Автоматическое управление сжиганием топлива с учетом его состава и кислородного потенциала

Министерство Науки, Высшего Образования и Технической

Политики Российской Федерации

Московский Государственный Вечерний Металлургический Институт Кафедра АТП в М и М Утверждаю

Заведующий кафедрой

____________________

Пояснительная записка

К курсовой работе по предмету:”Автоматизация машиностроения”

На тему:”Управление сжиганием топлива с учетом его состава и

кислородного потенциала печной атмосферы”

Автор работы: Рогачёв Е.В.

Группа: АМ – 93

Специальность: 210200

Руководитель работы: Климовицкий М.Д.

Работа защищена  Оценка

Члены комиссии _____________ __________

_____________ __________

_____________ __________

Москва 1998

 Введение.

 

Эффективность работы методических печей во многом зависит от качества подготовки топлива и воздуха горения перед подачей их в печь Подготовка топлива осуществляется на заводских, цеховых станциях; на установках, об­служивающих группу печей, и для газообразного топлива состоит в стабилизации давления пе­ред печами и обеспечения заданной теплоты сгорания. При отоплении смесью газа, (коксового и доменного, природного и доменного, природного, коксового и доменного) стабилизацию давления и заданную температуру сгорания обеспечивает автоматика газосмесительных станций (ГСС), представляющих собой систему газопроводов с регулирующими органами (обычно поворотными заслонками), расположенными по две в каждом газопроводе.

 Наличие двух регулирующих органов (РО) на каждом газопроводе приводит к значительным потерям давления регулируемых потоков, что может оказаться недопустимым при работе в условиях, когда запас по давлению смешиваемых газов одного из них мал.

Все существующие системы автоматизации ГСС могут быть подразделены на два основных класса: системы, в которых стабилизация давления смеси осуществляется изменением расхода одного из газов (ведущего) с последующим изменением расхода другого (ведомого), и системы, в которых расходы обоих газов изменяются одновременно при изменении давления смеси.

Выбор класса диктуется параметрами смешиваемых газов. Если имеется достаточный запас по давлению и расходу того из газов, которого в смеси больше, то предпочтительнее реализовать систему, относящуюся к первому классу. Если запаса нет, или он очень мал, то – ко второму.

Очень небольшое распространение имеют системы, в которых расход одного из газов (как правило, коксового) поддерживается постоянным, а расходы двух других газов (доменного и природного) изменяют так, что бы обеспечить заданные давление и теплоту сгорания или при обеспечении заданного давления максимально возможно использовать доменный газ.

Различие в построении схем автоматизации ГСС связано со спецификой их работы в условиях конкретного потребителя. Весьма часто диаметры РО завышены и в результате их регулировочные характеристики неудовлетворительны. По мере подключения новых потребителей влияние этого дефекта уменьшается или исчезает полностью. Из-за близкого расположения РО не удается установить отборы давления так, чтобы обеспечить однозначную зависимость между измеряемыми перепадами на РО и расходами газов через них. Очень трудно обеспечить геометрическое подобие проходных сечений РО особенно на начальном участке из-за различной не плотности их при полном закрытии. В результате ни стабилизация, ни поддержание равенства перепадов на РО при их перемещении не обеспечивают качественного регулирования заданного соотношения. Относительное изменение перепадов при единичном регулирующем воздействии возрастает при уменьшении расходов, что ведет к уменьшению запаса устойчивости системы регулирования. Чтобы указанных недостатков, переходят к схеме регулирования соотношения по измеряемым расходам (перепад на диафрагмах). Однако при низких расходах чувствительность расходомеров становится недостаточной, а при больших расходах – реакция на единичное возмущение – слишком большой, что сужает диапазон качественного регулирования, а отсутствие оперативной информации о текущем значении соотношения и теплоты сгорания рабочей смеси не позволяет оператору своевременно вмешаться в работу системы.

Даже при удовлетворительной работе систем регулирования соотношения газов и стабилизации давления смеси ее теплота сгорания может существенно отличаться от расчетной из-за колебания теплоты сгорания каждого из смешиваемых газов, что требует введение в схему дополнительного корректирующего контура.

Практически на всех ГСС стремятся поддерживать теплоту сгорания смеси постоянной. Между тем в ряде случаев преднамеренное ее изменение как дополнительное регулирующее воздействие может обеспечить более рациональное использование высококалорийного газа, повысить производительность печей и улучшить их управляемость.

ГСС как объект автоматизации.

Основное назначение ГСС заключается в обеспечении стабилизации давления и заданной теплоты сгорания топлива. Для получения требуемого качества регулирования на технологических агрегатах (методических печах)  необходимо поддерживать следующие параметры в пределах: теплота сгорания (калорийность) + 50 кКал./ м , давление + 5% от номинального, требуемый расход + 50 м /час. Система регулирования должна обеспечить безопасность работы , отключение агрегатов при падении давления входящих газов ниже 300мм водяного столба, автоматическое закрытие газовых трасс при отключении электропитания. Так как управление работой ГСС производится изменением расходов и давлений газов по ГСС, то ГСС представляет собой мало инерционный объект с параметрами запаздывания 0,5сек., постоянной времени 1сек.

Выполнение программ, входящих в перечисленные контуры, составляющие систему, осуществляется циклически. При этом цикл для определения параметров топлива, расчета B* и n*, запускается по времени, а циклы управления исполнительными механизмами – последовательно, от зоны к зоне. При управлении несколькими печами контуры, относящиеся к параметрам топлива, выносятся в отдельную задачу, передаваемую микро-ЭВМ ,осуществляющей управление газосмесительной станцией, общей для всех печей. Контуры, обеспечивающие управление температурой, расходом воздуха и давлением в печи объединяются в самостоятельную задачу и передаются микро-ЭВМ, управляющей этой печью.

При работе нескольких печей от одной газосмесительной станции изменение параметров топлива при изменении тепловой нагрузки всего печного участка должно производиться с учетом режима работы каждой из печей.

Основываясь на введенных характеристиках работы поставщиков и ранее полученных статических зависимостях между режимами работы этих поставщиков и качественными показателями поставляемых ими газов, программы Pr.qi и, Pr.r i и Pr.C i вырабатывают значения оценок qi , r i и C i , соответственно. На основе выбранных r i , измеренных DP i и t о.с программы Pr.I рассчитывают расходы i-тых газов. Далее определяется общий расход смеси программой Pr.T и доля i-го газа в топливе программами Pr.a i. На основе выработанных qi и рассчитанных a i вычисляется ожидаемое значение теплоты сгорания топлива q (p) , которое должно задаваться с учетом общей тепловой нагрузки, т.е. расхода топлива Т. Сравнение qт(ф) с q(p) позволяет установить наличие ошибок в вычислении i-тых расходов и долей при выработанных оценках r i и qi и произвести изменение значений этих оценок в нужную сторону. Этим же способом корректируется и прямая ошибка в измерении DPi, так как она сказывается на том же параметре, что и ошибка в r i. Сравнение долей доменного и природного газов a д и a п , полученных в результате измерения расходов, a*д и a*п , полученных из расчета по составам газов, теплоте сгорания топлива и доле в нем коксового газа a к , позволяет дополнительно уточнить изменение оценок состава, плотности и теплоты сгорания смешиваемых газов, т.е. осуществить адаптацию системы вычисления параметров топлива к текущим условиям работы поставщиков смешиваемых газов.

Получив на выходе из задачи контроля свойств топлива сигналы о теплоте его сгорания, о составе смешиваемых газов и доли каждого из них в топливе, программа

Pr.B* рассчитывает теоретически необходимое количество воздуха для сжигания единицы образовавшегося топлива или всего поступающего в зону топлива, если эта задача уже передана микро-ЭВМ, обслуживающей конкретную печь.

На основании статистических данных для каждой зоны каждой печи может быть определено количество кислорода в продуктах горения в зависимости от расхода топлива, сжигаемого при теоретически необходимом количестве воздуха. Эта характеристика зависит от конструкции газо - и воздухопроводов, качества монтажа и настройки горелок и сохраняется весь межремонтный период работы печи. Наличие такой зависимости позволяет проводить уточнение расчета В*.

Расчет количества топлива, поступающего в зону, производится по измеренному перепаду на диафрагме и по температуре топлива, если оно подогревается перед подачей в печь. Плотность топлива определяется по его составу. Устранение блока извлечения квадратного корня из перепада, значительно повышает быстродействие и точность работы контура.

На основании данных о том, как зависит устойчивость работы горелок, т.е. степень перемешивания воздуха и топлива и качество его сжигания от расхода топлива в программе Pr.Dn формируется сигнал на увеличение n по сравнению с n*. Здесь же формируется сигнал, обеспечивающий уменьшение количества вредных выбросов, которое зависит от нагрузки печи и нагрузки конкретной зоны.

Сформированный таким образом коэффициент расхода воздуха используется для расчета заданного значения расхода воздуха в зону В(з), в которую поступает количество топлива Т(ф). При подаче в зону В(з) и Т(ф) в продуктах горения в зоне должно содержаться кислорода в количестве О2(р).

Фактическое количество кислорода О2(ф) , непрерывно измеряется и циклически рассчитывается программой Pr.О2(ф). О2(р) и О2(ф) могут быть равны при отсутствии подсосов в печь холодного воздуха или поступления кислорода с продуктами сгорания предыдущих зон. С учетом последнего обстоятельства в программе Pr.О2(р) на основе статически определенной зависимости количества дополнительно поступающего в зону с холодным воздухом кислорода от давления в печи определяется разность между О2(р) и О2(ф), вызванная ошибкой в расчете В(з).

Эта ошибка учитывается в программе Pr.УВ(ф) при расчете управляющего воздействия на изменение расхода воздуха УВ(ф), которое формируется как результат сравнения заданного расхода В(з) с фактическим В(ф). К программе Pr.УВ(ф) подключена программа УТ для соответствующей синхронизации изменения расходов воздуха и топлива еще до появления сигнала об изменении Т(ф), а также для обеспечения необходимого опережения изменения расходов при их увеличении и уменьшении.

Рассчитанное изменение расхода воздуха пересчитывается в программе Pr.Ув в требуемое перемещение регулирующего органа с учетом его расходной характеристики вблизи данной точки.

С учетом скорости перемещения исполнительного механизма и времени, необходимого на выбирание люфтов в сочленении при движении в выбранную сторону, рассчитывается время включения и с учетом соотношения скоростей исполнительных механизмов на газо- и воздухопроводах и заданного времени опережения производится обработка команды. После окончания переходного процесса по фактическому изменению расхода и положения регулирующего органа адаптируется расходная характеристика и скорость перемещения. Периодически уточняется время люфта путем включения исполнительного механизма на это время и фиксации полученного в результате изменения расхода воздуха.

Фактический расход воздуха рассчитывается при каждом обращении к данной зоне перед началом регулирующего воздействия и после, если оно имело место. Расчет производится по результатам непрерывного измерения перепада на диафрагме, температуры и давления воздуха в программе Pr.В(ф). Результаты расчета передаются в программу Pr.УВ(ф).

 

Выбор локальных систем регулирования.

 

 Существенное влияние правильного выбора и точного поддержания коэффициента расхода воздуха на эффективность использования топлива и на теплотехнические характеристики работы нагревательной печи обусловило разработку большого числа способов и систем регулирования этого важнейшего параметра.

Традиционная схема регулирования коэффициента расхода воздуха базируется на измерении расходов топлива и воздуха, вычислении их отношения, сравнении его с заданным и изменении расхода либо воздуха, либо газа при отклонении рассчитанного отношения от заданного. Основным недостатком этой схемы является, то что измеряется не то количество воздуха, которое поступает в печь.

Часть горячего воздуха теряется при движении от измерительной диафрагмы до горелок, одновременно в печь поступает холодный воздух в неконтролируемых количествах. За счет устранения только этого недостатка при реконструкции нагревательной печи с шаговыми балками универсально-балочного стана удалось значительно снизить коэффициент расхода воздуха по составу печных газов, что привело к сокращению потерь с уходящими газами на 13%.

Вторым недостатком этой схемы является то, что изменение расхода воздуха начинается после изменения расхода топлива через время, равное времени запаздывания средств измерения и регулирования. При протяженных импульсных линиях, малых скоростях исполнительных механизмов и плавной настройки регуляторов потери топлива, особенно в условиях частых срабатываний регулятора температуры и колебаний давления воздуха, могут быть весьма ощутимы. Отсюда стремление решить возникшую задачу механическим путем, создав спаренную вентильную систему, в которой газовый и воздушный вентиль перемещались бы одновременно, а их сечения изменялись бы так, чтобы обеспечивалось оптимальное соотношение во всем диапазоне изменения нагрузки агрегата.

При отсутствии горелок с широким диапазоном регулирования поддерживают коэффициент расхода воздуха вблизи заданного значения при изменении тепловой нагрузки путем изменения числа включенных горелок, каждая из которых настроена на nопт и работает при неменяющихся и оптимальных для нее расходах топлива и воздуха. В этом случае никакого запаздывания в изменении расходов газа и воздуха не происходит.

При работе с обычными горелками и регулирующими органами функции управления топливом и воздухом передают одному регулятору, созданному на базе микропроцессора. Рассчитывая необходимое изменение расхода топлива при отклонении температуры от заданного значения, регулятор одновременно рассчитывает необходимое изменение расхода воздуха, а затем одновременно подает сигналы на оба исполнительных механизма. В этом случае динамическая ошибка поддержания nзад. Зависит от работы исполнительных механизмов, точности расчета их перемещения регулятором и, главным образом, от стабильности давления топлива и воздуха и возникающих в результате их колебаний самопроизвольных изменений расходов, сообщение о которых поступит регулятору только через время запаздывания системы измерения. При совпадении периода изменений со временем запаздывания регулятор будет выдавать только неправильные команды.

Для нагревательных печей со стабильным давлением и малыми расходами газа и воздуха, т. е. Сравнительно малыми проходными сечениями регулирующих органов, обеспечивающими хорошую воспроизводимость расходных характеристик, довольно часто используется простая кинематическая связь регулирующих органов с помощью рычагов или лекал с приводом от одного исполнительного механизма, управляемого регулятором температуры.

При невозможности реализовать механическую связь, обеспечивающую эквивалентное изменение расходов газа и воздуха, выход регулятора газа связывают со входом регулятора воздуха через последовательно соединенные фильтр низкой частоты и динамическое звено, эквивалентное звену естественной связи между регулятором топлива и регулятором воздуха. Этим достигается практически одновременное изменение расходов топлива и воздуха, при этом расход воздуха изменяется на величину близкую к требуемой. Оставшуюся часть изменения реализует регулятор расхода воздуха после поступления от системы измерения сигналов о фактических расходах.

Однако синхронное изменение сигналов на перемещение исполнительных механизмов еще не означает синхронного изменения поступления воздуха и топлива к горелкам. Обычно исполнительный механизм при регулирующем органе на трубопроводе топлива более быстроходный и люфт в сочлинениях его с регулирующим органом меньше, чем на трубопроводе воздуха. В результате при команде на открытие наблюдается в начальный момент снижение n и недожог топлива, а при команде на закрытие - повышение n и снижение температуры факела. Для устранения этих недостатков в системе прямого цифрового управления с рассредоточенными функциями на базе микро-Эвм предусматривается различное опережение в срабатывании исполнительных механизмов в случае уменьшения или увеличении расходов. При необходимости уменьшить расходы при снижении тепловой нагрузки сигнала на изменение расхода воздуха подается с минимальным запаздыванием и большей, чем требуется величины. Это предотвращает работу в первый момент с большим n ,а затем обычная схема не допустит излишнего расхода воздуха и уменьшения n ниже n_опт. При необходимости увеличить расходы первым сигнал подается на изменение расхода воздуха, но меньший, чем требуется. Это предотвращает работу в первый момент, а затем обычная схема добавит необходимое количество воздуха. Такая различная крутизна воздействия при изменении его направления обеспечивает устойчивую работу системы, предотвращает появление недожога или снижения температуры факела из-за большого избытка воздуха.

Обеспечение оптимального по времени изменении расходов еще не означает поддержание заданного соотношения топливо-воздух, так как их параметры непрерывно изменяются. Меняются состав топлива, а следовательно его плотность и теплота сгорания. Вместе с изменением его давления и температуры получается значительная ошибка в измерении расхода и следовательно в расчете требуемого количества воздуха. При изменении температуры и давления воздуха появляется ошибка в измерении его расхода, что влечет за собой ошибку в отработке рассчитанного количества. В результате n может далеко отклониться от n опт.

Для устранения этого явления создают систему, в которой измеряются все параметры топлива и воздуха на подводе к горелке. Измеренные значения расходов с использованием набора соответствующих функциональных блоков приводятся к нормальным условиям, рассчитывается из отношения и сравнивается с заданным. Имеющаяся разность отрабатывается изменением расхода воздуха. Заданное значение уточняется по результатам контроля содержания кислорода в отходящих газах. Такая всеохватывающая система в комбинации с вышеописанной, исключающей запаздывание может обеспечить практически идеальное регулирование n для объекта с сосредоточенными параметрами, например нагревательного колодца с одной горелкой.

Однако для объектов с распределенными параметрами, например многозонной методической печи с большим количеством горелок, определение отношения расходов топлива и воздуха после приведения их к нормальным условиям следует вести в каждой зоне после первой по ходу дыма по сумме расходов в данной зоне и предшествующих ей зонах.

Такой способ регулирования позволяет поддерживать в конце каждой зоны заданный состав продуктов сгорания, а также поддерживать в ней n близкое к n зад., выбранному из условий работы этой зоны в заданном для нее режиме, например для томильной – в режиме без окислительного нагрева. К концу печи можно обеспечить таким образом полное сгорание топлива.

Обеспечить рациональное распределение окислителя по длине печи можно путем последовательного установления коэффициента его расхода для каждой зоны, начиная от томильной. При этом, если в конце печи обнаружится избыток окислителя, то его подачу в зоны уменьшают в направлении обратном движению металла, а при недостатке – увеличивают в направлении движения металла. Коэффициент расхода изменяют циклично в диапазоне от 0,7 - 1,4 с последовательно уменьшающимся шагом от зоны к зоне в пределах 0,2 - 0,05 в каждом цикле. Такое последовательное приближение к n опт. для всей печи за счет отхода от n опт. в каждой зоне обеспечит улучшение использования топлива и снижение окалинообразования.

Все описанные способы и системы усовершенствуют традиционную схему регулирования объемного соотношения топлива и воздуха и при всех их достоинствах являются системами стабилизации входных параметров, работающими без сигнала обратной связи. В качестве такого сигнала может быть использован сигнал о количестве кислорода в продуктах горения. Достоверность такого сигнала в качестве обратной связи может оказаться крайне низкой по причинам, которые будут рассмотрены ниже, для ряда же объектов он может явиться очень полезным параметром, особенно на некоторых стадиях их работы.

Использование такого сигнала очень перспективно, например при управлении отоплением колпаковых печей отжига или нагревательных колодцев. В период нагрева и вплоть до начала выдержки, когда расход топлива велик и даже незначительные отклонения от n опт. вызывает большие потери, корректировка работы системы регулирования соотношения по содержанию О2 в отходящих газах или непосредственное регулирование расхода воздуха по этому параметру обеспечивает значительную экономию топлива.

В период выдержки, когда расходы газа и воздуха снижаются до величин, при которых горелка начинает работать неустойчиво, поддерживать заданное значение О2 уже невозможно. Поэтому импульс О2 отключают, оставляя только его контроль, расход газа определяет регулятор температуры, а расход воздуха – система регулирования соотношения или его стабилизируют на уровне, обеспечивающем устойчивую работу горелки и минимально допустимое давление внутри печи.

Для методических печей при снижении их нагрузки поддержание постоянной величины заданного содержания О2 в продуктах горения не целесообразно даже еще и при устойчивой работе горелок. Отключение корректирующего сигнала надо производить на время открытие заслонок окон посада и выдачи, через которые в печь устремляются большие массы холодного воздуха, существенно нарушающие процессы сжигания топлива и нагрева металла. Устройство управления процессом горения в нагревательных печах имеет контур управления температурой путем изменения расхода топлива. По расходу топлива устанавливается расход воздуха, который корректируется по отклонению измеренного содержания кислорода в продуктах горения от заданного, которое, в свою очередь устанавливается с учетом нагрузки печи. При открытие заслонок корректирующий сигнал отключается, а вместо него подключается другой сигнал, обеспечивающий изменения расхода воздуха на величину ориентировочно равную количеству холодного воздуха, поступающего через открытое окно. При закрытие заслонок этот сигнал отключается, расход воздуха возвращается к первоначальному значению. Через некоторое время, необходимое для стабилизации горения, подключается корректирующий импульс по содержанию кислорода.

Метод прямого регулирования расхода воздуха по содержанию кислорода при всей его кажущейся простоте до сих пор не нашел широкого применения даже на объектах, работающих при нагрузках близких оптимальным. Причиной является рассмотренное выше запаздывание как в измерительной системе так и в отработке регулирующего воздействия. В результате анализа частоты следования возмущений, требующих изменения расхода воздуха, и времени запаздывания этого изменения на примере теплоэнергетического котла, работающего при 80% нагрузке, показано, что время работы с n, заметно отличается от n опт., составляет почти половину времени работы котла и не может быть уменьшено. Хорошие результаты могут быть получены либо при устранении запаздывания, либо при стабилизации параметров топлива и воздуха и нагрузки агрегата.

Для частичной компенсации запаздывания вводят сигнал по расходу воздуха, организуют дифференциальную цепочку уже в системе измерения и суммируют два параметра, характеризующих процесс – содержание кислорода и недожог. Для этого сигнал по расходу воздуха дифференцируют, сигнал химического недожога инвертируют и суммируют с сигналом содержания кислорода, суммарный сигнал преобразуют в линейный и совместно с дифференцированным сигналом по расходу воздуха используют для формирования регулирующего воздействия. Кроме уменьшения запаздывания такой способ регулирования позволяет поддерживать минимальное содержание О2 и избежать остаточной неравномерности регулирования.

Стремление работать с минимальным содержанием О2 объясняется попытками выйти на экстремум зависимости тепловыделения от коэффициента расхода воздуха. Однако эта зависимость достаточно размыта и наклон кривой слева, больше чем справа. Следовательно даже идеальный регулятор обеспечит погрешность удержания экстремума слева большую, чем справа. Для устранения этого дефекта и обеспечения максимального использования энергии топлива дополнительно измеряют разность средних наклонов левой и правой ветвей, формируют корректирующий сигнал, пропорциональный этой разности, и суммируют его с основным сигналом задания регулятору соотношения.

Работа с предельно малым содержанием кислорода ведет к тому, что в факеле по его длине одновременно присутствуют и О2 и СО даже при n > 1. Если обозначить величину недожога за О , то наибольшая температура в факеле будет в точке где n – О =1. Если при установке датчика температуры в этой области, задать желаемое содержание СО и начальную температуру факела, то высокое качество управление процессом горения можно обеспечить за счет того, что оптимальный расход воздуха стабилизируется в зависимости от параметра качества процесса горения, который однозначно характеризует этот процесс. Для реализации этого способа необходимо в схему регулирования соотношения объемов топлива и воздуха ввести корректирующий импульс по отклонению произведения температуры на соотношение от заданного для этого произведения постоянного значения, определяемого из заданных начальных температуры и концентрации О2 и СО.

Наиболее простой системой поиска оптимального соотношения является система с экстремальным регулятором, попытки внедрить которую на отечественных заводах ведутся с 50 – х годов.

В качестве входного параметра система использует температуру в зоне горения и изменяет расход воздуха до достижения максимальной температуры, а затем поддерживают ее вблизи максимума попеременным изменением n в обе стороны. При всей кажущейся простоте система не прижилась на нагревательных печах. Первый и основной ее недостаток в отсутствии представительной точки контроля температуры. Каждая горелка в зоне горит по своему, в зависимости от режима работы зоны меняется местоположение факелов и их яркость, через зону проходит металл с различной температурой и радиационными свойствами и т. д. В результате система, обеспечив максимальную температуру в точке контроля, заводит всю зону и эффективность сжигания топлива в далеко неоптимальную области. Второй недостаток связан с рассмотренными выше последствиями запаздывания в отработке изменения расхода воздуха по сравнению с изменениями расхода топлива. Этот недостаток усугубляется еще и тем, что система сама постоянно изменяет n и оценивает результат, который появляется только через некоторое время, в течении которого идет сжигание топлива при n = n опт. Система достаточно хорошо и быстро подводит n к области n ном., если соотношение было далеко от оптимального, но в таких режимах работают очень редко и, как правило, преднамеренно, т.е. вмешательство системы не требуется.

Поэтому для систем, работающих только по поиску экстремума, необходимо формировать сложный входной сигнал, отражающий действительно эффективность работы всего агрегата, и подавать его в качестве корректирующего в систему, обеспечивающий работу всех контролируемых возмущений без запаздывания или с минимальным запаздыванием.

Как уже указывалось выше, стремление к обеспечению максимальной эффективности сжигания топлива только за счет поддержания максимальной температуры горения вступает в противоречие с целым рядом других требований, влияющих на эффективность работы агрегата и в первую очередь с требованиями о защите окружающей среды. Поэтому в последнее время среди способов сжигания топлива появились и такие, при которых организуют потоки бедной и богатой газо-воздушной смеси, поток богатой смеси предварительно нагревают до температуры воспламенения, а получающиеся продукты сгорания инжектируют потоком бедной смеси в зону горения печи.

Такого рода инжекционная горелка, обеспечивая полное выгорание топлива, минимизирует выход окислов азота при достаточно высокой температуре факела.

Снижение выхода окислов азота, бес потери эффективности использования топлива за счет происходящего при этом снижения температуры горения, можно обеспечить увеличив коэффициент излучения факела путем впрыска в него воды или подачи пара.

В этом случае температура факела упадет, но за счет роста коэффициента излучения поток тепла к металлу снизится незначительно. Образование окислов азота уменьшится существенно. При этом оптимальное состояние топлива и воздуха на подводе к горелкам обеспечит одна из описанных выше систем, так что в продуктах горения не будет содержаться избыточного кислорода, что обеспечит малую концентрацию NOx и низкое окалинообразование. Однако увеличение в продуктах горения содержание H2O ведет к существенному ускорению окалинообразования.

Обеспечить оптимальное соотношение топливо – воздух и минимизировать запаздывание при его отработки даже для самых совершенных из описанных выше систем регулирования можно за счет введения опережающего результаты сжигания импульса по рассчитанным по составу топлива значениям теоретически необходимого количеств воздуха В0 и плотности газа, например, импульса В0. Вычисленный в районе газосмесительной станции, где осуществляется приготовление топлива переменного состава, этот импульс поступит в систему регулирования у потребителя топлива раньше, чем само топливо. Это позволит произвести все регулирующие воздействия в системе точно в нужный момент, полностью устранив запаздывание. Устранить возможные небольшие отклонения, возникшие из-за неточности расчета или отработки, можно уже по результатам сжигания, т.е. с помощью обратной связи.

Этот второй процесс произойдет уже с запаздыванием, но для случая малых остаточных отклонений и потери будут минимальными для выполнения вычислений и формирования корректирующих импульсов при сжигании газов переменного состава фирма Techdata США разработала и выпустила на рынок блок «Сжигание газа». Блок представляет собой набор программ, позволяющий рассчитывать теплоту сгорания смеси газов, расход воздуха, требуемый для полного сгорания, температуру горения при заданном коэффициенте расхода воздуха, состав продуктов сгорания. Данные о термодинамических и физических свойствах простых газов и отдельных компонентов топлива и продуктов сгорания содержится в поставляемой с блоком библиотеке. Данные о применяемых потребителем комбинациях газов в смеси можно запоминать, если эти комбинации стабильны, или рассчитывать по измеренным расходам газов. Для реализации блока фирмой разработан интерфейс пользователя, подключаемый без проблем к любому средству автоматизации и почти не требующий предварительного обучения обслуживающего персонала.

На основании вышеизложенного, наиболее рациональным представляется способ управления сжиганием топлива в многозонных методических печах, включающий регулирование расхода топлива, при котором измеряют температуру среды в каждой зоне, датчиком обеспечивающим измерение средне интегрального значения, характеризующего интенсивность нагрева металла во всей зоне. При отклонении измеренного от заданного значения измеряют расход топлива. Измеряют или рассчитывают по составу топлива его теплоту сгорания и соответствующим образом корректируют измеренное значение расхода топлива в зону. Измеряют температуру воздуха и соответствующим образом корректируют измеренное значение расхода воздуха, вычисляют и поддерживают изменением расхода воздуха заданное соотношение топливо-воздух, определенное по составу и расходу топлива. Измеряют содержание кислорода в продуктах горения, в конце зоны сравнивают его с заданным значением, определенным по расходам топлива и воздуха в эту и предыдущие зоны. При отклонении измеренного значения от заданного изменяют соответствующим образом расход воздуха в зону. Измеряют давление в печи, сравнивают с заданным и устраняют отклонение изменением сопротивления дымового тракта, которое фиксируют на время открытия заслонок окна выдачи металла. Измеряют содержание кислорода в продуктах горения в конце печи, сравнивают его с заданным, определенным по суммарным расходам топлива и воздуха на печь. При наличии отклонения измеренного значения от заданного изменяют давление в печи в сторону уменьшения отклонения. При снижении расхода топлива в зону ниже 15 – 20% от максимального увеличивают заданное значение коэффициента расхода воздуха и при дальнейшем снижении нагрузки полностью прекращают изменение расхода воздуха.

Реализация способа позволяет за счет предварительного расчета характеристик топлива и воздуха осуществить стабилизацию коэффициента расхода воздуха еще до начало горения, т.о. компенсировать основную часть возмущающего воздействия практически без запаздывания. За счет введения обратной связи по содержанию кислорода минимизируется остаточная ошибка регулирования. Учет расходов во все предыдущие зоны позволяет компенсировать ошибки в работе их систем регулирования в последующих зонах. Исключение подсосов холодного воздуха в печь и связанных с этим отрицательных последствий (перерасход топлива, увеличенное окалинообразование и т.п.) обеспечивается за счет изменения давления в печи. Изменение заданного значения расхода воздуха в зависимости от нагрузки зоны позволяет стабилизировать режим работы горелок, расположение и форму факела, что обеспечивает интенсивный нагрев металла. Прекращение регулирование давления в печи на время открытия заслонок обеспечивает сохранность оборудования и исключает ложные срабатывания всех систем регулирования и их негативные последствия. Возможность изменения заданного расхода воздуха в зависимости от нагрузки печи позволяет минимизировать количество вредных выбросов в атмосферу.

Разработка АСУ ТП.

В соответствии с проведенным анализом способа регулирования коэффициента расхода воздуха можно провести синтез системы управления сжиганием топлива с учетом его состава и кислородного потенциала печной атмосферы. Функциональная схема системы приведена на рис.1.

Система синтезирована на базе комплекса программ для микро-ЭВМ и содержит минимальное число физических элементов – средств автоматизации. Такой подход продиктован стремлением обеспечить высокие метрологические характеристики системы, так как любое дополнительное средство автоматики при отработке возложенной на него функции, а таких функций в системе очень много, неизбежно вносит свою долю в увеличение общей погрешности работы системы. Точность же выполнения расчетов с помощью микро-ЭВМ можно обеспечить на порядок, а то и на два выше, чем с помощью специализированных блоков, реализующих тот же алгоритм расчета.

Исходя из этого, в состав системы включены только первичные преобразователи - датчики. Для исключения запаздывания в отработке управляющих воздействий, связанных с настройкой регуляторов и усилителей мощности, в системе предусматривается прямое цифровое управление двигателями при регулирующих клапанах газа и воздуха и учет люфтов в их сочленениях.

Состав системы

Система включает в себя следующие контуры Контур управления температурой в зоне (на рис.1 не показан). Контур состоит из: термоэлектрического преобразователя, установленного в своде печи, нормирующего преобразователя, обеспечивающего согласование выходного сигнала термоэлектрического преобразователя с уровнем входных сигналов микро-ЭВМ, программы управления расходом топлива Pr.УТ и программы управления регулирующим органом на газопроводе зоны Pr.Ут. Задание в этот контур поступает от системы оптимизации режима нагрева металла, которая рассчитывает задание температуры для каждой зоны печи. Программ же Pr.УТ и Pr.Ут по одной. Обслуживание зон осуществляется в цикле. При этом при переходе к соответствующей зоне из памяти берутся специфические для нее параметры: коэффициент усиления по каналу температура-топливо при текущем расходе и теплоте сгорания топлива; скорость перемещения регулирующего органа и его расходная характеристика вблизи занимаемого положения; величина люфта в случае движения в выбранном и обратном направлении и т.п. Все параметры первоначально вводятся в память ЭВМ, а затем в процессе работы непрерывно адаптируются по результатам регулирующих воздействий. Такой подход позволяет уже первым регулирующим воздействием устранить минимум 90% рассогласования между контролируемым параметром и его заданным значением, т.о. снизить отклонение сразу практически на порядок, одновременно избежав перерегулирования и ввода систем в автоколебания

Контур регулирования давления в рабочем пространстве печи (на рис.1 не показан) включает в себя датчик давления с нормированным выходным сигналом, программу управлением давлением Pr.УР, и программу управления регулирующим органом Pr.Ур, установленном в дымоотводящем тракте. Задание для контура формируется программой Pr.р(з), обрабатывающая поступающие к ней сигналы о величине содержания кислорода в продуктах сгорания на выходе из печи от заданного значения, о положении заслонок окна выдачи металла и о величине задания, устанавливаемого оператором, исходя из режима работы дымососов и котлов-утилизаторов.

Программа Pr.УР использует при своей работе хранящиеся в памяти и непрерывно адаптируемые специфические параметры, позволяющие точно рассчитывать необходимое перемещение дымового клапана, а программа Pr.Ур – точно отрабатывать рассчитанное перемещение. Адаптация коэффициентов производится по результатам регулирующих воздействий.

Контур управления расходом воздуха включает в себя средства измерения перепадов давления на диафрагме, установленной на подводе газа в зоне, давления и температуры воздуха перед диафрагмой, а также программы вычисления фактического расхода воздуха Pr.В(ф), управления расходом воздуха Pr.УВ(ф) и управления регулирующим органом на воздухопроводе Pr.Ув. Задание в этот контур поступает от программы, рассчитывающей заданный расход воздуха Pr.В(з) и корректируется внутри контура по сигналу обратной связи, вырабатываемому программой Pr.DO2. Количество контуров управления равно числу зон. Программы Pr.УВ(ф) и Pr.Ув работает в цикле аналогично программам Pr.УТ и Pr.Ут, при этом программы Pr.Ут и Pr.Ув связаны между собой,, что позволяет минимизировать запаздывание в отслеживании изменения расхода топлива и снизить динамическую ошибку

поддержания коэффициента расхода воздуха. Программы Pr.В(ф) всех зон связаны между собой, что позволяет учитывать режим работы предыдущих зон.

Контур расчета заданного расхода воздуха состоит из программы определения фактического расхода топлива Pr.Т(ф), на вход которой подключены средства измерения перепада на диафрагме, установленной на подводе топлива к зоне и температуры топлива, программы формирования текущего заданного значения коэффициента расхода воздуха Pr.n и программы коррекции Pr.Dn, учитывающий топливную нагрузку зон. Программы Pr.Т(ф) всех зон связаны между собой, что также позволяет учитывать режим работы предыдущих зон.

Контур расчета отохиометрического соотношения состоит из программы расчета соотношения Pr.n* и программы расчета ожидаемого содержания кислорода в топливе, являющийся контуром адаптации для программ Pr.B* и Pr.УВ(ф).

Контур контроля фактического содержания кислорода в продуктах горения в зоне состоит из датчика кислородного потенциала, датчика температуры в точке контроля, их нормирующих преобразователей и программы вычисления фактического содержания кислорода.

В программе коррекции Pr.DO2 рассчитанное значение сравнивается с фактическим, определяется отклонение и возможность появления его при измеренном значении в зоне. Если отклонение возникло не в результате влияния давления, а в результате ошибки либо в задании расхода воздуха, либо в обработке,то величина управляющего воздействия в Pr.УВ(ф) корректируется.

Контур контроля за составом смешиваемых газов состоит из программ расчета ожидаемой теплоты сгорания, плотности и состава коксового газа – Pr.qк , Pr.rк и Pr.Ск; доменного газа - Pr.qд , Pr.rд и Pr.Сд; природного газа – Pr.qп и Pr.Сп. Программы собраны в блоки, относящиеся к соответствующему газу. На входы блоков подаются сигналы, позволяющие получать оценки для параметров на основе известного режима работы поставщиков данного газа. Для коксового газа – это число и номера работающих коксовых батарей, смена шихты, на которой они работают, количество прямого коксового газа, поступающего от коксового крыла и количество богатого газа от химического крыла. Эти данные вводятся в блок автоматически или диспетчером и определяют достаточно точно состав коксового газа, поступающего к газосмесительной станции. Ошибка в определении состава уменьшается за счет воздействия контура адаптации, реализуемого программой Pr.DСк. Для доменного газа влияющие факторы – число и номера работающих доменных печей, состав шихты и количество природного газа, вдуваемого в печи. Уточняющий сигнал идет из программы Pr.Dqп в случае, если все корректирующие и уточняющие сигналы обработаны, но полного совпадения конечных рассчитанного и фактического значения не достигнуто. Контуры определения расходов смешиваемых газов состоят из датчиков перепада давления на диафрагмах, установленных на соответствующих газопроводах, датчика температуры окружающей среды, его нормирующего преобразователя и программ расчета расходов доменного, коксового и природного газов Pr.Д , Pr.К и Pr.П , соответственно. Каждая из программ получает сигнал о плотности соответствующего газа, чем минимизируется ошибка расчета. Кроме этого программа Pr.Д получает на вход сигнал о давлении газа, так как давление доменного газа перед газосмесительной станцией изменяется в широких пределах.

Контур расчета количества и процентного состава топлива состоит из программ расчета общего количества топлива Pr.Т и программ расчета доли каждого из газов в топливе Pr.a д , Pr.a к и Pr.a п.

Контур определения теплоты сгорания топлива состоит из датчика теплоты сгорания мерного объема топлива, нормирующего преобразователя, программы расчета теплоты сгорания по расходам, долям и составам смешиваемых газов Pr. q(p) и программы расчета теплоты сгорания топлива Pr. qт.

Контур адаптации определения состава смешиваемых газов и расчета долей доменного и природного газов в топливе состоит из программ Pr.D Ск , Pr.D Сд, Pr.a д и Pr.a п.

Математическое описание объекта.

Каждой комбинации газов (Д, К, П) при заданных теплоте сгорания(Д, К, П) и содержании коксового газа в топливе (К) и определяемый как:

 

N = 3822 (n_Q-1) + 673 (n_д-1) + 91(n_к-7) +(n_п-17) n_aк (1)

где n_QU, n_aк - номера значений теплоты сгорания и содержание коксового газа в топливе;

 n_д, n_к, n_п - номера газов.

Определяется доля доменного (Д) и природного (П) газов, входящих в данную комбинацию, при заданных q^(N) и q, т. е. в топливо N.

 ; (2)

; (3)

где:  - теплота сгорания доменного, коксового и природного газов, входящих в топливо и номер.

Для анализа влияния температуры подогрева воздуха дополнительно рассчитывается и при заданных

Тепло, выносимое воздухом, определяется как: ; (4)

Общее тепло, как: . (5)

При всех колебаниях смешиваемых газов и их количество в топливе набор чистых газов в нем остается все же ограниченным, что позволяет рассматривать топливо как результат смешения чистых газов, минуя промежуточные стадии, и рассчитать результаты сжигания как сумму результатов сжигания отдельных чистых газов, составляющих топливо. В отличии от классических методов расчета такой метод сопровождается некоторой погрешностью, но позволяет значительно упростить сам процесс расчета.

Теплота сгорания i газа определялась как сумма теплоты сгорания горючих составляющих с учетом их содержания в газе и без учета возможного взаимодействия при горении. Суммировались все 16 составляющих.

; (6) где:  и - содержание и теплота сгорания к -го компонента в i -ом газе.

Аналогично для плотности i -го газа: ; (7) В соответствии с данными табл. 1., относящимся к каждому к -ому компоненту i -го газа, определялось теоретически необходимое для полного

Таблица № 1. Физико-химические характеристики топлива.

К	компо нент	теплота сгорания МДЖ/М3	теор. Кол-во М3/М3  О2  возд		Содер Газа, % встех. Смеси	образуется при сгорани, м3/м3  СО2 Н2О SО2 О2  N2					молек масса кг	плотность, кг/м3
1	Н2	10.789	0.5	2.38	29.60	0.0	1.0	0.0	0.00	1.88	2.0	0.900
2	СО	12.627	0.5	2.38	29.60	1.0	0.0	0.0	0.00	1.88	28.0	1.260
3	Н2S	23.154	1.5	7.14	12.30	0.0	1.0	1.0	0.00	5.64	34.0	1.521
4	СН4	35.830	2.0	9.52	9.50	1.0	2.0	0.0	0.00	7.52	16.0	0.716
5	С2Н4	59.055	3.0	14.28	6.55	2.0	2.0	0.0	0.00	11.28	28.0	1.251
6	С2Н6	63.786	3.5	16.66	5.66	2.0	3.0	0.0	0.00	13.16	30.0	1.342
7	С3Н8	91.280	5.0	23.80	4.03	3.0	4.0	0.0	0.00	18.80	44.0	1.967
8	С4Н10	118.675	6.5	30.94	3.13	4.0	5.0	0.0	0.00	24.44	58.0	2.593
9	С5Н12	146.120	8.0	38.08	2.56	5.0	6.0	0.0	0.00	30.08	72.0	3.219
10	СМНN	71.175	3.0	14.33	6.52	2.0	2.0	0.0	0.00	11.28	0.0	1.251
11	С6Н6	153.570	7.5	35.70	2.73	6.0	3.0	0.0	0.00	28.20	78.0	3.485
12	С6Н14	173.620	9.5	45.22	2.16	6.0	7.0	0.0	0.00	35.72	86.0	3.845
13	С7Н16	201.120	11.0	52.36	1.87	7.0	8.0	0.0	0.00	41.36	100.0	4.471
14	О2	0.000	-1.0	- 4.76	0.00	0.0	0.0	0.0	0.00	-3.756	32.0	1.428
15	N2	0.000	0.00	0.00	0.00	0.0	0.0	0.0	0.00	1.00	28.0	1.250
16	Н2О	0.000	0.00	0.00	0.00	0.0	1.0	0.0	0.00	0.00	18.0	0.804
17	СО2	0.000	0.00	0.00	0.00	1.0	0.0	0.0	0.00	0.00	44.0	1.964
18	SО2	0.000	0.00	0.00	0.00	0.0	0.0	1.0	0.00	0.00	64.0	2.858
19	возд.	0.000	- 0.2	-1.00	0.00	0.0	0.0	0.0	0.21	0.79	28.8	1.293

Таблица № 2. Теплофизические характеристики компонентов продуктов сгорания.

J	компо- нент	Э, энтальпия при температуре, кДж/м 1200 1400  1600 1800 2000 2200 2400
1	СО2	2716.4	3242.1	3766.5	4304.7	4844.2	5386.5	5930.4
2	Н2О	2132.3	2564.4	2996.6	3458.3	3925.6	4402.0	4887.6
3	SО2	2733.6	3217.2	3692.8	4160.4	4620.0	5071.6	5515.2
4	О2	1800.7	2129.6	2456.1	2797.4	3138.4	3182.6	3831.4
5	N2	1704.0	2005.0	2332.0	2654.3	2977.6	3303.9	3630.5
6	возд.	1719.0	2035.0	2351.0	2676.2	3001.2	3331.7	0.0
7	Н2	1611.9	1902.6	2199.6	2505.1	2815.2	3130.0	0.0
8	СО	1723.3	2039.2	2359.3	2682.2	3007.8	3335.2	0.0
9	Н2S	2293.1	2754.4	3225.4	3706.1	4196.5	4696.6	5206.4
10	СН4	3435.7	4204.9	5006.8	5841.4	6708.7	7608.7	8541.4
11	С2Н4	4503.0	5514.2	6580.7	7702.5	8879.6	10112.0	11339.7
12	С2Н6	5790.0	7124.8	8534.4	10018.8	11578.0	13212.0	14920.8
13	С3Н8	8256.0	10178.0	12226.0	14400.0	16700.0	19126.0	21678.0
14	С4Н10	10727.0	13219.0	15879.0	18707.0	21703.0	24867.0	28199.0
15	С5Н12	13197.0	16253.0	19514.0	22980.0	26651.0	30527.0	34608.0
16	СМНN	4503.0	5514.2	6580.7	77025.0	88796.0	10112.0	11339.7

сжигания количества кислорода и воздуха.

; (8) ; (9)

Количество каждого j -го компонента в продуктах сгорания i - го газа определялось как сумма количеств этого компонента, образовавшаяся в результате сжигания всех горючих компонентов, а также начального их присутствия в газе, т.е. суммирование выполнялось также по К.

; (10) где: - количество j - го компонента, образующегося при сгорании к - го компонента.

Общее количество продуктов сгорания определялось как сумма их компонентов без учета возможного их взаимодействия, ведущего к изменению объема: ; (11)

Калориметрическая температура горения определялась итерационным путем, исходя из того, что энтальпия дыма равна сумме энтальпий всех j - тых компонентов без учета возможного их взаимодействия, а также диссоциации исходных горючих компонентов и равна теплоте сгорания i - го газа.

; (12)

C учетом шага таблицы № 2 в 200 градусов, числа итераций m и при условии линейной интерполяции на промежутке калометрическая температура равна ; (13).

При найденной температуре определялась энтальпия каждого j - го компонента: ; (14).

Общая энтальпия дыма при калометрической температуре:

; (15).

Дополнительно определить удельные характеристики:

1. Усредненная теплоемкость дыма на 1 м³ сожженного газа:

; (16).

2. Усредненная теплоемкость дыма на 1 м³ образовавшихся продуктов горения:  ; (17).

3. Удельный расход воздуха на единицу тепла: ; (18).

4. Удельная плотность газа на единицу тепла: ; (19).

Расчет локальной системы регулирования.

1. Получение передаточной функции объекта по заданной переходной характеристике.

Заданная переходная функция (кривая разгона) в графическом виде рис.1.

Исходные данные: K _об = 1,41; t = 0,3; T =0,85; X (¥) = 1,41; Dt = 0,05 с.

 (рис.1)

.

Порядок расчета.

1. Разбивают отрезок времени от момента нанесения возмущения до момента выхода величины x на установившееся значение на равные отрезки времени Dt так, чтобы на каждом участке кривая мало отличалась от прямой. Выбираем Dt = 0,05 с.

2. Составляют табл. 1 и заносят новое время в графу I, а значение x в конце каждого интервала в графу 2. Находят безразмерное значение выходной величины s (iDt), разделив x на Dx (¥) = 1,41 - результат заносят в графу 3.

3. Вычисляют 1 - s (iDt) и вписывают в графу 4.

4. Подсчитывают сумму чисел графы 4 равной 14,1092.

5. По формуле (6) определяют площадь F₁.

F₁ = 0,05 { 14,1092 - 0,5 [ 1 - 0]} = 0,6805 с.

6. Находят время в новом масштабе q = t / F₁ и заносят в графу 5.

7. Подсчитывают разность 1 - q и заносят в графу 6.

8. Вычисляют (1 - s) * (1 - q), перемножая числа граф 4 и 6, и заносят в графу 7.

9. Находят сумму чисел графы 7 равной 6,0465.

10. По формуле (7) определяют площадь F₂.

F₂ = 0,6805 * 0,05 { 6,0465 - 0,5 [ 1 - 0]} = 0,1887 с².

11. Рассчитывают и заносят в графу 8 величину 1- 2*q + q² / 2.

12. Вычисляют (1 - s) * (1 - 2*q + q² / 2), перемножая числа граф 4 и 8, и заносят в графу 9.