Разработать систему управления расходом природного газа по фурмам доменной печи

Загруженные материалы попадают в колошниковое пространство доменной печи. Постепенно опускаясь в результате выгорания топлива и образования  чугуна и шлака, материалы последовательно  проходят через шахту, распар и заплечики  печи, где происходит их тепловая и  химическая обработка.

Снизу в доменную печь воздуходувными машинами подается дутье. Подготовка дутья  к вводу в рабочее пространства заключается в сжатии его до нужного  давления (0,4 МПа), нагреве до температуры 1 300 °С, обогащении кислородом и увлажнении паром. Обычно в доменных печах применяется комбинированное дутье, включающее подачу природного газа.

За счет кислорода, содержащегося  в дутье, в окислительной зоне вблизи фурм происходит горение кокса  и образуется оксид углерода, восстанавливающий  на своем пути вверх железо из его  оксидов по схеме:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂,

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂,     (1)

FeO + CO = Fe + CO₂.

По, примерно, такой же схеме (но с образованием железа и водяного пара) происходит восстановление железа водородом, содержащимся в печных газах  и являющимся продуктом диссоциации  влаги шихты и кокса или  водяного пара, вдуваемого в печь. Восстановление, продуктом которого является CO₂ или H₂O, а в качестве восстановителя используется газ CO и H₂ называют косвенным.

Кроме косвенного, в рабочем  пространстве печи протекает прямое восстановление железа за счет углерода кокса с образованием железа и  оксида углерода. Так как прямое восстановление протекает с поглощением  тепла, то его область простирается до внешней границы окислительных  околофурменных зон до горизонта с температурой 900–950 °С. Выше области прямого восстановления (вплоть до колошника) газ попадает в область, где проходят реакции косвенного восстановления. По мере подъема газового потока вверх изменяются его температура и состав. Максимальная температура наблюдается в горне печи у фурм, где идет горение топлива. Содержание СО в газовом потоке внизу печи велико, СО₂ практически нет; выйдя из области высоких температур, газы обогащаются СО₂, а содержание СО понижается при неизменной сумме СО + СО₂. Таким образом, по составу газа, находящегося в печи, можно судить о характере восстановительных процессов в доменной печи. Чтобы печь работала экономично, необходимо определенное сочетание процессов прямого и косвенного восстановления, которое зависит от распределения температур в печи. Зная состав колошникового газа, допустимые перепады давления по высоте печи, а также характер газораспределения по сечению печи можно определять необходимое количество дутья, либо изменять в необходимую сторону расходы кислорода, природного газа или пара, добавляемых в дутье и, тем самым влиять на характер восстановительных реакций.

В самом нижнем пространстве печи (горне) скапливаются полученные чугун и шлак. Так как удельные веса чугуна и шлака различны, то они располагаются двумя несмешивающимися слоями. В огнеупорной кладке горна  предусмотрены отверстия летки, расположенные на разных уровнях. Эти  отверстия периодически открывают  для выпуска образовавшихся чугуна и шлака. Чугун и шлак из соответствующих леток по желобам поступают в ковши и затем транспортируются к месту использования.

Конечной целью доменной плавки является получение из железных руд пригодного для дальнейшего  использования чугуна. В доменной печи могут быть выплавлены чугуны различных видов: передельный, который затем перерабатывают в сталь; литейный, используемый для различных отливок; специальный (ферросилиций, ферромарганец и др.).

Одним из важных параметров, которые контролируются при управлении плавкой в доменной печи это расход топлива (кокса и природного газа). Природный газ подается в фурмы  доменной печи, перемешиваясь при  этом с горячим дутьем (воздухом). Процесс сжигания топлива построен по принципу пропорционирования расходов природного газа и горячего воздуха(дутья) и осуществляется путем целенаправленного изменения расхода природного газа при изменении расхода воздуха. В основу такой системы положено определение и поддержание заданного значение коэффициента расхода воздуха:

α_в=,       (2)

 

где, действительное значение расхода воздуха, м³/ч; теоретическое значение расхода воздуха, требуемое для полного сжигания топлива, м³/ч; расход топлива, м³/ч; Lo – коэффициент, численно равный количеству воздуха, которое необходимо для полного сжигания единицы топлива, м³/ м³;

Система управления сжиганием  топлива обеспечивает выполнение следующего условия:

_;      (3)

Коэффициент расхода является параметром коррекции значения .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Структурная схема контура  регулировании

 

Структурная схема управлением природным  газом в фурмах доменной печи представлена на рисунке 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – Структурная  схема контура регулирования

 

Измерение расхода природного газа и дутья производится преобразователями разности Метран-100-ДД, которые преобразуют пневматические сигналы пропорциональные разности давления газа и воздуха в электрические сигналы, которые подаются на вторичные приборы(для визуального контроля и регистрации) и в контроллер, который осуществляет расчет текущего коэффициента расхода воздуха - α_в= и сравнивает его с заданным. На основании этого сравнения формируется управляющее воздействие для исполнительного механизма. Управляющий сигнал контроллера усиливается реверсивным бесконтактным пускателем.

Предусмотрено ручное управление расходом воздуха через блок ручного  управления.

 

3 Функциональная схема автоматизации  контура управления

 

Схема автоматизации контура  управления сжиганием топлива приведена  на рисунке 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – Функциональная схема автоматизации контура  управления сжиганием топлива

 

Таблица 1 – Спецификация применяемого оборудования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Электрическая схема контура управления сжиганием топлива

 

Электрическая схема контура  управления сжиганием топлива в  доменной печи изображена на рисунке 4.

Измерение перепада давления на газо – и воздухопроводах осуществляется измерительными преобразователями типа Метран-100-ДД, которые конвертируют пневматические сигналы перепада давления в электрические сигналы 0..5 мА. Питание преобразователей Метран (напряжением 36В) осуществляют блоки БП-36. С выходов преобразователей Метран электрические сигналы 0..5 мА пропорциональные текущим расходам газа и воздуха поступают на вторичные приборы ДИСК 250-1251 и клеммно-блочный соединитель КБС – 23.

На клеммно-блочный соединитель также приходит сигнал 0..5 мА от ручного задатчика РЗД-22, служащего для задания требуемого коэффициента расхода воздуха. В КБС-23 на входные каналы установлены нормирующие резисторы для преобразований стандартных сигналов в сигналы 0..2 В, которые поступают на вход УСО группы А блока контроллера.

Питание блоков БПК. показывающих приборов ДИСК 250 и ручного задатчика РЗД осуществляется от сети переменного тока (220В, 50 Гц).

Блок контроллера БК-21 запитывается по межблочному соединителю от блока питания БП-21.

Управляющий сигнал с контроллера  поступает на блок ручного управления БРУ-32, который осуществляет индикацию положения выходного вала исполнительного механизма и позволяет выбирать автоматический или ручной режимы управления.

Далее управляющий сигнал поступает на входы реверсивного бесконтактного пускателя ПБР-2М для усиления сигнала управляющего исполнительным механизмом. Питание ПБР-2М осуществляется от сети переменного тока (220В, 50 Гц).

Регулирование расхода газа производится исполнительным механизмом МЭО - 16/63-0,63. В состав исполнительного механизма входит блок сигнализации положения БСПТ-10, который питается напряжением +10В от блока питания БП-10. Питание пускателя ПБР и блока БП-10 осуществляется от сетити переменного тока (220В, 50 Гц).

 

 

Рисунок 4 - Электрическая схема контура управления сжиганием топлива в доменной печи

 

5 Управляющая программа микропроцессорного контроллера Р-130 для реализации алгоритма управления процессом сжигания топлива

Регулирование расхода природного газа по принципу объёмного пропорционирования производится с применением следующих алгоритмов:

ВАА(07) (ввод аналоговый ар. А);

ИВБ(16) (импульсный вывод гр. Б):

УМД(44) (умножение-деление):

РИМ(21) (Регулирование импульсное):

ЗДН(24) (Задание):

РУЧ(26) (Ручное управление):

ОКО (01) (Оперативный контроль регулирования)

Схема конфигурации алгоблоков приведена на рисунке 4. Сигналы с объекта управления поступает в схему алгоритмов через ВАА(07). Текущие значения расходов воздуха и топлива по- даются. соответственно, на входы 01 и 03 алгоритма УМД(44), который осуществляет вычисление текущего коэффициенпта расхода воздуха. На входе 02 выставляется величина 1/ Lo. где Lo - коэффициент, численно равный количеству воздуха, которое необходимо для полного сжигания единицы топлива, м³/м³.

Сигнал с выхода 01 алгоритма  УМД поступает, одновременно. на вход 02 алгоритма РИМ(21) и вход 02 алгоритма ОКО(01). Алгоритм РИМ(21) формирует сигнал рассогласования между текущим коэффициентом расхода воздуха, рассчитанным в алгоритме УМД. и заданным коэффициентом, который подаётся на вход 01 алгоритма РИМ с выхода алгоритма ЗДН(24). По величине и знаку этого рассогласования РИМ формирует управляющий сигнал на выходе 01. С выхода 02 сигнал рассогласования поступает на вход 05 алгоритма ОКО.

Выходной сигнал регулятора поступает на вход 02 алгоритма РУЧ(26). Алгоритм предназначен для изменения режима управления регулятора. С его помощью регулятор переводится в дистанционный или ручной режим работы. Далее управляющий сигнал подаётся на вход 01 алгоритма ИВБ(16) который преобразует выходной сигнал алгоритма РИМ в последовательность импульсов, управляющих исполнительным механизмом.

Для оперативного управления контуром регулирования с помощью  лицевой панели контроллера использован  алгоритм ОКО(01). Алгоритм позволяет с помощью клавиш лицевой панели изменять режим управления, режим задания, выходной сигнал регулятора (в режиме ручного управления), изменять сигнал задания (в режиме ручного задатчика), а также контролировать сигналы задания и рассогласования, входной и выходной сигналы, параметры программы (при программной регулировании) и т.д.

 

Рисунок 5 – Схема конфигурации алгоблоков контроллера Р-130 для реализации системы управления сжиганием топлива по принципу объемного пропорционирования.

5.1 Порядок программирования и настройки алгоритмов контроллера

 

Устанавливаем комплектность  контроллера 12. которая включает в  себя: гр.А - 8 аналоговых входов и 2 аналоговых выхода: гр.Б - 8 аналоговых входов и 4 дискретных выхода. которые используются как импульсные выхода для формирования сигналов управления исполнительными механизмами постоянной скорости. В такой комплектности возможно создание двух контуров управления.

Состав конфигураций, конфигурирование алгоритмов и параметры настройки  приведены в таблицах 2, 3, 4

 

 

 

Таблица 2 – Состав конфигураций

Номер алгоблока	Наименование алгоритма	Код алгоритма	Модификатор	Масштаб времени
01	Оперативный контроль регулирования, ОКО	01	06	-
02	Умножение-деление, УМД	44	-	-
03	Ввод аналоговый гр.А, ВАА	07	04	-
04	Задание, ЗДН	24	00	00
05	Импульсное регулирование, РИМ	21	-	00
06	Ручное управление, РУЧ	26	-	-
07	Импульсный вывод гр.Б, ИВБ	16	01	-

 

Таблица 3 – Конфигурация алгоритмов

Номер алгоблока приемника	Номер входа алгоблока приемника	Инверсия	Номер алгоблока источник	Номер выхода алгоблока источника
01	01	т.п	04	01
01	02	т.п	02	01
01	05	т.п	05	02
01	06	т.п	06	01
01	07	т.п	03	03
02	01	т.п	03	01
02	03	т.п	03	02
04	04	т.п	03	03
05	01	т.п	04	01
05	02	т.п	02	01
06	02	т.п	05	01
07	01	т.п	06	01