CC BY
57
УДК 611.78-52
А.И.Симкин, В.В.Потемкин
КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА В АСУТП НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ И КОЛОДЦЕВ
Функционирование промышленности в условиях перехода к рыночной экономике требует повышения качества готовой продукции и улучшения технико-экономических показателей работы цехов металлургических предприятий. Особенно эти задачи актуальны для прокатного производства, работающего с неполной загрузкой.
Точное выполнение вышеуказанных задач невозможно без функционирования автоматизированных систем управления технологическими процессами ( АСУТП), работающих в реальном масштабе времени.
В практике автоматизации нагревательных устройств традиционно контролируются следующие параметры: температура в рабочем пространстве, расходы топлива и воздуха, давление в рабочем пространстве. Для более качественного локального управления иногда к вышеуказанным добавляются температура поверхности и кладки, температура факела и химический анализ продуктов сгорания.
На получение представительной информации важно определить место установки датчиков, причем в первую очередь это касается температуры пространства, факела и свода, а также давления и химического состава продуктов сгорания. В любом случае необходимо иметь алгоритмы сглаживания и корректировки полученных от датчиков значений.
В рамках АСУТП представляется возможным с помощью использования математических моделей получение информации о параметрах, непосредственное измерение которых в ходе технологического процесса затруднительно или невозможно, например оценка температуры нагреваемых заготовок ила слитков [1].
Качество информации, используемой в управлении нагревательным устройством, существенно влияет на конечные результаты работы, поэтому автоматизация управления реальным процессом нагрева зависит от наличия надежных моделей, позволяющих идентифицировать технологический процесс или в целом, или при доминировании одного или нескольких факторов.
Управление сжиганием топлива. Эффективность работы нагревательных устройств во многом зависит от качества подготовки топлива и воздуха перед подачей их в печь. Подготовка топлива состоит в стабилизации его давления и обеспечении заданной теплоты сгорания. Подготовка воздуха включает стабилизацию его давления и поддержании максимально допустимой температуры подогрева, обеспечивающих эффективную работу печи или колодца и систем регулирования топливо-воздух.
Для предотвращения недожога, экономии топлива и повышения безопасности системы регулирования соотношением строятся с блокировками расходов воздуха и топлива для горения таким образом, что при увеличении тепловой нагрузки воздух является ведущим параметром, а при снижении -ведомым. При стабильной работе печи без изменения тепловой нагрузки контуры расходов топлива и воздуха работают параллельно с поддержанием посредством локальных регуляторов заданных расходов. С увеличением тепловой нагрузки происходит ступенчатое увеличение расходов топлива и воздуха с опережением расхода воздуха, при уменьшении осуществляется аналогичное снижение расходов топлива или воздуха расход второго компонента изменяется в выше описанном порядке автоматически.
В случае реализации такой системы в рамках АСУТП качество работы такой системы можно улучшить, если:
1. При отклонениях барометрического давления и температуры воздуха или топлива от расчетных в показания расходомеров вводить соответствующие поправки для приведения к стандартным условиям.
2. Автоматически учитывать колебания теплоты сгорания топлива, особенно в случае использовании смесей газов. В этом случае необходима установка калориметра.
3. Учитывать отличие действительного количества воздуха, поступающего в печь или колодец, от измеренного.
4. Осуществлять контроль за полнотой сжигания топлива.
5. В систему регулирования ввести корректор, учитывающий экстремальную связь между температурой сжигания и коэффициентом расхода топлива (экстремальное регулирование) и др.
О полноте сжигания топлива можно судить по результатом анализа продуктов сгорания, отбираемых в конце каждой зоны печи или на выходе продуктов сгорания нагревательного колодца. По найденному содержанию кислорода, водорода, угарного газа, азота и других составляющих может быть вычислен действительный коэффициент расхода воздуха. Разность между вычисленным и заданным значениями может являться корректирующим сигналом регулятору соотношения. К сожалению, инерционность современных газоанализаторов на порядок больше инерционности объектов управления, что приводит к большим знакопеременным погрешностям. Когда в печи осуществляется полное сжигание топлива, то достаточно контролировать только содержание кислорода в продуктах горения. Такой анализ может быть выполнен с достаточным быстродействием и без применения сложных устройств с помощью датчика с твердым электролитов, пропускающего ионы кислорода. Чтобы уменьшить кратковременные колебания соотношения топливо-воздух, связанные с запаздыванием показаний расходомера или с прекращением регулирования, вызванным отклонением температуры датчика от заданного значения, в систему необходимо ввести импульс от исполнительного механизма, перемещающего регулирующий орган на трубопроводе топлива. Подключенный через дифференциатор, этот импульс обеспечивает одновременный поворот обоих регулирующих органов, что приведет к одновременному изменению расходов топлива и воздуха. Оставшееся отклонение соотношения топливо-воздух будет устранено по сигналам расходомеров или по сигналу вышедшего на заданную температуру датчика с твердым электролитом.
Качество управления сжиганием топлива может быть повышено установкой экстремальных систем регулирования, в которых в результате непрерывного поиска определяется значение соотношения топливо-воздух, обеспечивающее максимальную при данном расходе топлива температуру в области, контролируемой датчиком.
Управление расходом воздуха при практически постоянной нагрузке нагревательных устройств по содержанию кислорода в продуктах сгорания осложнено дороговизной и тем, что установка газоанализатора для контроля содержания кислорода для каждой зоны желательна, но затруднительна из-за отсутствия представительных точек отбора проб продуктов сгорания на анализ. Возможна установка одного газоанализатора с отбором пробы на анализ за печью в борове или дымовой трубе и с размножением или раздачей сигнала коррекции в контуры соотношения расходов топлива и воздуха по зонам.
Управление гидравлическим режимом. В процессе работы гидравлический режим нагревательных устройств подвергается непрерывным возмущающим воздействиям, что при отсутствии эффективной системы регулирования давления в рабочем пространстве может приводить к колебаниям коэффициента расхода воздуха, отсутствию возможности качественного управления сжиганием, повышению удельных расходов топлива и угару металла. Качество работы системы регулирования зависит от представительности точки отбора давления, правильности подключения
датчика, типа регулятора и его настройки, скорости перемещения и характеристики регулирующего органа. В практике управления гидравлическим режимом нагревательных печей в последние годы появились различные технологические приемы. Примером может служить установка встречных горелок, работа которых коренным образом изменяет аэродинамику газов, что, в свою очередь, оказывает влияние на распределение давления по длине рабочего пространства и процессы внешнего теплообмена. В этом случае целесообразно измерять давление в некоторых точках по длине печи, получая таким образом картину изменения давления по длине печи, что дает возможность более качественно рассчитывать тепловое состояние садки. Так как гидравлический режим существенно влияет на теплообменные процессы в рабочем пространстве печей и колодцев, изменение давления может применяться и как управляющий сигнал, особенно при переходных режимах
работы агрегатов.
Управление температу рным режимом. Управление температурным режимом нагревательных устройств заключается в определений текущих заданных температур в регулируемых зонах. Для нагревательных колодцев стратегия управления различна для периода нагрева и выдержки, а для нагревательных печей зависит от многих факторов, главные из которых -текущие производительность печи и тепловое состояние садки, ее геометрические размеры и теплотехнические характеристики и др. Главной задачей при разработке алгоритма работы подсистемы - выявить зависимость температуры каждой из зон печи от вышеперечисленных факторов, как представлено, например, в [2].
Реализация управляющих воздействий в АСУТП супервизорного типа. Вопрос реализации управляющих воздействий (алгоритм изменения заданных значений параметра в соответствии с расчетами) является одним из ключевых, т.к. необходимо, чтобы изменение заданных значений не приводило к потере устойчивости в контурах локального регулирования. Существуют ' два основных способа реализации - выдавать разницу между новым и текущим заданными значениями сразу либо по частям через определенные промежутки времени. В пользу второго способа выступает то обстоятельство, что нагревательные устройства являются объектами с распределенными параметрами, и, кроме того, в многозонных печах существенно влияние зон друг на друга [3].
Реализацией второго способа является дискретно-аналоговая система управления, в которой изменение положения/автоматического задатчика производится по частям. Для управления температурами зон преимущества такой системы по сравнению с изменением задания целиком следующие.
Во-первых, регулирующий орган перемещается плавно на небольшую величину за 1 шаг управлений и не наблюдается всплесков управляющего воздействия. При этом система регулирования соотношения топливо-воздух наилучшим образом отрабатывает задание, выдаваемое ей из системы регулирования температуры.
Во-вторых, если изменяется задания в нескольких контурах регулирования температуры одновременно, то на зоны будут дополнительно действовать возмущения по нагрузке со стороны соседних зон. Поэтому в случае выдачи изменения задания целиком может возникнуть перерегулирование, достигающее недопустимых с точки зрения технологии значений. Недопустимое перерегулирование может возникнуть и при увеличении темпа прокатки, когда в сварочные зоны печей начинает резко поступать холодный металл. При этом изменение заданиям может достигать 100 и более градусов.
Моделирование на ЭВМ переходных процессов позволило весь возможный диапазон изменения заданий регуляторам разбить на три интервала: от 5 до 40 градусов, от 40 до 100 градусов и свыше 100 градусов. Для нормального режима работы (первый и второй интервалы) величину изменения уставки целесообразно выбирать в диапазоне 6-12 градусов. Меньшую величину дискретного шага выбирать нецелесообразно из-за
наличия нечувствительности регулятора и погрешности средств измерения. Большую величину дискретного шага нельзя принять, из-за того, что локальная система регулирования не успеет отработать изменение задания за период квантования уставки.
Для ведения эффективного управления период выдачи уставок должен быть минимизирован. Режимные параметры работы нагревательных устройств во время простоев. Режимы тепловой обработки металла в нагревательных устройствах в основном ориентируются на максимальную их производительность. В условиях сложившейся обстановки отсутствия металла, необходимости жесткой экономии топлива возникает вопрос о разработке комплекса теплотехнических мероприятий, позволяющих обеспечить быстрое реагирование на различные нештатные ситуации (остановки линии стана, отсутствие металла, ремонты различной продолжительности и др.). На основании производственных исследований необходимо разработать субоптимальные (с токи зрения экономии топлива и металла) температурные режимы работы печей в условиях неполной загрузки стана в зависимости от продолжительности остановок и характеристики садки. Температурные режимы работы нагревательных устройств могут быть дифференцированы по продолжительности остановок стана. При этом режимы нагрева должны учитывать особенности поведения различных марок стали при выдержке в условиях расчетной температуры рабочего пространства, как, например, в [3].
Предложенные режимные параметры работы методических печей в период остановов и алгоритмы реализации уставок реализованы в АСУТП участка печей ЛПЦ-3000 меткомбината им. Ильича. Эффект внедрения - 6 кг условного топлива на 1 т годного металла, или 1% .
Перечень ссылок
1. Гончаров А.Л., Лисиенко В.Г., Резник И. М. Математическая модель пламенной печи для разработки АСУТП нагрева металла // Изв. вузов. Черная металлургия, - 1989. - N 12. - С.121-125.
2. Прядкин Л.Л., Антонов Г. О., Бойчук Б.И. Опыт управления методическими печами толстолистового стана горячей прокатки с ЦВМ в замкнутом контуре // Промышленная энергетика, Киев. - 1983. - Т.5. - N6. -С. 88-92.
3. Симкин А.И. Режимные параметры работы печей с шагающими балками в условиях неполной загрузки стана // Сб. тез. докл. II региональной науч.-техн. конф. ММИ, Мариуполь.- 1993. С.72-76.
I
