Управление сжиганием топлива в методической печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Повышение производительности труда во всех отраслях народного хозяйства при уменьшении числа занятых в производстве людей и значительного уменьшения доли ручного труда можно достигнуть путем интенсификации производственных процессов и коренного технического переоснащения промышленных предприятий на базе комплексной автоматизации с широким применением вычислительных машин и робототехнических комплексов.

В результате использования систем автоматизации повысилась производительность агрегатов, снизилась себестоимость, повысилось качество готовой продукции, снизился расход материалов и энергии, облегчился труд рабочих.

Максимальный экономический эффект автоматизации может быть получен, когда ещё в процессе проектирования металлургического агрегата предусматривается его механизация, и технологический процесс строится с учетом современной техники автоматического регулирования и управления, располагающей мощным арсеналом методов и технических средств для получения высокого качества стабилизации и программного изменения параметров, влияющих на режимы металлургических агрегатов.

В данной курсовой работе будет подробно рассмотрена и описана система управления сжигания топлива в методической печи.

1. Общая часть

1.1 Описание технологического процесса

Методические печи предназначены для нагрева металла перед прокаткой и относятся к печам непрерывного действия. За время нагрева заготовки постепенно перемещаются через всю печь от входа к выходу.

Методическая печь состоит из рабочего пространства, где происходит сжигание топлива и нагрев металла, и ряда систем: отопления, транспортировки заготовок, охлаждения элементов печи, управления тепловым режимом и др. Рассмотрим пятизонную толкательную методическую печь, изображение продольного разреза которой приведено на рис. 1. Наименование печи соответствует числу отапливаемых зон. Подлежащие нагреву заготовки подаются к загрузочному окну 1 печи с помощью рольганга загрузки 2 и заталкиваются и печь толкателем. Заготовки на рисунке не показаны, они лежат в печи вплотную одна к другой, соприкасаясь боковыми гранями. Поэтому при заталкивании в печь очередной заготовки все заготовки перемещаются вдоль печи. Одновременно из окна выдачи 3 на приемный рольганг 4 выдается нагретая заготовка.

Рабочее пространство печи разбито на зоны: методическую зону 5, верхнюю и нижнюю первые сварочные зоны 6 и 7, верхнюю и нижнюю вторые сварочные зоны и 9, томильную зону 10. Все зоны, кроме методической, оснащены горелками I1, в которых сжигается топливо (смешанный газ, природный газ, мазут).

Заготовки нагреваются постепенно (методично), перемещаясь, сначала через неотапливаемую методическую зону (зону предварительного нагрева). где температура сравнительно низкая, затем через сварочные (нагревательные) зоны с высокой температурой, где происходит быстрый нагрев металла, и томильную зону, в которой осуществляется томление - выравнивание температур по сечению заготовки. В методической и сварочных зонах заготовки перемещаются по водоохлаждаемым подовым трубам 12, я в томильной - по монолитной подине 13.

Продукты сгорания движутся в печи навстречу движению металла, отдавая ему значительную часть тепла (в последнее время разрабатываются методические печи, в которых направление движения продуктов совпадает в некоторых зонах с направлением движения металла, однако они не получили широкого распространения), Из методической зоны они поступают в рекуператор 14, где нагревают воздух, подаваемый в зоны для горения ( в некоторых методических печах в рекуператорах нагревают также и газ).

Далее продукты сгорания во многих современных методических печах подаются в котлы-утилизаторы, где часть их тепла используется для выработки пара, после чего они отводятся в дымовую трубу.

Hа рис. 1 изображена схема одного из возможных вариантов методической печи. Методические печи могут различаться числом отапливаемых зон, формой рабочего пространства, способами перемещения металла, подвода топлива и воздуха, сжигания топлива, а также по размерам и производительности, по виду нагреваемого металла, по типу обслуживаемых станов и ряду других признаков . Ниже рассматриваются в основном те особенности различных методических печей, которые влияют на создание систем автоматического управления нагревом металла в них.

Число отапливаемых зон в методической печи может быть равно 2, 3, 4, 5, 6, 7 и более. Двух зонные печи без томильной зоны применяют для нагрева тонких заготовок (до ОЛ-0,15 м). В многозонных печах участок с высокой температурой растянут на большую длину, что позволяет форсированно греть металл и обеспечивать высокую производительность. Каждая зона отопления оснащается локальными системами автоматического регулирования (САР) температуры и режима горения. С увеличением числа зон в печи соответственно увеличивается число локальных САР и управление распределением температурного режима по длине печи становится более гибким.

Методическая печь, схема которой изображена на рис. 1, имеет верхние и нижние зоны. В таких печах металл греется с двух сторон: сверху и снизу, что повышает равномерность нагрева заготовки по толщине. Недостатком таких печей является наличие в них водоохлаждаемых подовых труб, что приводит к появлению темных (холодных) пятен на заготовках в местах их контакта с трубами и к увеличению расхода топлива. Поэтому применяются также методические печи только с верхним обогревом. Обычно для верхних и нижних зон проектируют одинаковые САР температуры. Однако в нижних зонах хуже условия для измерения температуры. Поэтому, как правило, системы регулирования в них работают менее эффективно. Иногда для нижних зон приходится создавать специальные САР.

Рисунок 1 - Пятизонная толкательная методическая печь

1.2 Автоматизация процесса нагрева металла

Задачей этих систем является обеспечение экономичного сжигания топлива, достижение наилучших условий теплообмена факела с металлом и кладкой и поддержание в печи газовой атмосферы определенного состава. Указанные задачи решаются путем направленного изменения соотношения воздух-топливо (Со), автоматическая стабилизация которого позволяет улучшить качество нагрева металла, уменьшить удельный расход топлива, угар и окалинообразованне.

В печах с ннжекционными горелками происходит саморегулирование Со, требуемое значение которого устанавливают, изменяя при наладке положение воздушных клапанов перед горелками. Если при полностью открытых клапанах воздуха все же недостаточно, то уменьшают размеры газовых сопел или переходят на сжигание газа с пониженной теплотой сгорания.

В печах с дутьевыми горелками регулирование осуществляют путем принудительного изменения расхода воздуха при изменениях расхода топлива или Со (схемы с ведущим топливом). Гораздо реже встречаются схемы с ведущим воздухом. Поддержание заданного значения Со обеспечивают локальные системы регулирования, использующие в качестве входной информации непрерывно измеряемые расходы топлива и воздуха. Величину Со устанавливают с помощью выносного задатчика, отградуированного либо непосредственно в единицах Со (м3 /м3), либо в единицах коэффициента расхода воздуха, определяемого как отношение измеренного расхода воздуха к теоретическому, необходимому для полного сжигания измеренного расхода топлива.

При заметных отклонениях барометрического или избыточного давления и температуры топлива или воздуха от расчетных в показания расходомеров вводят соответствующую поправку для приведения к стандартным условиям. Обычно учитывают только отклонения температуры.

Динамика объекта регулирования, которым а данном случае является участок трубопровода между диафрагмой и регулирующим органом (P.O.), аппроксимируемый с достаточной степенью точности звеном чистого запаздывания и апериодическим звеном первого порядка, характеризуется Т0= 0,2-0,8 и Та =0,6--1,5 с и зависит главным образом от расхода и емкости участка трубопровода, импульсных линий и датчиков. Коэффициент передачи по каналу расход-положение P.O. определяется расходной характеристикой и исходным положением регулирующей поворотной заслонки и связан существенно нелинейной зависимостью с измеряемым расходом. Наличие значительных люфтов в сочленении P.O. с И.М. обусловливает резкое отличие коэффициентов передачи по каналу расход-положение И.М. при малых и больших перемещениях последнего.

В таких условиях удовлетворительное качество регулирования достигается при использовании ПИ-регуляторов со сниженным коэффициентом передачи пропорциональной части или при использовании чистых И-регуляторов. Настройка регуляторов выполняется по известным методикам при расходах, равных 60 ... 80% от максимальных. Так как при малых расходах в системе регулирование появляется склонность к автоколебаниям, а при больших -- процесс регулирования затягивается, необходимо изменение динамических настроек регулятора по мере изменения расхода. При значительном снижении расходов (ниже 30% от максимального) резко снижается точность их измерения, а следовательно, и регулирования Со. При дальнейшем снижении расходов расходомеры становятся практически нечувствительными, и ошибка в поддержании заданного значения Со может составить 100% и более. Кроме того, из-за резкого снижения скоростей истечения из горелок перемешивание топлива и воздуха становится недостаточным и качество сжигания топлива ухудшается. В этом случае целесообразно перейти на работу с повышенным Со, прекратив снижение расхода воздуха при достижении некоторого предельного значения, определяемого экспериментально для каждой Мин. '" Такой переход оправдан, так как резкое снижение расходов (тепловой нагрузки) осуществляют, как правило, чтобы быстро снизить температуру в рабочем пространстве. Работа с избытком воздуха только ускорит этот процесс. Увеличение угара компенсируется исключением опасности оплавления нагреваемого метала, При длительной работе с такой низкой тепловой нагрузкой целесообразно перейти на дистанционное управление температурой рабочего пространства и процессом горения, отключив ряд горелок в каждой зоне.

Качественное регулирование заданного значения Со по измеренным расходам даже при достаточно больших тепловых нагрузках еще не гарантирует экономимого сжигания топлива и постоянства состава продуктов горения внутри печи.

Неконтролируемые изменения теплоты сгорания топлива, особенно при отоплении смешанным газом, приводят к колебаниям действительного значения Со. которые могут достигать значительной величины. Для устранения этих колебаний в систему регулирования вводят импульс от калориметра, непрерывно измеряющего теплоту сгорания топлива.

Действительное количество воздуха, поступающего в печь, может отличатся от измеренного. Это отличие обусловлено потерями на участках воздухопроводу расположенных после диафрагмы, и подсосами в лечь холодного воздуха из окружающего пространства. Количество теряемого воздуха может быть ориентировочно оценено при теплотехнических испытаниях печи. Количество подсасываемого воздуха зависит от давления в печном пространстве и увеличивается при снижении тепловой нагрузки. Используя эту зависимость, можно сформировать корректирующей импульс, вызывающий снижение заданного значение Со в соответствии с уменьшением тепловой нагрузки (уменьшением расхода воздуха или топлива). Введение такого импульса, а также учет теряемого воздуха позволяют снизить влияние этих факторов, но не устранять его полностью. Кроме того, в принеси эксплуатации печи количество теряемого воздуха к зависимость между количеством подсасываемого воздуха и тепловой нагрузки меняются.

Достаточно точно о составе атмосферы печи (полноте сжигания топлива) можно судить по результатам анализа продуктов сгорания, отбираемых в конце печи, или для печей большой мощности в конце каждой зоны . По найденному содержанию О2, СО, Н2, СН4 и N2 может быть рассчитан действительный коэффициент расхода воздуха. Разность между рассчитанным и заданным значением явится корректирующим сигналом регулятору Со. Применение указанного способа требует обеспечения представительности проб продуктов сгорания, отбираемых для автоматического анализа, решения задачи очистки и охлаждения пробы, а также минимума запаздываний в импульсной линия и собственно газоанализаторе. Динамические характеристики современных автоматических газоанализаторов на порядок больше динамических характеристик объекта управления, что приводит при непосредственном регулировании Со по результатам анализа: к большим и знакопеременным динамическим погрешностям. Представительный импульс может быть сформирован только по большому количеству отдельных измерений и, характеризуя тенденцию изменения действительного значения Со, может использоваться в качестве корректирующего сигнала.

1.3 САР соотношения расхода газ - воздух в методической печи

газ воздух

Рисунок 2 - Функциональная схема САР соотношения расхода газ - воздух в методической печи

?Р I2

I1 I2=v I1 I2

?Р I4 I4

I3 I4=v I3

%

I2

? е U1

U1

U2 I5

U2

ц

I5

Рисунок 3- Структурная схема САР соотношения расхода газ - воздух в методической печи

Описание функциональной схемы САР соотношения расхода газ - воздух в методической печи:

Газ (воздух) поступает в сужающее устройство, создающее перепад давления, которое через отборное устройство попадает на первичный измерительный преобразователь - САПФИР-22ДД, который преобразовывает этот импульс в унифицированный токовый сигнал и передает на блок извлечения корня - БИК. Этот сигнал поступает на вторичный прибор типа Диск-250, который показывает значение давления в трубопроводе. Далее сигнал идет на регулятор, так же на регулятор приходит сигнал задания расхода. Из регулятора выходит сигнал рассогласования, равный разности текущего значения расхода и заданного. Сигнал рассогласования идет через блок ручного управления на усилительное устройство, далее на указатель положения вала исполнительного механизма и на сам исполнительный механизм типа МЭО-250. ИМ передвигает регулирующий орган в направлении устранения рассогласования.

Описание структурной схемы САР соотношения расхода газ - воздух в методической печи:

На сапфир приходит перепада давления, а выходит аналоговый унифицированный токовый сигнал, пропорциональный измеряемому и регулируемому давлению на входе сапфире. Этот токовый сигнал идет на показывающий прибор и вызывает пропорциональное перемещение стрелки прибора. Также этот токовый сигнал идет и на регулятор. На регулятор также приходит токовый сигнал пропорциональный заданному давлению. На регуляторе сигналы сравниваются. Сигнал, пришедший с манометра, должен быть равен сигналу задания. Если равенство отсутствует, то с регулятора выходит сигнал рассогласования в виде напряжения, равный разности текущего значения давления и заданного. Этот сигнал проходит через блок ручного управления на усилитель, где этот сигнал усиливается. Усиленный токовый сигнал приходит на вход исполнительного механизма, где преобразовывается, и на выходе создает угловое перемещение выходного вала, который в свою очередь передвигает регулирующий орган в сторону отклонения рассогласования. Также с ИМ токовый сигнал идет на указатель положения вала, на котором показывается угол перемещения выходного вала исполнительного механизма.

2. Специальная часть

2.1 Выбор КИП и А системы регулирования давления

нагрев метал прокатка давление

ДИСК - 250

Прибор, показывающий и регистрирующий, предназначен для измерения и регистрации активного сопротивления, напряжения постоянного тока, а так же неэлектрических величин, преобразованных в указанные выше сигналы.

Входные сигналы от термоэлектрических преобразователей:

0 - 5; 4 - 20 мА

0 - 5 ; 0 - 10 В

0 - 50; 0 - 100 мВ

Питание 220 В, 50Гц.

Потребляемая мощность 20 ВА.

Пределы измерения 0 - 100% (в зависимости от настройки).

САПФИР 22ДД

Первичный измерительный преобразователь перепада давления.

Вых. сигналы: 0 - 5, 0 - 20, 4 - 20 мА, постоянный ток.

САПФИР работает с использованием в чувствительном элементе тензорезисторного эффекта в гетероэпитаксиальной пленке кремния, нанесенной на поверхность монокристаллической пластинки из сапфира.

Пределы измерения 0 - 0,3 кПа.

Питание от источника постоянного тока 36 В, 15 - 42 В;

для тока 0 - 5, 0 - 20, 4 - 20 мА.

Рекомендуется использовать блок питания КАРАТ-22.

Р-130

Регулирующий преобразователь - для формирования динамических свойств П, ПИ-законов.

Вх. сигналы - унифицированные;

Вых. - импульсные - 0 - 5, 0 - 20, 4 - 20 мА, 24 В.

Питание: однофазная цепь переменного тока, 220 В, 50 Гц.

Потребляемая мощность - 20 ВА.

ПБР-2М

Пускатель бесконтактный реверсивный - для управления электрическими исполнительными механизмами.

Вх. и Вых по напряжению.

Питание: сеть переменного тока, 220 В, 50 Гц.

Потребляемая мощность, не более 20 ВА.

БРУ

Применяется в АСУ ТП для переключения цепей управления исполнительными устройствами, индикации положения цепей управления.

Вх. - токовый или по напряжению.

0 - 1, 0 - 5,0 - 10, 0 - 10 мА.

Сеть: однофазная цепь переменного тока, 24 В, 50 Гц.

Потребляемая мощность <2,5 ВА.

МЭО-250

Для перемещения регулирующего органа в системах автоматического регулирования в соответствии с командными сигналами, поступающих от регулирующих и управляющих устройств.

Номинальный крутящий момент на выходном валу - 25 кгс м;

Номинальное время одного оборота выходного вала - 250 с;

Максимальный угол регулирования - 240 град;

Минимальный - 45 град;

Выбег вала - 0,5 град;

Люфт - 075 град;

Напряжения питания - 220 В;

Потребляемая мощность - 64 ВА.

2.2 Расчет

Метод наименьших квадратов.

Используется для того, чтобы получить математическое описание статической характеристики оптимизируемого процесса. Под математическим описанием понимается уравнение статической характеристики полученной экспериментальным путем. Под оптимизацией понимается нахождение параметров системы которые являются наилучшими для ее функционирования.

С помощью данного метода составляется полином, обычно 4-й степени, т.к. уравнение этой степени достаточно точно описывает статическую характеристику.

У=a+bx+cxІ+dxі+ex…

Метод наименьших квадратов применяется только в том случае, если статическая характеристика является унимодальной, т.е. имеет один минимум или максимум.

Статическая характеристика разбивается по оси абсцисс на 10-12 участков. Каждой координате Хi находим соответствующую координату Уi.

Рисунок 4-Статическая характеристика расхода воздуха

Составляется следующая система уравнений.

Уyi=na+bУxi+cУxІi+dУxіi+eУxґi

Уxiyi=aУxi+bУxІi+cУxіi+dУxґi+eУxґi

УxІiyi=aУxІi+bУxіi+cУxґi+dУxґi+eУxґi

Уxіiyi=aУxіi+bУxґi+cУxґi+dУxґi+eУxґi

Уxґiyi=aУxґi+bУxґi+cУxґi+dУxґi+eУxґi

Где

n - количество точек разбивающих статическую характеристику на отрезки.

Таблица 1

Полученные значения подставляем в уравнение и решаем его любым известным способом.

13056=a10+b9.41+c10.76+d12.9+e15.86

12291=a9.41+b10.76+c12.9+d15.86+e19.8

14092.6=a10.76+b12.9+c15.86+d19.8+e25

16885=a12.9+b15.86+c19.8+d25+e31.9

20735.9=a15.86+b19.8+c25+d31.9+e41.1

a = 135

b = 263

c = 254

d = 365

e = 125

Список используемой литературы

1. Методика расчета регулирующего органа, МИК, 2001.

2. Методика расчета исполнительного механизма, МИК. 2001,

3. Инструкция по датчику давления «САПФИР 22-М», Челябинск, 2000.

4. Номенклатурный каталог «Приборы и средства автоматизации», Челябинск, 2001.

5. Линчевский Б. В., Соболевский А. Л. Металлургия черных металлов. -М., Металлургия 1980.

6. Беленький А. М. Автоматическое управление технологическими процессами. -М. Металлургия, 1999.

7. Каминский М. Л.. Каминский В. М. Мотаж приборов и систем автоматизации. -М.: Металлургия, 1997.

8. Котов К. И., Шершевер М. А. Монтаж, эксплуатация и ремонт автоматических устройств. -М.: Металлургия, 1999.

9. Клюев А. С. Мотаж средств измерения. Справочник. -М. Энергоатомиздат, 1999.

10. Глинков Г. М., Маковский В. А,. АСУ ТП в черной металлургии. - М.; Металлургия, 1999.

Размещено на Allbest.ru