Сеть доменного газа металлургического комбината как объект управления 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.*

МЕРЕЖА ДОМЕННОГО ГАЗУ МЕТАЛУРГ1ЙНОГО КОМБ1НАТУ ЯК ОБ'еКТ КЕРУВАННЯ

Розглядаеться мережа доменного газу металургтного комбтату як об 'ект керу-вання, вх1дними величинами якого е параметри потоюв газу (тиск i витрати) на вход1 i виходi загального колектору, а виходом - тиск газу у колекторi. Об 'ект ке-рування представлений у виглядi диференцтних рiвнянь, одне з яких описуе швид-юсть змти тиску газу у колекторi вiд об 'емног ^brn^i вхiдних i вихiдних потоюв газу, а друге - вiд тиску газу у цих потоках. Одержат рiвняння дають змогу аналi-зувати змту тиску у колекторi тд дiею рiзного типу збурень у мережi i викорис-товувати результати цього аналiзу для розробки ефективних систем автоматич-ног стабмзацп роботи мережi.

Ключовi слова: металургтний комбтат, мережа доменного газу, колектор доменного газу, тиск газу у колекторi, об 'ект керування, диференцтш рiвняння змти тиску газу у колекторi.

Кравченко В.П. Сеть доменного газа металлургического комбината как объект управления. Рассматривается сеть доменного газа металлургического комбината как объект управления, входными величинами которого есть параметры потоков газа (давление и расход) на входе и выходе общего коллектора, а выходом - давление газа в коллекторе. Объект управления представлен в виде дифференциальных уравнений, одно из которых описывает скорость изменения давления газа в коллекторе от объемного количества входных и выходных потоков газов, а второе -от давления газа в этих потоках. Полученные уравнения позволяют анализировать изменение давления в коллекторе под воздействием различного типа возмущений в сети и использовать результаты этого анализа для разработки эффективных систем автоматической стабилизации работы сети.

Ключевые слова: металлургический комбинат, сеть доменного газа, коллектор доменного газа, давление газа в коллекторе, объект управления, дифференциальные уравнения изменения давления газа в коллекторе.

V.P. Kravchenko. Blast furnace gas network of iron and steel works as an object of control. Blast furnace gas network of iron and steel work was analyzed in the article. The network comprises a collector and pipe lines, supplying gas from five and taking off gas from the collector towards blast stoves units of the corresponding blast furnaces, two gas consumers and also the unit of vent and popping of surplus gas. The parameters of incoming and outgoing gas are constantly changing in such network, it causing pressure fluctuations inside the collector. The objective of control over such network is to stabilize blast furnace gas pressure in the collector under conditions of constant fluctuations of flows on its input and exit. To solve this problem it is necessary to represent the network of blast furnace gas as an object of control, its input values being the parameters of gas flows (pressure and consumption) on the input and output of the common collector, gas pressure inside the collector being the output value. The rate of alternation of gas mass in the collector was determined on the basis of balance of mass gas flows on the input and output of the collector. A differential equation, connecting the rate of pressure alterna-

канд. техн. наук, доцент, ДВНЗ «Приазовський державний техшчний утверситет», м. Марiуnоль, kravchenko [email protected]

Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733

tions in the collector with its mass incoming and outgoing flows was developed by means of transition from the rate of gas mass in the collector to alternations of its pressure. A similar equation was obtained for volume gas fluxes. With application of the value of hydraulic resistance of appliances, regulating gas flows in the corresponding pipe lines a differential equation, connecting the rate of gas pressure alternations in the collector with gas pressure in the supply and lateral pipe lines. Thus, the object of control was represented in the form of differential equations, one of them describing the rate of gas pressure alternations in the collector from the bulk amount of incoming and outgoing gas flows, the other -from gas pressure in those flows. The obtained equations make it possible to analyze alternations of pressure in the collector, under the influence of various types of network disturbances and the results of such analysis can be used for development of efficient systems of automatic stabilization of network functioning. Keywords: iron and steel works, blast furnace gas network, blast furnace gas collector, gas pressure in the collector, object of control, differential equations of gas pressure alternation in the collector.

Постановка проблеми. Доменний газ, який виробляють Bci доменш ne4i цеха, подасться в цеховий колектор - газопровщ великого дiаметру (Ду 3000 i бшьше). 1з нього газ розподшя-сться мiж споживачами. Це, в першу чергу, блоки повiтронагрiвачiв кожно! доменно! печ^ ТЕЦ, паро-елетро-повггродувна станщя (ПЕПС), на^ваючи ^4i прокатних цехiв, тощо. При-значення колектору - бути накопичувачем i буфером мiж агрегатами-виробниками i агрегата-ми-споживачами доменного газу. Колектор разом з газопроводами виробниюв i споживачiв доменного газу утворюють складну мережу забезпечення металургшного комбшату доменним газом. Оскшьки як виробництво, так i споживання доменного газу постшно коливаються, то в цш OT^^i i, вщповщно, в колекторi постшно змшюеться газодинамiчний режим - коливасться як кшьюсть, так i тиск доменного газу.

З метою стабшзацп газодинамiчного режиму мережi доменного газу i запобтання ава-рiйних ситуацiй необхiдно контролювати i автоматично регулювати тиск доменного газу у ко-лекторi. Тиск регулюють шляхом запобiгання перевищення поточного значення тиску над за-даним (максимально припустимим) шляхом скиду iз колектору «зайвого» доменного газу. Для цього використовують спещальш газоскиднi пристро! (ГСП) або «свiчi», за допомогою яких «зайвий» доменний газ iз колектору викидаеться i спалюеться в атмосферi [1]. ГСП уявляе собою опорну конструкщею з трубою в середиш, пiдняту на висоту 50-60 м. На кшщ труби роз-ташованi горiлки з запальниками, за допомогою яких i спалюеться цей газ.

Для ефективно! стабшзацп газодинамiчного режиму мережi доменного газу шляхом ре-гулювання тиску у колекторi треба мати математичний опис залежносп тиску газу у колекторi вiд газодинамiчних параметрiв мережi, тобто представити цю мережу як об'ект керування.

AH^i3 останшх дослiджень i публiкацiй. Конструкцiя агрегатiв i особливосп експлуа-тацп газового господарства металургшного заводу взагалi i колектору доменного газу зокрема розглянуто в [2]. В нш наведеш iснуючi традицшш методи контролю та регулювання тиску доменного газу у колектору

З метою зниження втрат доменного газу i ефективного забезпечення споживачiв доменним газом високого i низького тиску запропоновано пристрш [3] для розподшення газу шляхом використання двох колекторiв: один високого i один низького тиску.

Для стабшзацп тиску у колекторi очищеного доменного газу запропонований спошб [4] зменшення коливань тиску газу у колекторi шляхом регулювання подачi газу iз краплевловлю-вача i використання його як буферно! емностi, що е проблематичним. В наведених роботах роз-глядались тшьки окремi питання роботи колектору газу i не розглядались газодинамiчнi проце-си в мережi доменного газу в цiлому i вплив на них рiзного роду збурень. В данiй роботi зроб-лена спроба в деякiй мiрi вирiшити цi питання.

Мета статт - представити мережу доменного газу комбiнату як об'ект керування, вхщ-ними величинами якого е параметри потоюв газу (тиск i витрати) на входi i виходi загального колектору, а виходом - тиск газу у колектору Для цього необхщно знайти диференцшне рiв-няння, яке описуе газодинамiчний режим роботи колектору у мережi доменного газу металургшного комбшату.

Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733

Виклад основного матерiалу. Мережа доменного газу (рисунок) складасться iз колектору eмкiстю СК, у який газ подасться вщ виробникiв (доменних печей) ^ iз якого газ передаеть-ся споживачам, а частина може скидатися через ГСП. В цш мережi виробниками доменного газу е п'ять доменних печей (ДП). Вiд кожно! iз них доменний газ ще через дросельну групу у цеховий колектор з тиском до дроселя Р i у кiлькостi Q¡. 1з колектору газ подаеться, перш за все, на блок повiтронагрiвачiв (ПН) кожно! печi для на^ву дуття. При цьому три ПН блоку постшно знаходяться на на^ву, а один - на дутп. Тобто практично на кожний блок ще постш-на кшьюсть газу QБГШ¡ з постiйним тиском Ртт . 1з колектору також виходять два газопроводи, як подають газ до двох груп споживачiв з параметрами Qcm , Рст та QСП2, РСП2. При позитивному небаланс виробленого i спожитого газу для стабшзацп тиску у колекторi треба частину газу з тиском РК у кшькосп Qгcm скидати i спалювати у ГСП.

Рисунок - Схема мережi доменного газу металургшного комбшату

Швидюсть змiни тиску у колекторi

• dP„

dт

залежить вщ емкостi колектору Ск, кiлькостi i

тиску потоюв доменного газу, якi входять в нього та виходять iз нього, а також вщ гiдравлiчно-го опору К цим потокам у кожному з трубопроводiв. Позначимо тиски та кшькосп (витрати) потокiв виробленого газу, яю поступають вiд ДП через Р та Q¡, а отр цим потокам - К .

Представимо колектор як емюсть Ск, в яку входять i iз яко! виходять потоки доменного газу. Попк на входi колектору це в даному випадку маса газу GВХ , виробленого 5-ма ДП, тобто:

°ВХ = £ , [кг/с].

(1)

Потоки на виходi - це маса газу на опалювання блоюв повiтронагрiвачiв Gmн¡ доменних печей, Gcm - маса газу до шших споживачiв (у даному випадку !х два), а також маса газу на скид i спалювання через ГСП Gгcm:

°ВИХ = X °Бтш1 + X °ст + °гст , [кг/с].

(2)

Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733

Для спрощення величина часу т, як аргумент, у позначенш всiх потокiв газу у (2) опущена. Рiзниця цих потоюв в часi буде визначати швидюсть змiни маси, тобто густини газу р у ко-лекторк

гВХ — гВИХ - Гк . (3)

ат

Помножимо i подiлимо праву частину цього рiвняння на -Рк , тодi маемо:

г — г - г Ое -Рк. - Г Р -Р^ (4)

^ВХ ^ВИХ к , 7Г, к 7Г, , • V4/

ат аРк аРк ат

1з рiвняння Менделеева-Клапейрона маемо:

т

— . Я. Т °

Л л

т п ^ _ Гк . р

ГК . Рк- — . Я. Г . Я. г

звiдси:

звщси густина газу:

а и похщна:

Рк - р. Я. Т або Рк - р. ц. Т,

л

Рк

Р-—— ЯмТ °

ар

аРк ЯмТ°

я

де Ям ---молярна газова стала [Дж/кг-К]; Т° - абсолютна температура газу [К].

л

Щцставляючи значення у (4), маемо диференцшне рiвняння змiни тиску у колекторi

аРк

в залежностi вщ рiзницi масових потокiв газу:

1 ар

Г к - г — г

к гт! о 7 ВХ ВИХ

ЯмТ от

Позначимо Гк--- Т1 [-], тодi маемо диференцшне рiвняння:

Ям• Т Дж. К

ар

- ГВХ —ГВИХ. (5)

ат

Щцставляючи у це рiвняння значення потоюв газу iз (1) та (2), одержимо:

ар 5 5 2

Т1 -т-I г, (т) — I ГБПШ(т) — ^ ГСП1(т) — ггсп (т), [кг/с] (6)

ат

Рiвняння (6) описуе динамшу змiни тиску в колекторi мережi доменного газу ^ як модель об'екту керування, уявляе собою штегруючу ланку. Однак при синт^ системи автоматично! стабшзаци тиску доменного газу у колекторi мережi це рiвняння е незручним, оскшьки контроль масових витрати газу на металургшних комбiнатах не використовують, а витрати вимь рюють в об'емних одиницях i при нормальних умовах. Для виконання цих умов замшимо у р> вняннi (5) масовi витрати на об'емнi при нормальних умовах.

Т Р Т Р

г - П Р - П ВХ1 ВХн ВХн ВХ - П

ВХ ^¿ВХУВХ ^¿ВХн ГГ1 р Г ВХн ГГ1 р ^¿ВХнРВХь-

Т ВХн РВХ Т ВХ РВХн

Аналопчно:

гВИХ - ПВИХн . РВИХн .

ОскШьки Рвхн - рВИХн - Р, то

1 <-Рк

Гк п 7^0 - ПВХн — ПВИХн . (7)

РЯмТ -т

1

Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733

Позначимо:

Т2 = а • 1

К Р^и т

Тепер рiвняння (7) запишеться так:

Т 2 = QвХн Т) - QвИХн Т). (8)

dт

Це теж диференцшне рiвняння iнтегруючо! ланки. 1нтегруючи його, маемо:

1 } 1 (т^ 1 ^ (т)-Т - Т2

11

Рк = Рк0 + (— IQвxн Т)-Т - — | Qвиxн (т)-т) . (9)

' т0

Пiдставляючи у рiвняння (8) iз (1) i (2) значення вхiдних i вихщних потокiв, маемо:

-Р (Т) 55 2

Т2-Т = ХQI(Т)-XQшш(^)-XQcm(^) - Qгcm(Т), [м/с]. (10)

-Т ¡=1 ¡=1 ¡=1

1нтегруючи це рiвняння маемо:

1 Г 5 5 2

Рк = Рк0 + — (| (X Q. (т)-X Qшш (т)-X Qcm (т) - Qгcm (т))-т). (11)

Т 2 т0 ¡=1 ¡=1 ¡=1

-Р

Згщно рiвнянь (6) i (10) сталий режим тиску у колекторi доменного газу, тобто —к = 0,

-Т

наступае тод^ коли маемо баланс масових або об'емних витрат вхщних i вихщних потоюв. При порушеннi цього балансу починае змшюватись тиск доменного газу у колектору Якщо при небаланс у виразах (6) або (10) права частина бшьше нуля, то стабшзащя тиску у колектор^ тобто вщновлення балансу, можлива шляхом скиду i спалювання надлишку у ГСП. Однак при вщ'емному балансi стабiлiзацiя тиску уже неможлива, оскшьки дебаланс потокiв нiчим компе-нсувати. В такому разi необхщне втручання диспетчера газового цеху i примусове вiдключення або обмеження подачi газу споживачам.

На жаль, як рiвняння (6), так i рiвняння (10) не дають змоги знайти поточне значення тиску доменного газу у колекторi Рк в даний момент, а визначають лише його змшу вiдносно значення тиску Рк 0 в якийсь заданий момент часу.

Залежнють змши тиску доменного газу у колекторi Рк вiд поточних значень тиску газу вхщних i вихiдних потоюв можливо знайти, використовуючи поняття гiдравлiчного опору ¡-о! трубопровiдно! ланки ЯОш [5, 6]. Гiдравлiчний опiр ьо! трубопровiдно! ланки ЯОш - це величина зворотна похщнш ——— вiд витратно! характеристики Q = f (АР): - (АР)

Я = 1 = - (АР) (12)

=~ж: —-от (12)

- (АР)

Основним гiдравлiчним опором для /-о! трубопровщно! ланки е регулюючiй орган (РО), який встановлений на нш. При турбулентному рус потоку газу витратну характеристику Q = f (АР) РО можна описати рiвнянням:

Q = к1-5-л/ДР , (13)

де к1 - коефщент витрат; 5 - поточне значення площi прохiдного сiчення РО; АР - перепад тиску у трубопровщнш ланщ.

5

Використовуючи вщносне значення площi прохiдного счення а =-, вираз (13) запи-

5тах

шемо так:

Q = к-а-л/АР . (14)

Таким чином, кiлькiсть газу, яка проходить через гiдравлiчний опiр (РО), залежить вщ площi прохiдного сiчення РО i перепаду тиску на ньому.

1з (14) знайдемо похiдну витратно! характеристики РО по перепаду на ньому:

т0

Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733

1 _ -П,г _°(кг-аг- Щ)_ к, ■ а, (15)

Яош —(ЛРг) —(ЛРг) 2. Щ

Помножуючи у правш частинi рiвняння (15) чисельник i знаменник на ^АР1 i тдставля-ючи це значення у рiвняння (12), маемо:

Я - 2Л

ЯоПг - П '

звiдси:

а - 2ЯЩ. (16)

КОПг

Пiдставляючи згiдно виразу (16) вiдповiднi значення об'емних витрат потокiв газу у ко-лекторi у рiвняння (10), маемо:

—Р Р — Р Р — Р Р — Р Р — Р Р — Р

Т 2 к - ( 1 к \ 2 Гк \ Г3 Гк \ 4 Гк 5 гк ) —

—т ЯОП1 ЯОП 2 ЯОП3 ЯОП4 ЯОП 5

Р — Р Р —Р Р — Р Р — Р Р — Р

(* к БПН1 | к БПН2 | к 1 БПН3 | к 1 БПН4 | к 1 БПН5 ) — (17)

Я Я Я Я Я

ОПБПН1 ОПБПН 2 ^ОПБПН 3 ^ОПБПН 4 ^ОПБПН 5

Р — Р Р — Р Р — Р

(*к 1 СП1 | к 1 СП2 ) 1 к 1 ГСП

Я Я Я

1ХОПСП1 ЛОПСП 2 Л ОПГСП

або скорочено:

Т2-Рк -1у (Р — Рк) — (Рк — РБПН, ) — (Рк — РСПг ) — (Рк — РГСП ) (18)

—т г-1 ЯОПг г-1 ЯОПБПНг г-1 ЯОПСПг ЯОПГСП

Щдставляючи в це рiвняння вираз (15) i помноживши його праву i лiву частини на 2, маемо:

, -Рк _ ^ кДПг ' аДПг ' (Рг ~ Рк ) ^ кБПНг ' аБПШ ' (Рк ~ РБПНг ) "V кСПг . аСПг . (Рк ~ РСПг )

2Т2 к - I ДП' ДПг \ г к У I БПНг БПШ У к 1 БПНг / — I '

-т ^ л/(Р — Рк) £ л](Р/к — Рбпш) ^ л/(Рк — Рсш)

к .а .(Р — Р )

" ГСП ГСП У к 1 ГСП /

4(Рк — РГСП )

Пiсля вiдповiдного скорочення у цьому рiвняннi i пiдстановки значення Т2 одержимо:

2 —Р 5 _ 5 _

Гк ^ 7^0 - I кДПг ' аДПг ' У ( Р' — Рк ) — I кБПНг ' аБПНг ' V (Рк — РБПНг ) —

р.Ям-Т ат

Р м (19)

—11 кСПг ' аСПг ' V(Р к — РСПг ) — кГСП ' аГСП ' \1(Рк — РГСП ) •

1=1

Рiвняння (19) е нелiнiйним диференцiальним рiвнянням, яке представляе мережу доменного газу металургшного комбiнату як об'ект керування. Воно дае змогу аналiзувати роботу мережi при рiзного типу збуреннях i може використовуватись в системах автоматизацп газових мереж зi спiльним колектором.

Висновки

1. Мережа доменного газу металургшного комбшату представлена як сукупнють джерел i споживачiв газу, пов'язаних мiж собою колектором, кожен з яких характеризуеться трьома параметрами: тиском Р1, кшьюстю П1 i гiдравлiчним опором ЯОШ .

2. Одержано диференцшне рiвняння залежностi швидкостi змiни тиску доменного газу у колекторi вщ об'емних витрат потокiв на входi i виходi колектору.

3. Стадий режим тиску у колекторi доменного газу можливий лише при баланс масових або об'емних витрат вхщних i вихiдних потокiв. При порушенш цього балансу стабiлiзацiя тиску у колекторi доменного газу можлива лише при перевищенш кiлькостi газу вщ джерел над

Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733

кiлькiстю спожитого газу.

4. Диференцшне рiвняння, яке пов'язуе швидюсть змiни тиску газу у колекторi з об'емними витратами вхщних i вихiдних потокiв, не дае можливосп встановити значення тиску у колекторi в сталому режимi.

5. Використання величини гiдравлiчного опору на трубопроводах вхщних i вихiдних по-токiв Roni дае змогу одержати диференцшне рiвняння, яке пов'язуе швидюсть змiни тиску у колекторi з тисками газу у вхщних i вихщних трубопроводах.

6. Одержане рiвняння дозволяе аналiзувати змiну тиску газу у колекторi при рiзного роду збуреннях i знаходити стале значення цього тиску, що може бути предметом подальших досль джень.

Список використаних джерел:

1. НПАОП 27.1-1.09-09. Правила охорони пращ у газовому господарсга пщприемств чорно! металурги. - Затв. 2009-12-29. - К., 2009. - 98 с.

2. Старицкий В.И. Газовое хозяйство заводов черной металлургии / В.И. Старицкий. - М. : Металлургиздат, 1973. - 250 с.

3. А. с. 364822 СССР, МКИ F 27 d 17/00, C 21 b 7/22. Устройство для распределения доменного газа потребителям / Х.Л. Фридман, С.В. Пупченко, А.Я. Каботянский, В.Я. Дубровский. - № 1393160/22-2; заявл. 12.01.70; опубл. 28.12.72, Бюл. № 5. - 3 с.

4. А. с. 1734079 СССР, МПК G 05 D 16/00, C 21 B 7/22. Способ стабилизации давления в коллекторе подачи очищенного доменного газа потребителям / А.В. Боголюбов, К.А. Квитков-ский, В.И. Хоничев. - № 904777369; заявл. 04.01.90; опубл. 15.05.92, Бюл. № 18.

5. Эрриот П. Регулирование производственных процессов / П. Эрриот; пер. с англ. А.Я. Се-ребрянский. - М. : Энергия, 1967. - 480 с.

6. Профос П. Регулирование паросиловых установок / П. Профос; пер. с нем. Е.Н. Сергиевская, Д.К. Федотов. - М. : Энергия, 1967. - 368 с.

References:

1. NPAOP 27.1-1.09-09. Pravila ohoroni praci u gazovomu gospodarstvi pidpriemstv chornoi meta-lurgii [Rules of labor protection in the gas industry enterprises of ferrous metallurgy]. Kiev, 2009. 98 р. (Rus.)

2. Starickij V.I. Gazovoe hozjajstvo zavodov chernoj metallurgii [Gas facilities of ferrous metallurgy plants]. Moscow, Metallurgizdat Publ., 1973. 250 p. (Rus.)

3. Fridman H.L., Pupchenko S.V., Kabotjanskij А.Ла., Dubrovskij V^. Ustrojstvo dlja raspredeleni-ja domennogo gaza potrebiteljam [Device for distribution of blast furnace gas to consumers]. Patent USSR, no.36482, 1973. (Rus.)

4. Bogoljubov A.V., Kvitkovskij K.A., Honichev V.I. Sposob stabilizacii davlenija v kollektore po-dachi ochiwennogo domennogo gaza potrebiteljam [Stabilization of pressure in the supply manifold of purified blast furnace gas to consumers]. Patent USSR, no.1734079, 1987. (Rus.)

5. Harriot P. Process Control, MeGraw-Hill Book Company. New York, San Francisco, 1964. 510 p. (Rus. ed.: Erriot P. Regulirovanie proizvodstvennyh processov. Moscow, Energija Publ., 1967. 480 p.). (Rus.)

6. Profos P. Die Regtlung von Dampfanlagen. Springer-Verlag, 1962. 380 p. (Rus. ed.: Profos P. Regulirovanie parosilovyh ustanovok. Moscow, Energija Publ., 1967. 368 p.). (Rus.)

Рецензент: В.О. Маслов

д-р техн. наук, проф., ДВНЗ «ПДТУ»

Статья поступила 15.09.2017