Автоматизация металлургических машин и механизмов

Регулятор P_t стабилизирует температуру в рабочем пространстве путем изменения расхода топлива. Температура контролируется датчиком Д_t. сравнивается в регуляторе с заданным значением Т_З, после чего сигнал рассогласования преобразуется в регуляторе в команду управления, поступающую на исполнительный механизм П_р, который изменяет положение регулирующего органа на трубопроводе топлива к горелке.

Регулятор соотношения поддерживает расход воздуха y_в, измеряемый датчиком Др₂ в функции расхода топлива y_т, измеряемого датчиком Др₁.

Характеристики расхода топлива при условии стабилизации температуры в рабочем пространстве имеют вид плавных кривых (рис. 25, б) с единственным экстремумом, положение которого зависит от соотношения расхода воздуха к расходу топлива k = y_B/y_т (коэффициент k называют коэффициентом избытка воздуха) и вида топлива (кривые 1-3).

В зависимости от температуры подаваемого воздуха, его потерь по тракту или дополнительных присосов фактический коэффициент избытка воздуха, участвующего в горении, изменяется.



Рисунок 25 - Экстремальная система регулирования сжигания топлива в термической печи: а - функциональная схема; б - статические характеристики расхода топлива при постоянной температуре в камере сгорания

Горение может стать неэкономичным, и тогда необходимо изменять заданное соотношение расходов топлива и воздуха. Целью оптимизации процесса сжигания топлива является минимизация расхода топлива при условии стабилизации заданной температуры в рабочем пространстве. Как видно из рис. 25, б, регулируемым параметром контура оптимизации является соотношение между расходами воздуха и топлива. При малых значениях k топливо полностью не сгорает, и поэтому расход его для поддержания заданной температуры возрастает. Если значение k велико, то часть тепла уносится излишне большим потоком воздуха, что также приводит к возрастанию расхода топлива. Оптимальное значение k определяется в экстремальном регуляторе путем пошаговой процедуры поиска экстремума функции y_т(k). Для этого параметру k в регуляторе соотношения дается приращение Дk и измеряется датчиком расхода Др₁ вызванный этим изменением расход топлива Дy₁(Дk). Если это приращение отрицательное, то при следующем шаге расход топлива изменяется в прежнем направлении. В противном случае направление поиска изменяется на противоположное (реверсируется). После выполнения ряда шагов система настраивается на оптимальное значение соотношения топливо - воздух в зависимости от вида топлива и совершает колебательные движения вокруг указанной точки экстремума.

В представленные на рис. 24, а, б СНС более общего вида, предназначенные для поддержания требуемого состояния x_o(t) и экстремума показателя Q, рассмотренная выше экстремальная система поиска войдет как составной элемент в контур адаптации, присоединяемый к основному контуру.

Основной трудностью при реализации поисковых СНС является недопустимость подачи на вход значительных пробных воздействий, так как они могут нарушать основной процесс регулирования. Подача же малых пробных воздействий затрудняет выделение получающейся реакции системы на фоне помех и шумов.

В последнее время получают все большее распространение бес поисковые самонастраивающиеся системы (БСНС), в которых поиск заданного или экстремального значения критерия качества выполняется заранее до начала работы системы по динамическому эталону основного контура управления, называемого эталонной моделью.

В общем случае моделью называют условный образ объекта исследования, конструируемый исследователем таким образом, чтобы отобразить существенные для исследования характеристики объекта (свойства, взаимосвязи, параметры) с целью его изучения.

Различают физические и абстрактные модели.

К физическим моделям относятся установки, устройства или приспособления, воспроизводящие в том же или в другом масштабе исследуемый объект при сохранении физического подобия процессов модели процессам объекта исследования (например, макеты приборов, сооружений, механизмов и машин).

В абстрактных моделях описание объектов или явлений выполняется на каком-нибудь языке. В качестве языков моделирования используют, например, естественный язык, язык чертежей и схем, математический язык. Систему математических выражений, описывающих характеристики объекта или явления, называют математической моделью.

Рисунок 26 - Примеры составления моделей: а - схема измерения расхода; б - механическая модель измерительной системы; в - электрическая модель измерительной системы

Рассмотрим это на примере.

На рис. 26, а представлена схема измерения расхода жидкости (воды) с помощью измерительной диафрагмы 1 и U-образного дифманометра 3 с ртутным заполнением типа ДТ-2. В установившемся режиме перепад давления в месте установки диафрагмы уравновешивается противодавлением столба ртути ДН.

При изменении расхода жидкости и соответственно перепада давления на диафрагме вода в импульсном трубопроводе 2 и ртуть в дифманометре 3 начинают перемещаться таким образом, что в новом установившемся состоянии перепад на диафрагме опять будет уравновешен противодавлением столба ртути.

Жидкость перемещается вследствие силы, вызванной наличием перепада давлений на диафрагме. Во время переходного процесса этой силе противодействуют:

а) силы инерции, вызванные ускорением массы жидкости в измерительной системе (силы инерции определяются по второму закону Ньютона);

б) силы трения, определяемые движением жидкости в импульсном трубопроводе (по закону Пуазейля);

в) сила противодавления столба ртути (эта сила пропорциональна перемещению столба ртути z, аналогично тому, как сила пружины пропорциональна сжатию).

При свободном (без воздействия извне) движении массы жидкости или газа в трубопроводе в совокупности с подвижной системой регулятора или прибора возникают только силы инерции mz”, силы трения вz' и силы упругого противодействия kz. Следовательно, свободное движение всего устройства описывается дифференциальным уравнением

(3)

где т - коэффициент массы;

Р - коэффициент трения;

k - коэффициент сил упругого противодействия;

z”, z', z - соответственно ускорение, скорость и перемещение среды в чувствительном элементе регулятора или измерительном приборе.

Таким же уравнением описывается свободное движение массы, подвешенной на пружине и обладающей трением (рис. 26, б).

Таким образом, устройство, показанное на рис. 26, б, можно рассматривать как механическую модель импульсного трубопровода совместно с подключенным к нему измерительным прибором или чувствительным элементом регулятора.

Дифференциальное уравнение электрической системы, состоящей из последовательно включенных сопротивления, индуктивности и емкости, имеет вид:

(4)

где L - индуктивность;

R - омическое сопротивление;

С - емкость;

i - сила тока;

Сопоставляя выражения (3) и (4), можно применить аналогию соответствия: т и L - коэффициенты массы и индуктивности; в и R - коэффициенты трения и омического сопротивления; k и 1/С - коэффициент сил упругого противодействия и обратная величина электрической емкости; z и i - перемещение среды в приборе и величина электрического тока.

Таким образом, электрическую систему, показанную на рис. 26, в, можно рассматривать как электрическую модель импульсного трубопровода совместно с подключенным к нему измерительным прибором или чувствительным элементом регулятора.

Построение эталонной модели требует предварительного изучения динамических свойств системы. Чем ближе будут свойства модели к свойствам оригинала, тем легче будет выполнить и процесс адаптации.

Осуществление поиска модели объекта регулирования позволяет ускорить темп процесса адаптации, поскольку при работе модели в ускоренном режиме изменение параметров модели позволяет быстро найти условие, при котором величина Q оптимальна, и перенести затем этот результат на реальный объект. Управление вырабатывают далее таким образом, чтобы выходы x(t) реального объекта и выходы x_м(t) его модели были достаточно близки друг к другу.

Шестой признак - по виду закономерности изменений сигналов. По этому признаку АСР подразделяются на линейные и нелинейные.

Линейными АСР называются такие системы, динамика всех элементов которых вполне описывается линейными уравнениями (алгебраическими или дифференциальными). Для этого необходимо прежде всего, чтобы зависимости между выходной и входной величинами всех элементов системы были линейными, т. е. имели вид прямой линии (см. рис. 18, а, б).

В линейных АСР процесс, происходящий под влиянием нескольких воздействий, определяется суммой процессов, вызываемых каждым из этих воздействий на систему в отдельности. Положение, при котором совместный эффект нескольких воздействий равен сумме эффектов, вызываемых каждым из воздействий в отдельности, называется принципом суперпозиции, являющимся частным случаем выражения единого физического закона о независимости действия сил. Таким образом, характерной особенностью линейных АСР является принцип суперпозиции. Процессы в линейных АСР с достаточной точностью математически описываются линейными дифференциальными уравнениями.

Нелинейными АСР называются такие системы, в которых хотя бы в одном элементе нарушается линейность зависимости между входной и выходной величинами или же происходит любое другое нарушение линейности уравнений динамики элемента (произведение переменных или их производных, корень, квадрат или более высокая степень переменной, любая другая нелинейная связь переменных и их производных).

Таким образом, к нелинейным системам, в частности, относятся все системы, в элементах которых имеются характеристики любого из видов, представленных на рис. 18, в-и. К нелинейным АСР относятся и все системы релейного действия (см. рис. 19). Нелинейными могут быть импульсные и цифровые АСР, если в них где-либо нарушается линейность уравнений динамики (в цифровых АСР это связано, в частности, с квантованием сигнала по уровню).

К нелинейным АСР не применим принцип суперпозиции.

Седьмой признак - по количеству замкнутых контуров регулирования. Системы, содержащие один замкнутый контур регулирования, называются одноконтурными АСР. Системы с несколькими замкнутыми контурами называются многоконтурными АСР (см. рис. 27). Такие системы, кроме главной обратной связи, содержат параллельные или местные обратные связи.

Многоконтурные АСР с несколькими регулируемыми величинами в свою очередь подразделяются на системы несвязанного и связанного регулирования.

Системами несвязанного регулирования называют многоконтурные АСР, в которых различные регулируемые величины одного и того же управляемого технологического процесса (или соответственно различные регуляторы) не имеют непосредственной связи между собой и могут взаимодействовать друг с другом только через общий для них объект регулирования. Такие системы подразделяются также на зависимые и независимые.

На рис. 27, в показана зависимая многоконтурная система несвязанного регулирования, в которой изменение одной из регулируемых величин х₁ управляемого процесса вызывает изменение другой регулируемой величины х₂, и наоборот.



Рисунок 27 - Виды контуров регулирования: а - одноконтурная АСР; б - двухконтурная АСР; в - зависимая многоконтурная система несвязанного регулирования; г - независимая многоконтурная система несвязанного регулирования; д - многоконтурная система связанного регулирования

Независимые системы несвязанного регулирования отличаются от зависимых тем, что в них изменение одной из регулируемых величин не приводит к изменению других регулируемых величин. Блок-схема такой АСР, где изменение одной регулируемой величины х₁ не вызывает изменения другой величины х₂, и наоборот, представлена на рис. 27, г.

В независимых многоконтурных АСР процессы регулирования различных регулируемых величин можно рассматривать независимо друг от друга.

Системами связанного регулирования называют многоконтурные АСР, в которых различные регулируемые величины одного и того же управляемого технологического процесса (или соответственно различные регуляторы) имеют связи между собой как через объект регулирования, так и вне объекта. Блок-схема такой АСР представлена на рис. 24, д.

Существует также классификация АСР по другим признакам, например по функциональному назначению (АСР температуры, давления, расхода, уровня, солесодержания и т.п.); по виду энергии, используемой для регулирования (электрические, гидравлические, пневматические, механические и другие АСР); по числу регулируемых величин (одномерные АСР - системы с одной регулируемой величиной, многомерные АСР - системы с несколькими регулируемыми величинами).

3. АВТОМАТИЗАЦИЯ ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Современное развитие доменного производства связано с улучшением качества сырых материалов, использованием различных заменителей кокса (мазута, природного газа), интенсификаторов процесса (технического кислорода) и увеличением объема доменных печей. Существуют доменные печи объемом 2000, 2700, 3200 и 5000 м³. Производительность большой доменной печи составляет 10 тыс. т чугуна в сутки.

Даже при небольших отклонениях от оптимального режима производительность печи снижается на 2-3% и на 1-2% увеличивается расход кокса, поэтому очевидна необходимость совершенствования методов управления доменным процессом.

3.1 Технологические особенности и задачи управления доменным процессом

Доменный процесс характеризуется некоторыми особенностями:

а) доменная печь работает непрерывно в течение многих лет, при этом непрерывно загружаются в печь материалы, подается дутье и отводится газ; чугун и шлак выпускаются из горна периодически;

б) в результате противотока шихты и газов тепловой коэффициент полезного действия печи высок - до 85-90%, но для достижения этого необходимо организовать хороший контакт газов с материалами, т. е. требуемый характер газового потока;

в) топливо используется в доменной печи как источник тепла и как химический реагент-восстановитель, поэтому доменный газ содержит много СО и Н₂, которые не могут быть полностью использованы для восстановления оксидов.

В доменной печи в качестве шихтовых материалов используют руду, агломерат, окатыши, металлодобавки, кокс и флюсы (обычно - известняк). В результате доменного процесса получаются продукты плавки - чугун, шлак, колошниковый (доменный) газ и колошниковая пыль. Загруженные материалы продвигаются по шахте печи сверху вниз, а газы, образующиеся в горне, снизу вверх. В процессе плавки происходит восстановление различных элементов, в первую очередь железа, а кислород оксидов переходит в газ в виде СО и СО₂.

Перед загрузкой в доменную печь пылеватую шихту увлажняют и отсеивают на грохотах коксовую мелочь. Загрузка шихты в печь полностью механизирована.

Скиповый подъемник или конвейер поднимает шихту на колошник, затем шихта поступает в приемную воронку двухконусного засыпного аппарата.

Для распределения шихты по сечению колошника предусмотрен вращающийся распределитель шихты (ВРШ). На печи объемом 5000 м³ на колошник подается до 30 тыс. т шихтовых материалов в сутки.

Известна также бесконусная загрузка материалов в печь, когда опускающийся конус заменен поднимающимся колоколом. Если опускающийся конус направляет материал к стенам печи, то поднимающийся колокол направляет материал к оси печи.

Дутье подается в печь воздуходувными машинами, установленными на паровоздуходувной станции (ПВС).

Перед подачей в печь дутье нагревают в регенеративных воздухонагревателях, увлажняют паром до заданного влагосодержания и обогащают кислородом. Обычно в доменных печах используют комбинированное дутье, содержащее в своем составе природный газ.

Доменный газ в системе газоочистки очищают от пыли в пылеуловителях (грубая очистка) и водой в скрубберах высокого и низкого давления. После скруббера высокого давления газ пропускают через каплеуловитель для сушки.

Чугун и шлак из соответствующих леток по желобам поступают в ковши и в них транспортируются к месту использования. Для охлаждения печи и очистки газа в больших количествах расходуют воду.

Рисунок 3.1 - Схема автоматизации доменной печи

ДП - доменная печь;

В - блок воздухонагревателей;

Т - турбовоздуходувная машина;

Г - газоочистка;

1 - система управления загрузкой шихтовых бункеров;

2 - управление шихтоподачей и загрузкой;

3 - распределение шихтовых материалов по окружности колошника;

4 - управление дозированием компонентов шихтовых материалов;

5 - стабилизация влажности дутья;

6 - стабилизация расхода кислорода;

7 - стабилизация соотношения расхода природного газа и воздуха с коррекцией на концентрацию кислорода в дутье;

8 - стабилизация распределения дутья и природного газа по фурмам;

9 - стабилизация теплоты сгорания смешанного газа на отопление воздухонагревателей;

10 - управление перекидкой клапанов воздухонагревателей;

11 - стабилизация температуры горячего дутья;

12 - стабилизация температуры купола воздухонагревателей;

13 - оптимальное управление нагревом воздухонагревателей;

14 - управление тепловым состоянием доменной печи;

15 - управление шихтовкой доменной плавки;

16 - управление сходом шихтовых материалов;

17 - управление распределением газового потока по сечению шахты печи;

18 - контроль и управление охлаждением доменной печи и воздухонагревателей;

19 - система централизованного контроля параметров процесса;

20 - стабилизация расхода дутья;

21 - стабилизация давления колошникового газа

Основной задачей при управлении доменным процессом является стабилизация теплового состояния печи, что выражается в постоянстве производительности печи, состава и температуры продуктов плавки. Главными причинами колебаний теплового состояния являются изменения качества шихты, отклонения температуры и состава дутья от заданных значений, нарушения в распределении материалов по сечению печи. Сильное воздействие на тепловое состояние печи оказывают влажность кокса (так как кокс дозируют по массе), содержание и степень окисленности железа в шихте. Так, при изменении влажности кокса на 1,5-2,0% содержание кремния в чугуне изменяется на 0,1-0,15%. Поэтому именно эти возмущения должны быть в первую очередь скомпенсированы при ручном и автоматическом управлении ходом доменной печи.

Для работы печи существенное значение имеет соотношение скоростей потоков материалов и газов. Это соотношение может изменяться довольно быстро, и при амплитуде колебания соотношения 15-20% колебания в составе чугуна могут достигать 1 - 1,6% [Si]. Из-за инерционности процесса колебания состава чугуна на печи не достигают таких размеров. Для повышения точности контроля теплового состояния печи и прогноза содержания кремния в чугуне необходим контроль расхода дутья, выхода колошникового газа и расхода загружаемых шихтовых материалов. С помощью этих параметров расчетным путем можно получить соотношение интенсивностей движения потоков материалов и газов.

Тепловое состояние печи, т. е. ее температурное поле, неоднозначно связано с ходом процессов восстановления по высоте печи. Если изменяется восстановимость шихты и характер распределения потоков шихты и газа, то печь разогревается с ростом степени косвенного восстановления и степени использования энергии газов. Причиной изменений в этом случае является изменение использования энергии газов, а следствием - изменение теплового состояния печи.

Если же в шихту начинает поступать неучтенное количество углерода или изменяется количество (состав) железорудного сырья, то уже изменение температурного поля печи, т. е. ее теплового состояния, является причиной изменения энергии газов.

Многие алгоритмы управления тепловым состоянием доменной печи основаны на первой форме связи (изменение в газовом потоке - причина, изменения в столбе шихты - следствие). При использовании таких алгоритмов необходимо осуществлять как можно более полное зарегулирование возмущений на входе, т. е. стабилизировать соотношение в шихте углерода и кислорода оксидов железа.

Доменная печь как объект регулирования обладает большой инерционностью. При изменении состава шихты переходный процесс длится (2-3)ф_o (ф_o - время нахождения материалов в печи, равное 5-6 ч), а при изменении параметров дутья (1-2) ф_o.

Так как тепловое состояние и степень использования энергии газов взаимно влияют друг на друга (принцип обратной связи), то параметры теплового состояния печи испытывают низкочастотные автоколебания, Так, на печах объем 1200-1400 м³ период колебаний состава чугуна составляет 16-50 ч.

В таких условиях контроль и управление доменным производством является достаточно трудной задачей, поэтому контроль и прогноз изменений теплового состояния необходимо вести с использованием всей доступной информации о работе доменной печи. В частности, показатели прямого восстановления можно контролировать по измерениям количеств дутья и газов. Прогноз содержания кремния уточняется, если рассчитывать действительный и расчетный выход чугуна. Температуру колошникового газа можно использовать в качестве контрольного сигнала при прогнозировании колебаний теплового состояния, вызванных временными отклонениями отношений интенсивностей потоков шихты и газа от установившихся величин. Существенную информацию о тепловом состоянии печи могут дать общий (фурмы - колошник) и частные (фурмы - середина шихты, середина шихты - колошник) перепады давления газа в печи, интенсивность излучения из фурменных очагов и т. д.

На рисунке 3.1 приведена функциональная схема автоматизации доменных печей объемом 2700-3200 м³. Высокая оснащенность доменных печей контрольно-измерительными приборами, которые измеряют и регистрируют параметры комбинированного дутья, уровень шихты, перепады давления по высоте, расходы дутья и природного газа по фурмам и многое другое способствует автоматизации технологического процесса. Автоматически стабилизируются расход, температура и влажность дутья, содержание в нем кислорода, давление газа на колошнике, расход и давление природного газа, распределение его по фурмам и т. д. Но тепловое состояние печи контролируется недостаточно. Конечные результаты доменного процесса определяются с большим запаздыванием, а промежуточные стадии почти не контролируются из-за отсутствия датчиков информации. Недостаточно развиты контроль распределения материалов и газа по радиусу печи, непрерывный контроль состава материалов в потоке и продуктов плавки на выпуске. В связи с этим в управлении доменной плавкой все еще очень высока роль технологического персонала.

Так как параметры процесса существенно различаются на печах различного объема, в перечне технологических требований к системе контроля и управления процессом доменной плавки приведена только допустимая погрешность измерения или стабилизации, но не даны абсолютные значения параметров.

3.1.1 Параметры шихты, шихтоподачи и загрузки

Для стабилизации заданного режима шихтовки, загрузки и распределения материалов по сечению печи контролируются и регулируются следующие параметры:

Контролируемые параметры:	Допустимая погрешность измерения или стабилизации, %
Содержание в шихте, %:
железо	0,1
кремнезем	0,2*
известь	0,2*
магнезия	0,2*
фракция <5 мм	1,0*
Влажность кокса, %	0,3*
Содержание серы в коксе, %	0,1*
Скорость опускания шихты, м/мин	2,5
Контролируемые и регулируемые параметры:
Масса, т:
железорудных компонентов в подаче	0,2
сухого кокса в подаче	0,2
добавок	0,2
Загрузка печи по заданной программе	-
Профиль и уровень засыпи шихты, м	0,1 (м)

3.1.2 Параметры комбинированного дутья

Расход, м3/мин:
холодного дутья	0,1
горячего дутья	1,0
Давление горячего и холодного дутья, Па	1,5
Температура горячего дутья, °С	1,0
Влажность горячего дутья, г/м3	3,0
Содержание кислорода в дутье, %	0,5
Расход природного газа на печь, м3/ч	1,0
Расход кислорода, м3/ч	1,0
Соотношение между природным газом и кислородом дутья, м3/м3	1,0
Распределение дутья по фурмам, м3/мин	5,0
Распределение природного газа по фурмам, м3/мин	5,0

3.1.3 Параметры доменного процесса и продуктов плавки

Для управления тепловым состоянием печи и ходом доменного процесса, поддержания принятого режима плавки с минимальными отклонениями, достижения оптимальных технико-экономических показателей (производительности и расхода кокса) и заданного состава чугуна контролируются следующие параметры хода печи, состояния процесса и продуктов плавки:

Контролируемые параметры:	Допустимая погрешность измерения, %
Содержание СО, СО2, Н2, %:
в колошниковом газе	0,1*
в газе под уровнем засыпи (по двум взаимно перпендикулярным диаметрам)	0,1*
Температура колошникового газа в газоотводах и в общем газопроводе, °С.	1,0
Давление колошникового газа (контроль и стабилизация), Па	1,5
Температура газа по двум взаимно перпендикулярным диаметрам под уровнем засыпи, °С	1,0
Частные перепады статического давления по высоте печи, Па	1,5
Температура периферийной зоны по окружности на пяти горизонтах по высоте печи, °С	1,0
Вынос колошниковой пыли, т/подачу	5,0
Содержание в чугуне, %:
кремния	0,025
марганца	0,025
серы	0,002
Температура чугуна, °С	1,0
Масса чугуна, т/выпуск	0,2
Содержание в шлаке, %:
кремнезема	0,2
извести	0,2
магнезии	0,2
Температура шлака, °С	1,0
Масса шлака, т/выпуск	0,2

3.1.4 Параметры состояния системы охлаждения и огнеупорной кладки печи

Для обеспечения нормальных условий эксплуатации доменной печи контролируются степень износа кладки лещади, горна и шахты, прогар холодильников, установленных по высоте печи, режим работы систем испарительного охлаждения и прогар воздушных фурм.

3.1.5 Параметры состояния воздухонагревателей и турбовоздуходувной машины

Контролируемые параметры:	Допустимая погрешность контроля, %
Температура, °С:
подкупольной зоны воздухонагревателей	1,0
на границе динас-шамот (динас-каолин)	1,0
продуктов сгорания	1,0
камеры горения	1,0
Наличие факела в камере горения	-
Расход и давление:
чистого доменного газа на воздухонагреватели	1,5
коксового (природного) газа на воздухонагреватели	1,5
воздуха для сжигания газа	1,5
Теплота сгорания смешанного газа	2,5

3.16 Параметры колошникового газа и газоочистки

Контролируемые параметры:	Допустимая погрешность контроля, %
Высокое и низкое давление колошникового газа	1,5
Уровень или масса колошниковой пыли в пылеуловителях	5,0
Содержание пыли в грязном и чистом колошниковом газе	5,0
Расход воды в скруббер высокого давления (контроль и стабилизация)	5,0

3.2 Автоматический контроль доменного процесса

На доменной печи осуществляют автоматический контроль целого ряда технологических и теплотехнических параметров: давления, температуры, расхода, уровня, состава и др. Рассмотрим особенности контроля некоторых параметров. Для определения сопротивления столба шихты в печи, прогнозирования нарушения схода материалов (подвисаний), выявления зон с повышенным сопротивлением газовому потоку (низ или верх печи) измеряют давление холодного и горячего дутья в кольцевом воздухопроводе, разность давлений между кольцевым воздухопроводом и шахтой печи, кольцевым воздухопроводом и колошником, шахтой печи и колошником. Для измерения используют манометры и дифманометры. Так как отверстие для отбора давления в шахте может забиваться шихтой, используют устройство типа «раструб» (рисунок 3.2). Возможен также отбор давления через штуцер в кожухе печи без выполнения отверстия в кладке.



Рисунок 3.2 - Устройство типа «раструб» для измерения давления в шахте доменной печи

Для оценки теплового состояния низа печи и хода процесса измеряют температуру в фурменной зоне. Измерение осуществляют радиационными пирометрами или тепломерами полного излучения в комплекте с электронным потенциометром. Пирометр состоит из телескопа и защитной арматуры, обеспечивающей защиту оптики от пыли, возможность установки пирометра на крышке гляделки фурменного прибора и визирование на фурменный очаг.

При одновременных измерениях интенсивности излучения фурменного очага и расходов дутья и природного газа через фурму при различных режимах работы печи установлено, что при нарушениях нормального схода материалов в фурменную зону пульсации расхода дутья через фурму аналогичны по форме и частоте пульсациям интенсивности излучения из фурменной зоны. По параметрам этих пульсаций можно определить тот возможный максимальный расход дутья, при котором еще не нарушается равномерность поступления материалов в фурменную зону. Контроль распределения газового потока по секторам печи (число секторов соответствует числу фурм) осуществляют, измеряя температуру периферийных газов над уровнем засыпи и под ней, для чего используют термопары ХА в кладке печи и многоточечные электронные потенциометры. Распределение газового потока по четырем секторам печи удобно контролировать также по температуре колошникового газа в четырех газоотводах печи.

Для контроля радиального распределения газового потока измеряют температуру и состав газа по радиусу колошника, для чего применяют газоотборную трубу, двигающуюся от лебедки (комбинированный зонд). С помощью установки можно измерять содержания СО, СО₂ и Н₂ в газе и температуры газа и шихты. Водоохлаждаемые зонды периодически вводят в печь по четырем взаимно перпендикулярным радиусам поперечного сечения шахты, на 1 м ниже защитных сегментов колошника.

Измерение температуры газа малоинерционной термопарой обычно совмещают с отбором проб для химического анализа в восьми точках каждого радиуса. Цикл измерения температуры и отбора проб составляет 3 мин. По окончании цикла и возвращении зонда в исходное положение в течение 12 мин. производится последовательный анализ проб газа на содержание СО, СО₂ и Н₂ двумя оптико-акустическими и термокондуктометрическими газоанализаторами. Если измеряется только температура газа, то зонд движется безостановочно и цикл измерения составляет 1 мин.

Температуру шихты измеряют с помощью зонда, в котором установлен радиационный пирометр.



Рисунок 3.3 - Механизированная термопара погружения: 1 - термопара; ш - привод термопары; 3 - электронный потенциометр; 4 - пульт управления; 5 - соединительные коробки

Для контроля теплового состояния низа печи с помощью термопар погружения на чугунном и шлаковом желобах измеряют температуру чугуна и шлака. Механизированные термопары погружения (рисунок 3.3) имеют дистанционное или автоматическое управление. Термоэлектроды термопары погружения выполнены из тугоплавких металлов: W-Мо+0,5% Аl и имеют защитный наконечник из силицированного графита (композиция SiC, С, Si). Рабочий конец термопары выдерживает до 100 кратковременных (до 2 мин.) измерений или 5ч. длительных измерений.

Давление природного и колошникового газа, расходы и давления охлаждающей воды, пара, сжатого воздуха, температуры охлаждающей воды на входе и выходе системы охлаждения и другие параметры измеряют довольно просто серийными контрольно-измерительными приборами.

Алгоритмы управления тепловым состоянием печи обычно основаны на показаниях газоанализаторов колошникового газа, поэтому эти показания должны быть максимально достоверны. В таких условиях требуются автоматический контроль и коррекция показаний газоанализаторов.

3.3 Локальные системы управления

Назначение локальных систем управления заключается в обеспечении стабильных значений следующих параметров:

Ш давления газа на колошнике печи;

Ш давления топлива-заменителя (природного газа или мазута);

Ш отношения расхода топлива-заменителя к расходу горячего дутья в целом на печь и для отдельных фурм;

Ш расходов воды по отдельным агрегатам газоочистки;

Ш уровня воды в барабанах-сепараторах отдельных секций испарительного охлаждения шахты доменной печи и шиберов горячего дутья воздухонагревателей;

Ш давления газа в коллекторе перед воздухонагревателями (в случае централизованной подачи воздуха);

Ш температуры куполов воздухонагревателей;

Ш соотношения топливо - воздух в горелках воздухонагревателей;

Ш температуры горячего дутья при последовательной или попарно-параллельной работе воздухонагревателей;

Ш влажности дутья.

Отдельные узлы составляют системы управления загрузкой печи и автоматической перекидки клапанов и шиберов воздухонагревателей.

3.3.1 Управление загрузкой печи

Ходом доменной печи можно управлять, изменяя характер загрузки шихты. Такое управление называют регулированием сверху. Для экономичной работы доменной печи большое значение имеет рациональное распределение газа по ее сечению, которое зависит от системы загрузки материалов.

Механизмы загрузки объединены в единую систему автоматического управления программными, рабочими и предохранительными блокировками. Предусмотрена возможность ручного управления и аварийная защита механизмов от перегрузок.

Основными аппаратами системы загрузки являются командо-контроллер программы ККП и командоконтроллер циклов подач ККЦ (кулачковые командоаппараты, с двумя параллельными барабанами с кулачковыми дисками). Кулачки ККП и ККЦ размыкают и замыкают контакты цепей управления, дающих разрешение на включение соответствующего механизма загрузки. ККП устанавливает очередность загрузки скипов, а ККЦ - чередование подач в цикле загрузки. Таким образом, командоконтроллеры программы и циклов позволяют устанавливать программу (очередность) работы механизмов загрузки.

В свою очередь механизмы загрузки связаны один с другим рабочей блокировкой, разрешающей включение приводов только в определенной последовательности в соответствии с производственным процессом: каждый следующий механизм включается в работу, если предыдущий выполнил свою операцию или находится в заданном положении (и если разрешает ККП). Рабочая блокировка осуществляется конечными и путевыми выключателями.

В частности, путевой выключатель скипового подъемника замыкает контакты в цепи катушки контактора двигателя затвора коксовой весовой воронки, если скип достиг крайнего нижнего положения; большой конус открывается только после закрытия малого конуса, открытия уравнительных клапанов и подъема зондов уровнемера и т. д.

В системе загрузки предусмотрены также предохранительные и аварийные блокировки, предотвращающие неправильную или несвоевременную работу механизмов или их поломку.

На доменных печах применяют автоматизированную транспортерную систему подачи шихты, состоящую из двух одинаковых комплексов механизмов с правой и левой стороны скипового подъемника. В каждом комплекте имеются бункера для агломерата, снабженные вибрационными питателями и подающие агломерат на пластинчатый конвейер, бункера добавок с вибрационными питателями и весовыми воронками, подающие добавки на ленточный конвейер, и весовая воронка для агломерата.

Механизмы загрузки кокса служат для выполнения операции отсева мелочи, взвешивания кокса и загрузки его в скип. Коксовая весовая воронка установлена на весовом механизме и снабжена электрифицированным затвором. На весовом механизме установлен регулятор массы - весовая головка с указателем и ртутным переключателем. Одна пара контактов переключателя замыкает цепь на закрытие затвора пустого бункера, а вторая останавливает грохот после набора заданного количества кокса.

Более прогрессивной является система дистанционного управления набором кокса.

Засыпной аппарат состоит из двух конусов: большого и малого. При опускании материалов с малого конуса в межконусное пространство попадает воздух. При определенном соотношении воздуха и газа образуется взрывоопасная смесь. Для предотвращения взрыва в межконусное пространство через клапан подают 0,28- 0,42 кг/с пара. Перед опусканием большого конуса, используя уравнительные клапаны (рисунок 3.4), работающие по заданной программе, в межконусное пространство подают очищенный от пыли в скруббере высокого давления доменный газ.



Рисунок 3.4 - Схема клапанов межконусного пространства: 1 - газоотводы к системе очистки колошникового газа; 2 - газопроводы очищенного газа; 3 - привод уравнительного наполнительного клапана; 4 - привод уравнительного атмосферного клапана; 5 - свечи; 6, 9 - клапаны; 7 - малый конус; 8 - большой конус; 10 - сигнализаторы разности давлений

Перед опусканием малого конуса межконусное пространством через клапаны соединяется с атмосферой. При основном режиме работы выпускной клапан закрывается только на период опускания большого конуса, и перед опусканием большого конуса открывается наполнительный клапан.

При дополнительном режиме выпускной клапан открывается перед опусканием малого конуса, а наполнительный клапан закрывается на период опускания малого конуса.

Заполнение межконусного пространства очищенным газом контролируют сигнализаторы разности давления, которые при разности давления менее 8-10 кПа подают разрешающий сигнал на маневрирование конусами.

Для повышения надежности системы применяют сдвоенные сигнализаторы разности давления, константы которых включают последовательно. Такое усложнение обусловлено возможностью изгиба штанг конусов, если маневрирование конусами производить при большой разности давлений с разных сторон конусов.

Вращающийся распределитель шихты (ВРШ) распределяет шихтовые материалы по окружности колошника. Программа работы ВРШ предусматривает изменение угла поворота (станции) ВРШ после каждой подачи. Если ВРШ имеет шесть станций (угол между станциями 60°), то при поступлении первой подачи поворота ВРШ не происходит, при второй подаче ВРШ после каждого скипа поворачивается на 60, 120 и 180°, затем поворачивается в обратную сторону на 120 и на 60°. После шести подач цикл повторяется. На новых доменных печах ВРШ имеют 12 или 24 станции. Для контроля работы ВРШ по станциям используют сельсины БД-404А.

Следует отметить, что даже при нормальной работе ВРШ в отдельных секторах поперечного сечения печи могут образовываться каналы или уплотнения, нарушающие равномерное распределение газов. В районе канала температура газов более высокая, содержание же диоксида углерода в них несколько меньше; в районе уплотнений наблюдаются противоположные явления. Контролируя температуру и состав газов в секторах сечения колошника (обычно число контролируемых секторов равно числу станций ВРШ), можно своевременно обнаружить возникновение каналов и уплотнений. Для устранения каналов в сектор грузят руду (агломерат), а для разрыхления уплотнений - кокс. В этих случаях программа работы ВРШ соответственно меняется.

Изменять работу ВРШ (отдельно для правого и левого скипов) можно автоматически. Для этого необходимо контролировать температуру периферийных газов под станциями ВРШ, используя термопары, и в соответствии с этим изменять программу вращения ВРШ.

Применение автоматизированной системы управления ВРШ позволяет уменьшить разброс температур по окружности колошника примерно на 30%.

Для автоматического измерения уровня засыпи в двух точках по диаметру колошника используют механические контактные зонды. Зонд (цилиндрический груз) подвешен на тросе и опирается о поверхность шихты. Зонды опускают в рабочее пространство печи через отверстия в воронке большого конуса. Трос зонда намотан на барабан зондовой лебедки. С валом лебедки связан датчик угла поворота, соединенный со вторичным прибором на щите печи. В качестве датчика обычно используют индикатор угла поворота ферродинамической ИУФ (вторичный прибор типа ВФСМ). Запись уровня засыпи называют шомпольной диаграммой.

Сельсин-датчик БД-404А скорости вращения барабана лебедки, т. е. скорости опускания шихты, соединен с сельсин-приемником БС-404А на щите печи. Вращение стрелки сельсин-приемника наглядно показывает скорость схода шихты.

В зондовой лебедке используют двигатель постоянного тока, который работает в режиме противовключения. При этом момент двигателя по величине меньше массы зонда и трос зонда находится в натянутом состоянии, так что зонд следует за шихтой по мере ее опускания. На время открывания большого конуса зонды поднимаются в крайнее верхнее положение. Когда уровень шихты Н превышает предельный (0,8-2,0 м), контакты путевого выключателя зондовой лебедки запрещают загрузку печи.

Зонды иногда затягиваются шихтой и дают неверные показания уровня. В этом отношении радиометрический бесконтактный метод контроля уровня шихты уровнемером УРМС-2 имеет преимущества перед методом контроля зондами, так как отличается высокой чувствительностью и точностью.

Часть схемы УРМС-2 показана на рисунке 3.5. Излучение от двух источников (кобальт-60 или цезий-137) направлено на противоположные стороны колошника, где установлены трубы с подвешенными на кабель-тросах четырьмя приемниками излучения. Положение приемников преобразуется в электрический сигнал дифференциально-трансформаторными преобразователями, связанными с четырьмя вторичными приборами типа ДСР или ДСМР. При некоторой средней интенсивности облучения приемника (в положении, показанном на рисунок 3.5) сила его выходного тока удерживает блок управления БУ в нейтральном положении и двигатель 2 неподвижен.

Рисунок 3.5 - Радиометрический бесконтактный уровнемер: 1 - приемник излучения; 2 - привод; 3 - вторичный прибор; 4 - выключатель для электрической схемы управления загрузкой печи; 5 - зонд; ЭУ - электронный усилитель; РД - реверсивный двигатель; И - источник излучения



Рисунок 3.6 - Цепи управления открытием большого конуса

При опускании шихты увеличивается интенсивность облучения приемника, что вызывает увеличение силы выходного тока, и двигатель лебедки опускает приемник 1. При повышении уровня привод приемника вращается в обратном направлении. Таким образом, уровнемер следит за уровнем шихты.

Разрешение на открытие большого конуса поступает от цепи автоматического управления замыканием трех контактов (рисунок 3.6). Контакт Р1 замыкается по схеме, изображенной на рисунок 3.6, б, т. е. уровнемер выдает разрешение на открытие конуса при достижении заданного уровня, по крайней мере, в двух противоположных точках (север и юг, восток и запад). Р2 дает сигнал набора на большом конусе подачи или полуподачи, а Р3 - сигнал выравнивания давления в межконусном и подконусном пространствах. Для контроля состояния механизмов загрузки применяют сигнальные светофоры с мнемосхемой системы загрузки.

Для контроля работы засыпного аппарата применяют комплект аппаратуры РЗА (регистратор работы засыпного аппарата), который представляет собой самопишущий прибор, предназначенный для регистрации во времени работы основных механизмов засыпного аппарата доменной печи.

Управление механизмами прибора осуществляется от свободных замыкающих блок-контактов магнитной станции главного подъемника (рисунок 3.7), реверсивных контакторов скипового подъемника КПН, КПВ, вращающегося распределителя шихты В, Н; программы загрузки кокса Р/С и рудных материалов РР, путевого выключателя лебедки конусов (М/С - замыкание при опускании малого конуса, БК, - замыкание при опускании большого конуса).

Рисунок 3.7 - Схема внешних соединений РЗА (СД - сельсин-датчик)

Датчиком регистратора служит также сельсин-датчик, кинематически связанный с вращающимся распределителем шихты. Сельсин-датчик устанавливают на колошнике доменной печи и связывают муфтой с валом командоаппарата вращающегося распределителя.

На диаграмме прибора записываются начало и конец подъема правого и левого скипов; угол поворота вращающегося распределителя; вид материала (кокс, руда), засыпаемого в печь; опускание малого и большого конусов. Счетчик подач выносной, емкость счетчика 99999. Запись регистратора дает возможность судить о последовательности работы механизмов и о соблюдении заданной программы загрузки.

3.3.2 Автоматическое регулирование основных и вспомогательных параметров доменного процесса

Эффективным средством воздействия на ход печи «снизу» является автоматическое распределение дутья и природного газа по фурмам. При равномерном распределении дутья по фурмам ход печи становится более ровным, повышается ее производительность и сокращается расход кокса, так как возрастает степень использования химической энергии газов (содержание диоксида углерода в колошниковом газе увеличивается примерно на 0,5% по сравнению с содержанием СО₂ при работе печи без автоматического распределения дутья).

На рисунке 3.8 изображена схема системы автоматического распределения дутья по фурмам доменной печи. Расход дутья по фурмам измеряют диафрагмами или другими датчиками переменного перепада и регулируют дроссельной заслонкой в фурменном рукаве. Регуляторы расхода получают задания, пропорциональные общему расходу дутья на печь или давлению горячего дутья. Дополнительный корректирующий регулятор по положению заслонок обеспечивает минимальное сопротивление системы распределения дутья.

Для решения локальных задач контроля и управления используется комплекс КМ2101 КТС ЛИУС. К основным задачам, которые решает КМ2101, относятся регулирование расхода природного газа по фурмам, измерение расхода дутья, измерение скорости схода шихты и регистрация работы загрузочного устройства. Технические средства, обеспечивающие решение одной из этих задач, образуют соответствующую подсистему комплекса.

Подсистема регулирования расхода природного газа по фурмам может работать в режиме поддержания заданного расхода газа по фурмам или в режиме поддержания заданного соотношения между расходами природного газа и дутья. Расход природного газа через фурму измеряется дифманометром по перепаду давления на калиброванной измерительной вставке, установленной на трубопроводе подачи газа из общего коллектора к отдельной фурме. Расход газа с коррекцией по температуре и давлению определяется выражением

где Q_ri - расход газа через i-тую фурму;

k₁ - коэффициент;

ДР_ri - перепад давления на измерительной вставке;

Р_г, Т_г - давление и температура газа в коллекторе.

В зависимости от способа задания расхода природного газа в подсистеме реализуются следующие режимы регулирования:

Рисунок 3.8 - Схема системы автоматического распределения дутья по фурмам доменной печи 1 - сужающее устройство, 2 - дифманометры, 3 - регуляторы расхода на фурму, 4 - исполнительные механизмы, 5 - регулирующие заслонки; 6 - манометр, 7 - задатчик; 8 - корректирующий регулятор

1) заданного расхода газа



2) заданного соотношения между расходами природного газа и дутья

3) заданного расхода природного газа с коррекцией по общему расходу газа

4) заданного соотношения между расходами газа и дутья по общему расходу природного газа

где k', k", k'", k_зi - коэффициенты;

Q_д, Q_г, - общие расходы дутья и газа.

Общий расход дутья определяется с коррекцией по содержанию кислорода и влажности. Информация (перепады давления газа по фурмам, перепад давления, давление и температура в коллекторе природного газа и в трубопроводе горячего дутья) вводится непрерывно от измерительных преобразователей. Задание расхода газа производится с помощью пультовых задатчиков. Вычисленное в соответствии с выбранным режимом регулирования задание Q_зi сравнивается с действительным расходом газа Q_rі, определяется сигнал рассогласования, который далее используется для регулирования по р-закону. Управляющее воздействие в виде модулированного по длительности сигнала выдается через усилитель мощности на исполнительный механизм, изменяющий положение регулирующего органа данной фурмы. Так как расход газа пульсирует, для повышения качества регулирования производится усреднение измеренных значений расхода.

В состав периферийных функциональных блоков подсистемы входят БПСЦ5, БКСА2, БКЦБ1, Б1ЦК1, БИКВ2, БИРР1, БПНК1 и БКНА1.

Подсистема измерения расходов дутья вычисляет расходы горячего и холодного дутья по формуле

В подсистеме используются БПСЦ5, БКСА2, БКЦБ1, БТЦС1 и БИКС1.

Подсистема измерения скорости шихты вычисляет скорость схода шихтовых материалов по пройденному чувствительными элементами уровнемеров пути за определенное время. Мгновенные скорости носят случайный характер, поэтому производится усреднение по восьми уровнемерам:

где s_i - путь, пройденный датчиком i-того уровнемера за время интегрирования ф_инт;

п - число уровнемеров.

В подсистеме используются функциональные элементы БПСЦ5, БКСА2, БКЦБ1, БПРР1, БТЦК, БПЦКЗ, БКЦА2, БТЦС и БИКС.

Подсистема регистрации работы загрузочного устройства обеспечивает регистрацию с помощью печатающего механизма информации о работе загрузочных механизмов: состояние распределительной воронки, в том числе угол положения воронки и режим быстрого вращения; положение юбки; срабатывание конуса; режим работы; номер бункера шихты; вид материала в бункере; счет подач в доменную печь; уровень засыпи; текущее время. Информация о режиме работы, номере бункера и виде материала в бункере вводится в виде дискретных сигналов и после программного преобразования хранится в блоке памяти комплекса. Положение распределительной воронки и юбки определяется способом программного преобразования позиционных сигналов, соответствующих положению механизмов, в кодированные. Алгоритм преобразования основан на вычислении номера позиционного сигнала и формировании адреса ячейки памяти, в которой хранится соответствующий кодовый сигнал. Формирование значения текущего времени осуществляется в блоке задания времени. Блок имеет выход дискретных сигналов для ввода информации в подсистему. Сигнал уровня поступает от уровнемера. Информация о работе загрузочного устройства выводится на регистратор из ячеек памяти, в которых она некоторое время хранится. В составе подсистемы БПСЦ5, БКЦБ1, БКЦА1, БКЦА2, БПЦКЗ, БТЦК1 и БВКР2. Для других узлов контроля и регулирования применяют комплексы КМ1302 и КМ2401. Комплексы КМ1302 применяют для построения контуров регулирования: уровня воды в барабане-сепараторе системы испарительного охлаждения, давления в под конусном пространстве, влажности дутья, давления природного газа.

Комплекс КМ2401 и функциональные блоки КТС ЛИУС применяются для контроля газораспределения в доменной печи, в том числе периодического измерения температуры газа и шихты в поперечном сечении верхней части шахты. Измерение параметров распределения газового потока производится путем периодического ввода зондов с термопарами по четырем взаимно перпендикулярным радиусам шахты под уровень засыпи.

В состав комплекса входят пульт управления, блок программно-логического управления и блок выходных усилителей.

3.3.3 Локальные системы автоматического регулирования воздухонагревателей

В функции локальных систем входит регулирование температуры купола, температуры горячего дутья, давления и теплоты сгорания смешанного газа и наполнения воздухонагревателей.

Рисунок 3.9 - Переводные устройства воздухонагревателей: а - дутье, б - нагрев (ХД - холодное дутье; ГД - горячее дутье)

...