фурмам доменной печи 39.

VI. Состояние нижней зоны печи (горн).

Измеряются температуры в фурменной  зоне 40, температуры лещади 41 и фундамента печи 42 на нескольких – уровнях. Контролируются на выпусках температура чугуна 43 и шлака 44. Содержание кремния, серы и марганца в чугуне 45, основность шлака 46.

Продукты плавки исследуются  периодически (на выпусках) и сведения об их составе получаются с опозданием. Внедрение современных методов  экспресс-анализа позволит ускорить получение этой важной информации.

VII. Технико-экономические показатели плавки.

Производительность печи, расход углерода на тонну чугуна, к. и. п. о., себестоимость  продукции оцениваются по результатам  работы доменной печи за сутки.

VIII. Тепловое состояние воздухонагревателей (рисунок 5). – Здесь контролируются общее количество 1 и давление 2 газа, расходуемого на обогрев воздухонагревателя; расход газа на обогрев каждого воздухонагревателя 3; температуры купола 4 и продуктов сгорания 5, покидающих воздухонагреватель, разрежение перед дымовым шабером 6. На различных участках дымового и воздушного трактов устанавливают сигнализаторы перепада давления 7, обеспечивающие безопасность перевода воздухонагревателя с режима обогрева на режим «дутья».

 

Рисунок 5 – Принципиальная схема автоматического контроля работы воздухонагревателей

 

При автоматическом переводе воздухонагревателей  предусматривается установка прибора, контролирующего зажигание факела газа 8.

Кроме указанных систем контроля, на доменной печи устанавливают еще целый ряд сигнализаторов и блокирующих устройств в системе загрузки печи, периодически определяют массу колошниковой пыли, вынесенной из печи, и ряд других параметров.

Система контроля основных параметров доменного процесса представляет сложный комплекс датчиков, преобразователей и вторичных приборов. Количество щитов, пультов и стендов, на которых размещается эта аппаратура, непрерывно растет. Информация становится трудно обозримой и персонал, обслуживающий печь, не в состоянии полностью использовать ее для оперативного управления процессом.

В настоящее время  на мощных доменных печах устанавливают  системы централизованного контроля (СЦК), а показатели основных параметров процесса, кроме регистрации на бланках  и перфокартах, выносятся также на мнемонические схемы в виде цифровой индикации, причем индикаторы расположены в точках мнемосхемы, соответствующих положению датчика на объекте. Примечание СЦК и мнемосхем дает возможность более рационально использовать всю информацию, поступающую от системы контроля доменного процесса, и выдавать ее в форме, удобной для ввода в управляющие вычислительные машины. В системе СЦК может быть предусмотрена предварительная обработка данных: сглаживание, усреднение, расчет комплексных показателей, что облегчает анализ информации.

Интересующий нас параметр – давление природного газа, поступающего по фурмам в печь в качестве восстановителя, контролируется АСК давления природного газа (позиция 32, рисунок 4).

 

2. Использование природного газа в доменных печах

 

Применение природного газа в сочетании с кислородом позволяет получить экономию кокса и в то же время сохранить нормальные газодинамические условия работы печи. При этом увеличение выхода газа на единицу массы сгоревшего у фурм кокса, обусловленное подачей в печь природного газа, компенсируется уменьшением выхода газа вследствие использования кислорода.

Кислород поступает  в воздухопровод до воздухонагревателей  и поэтому нагревается в них до температуры горячего дутья. Природный газ вдувается в печь в холодном виде (t = 20–30° С), что приводит к дополнительному охлаждению горна. Кроме того, тепло затрачивается на диссоциацию природного газа. Поэтому применение природного газа вызывает необходимость повышения температуры горячего дутья.

Применение природного газа ограничивается максимально возможным нагревом дутья и количеством кислорода, которое используется на данной печи.

Принципиальная схема  автоматического регулирования  расхода и распределения природного газа по фурмам печи приведена на рисунке 6.

 

Рисунок 6 – принципиальная схема регулирования расхода и распределения природного газа по фурмам доменной печи

 

Воздух и кислород из турбовоздуходувкой машины Т по трубопроводу холодного дутья через измерительную диафрагму поступают в воздухонагреватель В, а частично непосредственно в смесительный трубопровод С. Расход холодного дутья измеряется дроссельным органом 1, датчиком 2, а концентрация кислорода в дутье газоанализатором 13, Природный газ по трубопроводу через измерительную диафрагму и регулирующий орган подается в кольцевой коллектор (на схеме показан в развернутом виде). От кольцевого коллектора отходят линии, через которые природный газ, проходя измерительные диафрагмы и регулирующие клапаны, попадает в фурмы Ф₁, Ф₂,…, Ф_п. Общий расход природного газа измеряется диафрагмой 3 и датчиком 4.

Автоматическое регулирование  расхода природного газа осуществляется с помощью регулятора соотношения 5 с задатчиком 6. Этот регулятор поддерживает заданное соотношение между расходом холодного дутья и природного газа с учетом концентрации кислорода в дутье. Управляющий сигнал от регулятора 5 поступает на исполнительный механизм 7 при регулирующем клапане. Расход природного газа через каждую фурму измеряется датчиками 8.

Автоматическое распределение  природного газа осуществляется системой обегающего контроля, которая состоит из коммутатора 9 и регулятора 10, воздействующего на исполнительные механизмы 11 при клапанах на фурмах. Предусматривается возможность перехода на ручное управление 12, при котором исполнительные механизмы управляются кнопками. На некоторых заводах распределение природного газа по фурмам осуществляется только дистанционно.

При этом датчики через  коммутатор 9 поочередно подключаются к контрольному прибору 14, а исполнительные механизмы 11 управляются дистанционно. Такое управление распределением природного газа дает достаточно удовлетворительные результаты, потому что давление в линии природного газа значительно превышает сопротивление столба шихтовых материалов и колебание сопротивления шихты практически не сказывается на расходе природного газа через фурмы печи.

Разрабатываются системы  автоматического управления распределением природного газа и кислорода по фурмам печи с учетом распределения температуры в окислительных зонах по периферии горна. В этих схемах используются пирометры излучения (фотоэлектрические, спектральные, радиационные), измеряющие излучение в нескольких точках по окружности горна. Если в какой-либо зоне излучение меньше или больше, чем в других, то система автоматически корректирует задание регуляторам расхода природного газа и кислорода таким образом, чтобы устранить возникшую неравномерность температур на периферии горна.