Аналіз способів регулювання подачі дуття та їх вплив на газодинамічні процеси у доменній печі Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕС1В ТА СИСТЕМ

УДК 669.162.22

© Кравченко В.П.*

АНАЛ1З СПОСОБ1В РЕГУЛЮВАННЯ ПОДАЧ1 ДУТТЯ ТА IX ВПЛИВ НА ГАЗОДИНАМ1ЧН1 ПРОЦЕСИ У ДОМЕНН1Й ПЕЧ1

Виконано аналтичне до^дження двох cnoco6ie регулювання nodani дуття - з по-сттним тиском i з посттними витратами та гх вплив на гaзoдинaмiчнi процеси у доменнШ neni i, зокрема, на гг колошнику. Одержано диференцШне рiвняння змти тиску газу на колошнику, за допомогою якого знайдеш умови ведення гaзoдинaмiч-ного режиму mni при розглянутих способах noдaчi дуття.

Ключовi слова: доменна тч, способи noдaчi дуття, гaзoдинaмiчний процес, диференцШне рiвняння, тиск колошникового газу.

Кравченко В.П. Анализ способов регулирования подачи дутья и их влияние на газодинамические процессы в доменной печи. Выполнено аналитическое исследование двух способов регулирования подачи дутья - с постоянным давлением и постоянным расходом, а также их влияние на газодинамические процессы в доменной печи и, в частности, на ее колошнике. Получено дифференциальное уравнение изменения давления газа на колошнике, с помощью которого найдены условия ведения газодинамического режима печи при рассмотренных способах подачи дутья. Ключевые слова: доменная печь, способ подачи дутья, газодинамический процесс, дифференциальное уравнение, давление колошникового газа.

V.P. Kravchenko. Analysis of ways to control the supply of the blast, and their impact on gas-dynamic processes in the blast furnace. The article presents the analysis of two methods of control over hot blast supply into a blast furnace with constant pressure and constant amount (consumption). The analysis of these two methods was performed with the aim of determining their influence upon changes in gas pressure in the blast furnace top. The blast furnace was considered as a unity of vessels (furnace hearth, the top) and gas-dynamic resistance (a column of charge materials). A differential equation was obtained, with regard to the dynamic balance of gas flow at the inlet and outlet of the top; the equation relates the pressure and gas consumption at the top to the pressure and hot blast consumption at the inlet and outlet of the furnace and to the resistance of the column of charge materials. The column of charge materials is considered as n-th number of channels through which gas flow inside the furnace moves and which resist to the flow. By the analysis of this equation at steady state (automatic stabilization of gas pressure in the top), the conditions were obtained to be satisfied with the specified value of gas pressure in the top. This value is equal to a half of the sum of the value of hot blast pressure at the inlet into the furnace and the value ofpressure inside the collector of blast furnace gas. This conclusion is verified by the operation practice of blast furnaces in Ukraine. While analyzing the second method of controlling the supply of blast supply-stabilization of consumption (amount) of hot blast supplied into the furnace it has been shown that the method could be realized in condition of stabilization of the amount of blast furnace gas, going out of the furnace. As the resistance of the column of charge materials constantly changes it is necessary to change the hot blast pressure in order to ensure the constant amount of blast, supplied into the furnace. It is often connected with possible substantial pressure fluctuations of hot blast at the inlet of the furnace, which may result in stop-

канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь ^су^епЫ [email protected]

Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733

pages in the motion of the column of charge materials. Due to it the hot blast pressure stabilization at the inlet of the furnace and the pressure stabilization in the top seem to be the most rational way to control the blast supply.

Keywords: hot blast, charge materials, gas flow, gas pressure, stabilization, blast furnace, top, blast furnace gas.

Постановка проблеми. 1снують два основних способи регулювання подачi дуття у до-менну тч. Перший - це подача дуття з постшним заданим тиском гарячого дуття Ргд i другий -

подача дуття i3 постшними заданими витратами Fdd . Вщ обраного способу подачi дуття зале-

жать як режими роботи турбокомпресора (повпродувно! машини), так i газодинамiчний режим доменно! печi. Тому аналiз способiв подачi дуття i визначення !х впливу на газодинамiчнi про-цеси у доменнш печi мають певний теоретичний i практичний iнтерес.

Анашз останшх дослiджень i публiкацiй. Дослщженню газодинамiчного режиму доменно! печi присвячена велика кiлькiсть робiт. Питанню газодинамiки печi при пiдвищеному тиску в нш присвяченi фундаментальнi роботи проф. В.М. Щедрша [1]. Детально розглядаються питання газодинамiки печi в робот проф. В.П.Тарасова [2]. Крiм того цим питанням присвяченi числент публшацп в перiодичних виданнях. Але мало вивченими залишаються важливi для практики питання анатзу способiв подачi дуття в доменну тч i вплив !х на газодинамiчний режим доменно! плавки. Представлена робота е намаганням, в деякiй мiрi, висвiтлити цi питання.

Мета статть Для кожного з двох способiв подачi дуття у доменну тч аналiтично знайти залежнiсть змiни тиску газу на колошнику вщ параметрiв дуття (тиску, або витрат) i параметрiв стовпа шихти (газодинамiчного опору). Шляхом аналiзу одержано! залежностi визначити мож-ливий газодинамiчний режим роботи доменно! печь

Викладення основного матерiалу. З точки зору газодинамiчних процешв доменну пiч (ДП) можливо представити, як сукуптсть горну, частина якого е емюсть, заповнена горновими газами, стовпа шихтових матерiалiв i колошнику, який е емюстю, заповненою колошниковим газом. 1з колошника газ проходить очищення у газоочищувальному устаткуваннi i далi попадае у колектор доменного газу.

Розглянемо спочатку спошб подачi дуття з постiйним тиском Ргдзд . У цьому випадку тур-

бокомпресор, який виробляе дуття, працюе на сво!х робочих характеристиках [3], коливаючись поблизу свое! робочо! точки (рис. 1), у зв'язку з коливанням витрат гарячого дуття, яке сприй-мае ДП в кожний даний момент.

/ I I ^_|_1_1_^

Р? д. ноу (Гг. д. ноу (ну 3/год.)

Витрат и дуття

Рис. 1 - Робоча газодинамiчна характеристика турбокомпресора при стабшзацп тиску дуття

При цьому способi подачi дуття тиск гарячого дуття Ргд в першому наближент можна вважати таким, що дорiвнюe тиску горнових газiв Р1. Тим бiльше, що в останнi часи вiдсутнe

Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733

вдування в горн природного газу, тому юльюсть горнових ra3iB збiльшуeться незначно. Пiд дь ею цього тиску горновi гази проходять через стовп шихти, взаемоддачи з шихтовими матерiа-лами, в результат утворюеться колошниковий газ, який на колошнику ДП мае тиск Pk . Пiсля

очищення цей газ подаеться у колектор доменного газу, де тдтримуеться певний тиск P2.

Стовп шихтових матерiалiв мае велику кiлькiсть порожнин, яю утворюють певнi канали при проходжент через них газiв. При опускант стовпа шихтових матерiалiв кiлькiсть цих ка-налiв n та !х газодинамiчний опiр Ri безперервно змшюються, тобто цi величини е випадко-вими. Таким чином, якщо газодинамiчний режим доменно! печi ведеться шляхом тдтримання постiйного тиску гарячого дуття, тобто Pj = const, то через стовп шихти буде проходити рiзна кшьюсть горнових газiв в силу коливань n та Ri.

Структурно це можливо представити так (рис. 2).

Рис. 2 - Газодинамiчна структура доменно! печi

Перша емюсть (горн) мае тиск Р1 i з'еднана з другою емюстю (колошником) п каналами, кожний з яких мае свш отр R1, R2, .... Rn. Тиск газу на колошнику (при вщсутносп автоматичного регулювання) буде змiнюватись пiд дiею потоку газiв, якi поступають, проходячи через стовп шихти, i потоку колошникового газу, який виходить i ще на очищення. Позначимо емюсть колошнику через Ск, а газодинамiчний опiр газоочищувального устаткування через

dP

Rn+1. Тодi швидкiсть змiни тиску газу на колошнику —— буде визначатись балансом потоку,

dт

який приходить на колошник i який уходить з нього [4].

c/pk

dz

(P - Pk ) , (Pj - Pk ) , (Pj - Pk ) , , (Pj - Pk )

R

■ +

R

■ +

R

+... + -

R

(Pk - P2)

R

або скорочено:

C

P

dz

(Pj - Pk E=: R - P2 ) RL-

R Rn+1

(1)

(2)

Проаналiзуемо одержане рiвняння вiдносно розмiрностi фiзичних величин, якi входять до

нього:

Ck [м3 ]f-dz

Па

(P -PkR-[?]-(P, -PkInaR-[?].

R R, 1

(3)

1

1з рiвняння (3) виходить, що розмiрнiсть величини — буде [м3/с], тобто це розмiрнiсть

R

витрат газу Fi, який проходить через даний отр Ri. Тобто отр Ri е величиною зворотною

с

Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733

витратам газу, який проходить через нього. Хоча при проходженш горнових газiв через стовп шихти вони перетворюються на колошниковий газ i збiльшуються по кшькосп, але рушiйною силою !х все рiвно залишаеться рiзниця тискiв (Р1 — Рк ). Тому вплив тиску Р1 на потш газу,

який проходить через стовп шихти, буде мшятися за рахунок внутршнього джерела газу у сто-впi шихти, але вплив цього фактора не змшюе сутi дано! задача Через кожний окремий випад-ковий i -й канал з опором Ri проходить на колошник випадкова Fi кiлькiсть газiв, але сума !х

дае загальну кiлькiсть газу Fкг1 (п).

Як вщомо [5], при будь якому закош розподiлення випадкових величин (в даному разi Fi) сума цих величин буде мати нормальний закон розподшення. Тому сумарна кшьюсть газу

Fкг1 (п) мае нормальний закон розподшення з математичним очшуванням М [Fкг1 (п)] = Fкг1 та дисперсiею D[Fкг1 (п)].

Оперуючи тiльки середнiми сумарними величинами Fкг1 та Fкг2, рiвняння (2) можливо записати так:

IР

Ск~рк~ =(Р — Рк )Fкгl — (Рк — Р> )Fкг 2 , (4)

ат

тут Fкг1 - середш сумарнi витрати газу, який приходить на колошник;

Fкг 2 - середнi сумарнi витрати газу, який уходить iз колошника. У виразi (4) перенесемо величину Рк у лiву частину. Пiсля цього отримуемо: С аР F F

к_ш к , Р = Р 1 кг1__, Р 1 кг 2

к ~ 1(^1Г2

(FkZ1 + FKZ2 ) dZ к 1 (FKZ1 + FKZ2 )

C

Позначаючи через T = -,-^, остаточно одержимо:

(Кг1 + Кг 2 )

dP F F

T—t + Pk = Pl7-^-, + P27-^-,. (5)

d? vF^l + FKZ2) у^Кг1 + Кг 2)

Одержане диференцiйне pîbhhhhh описуе змшу тиску газу на колошнику Pk в залежностi вiд тиску P1 та витрат FKz1 колошникового газу, який приходить на колошник, а також вщ тиску P2 у колекторi чистого доменного газу та витрат Fkz 2 газу, який покидае колошник. Оскшь-ки витрати Fкг1 та Fkz2 е величинами випадковим, то ми маемо диференцшне рiвняння (4) з

випадковими коефщентами. При цьому зрозумшо, що кiлькiсть газу, яка проходить через стовп шихти, постшно змшюеться в силу змiни газопроникливосп шихти при ïï опyсканнi вниз, тому для стабшзацп тиску газу на колошнику необхщно вщповщним чином змшювати опiр газоочищyвальноï установки (дросельноï групи), тобто змiнювати кiлькiсть газу Fkz2, яка по-кидае колошник.

Розглянемо усталений режим автоматичноï стабшзацп тиску газу на колошнику на зада-ному рiвнi, тобто Pk = Pk3ad . В цьому режимi T(dPk /dz = 0) i тодi iз (5) маемо:

Fкг1 FKZ 2

^ 1 (Fкг1 + FK2 2 )

(F^1 У F'кг 2 )

F

Вiднiмемо вiд право!' та лiвоï частини цього рiвняння величину Pk-,-—-г . Тодi ма-

(Кг1 + Кг 2 )'

емо:

F F F F

P _p _кг1__P_кг1__P _кг1__y P кг 2

(Ккг1 У F'кг 2 ) (Ккг1 У F'кг 2 ) (Fкг1 У F'кг 2 ) (Ккг1 У F'кг 2/

Пюля спрощення маемо:

Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733

Р

1 -

F,

кг1

(^1 + Кг2 ),

=(Р - Рк)

F,

кг1

■ +

F,

кг 2

(Fкг1 ^ ^кг 2 ) (Fкг1 + Кг 2 );

Я

я, + к,, -я

л

к1

к 2

И

(Ккг1 + Ккг 2 )

= (Р - Рк )

к

кг1

к

кг2

Р

к

к2

,(Ккг1 + Ккг2

(Рк - Р2 )

2) У

к

= (Р - Рк ) Кг1

+ Р .

(Ккг1 + Ккг 2 ) 2 (Ккг1 + ^г 2 )''

к

кг2

-+ Р

(к + к )+Р2 (к + к ) '

кг1 кг2 кг1 кг2

к к

кг2 =(Р1 - Рк ): кг1

Звiдси:

(ккг1 + кк, 2 )

ГР - Рк ^

Р - Р

V к 2 У

(ккг1 + ^г 2 )'

к

к

(7)

(8)

Особливють виразу (6) полягае в тому, що спiввiдношення перепадiв тиску (Р - Рк) та (Рк - Р2) не залежить вщ абсолютного значення витрат колошникового газу ккг1 та ккг2, а за-лежить тшьки вiд !х спiввiдношення.

В сталому режимi ккг1 = ккг 2, а це означае, що в цьому режимi

тобто

(р - Рк ) = (Рк - Р2);

Р + Р

Р =

к ~ „

(9)

Таким чином, задане значення тиску газу на колошнику, яке треба автоматично тдтри-мувати, повинно дорiвнювати половит суми тиску горнових газiв (тиску гарячого дуття) Р1 та тиску доменного газу у цеховому колекторi Р2. Оскшьки Рк1 >> Р2, то практично:

Р = Р Рк 2 .

(10)

Розглянемо тепер спошб подачi гарячого дуття у ДП зi стабiлiзацiею кшькосп (витрат) гарячого дуття кгд = кгдзад. Стабiлiзацiя кiлькостi гарячого дуття при вшх iнших незмшних умовах рiвнозначно стабшзацп кiлькостi колошникового газу. Тому у подальшому будемо роз-глядати кiлькiсть колошникового газу ккг1 та ккг2. Оскшьки газопроникливють стовпа шихто-

вих матерiалiв (газодинамiчний опiр Rc) постшно змiнюеться, то для тдтримання постшно!

кiлькостi дуття, яке подаеться у тч, треба постiйно змшювати тиск Р1 цього дуття. Тобто тур-бокомпресор повинен переходити iз одно! робочо! характеристики на шшу (рис. 3).

Щоб кiлькiсть колошникового газу, яка проходить через стовп шихти зi змiнним опором Rc, була постiйною, треба вщповщним чином змiнювати тиск горнових газiв (гарячого дуття)

Р . При цьому тиск газу на колошнику Рк буде теж змшюватись, щоб в будь який момент за-безпечити проходження постшно! кшькосп колошникового газу. Тобто стабшзащя Рк при по-стiйнiй кiлькостi дуття принципово неможлива. Крiм того, постiйна кшьюсть газу, яка проходить через стовп шихти зi змiнним опором, потребуе змшного перепаду тиску АР = (Р1 - Рк ), оскшьки:

ккг1 = -1 к^4АР = -1 к^ (р - Рк ) , К К

тут к1 - коефщент пропорцiйностi. Звiдси:

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2015р. Серiя: Техшчш науки Вип. 31

ISSN 2225-6733

АР=(р - Pk )={Jjfl R )2.

Якщо ми стабiлiзуeмо кшьюсть дуття, тобто Fkz1 = const, то

(F )2

V кг1: = const = A, (kl )2

АР = AR )2.

(11)

(12)

Рис. 3 - Робочi газодинамiчнi характеристики турбокомпресора при стабшзаци

витрат дуття

Тут величина Rc - газодинамiчний опiр стовпа шихтових матерiалiв, який постшно змь нюеться, тому для стабшзаци величини А треба вщповщно змiнювати АР . Це, в свою чергу, може призвести до такого тдвищення тиску гарячого дуття Р1, що стовп шихти може зупини-тися. З урахуванням всього вище наведеного спосiб стабшзаци кшькосп дуття, яке подають у ДП, не е доцiльним. Практика ведення газодинамiчного режиму доменних печей тдтвердила це i тому автоматична стабшзащя тиску гарячого дуття використовуеться практично на вшх доменних печах Укра!ни.

Висновки

1. Одержано диференцшне рiвняння змiни тиску газу на колошнику доменно! печi в за-лежностi вiд балансу газу на колошнику i газодинамiчного опору стовпа шихти.

2. В сталому режимi при автоматичнш стабшзаци тиску газу на колошнику задане зна-чення цього тиску повинно складати половину тиску гарячого дуття.

3. Найбшьш ращональним для доменно! печi е спошб подачi гарячого дуття з постшним тиском, при якому можлива автоматична стабшзащя тиску газу на !! колошнику.

Список використаних джерел:

1. Щедрин В.М. Теория доменной плавки под давлением / В.М. Щедрин. - М. : ГИНТЛ по черной и цветной металлургии, 1962. - Т. 1. - 279 с.

2. Тарасов В.П. Газодинамика доменного процесса / В.П. Тарасов. - М. : Металлургия, 1990. - 216 с.

3. Доменное производство : справочник / Под ред. И.П. Бардина. - М. : ГНТИ литературы по черной и цветной металлургии, 1963 - Т. 1. - 646 с.

4. Профос П. Регулирование паросиловых установок / П. Профос. - М. : Энергия, 1967. - 368 с.

Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733

5. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика / В.Е. Гмурман. - М. : Высшая школа, 2003. - 479 с.

Bibliography:

1. Shedrin V.M. The theory of blast furnace smelting under pressure / V.M. Shedrin. - Moscow : SSTIL on ferrous and nonferrous metallurgy, 1962. - Vol. l. - 279 p. (Rus.)

2. Tarasov V.P. Gasdynamics of the blast furnace process / V.P. Tarasov. - Moscow : Metallurgiya, 1990. - 216 p. (Rus.)

3. Blast furnace production : Reference book / Edited by I.P. Bardin. - Moscow : SSTIL on ferrous and nonferrous metallurgy, 1963. - Vol. l. - 646 p. (Rus.)

4. Profos P. Regulation of steam power units / P. Profos. - Moscow : Energy, 1967. - 368 p. (Rus.)

5. Gmurman V.E. Probability theory and mathematical statistics / V.E. Gmurman. - Moscow : Vys-shaya shkolal, 2003. - 479 p. (Rus.)

Рецензент: В.О. Маслов

д-р техн. наук, проф., ДВНЗ «ПДТУ»

Стаття надшшла 02.l0.20l5

УДК 621.771.23.016.3-52

© Мiрошниченко В.1.1, CiMKiH О.1.2

П1ДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТ1 АВТОМАТИЗОВАНОГО УПРАВЛ1ННЯ ПРОЦЕСОМ ВОДОПОВ1ТРЯНОГО ОХОЛОДЖЕННЯ ЛИСТОВОГО ПРОКАТУ

Проанал1зоват основн методи моделювання об 'ект1в автоматизованого керуван-ня. Запропоновано метод багатор1вневого моделювання об 'ект1в з багатовим1рни-ми цтьовими функщями. На приклад1 моделювання процесу водоповтряного охо-лодження (ВПО) листового прокату в умовах посл1довного ВПО та при застосу-вант водоповгтряно! сумшг (ВПС) показано зменшення мгшмально необхгдно! кшь-костг ШерацШ при використанн запропонованого методу вдв1ч1 за тдвищеног адекватност1.

Ключовi слова: математична модель, водоповтряне охолодження, листовий прокат, багатовим1рна цтьова функщя.

Мирошниченко В.И., Симкин А.И. Повышение эффективности автоматизированного управления процессом водовоздушного охлаждения листового проката.

Проанализированы основные методы моделирования объектов автоматизированного управления. Предложен метод многоуровневого моделирования объектов с многомерными целевыми функциями. На примере моделирования процесса водовоз-душной охлаждения (ВВО) листового проката в условиях последовательного ВВО и при применении водовоздушной смеси (ВВС) показано уменьшение минимально необходимого количества итераций при использовании предложенного метода вдвое при повышенной адекватности.

Ключевые слова: математическая модель, водовоздушное охлаждение, листовой прокат, многомерная целевая функция.

V.I. Miroshnichenko, A.I. Simkin. Automated control of water-air cooling process for sheet products quality improving. An analysis of the main existing methods for modelling

1 асистент, ДВНЗ «Приазовський державний техмчнийушверситет», м. Маргуполь, [email protected]

2 канд. техн. наук, доцент, ДВНЗ «Приазовський державний техшчний ушверситет», м. Маргуполь, simkin@ukr. net