CC BY
44
АВТОМАТИЗАЦИЯ И САПР МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
УДК 681.516
Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Сухоносова Т.Г.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРОМЫШЛЕННОГО СЖИГАНИЯ ГАЗА ПУТЕМ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ПРОПОРЦИОНИРОВАНИЯ РАСХОДОВ ТОПЛИВА И ВОЗДУХА
Аннотация. В работе представлены результаты совершенствования широко используемой типовой системы управления энергоемким процессом сжигания топлива в рабочем пространстве промышленных печей. Существенный, теоретически обоснованный результат достигнут за счет использования в автоматизированной системе объемного пропорциони-рования расходов топлива и воздуха рациональных рабочих характеристик горелок для каждой зоны печи. Экспериментально полученные характеристики позволяют рассчитывать рациональные (близкие к оптимальным) значения расхода воздуха и коэффициента расхода воздуха в зависимости от расхода топлива для каждой зоны нагревательной печи. Использование представленных в статье рабочих характеристик в автоматической системе объемного пропорционирования расходов позволяет наиболее точно учитывать индивидуальные особенности конструкций и расположения горелок во всем диапазоне изменения расходов топлива для каждой зоны в условиях переменной производительности печей. Использование представленных в статье рабочих характеристик в автоматической системе объемного пропорционирования расходов позволяет наиболее точно учитывать индивидуальные особенности конструкций и расположения горелок во всем диапазоне изменения расходов топлива для каждой зоны в условиях переменной производительности печей. Это усовершенствование позволяет практически исключить субъективное вмешательство технологического персонала в режим управления процессом сжигания топлива даже в условиях существенно нестационарных режимов работы нагревательных технологических агрегатов и промышленных печей. Приведены результаты технологического обоснования и использования предлагаемого технического решения по совершенствованию существующего режима управления процессом сжигания топлива на промышленных печах широкополосного стана горячей прокатки ОАО «ММК». В условиях реального производства использование предлагаемого метода позволило снизить удельный расход условного топлива в зависимости от производительности стана на 2,4 - 3,7%.
Ключевые слова: объемное пропорционирование расходов, автоматическое управление, коэффициент расхода воздуха, рациональная рабочая характеристика горелки, энергосбережение.
Введение
С ростом цен на топливо все более актуальной становится проблема минимизации непроизводительных затрат тепловой энергии на осуществление производственных процессов путем энергосберегающего высокоэффективного автоматизированного управления процессом сжигания топлива в рабочем пространстве промышленных технологических агрегатов и нагревательных печей.
Существующие способы управления сжиганием топлива дорогостоящи, сложны в реализации, часто недостаточно эффективны и требуют постоянного вмешательства человека-технолога.
Теоретическое обоснование актуальности работы
Анализируя различные способы управления процессом сжигания топлива, выявлено, что основная, очевидная задача экономии топлива будет иметь вид
(r) ^ min, О < (r) < (1)
где т - текущее время технологического процесса, ч; УТ(т) - текущий расход топлива, м3/ч; УТтах - максимально возможный расход топлива, м3/ч.
Решение задачи (1) при Ут(т) = 0 и 0 < т < ® имеет смысл в виде замены данного вида топлива другим источником тепловой энергии [1, 2]. Результат основного технологического процесса (ТП), использующего тепловую энергию сжигания топлива, можно выразить в виде
Ж(т) = Г V (т), (т), Б(т), т\ (2)
где W(т) - выходной параметр, результат основного ТП; УВ(т) - расход окислителя (атмосферного воздуха) на сжигание топлива, м3/ч; 8(т) - совокупный фактор, отражающий действие внешних возмущающих воздействий на W(т).
Для условий реального промышленного производства целью управления является результат основного ТП
Ж(т) —^ Ж™' (т) при Ггтш < V- (т)< ^тах,(3)
© Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Сухоносова Т.Г., 2017
Раздел 4
где ^^(т) - директивно заданное значение W(т) основного ТП, цель управления.
В случае (2) результат основного ТП зависит не только от расхода топлива, но и от расхода воздуха. Требуемая величина расхода воздуха ^^(т) будет определяться в соответствии с выражением
С(т),и(т)] при V;"1<ув(т)<гг,(4
где и(т) - управляющее воздействие, уточняющее и корректирующее заданное значение ^^(т), расход воздуха, варьируемый в пределах от минимального ^тт до максимального значения У^3*, в зависимости от реальных производственных условий.
Способ, реализующий управление сжиганием топлива в соответствии с (4), называется пропорциони-рованием расходов ведущего Уг(т) и ведомого VB(т) параметров.
Функция ^^(т) задается на стадии проектирования (или выбора) топливосжигающих устройств (горелок) и обычно определяется выражением
V? (т) = а в (^Ут (т) при а;т < а в (т) < а^, (5)
где ав(т) - текущее значение коэффициента расхода воздуха; автт и автах - минимальное и максимальное значения коэффициента; Ь0 - коэффициент, численно равный количеству воздуха, необходимого для полного сгорания единицы топлива (как правило, 1 м3).
Коэффициент ав(т) является в (5) управляемым и корректируемым параметром, значение которого устанавливается технологом, управляющим ходом основного ТП.
Если управление основным ТП осуществляется в соответствии с (3), то весь комплекс задач по управлению процессом сжигания топлива можно представить в виде последовательности действий с учетом технологических ограничений [3, 4]:
¥(т) = (т)^в(т)5(т),т]^ ¥'а(т) при Vтmш < ^(т)< ^,тах;
Vв(т)=№гVГ(т) при Vтш < (т)< VГ;(6)
V, (т) ^ т1п при ит1п < и(т) < итах.
Последовательное выполнение действий (6) приближенно дает необходимое обоснованное решение задачи минимизации затрат топлива на основной ТП в условиях использования обычного традиционного способа автоматического управления с применением типовых законов регулирования и в условиях нестационарной работы промышленных печей, когда и(т) (ав(т)) выбирает технолог.
Технологическое обоснование необходимости совершенствования автоматизированного энергосберегающего управления процессом сжигания топлива
Совершенствование типовой автоматической системы объемного пропорционирования расходов топлива и воздуха рассмотрено на конкретном примере управления процессом сжигания топлива в рабочем пространстве 10-зонной современной методической печи с шагающими балками, сводовым отоплением верхних зон и двухпроводными горелками в нижних зонах.
Печь работает в нестационарных условиях, когда часовая производительность стана изменяется от 100 до 1000 т/ч и в печи одновременно нагреваются партии непрерывнолитых заготовок различных марок стали, имеющих начальную температуру от 20 до 750 оС.
Проводились исследования процесса сжигания природного газа путем использования методов экспертных оценок и ранговой корреляции при отборе многочисленных проб продуктов сгорания с одновременным замером температуры рабочего пространства штатными зонными термопарами для каждой отапливаемой зоны печи. В ходе исследований было установлено, что в зависимости от конструктивных особенностей, типов горелок, расположения их по длине зоны и способа подвода к ним газа и воздуха существует рациональная рабочая характеристика, определяющая технологически обоснованное (близкое к оптимальному) значение коэффициента расхода воздуха ав(т) (или расхода воздуха) в зависимости от расхода топлива [5]. Так, изменение ав(т) в зависимости от расхода природного газа в верхние зоны печи с верхним сводовым отоплением представлены на рис. 1.
При рациональных рабочих характеристиках обеспечивается достаточно полное сгорание топлива в газовоздушной смеси и достижение максимальной температуры рабочего пространства в зоне во всем диапазоне изменения расхода газа. Для подтверждения этого на рис. 2 приведены экспериментальные зависимости температуры рабочего пространства в верхних зонах методической печи №1 стана 2000 от величины коэффициента расхода воздуха при постоянном расходе природного газа в каждую зону [5].
Увеличение ав(т) при уменьшении расхода газа вызвано необходимостью увеличения кинетической энергии газовоздушой смеси для интенсификации перемешивания газа и воздуха, поскольку выходные сечения горелок рассчитаны на максимальные расходы, а при малых расходах скорости потоков газа и воздуха снижаются [6].
Поддержание текущего рационального расхода воздуха в зависимости от текущего расхода топлива позволяет обеспечить максимальную температуру в рабочем пространстве каждой зоны по ходу нагрева. Это означает осуществление нагрева металла при меньших затратах топлива. В условиях нестационарного режима работы печи при автоматической стаби-Теория и технология металлургического производства
лизации температуры рабочего пространства в каждой отапливаемой зоне с учетом взаимного влияния зон друг на друга расходы газа по зонам непрерывно изменяются.
В качестве конкретного примера на рис. 3 приведены экспериментальные изменения во времени расходов природного газа в две смежные зоны для пяти-
зонной методической печи №5 стана 2500 ОАО «ММК» (до реконструкции) при стабилизации температуры поверхности нагреваемых заготовок в каждой зоне нагрева в условиях переменной производительности стана и нагреве заготовок с различным начальным тепловым состоянием.
т а
га
X
о м га
ч о
и
а
Ё
(Ц
8
т о
1,4
1,3
£ 1,2
1,1 1,0
0,9
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Расход газа, х10-3 м3/ч
3,5
4,0
Рис. 1. Рациональные значения коэффициента расхода воздуха (сплошные линии) и расход воздуха (пунктирные линии) в зависимости от расхода газа, принятые для верхних зон методической печи №1 стана 2000 ОАО «М
-•-•- - зона №3; -о-о- - зона №5
1400
300
а р
рату р
е п
м е
н
200
1100
1000
- - _
- " - . - 'Я
2 • -
о о о О
1 о \
о о =>-
0 , 7
0 , 8 0 , 9 1 , 0
Коэффициент расхода воздуха а в
1 , 1
м 3 / м 3
Рис. 2. Зависимость температуры в верхних сварочных зонах по показаниям зонной термопары от коэффициента расхода воздуха: -о-о - зона №3, Vт=1020 м3/ч (1); -•-•- -зона №3, Vт=2600 м3/ч (2); -Д-Д- зона №5,^=1100 м3/ч (3)
Раздел 4
1500
3 4 5 6 Время, ч
а
5
Время, ч
б
Рис.3. Диаграммы приборов, регистрирующих расходы природного газа в смежные зоны нагрева методической печи №5 стана 2500 ОАО «ММК»: а - сварочная зона №1; б - сварочная зона №2 Технолог-оператор (нагревальщик) при использовании типовой системы объемного пропорциониро-вания расходов просто физически не в состоянии устанавливать заданные значения рациональных расхо-
дов воздуха по зонам печи при изменении расходов газа.
Поэтому в зонах устанавливается завышенное значение расхода воздуха, обеспечивающее удовлетворительное управление сжиганием топлива для диапазона усредненных расходов газа по ходу нагрева, хотя и при повышенных расходах воздуха.
Современным, достаточно дорогостоящим и сложным, способом управления тепловым режимом нагрева непрерывнолитых заготовок считается использование импульсного управления. Когда температура в рабочем пространстве нагревательных печей проходного типа в каждой зоне регулируется числом включенных горелок, работающих при максимальных расходах газа при относительно стабильных рациональных значениях расходов воздуха. Однако на большинстве методических печей это требует изменения их конструкции и системы отопления, что экономически затратно.
Для обеспечения энергосберегающего, технологически обоснованного, близкого к оптимальному управления процессом сжигания топлива предлагается универсальная автоматизированная система, не требующая при усовершенствовании типовой существующей системы объемного пропорционирования расходов топлива и воздуха значительных затрат.
Принцип работы универсальной эффективной автоматизированной системы управления процессом сжигания топлива
Структурная схема универсальной, пригодной для любого типа горелок, эффективной энергосберегающей автоматизированной системы управления процессом сжигания топлива в рабочем пространстве промышленных печей представлена на рис. 4.
П И-регулятор
пбр уп
> к
пу уду
2
1600
о
3
2
4
6
Рис. 4. Структурная схема энергосберегающей системы управления сжиганием топлива в рабочем пространстве промышленной печи
Система содержит датчик с нормирующим преобразователем расхода топлива (ДТ) и датчик с нормирующим преобразователем расхода воздуха (ДВ), сигналы с которых поступают на аналого-цифровые преобразователи, измеряющие и регистрирующие текущие расходы топлива Уг(т) и воздуха ^(т).
Функциональный преобразователь ^^(т) = фГ^г(т)] обеспечивает формирование сигнала, пропорционального текущему заданному значению рационального расхода воздуха, необходимого для эффективного сжигания текущего расхода топлива в соответствии с рабочей характеристикой горелок в зоне, (см. рис. 1 ).
На элементе сравнения (ЭС) значение сигнала ^(т) сравнивается с текущим расходом воздуха ^(т). На выходе элемента сравнения формируется сигнал в соответствии с условием Л^(т) = ^^(т) -^(т). Сигнал рассогласования Л^(т) подается на вход автоматического регулятора, реализующего стандартный ПИ-закон управления, обеспечивающий изменение текущего расхода воздуха ^(т) для достижения Л^(т) = 0.
Управляющий сигнал с выхода регулятора поступает на переключатель управления (ПУ), с помощью которого осуществляется выбор режима управления «Автоматический» или «Дистанционный». Дистанционное (ручное) управление расходом воздуха осуществляется технологом с использованием устройства дистанционного управления (УДУ). Управление исполнительным механизмом (ИМ), перемещающим регулирующий клапан расхода воздуха, осуществляется с использованием бесконтактного реверсивного пускателя (ПБР). Угол поворота выходного вала ИМ, механически связанного с регулирующим клапаном расхода воздуха, измеряется указателем положения (УП) независимо от режима управления.
Результаты использования предлагаемой системы в реальных производственных условиях
Использование разработанного принципа формирования рационального заданного значения расхода воздуха в зависимости от текущего расхода топлива обеспечивает условия для эффективного сжигания топлива, непроизводительно затрачиваемого ранее на нагрев воздуха, избыточно подаваемого в рабочее пространство. Это позволило существенно уменьшить удельный расход условного топлива по стану 2500 ОАО «ММК» (до реконструкции).
Зависимость величины удельного расхода условного топлива [кг-ут/т] от производительности стана Р (которая изменяется от 10,5-103 до 14,2-103 т/сут) при существующей системе управления процессом сжигания природного газа определяется статистическим уравнением
(Р) = 18,36 +
574900
Р
(7)
После включения рассматриваемой системы автоматического управления процессом сжигания топлива на всех печах стана аналогичная зависимость стала иметь вид 02(Р) [кг-ут/т]
02 (Р) = 20,21
518200
Р
(8)
Анализ полученных в реальных производственных условиях экспериментальных зависимостей 01(Р) и 02(Р) показал, что использование рассмотренного совершенствования существующей системы управления сжиганием топлива позволяет уменьшить вели-
чину удельного расхода условного топлива на 2,2 -3,8 кг-ут/т, или 3 - 4%.
Среднеквадратичное отклонение и дисперсия экспериментальных данных для зависимости 01(Р) соответственно равны 4,83 и 23,3 кг-ут/т. Аналогичные показатели для 02(Р) имеют значения 3,79 и 14,38 кг-ут/т. Уменьшение статистических показателей 02(Р) свидетельствует о значительной упорядоченности процесса сжигания топлива при использовании предложенного метода автоматического управления и снижения влияния различных возмущающих факторов на режим сжигания топлива в пределах рабочего пространства печи.
Общая экономия условного топлива только на одном стане 2500 составила 21 926 т в год.
Заключение
Использование метода экспертных оценок при формировании рабочей характеристики горелок позволило практически полностью исключить субъективное вмешательство технологического персонала в режим управления энергоемким процессом сжигания топлива и получить существенный эффект.
Практическая реализация рассмотренной системы автоматического энергосберегающего управления процессом сжигания топлива не требует значительных экономических затрат и может быть использована на любых промышленных печах.
Список литературы.
1. Кривандин В.А., Егоров А.В. Тепловая работа и конструкция печей черной металлургии: учебник для вузов. М.: Металлургия, 1989. 462 с.
2. Гусовский В. Л., Ладыгичев М. Г., Усачев А. Б. Современные нагревательные и термические печи (конструкции и технические характеристики): справочник. М.: Теплотехник, 2007. 656 с.
3. Андреев С.М., Парсункин Б.Н. Оптимизация режимов управления нагревом заготовок в печах проходного типа: монография. Магнитогорск: Изд-во МГТУ им. Г.И. Носова, 2013. 376 с.
4. Климовицкий М.Д. Оптимизация работы нагревательных печей. М.: Металлургия, 1965. 164 с.
5. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Обухова Т.Г. Исследование оптимального энергосберегающего процесса сжигания топлива в рабочем пространстве металлургических печей // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова. 2005. №4. С. 28 - 36.
6. Левицкий И.А., Карвецкий А.А., Арутюнов В.А. Некоторые пути совершенствования технологии сжигания топлива в методических нагревательных печах // Известия вузов. Черная металлургия. 2012. № 1. С. 58-60.
7. Парсункин Б.Н., Петрова О.В., Полухина Е.И. Исследования влияния электрического режима ДСП на себестоимость выплавляемой стали // Теория и технология металлургического производства. 2014.№1(14).С.44-46.
Раздел 4
Сведения об авторах
Парсункин Борис Николаевич - д-р техн. наук, проф. кафедры автоматизированных систем управления, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: [email protected].
Андреев Сергей Михайлович - канд. техн. наук, заведующий кафедрой автоматизированных систем управления, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: [email protected].
Сухоносова Татьяна Геннадьевна - ст. преп. кафедры автоматизированных систем управления, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнтогорск, Россия. E-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
IMPROVEMENT OF AUTOMATIC CONTROL OF THE GAS COMBUSTION INDUSTRIAL PROCESS BY THE ENERGY-SAVING VOLUMETRIC PROPORTIONING FLOW OF FUEL AND AIR
Parsunkin Boris Nikolaevich - D. Sc. (Eng.), Professor subdepartment of Automated control systems, Nosov Magnitogorck State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: pksu035@gmail.
Andreev Sergey Mikhaylovich - Ph. D. (Eng.), Head of the subdepartment of automated control systems, Nosov Magnitogorck State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected].
Sukhonosova Tatiana Gennadyevna - Assistant Professor of automated control systems, Nosov Magnitogorck State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected]
Abstract. The present results to improving the widely used standard control system for the energy-intensive fuel combustion process of in the working space of industrial furnaces. An important, theoretically grounded result is achieved by using in the automated system a volumetric proportion of the fuel and air consumption of the rational operational burners characteristics for each zone of the furnace. The experimentally obtained operational characteristics make it possible to calculate rational (close to optimal) values of air-flow rate and air-flow rate coefficient depending on the fuel consumption for each zone of the heating furnace. The automatic system of volumetric proportional flow with the performance rational characteristics makes it possible to take into account the individual features of the configuration and arrangement of the burners throughout the range of fuel consumption for each zone in conditions of variable furnace capacity. This improvement allows to practically exclude the subjective interference of the technological personnel in the fuel combustion control mode even in conditions of essentially unsteady regime of process heating units and industrial furnaces. The results of the technological justification and use of the proposed technical solution for improving the existing process of fuel combustion control mode in the industrial furnaces of the wide-strip rolling mill of ОАО «ММК». In real production conditions, the use of the proposed method has made it possible to reduce the specific reference fuel consumption, depending on the mill production output, by 2.4-3.7%.
Keywords: Volumetric proportioning flow, automatic control, air-flow rat coefficient, rational operational burner characteristic, energy saving.
Ссылка на статью:
Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Сухоносова Т.Г. Совершенствование автоматического управления процессом промышленного сжигания газа путем энергосберегающего пропорционирования расходов топлива и воздуха // Теория и технология металлургического производства. 2017. №2(21). С. 21-26.
Parsunkin B.N., Andreev S.M., Sukhonosova T.G. Improvement of automatic control of the gas combustion industrial process by the energy-saving volumetric proportioning flow of fuel and air // Teoria i tehnologia metallurgiceskogo proizvodstva. [ The theory and process engineering of metallurgical production]. 2017, vol. 21, no. 2, pp. 21-26.
