CC BY
41
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2000 р. Вип. №10
УДК 621.783.2:662-52
Симкин А.И.\ Потемкин В.В.
ПРОБЛЕМЫ РАБОТЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ В УСЛОВИЯХ ДЕФИЦИТА ТОПЛИВА
Рассмотрена работа участка печей ЛПЦ-3000 "ММК им. Ильича", включающего четыре семизонные методические печи с шагающими балками в условиях дефицита топлива и металла. Получены скорректированные коэффициенты модели нагрева в задаче оперативной оценки теплового состояния заготовок. Результаты расчета совпадают с реальными показателями работы печей.
Ранее при проектировании агрегатов для нагрева металла перед прокаткой учитывался непрерывный характер их работы с производительностью, близкой к максимальной, с учетом плановых остановок стана. При этом учитывались свойства нагреваемого металла и сжигаемого топлива (вид топлива, калорийность), а также ряд других параметров. В соответствии с вышеуказанными характеристиками и требуемой производительностью выбирались геометрические размеры печей (длина, профиль печи), количество отапливаемых зон, тип горелок, температура подогрева воздуха, агрегат утилизации тепла отходящих газов и др.
Участок печей ЛПЦ-3000 металлургического комбината им. Ильича включает четыре се-мизонных методических печи с шагающими балками конструкции Стальпроекта. Основные паспортные параметры печей следующие: производительность печи 210 и 170 т/час для конструкционных и низколегированных трубных марок сталей соответственно; калорийность природного газа 34 МДж/м*; его максимальный расход - 17 тыс. м3/ч; температура подогрева воздуха 400 °С. В течение последних лет печи подверглись ряду конструктивных изменений, коснувшихся в основном конструкции горелок, газоотводящего тракта и теплового режима методической зоны. Участок оснащен автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТТЛ), управляющей температурным режимом печи в супервизорном режиме.
В настоящее время в связи с дефицитом топлива и слябов обычно в работе находится только одна печь. В зависимости от конкретной ситуации возможное потребление природного газа колеблется в диапазоне 3.11 тысяч м3/ч. Кроме того, его калорийность снизилась до , а в связи с низким его потреблением температура подогрева воздуха упала до 300 °С и менее. В таких условиях резко снижается производительность печи [1], а параметры температурного режима не отражают реальный нагрев садки, что приводит к неустойчивой работе АСУ ТП и ошибочной оценке температуры металла.
В связи с выше перечисленным, перед авторами была поставлена следующие задачи:
оценить существующие температурный и тепловой режимы работы печей и равномерность прогрева сляба при различных расходах газа;
скорректировать действующую модель нагрева металла, функционирующую в рамках программного обеспечения АСУ ТП;
на основании выводов поставить в соответствие текущим условиям эксплуатации технологическую инструкцию по нагреву слябов.
С целью уточнения технологических параметров нагрева слябов в печах с шагающими балками стана 3000, оценки тепловой работы печей и получения их теплообменных характеристик для корректировки расчетных моделей АСУ ТП печей были проведены четыре (по одному на каждую печь) опытных нагрева слябов с измерением их характерных температур в процессе перемещения садки по длине печи. Была использована многократно опробованная на промышленных печах методика теплотехнических испытаний [4]. В качестве экспериментального был
1111ТУ, канд. техн. наук, доц. 2111 ТУ, ст. препод.
выбран сляб марки 10Г2ФБ. Глубина установки термопар и расположение отверстий в экспериментальном слябе представлены на рисунках 1 и 2.
Я-
—Е 41 им
41 мч
---□ 40 Ь
л
/
Рис. 1 - Размеры выреза и глубина зачеканки термопар по сечению экспериментального сляба (прогонка № 1, 2, 3)
Рис.2 — Точки зачеканки термопар по сечению экспериментального сляба (прогонка № 4)
Предварительно поверенные в соответствии с требованиями термопары типа ХА были установлены в среднем сечении слябов (рис. 1) и, кроме того, в сечении сляба над неподвижной балкой в среднем сечении рейтера (рис 2) вдоль предполагаемых изотерм. Экспериментальный сляб нагревался в потоке металла, и одновременно с этим производилось периодическое измерение температур сляба в контрольных точках по его сечению. Основные параметры работы печи (температуры зон, расходы топлива и воздуха по зонам печи, температура металла по модели, темп выдачи заготовок и др.) фиксировались автоматически с помощью специально введенных в АСУ ТП задач, а также вручную на центральном посту управления печами. Основные показатели нагрева во время экспериментов представлены в табл. 1.
Таблица 1 — Основные показатели нагрева во время экспериментов.
Показатель Опыт № 1 Опыт №2 Опыт №3 Опыт№ 4
(печь 2) (печь 4) (печь 1) (печь 3)
Удельное время на*рева, см/мин 7,76 7,6 7,36 10,76
Средний расход топлива,
тыс. м3/час 13,062 11.319 8.357 7,046
Удечькмй раечщ природного 108
хаза^/г годного 114 101 «2
Температура вблизи верхней
поверхности, °С 1177 1188 1204 1093
Темпера^ра вблизи нижней
поверхности, X 1077 !Ш 1187 1087
Температура центра,
°С 1152 1120 1185 1040
Примечания.
1. Во время проведения эксперимента на печи №1 были зафиксированы:
• остановка печи на 30 мин., во время которой сляб находился в первой сварочной зоне;
• превышения верхних пределов технологической инструкции по уровню температур в зонах, за счет уменьшения температур в других зонах печи.
2. Во время проведения эксперимента на печи №2 был зафиксирована остановка печи на 50 мин., которая застала сляб в томильной зоне, где и была подстужена нижняя поверхность.
После каждого опыта строились совмещенные графики нагрева экспериментального сляба по модели АСУ ТП и действительным температурам, полученным по ходу продвижения сляба в печи (рис. 3).
Как видно из таблицы, первые два эксперимента проводились на печах, работающих в нормальном режиме (последние два года для нормальной работы печи средний расход газа колеблется в диапазоне 11500..13000 мЗ/ч). Третья и четвертая прогонка проводились в условиях значительного дефицита газа (менее 50% паспортного расхода). Экспериментальные данные были обработаны на модели, решающей обратную задачу теплопроводности. Обнаружилось резкое снижение коэффициентов теплоотдачи излучением и, соответственно, локальной лучистой температуры [4]. Рекомендовано в создавшихся условиях с учетом действующей технологической инструкции не увеличивать производительность печи свыше 130 тонн в час, так как это приведет к значительному уменьшению температуры металла на выдаче из печи.
Кроме того, выяснилось, что температура, соответствующая показаниям импульсных термопар первой (методической) зоны не отражает действительный уровень, что сильно сказывается на работу модели нагрева АСУ ТП, и, соответственно, на качество управления температурным режимом печей.
Математическая модель нагрева металла, действующая в рамках АСУ ТП участка печей ТЛЦ-3000, не отражает действительный уровень температур нагреваемых слябов. Во всех опытах температура, рассчитанная моделью, выше действительной температуры на 20-300 градусов.
Задача оперативной оценки теплового состояния заготовок (далее - задача ОТСЗ или модель нагрева) решает задачу нестационарной теплопроводности в печи и является составной частью программного обеспечения (ПО) АСУ ТП нагрева металла. Она реализует расчет и индикацию (с учетом окалинообразования) теплового состояния всех заготовок, расположенных в рабочем пространстве печей. В связи с необходимостью функционирования в реальном масштабе времени задача упрощена (в частности, принято, что нагрев симметричный). Имеется ряд существенных недостатков: при расчете учитываются только показания зонных термопар, без привязки к параметрам теплового режима (расходы топлива и воздуха, давление в печи); модель нуждается в периодической (1 раз в 1-2 года) настройке и адаптации, т.к. в ПО АСУ ТП нет соответствующих задач и т.д. Наличие только одного коэффициента настройки (коэффициент перехода от температуры, измеренной зонной термопарой, к локальной лучистой температуре) в современных условиях делает процесс настройки модели практически невозможным.
Для настройки модели нагрева необходимо было дополнить программу расчета дополнительным настроечным коэффициентом. После изучения алгоритма расчета и программы в качестве такого коэффициента можно было использовать: коэффициент несимметричности нагрева, коэффициента теплоотдачи конвекцией; приведенного коэффициента лучеиспускания; коэффициент теплоотдачи излучением (внешнего теплообмена). При сопоставлении результатов работы модели для различных значений указанных выше коэффициентов выяснилось, что варьирование коэффициентами несимметричности нагрева и теплоотдачи конвекцией в пределах их возможного диапазона не позволяет настроить модель нагрева с использованием данных экспериментов. Влияние приведенного коэффициента лучеиспускания и коэффициента теплоотдачи излучением практически одинаково во всех зонах печи, за исключением методической, где доля лучистой энергии, передаваемой садке, значительно меньше.
Поэтому для настройки модели использовали дополнительного настроечного коэффициент коррекции к коэффициенту внешнего теплообмена. Значение коэффициента было привязано к расстоянию от окна загрузки или (координате сляба) в печи. Базовые значения настроечного коэффициента определялись с использованием программы решения обратной задачи теплопроводности, а затем корректировались в небольшом диапазоне по результатам работы модели.
В ходе работы выяснилось, что значения настроечных коэффициентов различаются в зависимости от текущего расхода топлива и распределения его по зонам печи. Поэтому изменение коэффициента коррекции потребовалось привязать не только к координате, но и к текущему расходу топлива на печь.
Предложено различать следующие режимы работы печи при условии выдачи нагреваемых слябов: нормальный режим работы печи (12000 - 15000 м/ч), промежуточный (9000 -12000 м3/ч), аварийный режим (менее 8000 \г/ч). Для устойчивой работы при общем расходе
(s>
1300
1200
1100
1000
900
О 800
о
<i
а £ 700
и) а ф 600
с
2
£ 500
400
300
200
100
0
1 зона
2/3 зона
4/5 зона
г
О 20 40 60 80 100 120 140 160 180
поверх, сляба АСУ ТП центра сляба АСУ ТП средн. массов. АСУ ТГ!
—о—Т поверх, сляба экспер. -о- Т центра сляба экспер. Т средн. массов, экспер.
Рис. 3 - Распределение температур в слябе во время прогонки № 3
газа на печь менее 8000 м3/ч расход газа в первой сварочной зоне обычно уменьшают (или отключают нижнюю зону).
Выводы
1. В современных условиях дефицита топлива и нестабильности работы металлургических агрегатов упрощенные модели, на которые ранее ориентировались при внедрении и эксплуатации систем автоматизации, функционируют неустойчиво и с большими погрешностями. Например, одномерная модель нагрева применима только в узком диапазоне изменения основных параметров теплового режима. В современных условиях нестабильной работы печей в рамках ПО АСУ ТП должны функционировать модели нагрева, чувствительные как к температурам зон, так и расходам топлива (по зонам и на всю печь) и давлению в печи. Соответственно, появится возможность управлять и параметрами теплового режима работы печей, что приведет к существенной экономии топлива (до 3-5 %).
2. Режим работы нагревательной печи при низком расходе топлива приводит к тому, что температура продуктов сгорания падает. В связи с этим вода, появляющаяся после конденсации пара или из отдельных течей котла - утилизатора попадает в рабочее пространство печи, что резко уменьшает срок службы футеровки и других элементов печи. Кроме того, снижается температура подогрева воздуха для сжигания топлива;
3. В случае уменьшения расхода газа на печь менее 9000 м3/ч без дополнительных остановок печей на подогрев нагреть сляб до требуемого уровня среднемассовой температуры с минимальной разницей по сечению сляба не удастся. В частности, в четвертом эксперименте наблюдается сильный недогрев контрольного сляба по среднемассовой температуре на 150 °С.
Перечень ссылок
1. Оценка производительности нагревательных печей ЛПЦ-3000 ММК им. Ильича / Симкин А.П., Потемкин В.ВН Сб. тез. докл. V региональной науч.-техн. конф. ПГТУ, Мариуполь. - 1998 г. С.36
2. Контроль и управление параметрами теплового режима в АСУ ТП нагревательных печей и колодцев / Симкин А.П., Потемкин В.В.//Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. Вып. 2-Мариуполь, 1996.-С. 181-184
3. Методика настройки математической модели нагрева металла автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) проходной нагревательной печи прокатного производства/СимкинА.И., Потемкин В.ВН Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. Вып. б.-Мариуполь, 1999.-С. 172-176
4. Шмачков ПЛ., Симкин А.П. Экспериментально - расчетное исследование температурных полей в печи с шагающими балками стана 3000 // Сталь, 1993-№ 6 -С.89-90.
Симкин Александр Исаакович. Кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизации технологических процессов и производств, окончил Мариупольский металлургический институт в 1981 году. Основные направления научных исследований и работ - теплофизика металлургических процессов; автоматизация нагревательных устройств черной металлургии; разработка и реконструкция АСУ ТП в металлургии; компьютерно - интегрированные технологии. Потемкин Владимир Владимирович. Старший преподаватель кафедры автоматизации технологических процессов и производств, окончил Приазовский государственный технический университет в 1996 году. Основные направления научных исследований и работ - теплофизика металлургических процессов; автоматизация нагревательных устройств черной металлургии, проектирование АСУ ТП; компьютерно-интегрированные технологии.
