УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ В ЛИНИЯХ ПЕРЕГОРОДОК МНОГОКАМЕРНОЙ ПЕЧИ ДЛЯ ОБЖИГА УГЛЕРОДИСТЫХ БЛОКОВ
DEVICE AND METHOD FOR OPTIMISING COMBUSTION IN PARTITION LINES OF MULTI-CHAMBER KILN FOR FIRING CARBON BLOCKS

Изобретение относится к области многокамерных печей, называемых «печами с вращающимся пламенем», для обжига углеродистых блоков, в частности, анодов и катодов из углерода, предназначенных для электролизного производства алюминия. В частности, объектом изобретения являются способ и устройство оптимизации горения в линиях перегородок такой многокамерной печи.
Печи с вращающимся пламенем для обжига анодов описаны, в частности, в патентной заявке WO 2011/127042, к которой можно обратиться для получения более подробной информации по этому вопросу.
Вместе с тем, можно вкратце напомнить их конструкцию и принцип работы со ссылками на описанные ниже фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 представлен схематичный вид в плане конструкции печи с вращающимся пламенем и с открытыми камерами, в данном примере с двумя факелами пламени, а на фиг. 2 - частичный вид в перспективе в поперечном разрезе с вырезом внутренней конструкции такой печи.
Обжиговая печь (FAC) 1 содержит две параллельные шахты или галереи 1a и 1b, проходящие вдоль продольной оси XX по длине печи и содержащие, каждая, последовательный ряд поперечных камер 2 (перпендикулярных к оси XX), отделенных друг от друга поперечными стенами 3. По своей длине, то есть в поперечном направлении печи 1, каждая камера 2 образована чередованием расположенных рядом друг с другом ячеек 4, которые выполнены открытыми в своей верхней части для обеспечения загрузки предназначенных для обжига углеродистых блоков и выгрузки охлажденных обожженных блоков и в которые укладывают штабелем предназначенные для обжига углеродистые блоки 5, погруженные в углеродистую пыль, а также полыми нагревательными перегородками 6 с тонкими стенками, как правило, удерживаемыми на расстоянии друг от друга поперечными распорками 6a. Полые перегородки 6 камеры 2 находятся в продольном продолжении (параллельно большой оси XX печи 1) полых перегородок 6 других камер 3 этой же галереи 1a или 1b, и эти полые перегородки 6 сообщаются друг с другом через окна 7 в верхней части своих продольных стенок напротив продольных проходов, выполненных на этом уровне в поперечных стенах 3, при этом полые перегородки 6 образуют продольные линии перегородок, расположенные параллельно большой оси XX печи и предназначенные для циркуляции в них газообразных сред (окисляющий воздух, горючие газы и газообразные продукты горения и дымы), что позволяет обеспечивать предварительный нагрев и обжиг анодов 5 и их последующее охлаждение. Полые перегородки 6 дополнительно содержат переборки 8 для удлинения и более равномерного распределения пути газообразных продуктов горения или дымов, и в своей верхней части эти полые перегородки 6 оборудованы также отверстиями 9, закрываемыми съемными крышками и выполненными в венце печи. Две галереи 1a и 1b печи сообщаются на своих продольных концах через разворотные каналы 10, которые позволяют перемещать газообразные среды от одного конца каждой линии полых перегородок 6 одной галереи 1a или 1b до конца соответствующей линии полых перегородок 6 в другой галерее 1a или 1b, образуя, таким образом, по существу прямоугольные контуры линий полых перегородок 6.
Принцип использования печей с вращающимся пламенем, называемых также «печами с поступательным движением пламени», состоит в перемещении фронта пламени от одной камеры 2 к смежной с ней другой камере в ходе одного цикла, при этом каждая камера 2 последовательно проходит через стадии предварительного нагрева, принудительного нагрева, полного пламени, затем охлаждения (естественного и затем принудительного).
Обжиг анодов 5 осуществляют при помощи одного или нескольких факелов или групп факелов (на фиг. 2 показаны две группы факелов в положении, в котором одна группа проходит в данном примере через тринадцать камер 2 галереи 1а, а другая - через тринадцать камер 2 галереи 1b), которые перемещаются от одной камеры 2 к другой камере 2.
Каждый факел или группа факелов состоит из пяти последовательных зон A-E, которые, как показано на фиг. 1 для пламени галереи 1b, расположены от выхода к входу относительно направления потока газообразных сред в линиях полых перегородок 6 и в обратном направлении при циклических перемещениях от камеры к камере:
А) Зона предварительного нагрева, которая, если рассматривать пламя галереи 1a и с учетом направления вращения пламени, показанном стрелкой на уровне разворотного канала 10 на конце печи 1 в верхней части фиг. 1, содержит:
- всасывающую рампу 11, оборудованную для каждой полой перегородки 7 камеры 2, над которой расположена эта всасывающая рампа, системой измерения и регулирования расхода газов и дымов на каждую линию полых перегородок 6, причем в каждом всасывающем патрубке 11а, который неподвижно соединен с всасывающей рампой 11 и выходит в нее с одной стороны и с другой стороны заходит в отверстие 9 соответственно одной из полых перегородок 6 этой камеры 2, эта система может содержать регулируемую запорную заслонку, поворачиваемую приводом заслонки, для регулирования расхода, а также расходомер 12, расположенный немного ближе к входу в соответствующем патрубке 11, температурный датчик (термопару) 13 для измерения температуры дымовых газов на всасывании, и
- рампу 15 измерения предварительного нагрева, по существу параллельную всасывающей рампе 11 и расположенную на входе последней, как правило, над этой же камерой 2, и оборудованную температурными датчиками (термопарами) и датчиками давления для получения статического разрежения и температуры в каждой из полых перегородок 6 этой камеры 2, чтобы обеспечивать индикацию и регулирование этого разрежения и этой температуры зоны предварительного нагрева;
B) Зона нагрева, содержащая:
- несколько идентичных нагревательных рамп 16, а именно две или предпочтительно три, как показано на фиг. 1, или больше в зависимости от продолжительности цикла; при этом каждая из них оборудована горелками или форсунками впрыска топлива (жидкого или газообразного) и температурными датчиками (термопарами), при этом каждая из рамп 16 расположена на одной из камер соответствующего числа смежных камер 2 таким образом, чтобы форсунки каждой нагревательной рампы 16 заходили в отверстия 9 полых перегородок 6 для впрыска в них топлива;
C) Зона продувки или естественного охлаждения, содержащая:
- так называемую «рампу нулевой точки» 17, расположенную над камерой 2 непосредственно на ее входе над наиболее ближней к входу нагревательной рампой 16 и оборудованную датчиками давления для измерения давления в каждой из полых перегородок 6 этой камеры 2 с целью обеспечения регулирования этого давления; и
- нагнетательную рампу 18, оборудованную электрическими вентиляторами, оснащенными устройством, позволяющим регулировать расход окружающего воздуха, нагнетаемого в каждую из полых перегородок 6 камеры 2 на входе перегородки, находящейся под рампой нулевой точки 17 таким образом, чтобы расход потоков окружающего воздуха, нагнетаемого в эти полые перегородки 6, можно было регулировать для получения требуемого давления (с небольшим превышением давления или с небольшим разрежением) на уровне рампы нулевой точки 17;
D) Зона принудительного охлаждения, простирающаяся на три камеры 2 на входе нагнетательной рампы 18 и содержащая в этом примере две параллельные рампы 19 охлаждения, каждая из которых оборудована электрическими вентиляторами и нагнетательными патрубками, нагнетающими окружающий воздух в полые перегородки 6 соответствующей камеры 2; и
E) Рабочая зона, расположенная на входе рамп 19 охлаждения и позволяющая производить загрузку и выгрузку анодов 5 в печь, а также обслуживание камер 2.
На входе нагревательных рамп 16 нагнетательная рампа 18 и рампа или рампы 19 принудительного охлаждения содержит патрубки для нагнетания воздуха горения при помощи электрических вентиляторов, причем эти патрубки соединены через отверстия 9 с полыми перегородками 6 соответствующих камер 2. На выходе нагревательных рамп 16 расположена всасывающая рампа 11 для удаления газообразных продуктов горения и дымов, в совокупности обозначаемых термином «дымовые газы», которые циркулируют в линиях полых перегородок 6.
Нагрев и обжиг анодов 5 обеспечиваются одновременно за счет сжигания топлива (газообразного или жидкого) с регулируемым впрыском через нагревательные рампы 16 и, по существу, в такой же степени за счет сжигания летучих веществ (таких как полициклические ароматические углеводороды), выделяемых смолами анодов 5, в ячейках 4 камер 2 в зонах предварительного нагрева и нагрева, причем эти летучие вещества, в основном являющиеся горючими и распространяющиеся в ячейках 4, могут проходить в две смежные полые перегородки 5 через проходы, выполненные в этих перегородках, при помощи остаточного окисляющего воздуха, присутствующего на этом уровне среди дымовых газов в этих полых перегородках 6.
Таким образом, циркуляция воздуха и дымовых газов происходит вдоль линий полых перегородок 6, и разрежение, создаваемое на выходе нагревательной зоны B всасывающей рампой 11 на выходном конце зоны A предварительного нагрева, позволяет контролировать расход дымовых газов внутри полых перегородок 6, тогда как воздух, поступающий из зон охлаждения C и D через рампы 19 охлаждения и особенно через нагнетательную рампу 18, предварительно нагревается в полых перегородках 6, охлаждая по пути аноды 5, обожженные в смежных ячейках 4, и служит окислителем, когда приходит в зону В нагрева.
В процессе обжига анодов 5 комплекс рамп 11-19 и связанных с ними контрольно-измерительных приборов и оборудования циклически (например, приблизительно каждые 24 часа) перемещают от камеры 2, при этом каждая камера 2 обеспечивает, таким образом, последовательно: в зоне A предварительного нагрева - функцию загрузки необработанных углеродистых блоков 5, затем в зоне A предварительного нагрева - функцию естественного предварительного нагрева дымовыми газами топлива и паров смол, которые выходят из ячеек 4, заходя в полые перегородки 6, с учетом разрежения в полых перегородках 6 камер 2 в зоне А предварительного нагрева, затем в зоне В нагрева или обжига - функцию нагрева блоков 5 примерно до 1100° и, наконец, в зонах С и D охлаждения - функцию охлаждения обожженных блоков 5 окружающим воздухом и соответственно нагрева этого воздуха, образующего окислитель для печи 1, при этом за зоной D принудительного охлаждения в направлении, противоположном направлению движения пламени и циркуляции дымовых газов, следует зона Е выгрузки охлажденных углеродистых блоков 5, затем, в случае необходимости, загрузки необработанных углеродистых блоков в ячейки 4.
Способ регулирования печи FAC в основном включает в себя регулирование температуры и/или давления в зонах предварительного нагрева А, нагрева В и продувки или естественного охлаждения С печи 1 согласно заранее определенным правилам.
Дымовые газы, удаляемые из пламени через всасывающие рампы 11, поступают в дымоход 20, например цилиндрический дымоход, частично показанный на фиг. 2, с дымовым каналом 21, который может иметь в плане U-образную форму (на фиг. 1 показан пунктирной линией) или может проходить вокруг печи и выход 22 которого направляет всасываемые и собираемые дымовые газы в центр обработки дымов (CTF), который на чертежах не показан, так как не относится к изобретению.
Чтобы придать анодам (углеродистым блокам) их оптимальные характеристики и, следовательно, в основном обеспечить достижение конечной температуры обжига, известная магистраль печей этого типа преимущественно предназначена для питания топливом нагревательных рамп 16 независимо от условий разрежения, тяги и от аэравлических условий в перегородках 6, в результате чего происходит неполное сжигание в значительном и даже большом числе линий полых перегородок 6. В свою очередь, это приводит к повышению эксплуатационных расходов не только по причине перерасхода топлива, но также по причине загрязнения всасывающих кожухов и каналов, в которых снижается напор из-за осаждения недожога, что также чревато потенциальным риском воспламенения и нарушения процесса обжига.
Форсунки нагревательной рампы распределены парами, то есть по две форсунки на перегородку. Число форсунок в рампе равно, таким образом, двукратному числу перегородок, например, составляет четырнадцать форсунок на семь перегородок. Для нагревательной зоны, оборудованной тремя рампами, в сумме шесть форсунок впрыскивают топливо в одну перегородку.
Топливоподводящее оборудование нагревательной рампы 16 адаптировано к природе применяемого топлива, в частности, в зависимости от того, является ли оно газообразным, как природный газ, или жидким, как мазут. Для упрощения описания изобретения в дальнейшем будет считаться, что топливо является газообразным.
На фиг. 3 схематично представлен пример известной нагревательной рампы 16 для газообразного топлива. На этой фигуре показаны 4 пары форсунок 23 с учетом того, что обычно рампа 16 оборудована 7-10 парами. Форсунки 23 соединены с одним топливным трубопроводом, установленном на нагревательной рампе 16 и подключенном к заводской сети через шланг 26 и быстрый патрубок 25. Перед каждой форсункой 23 находится электровентиль 37 включения/выключения для индивидуального управления каждой форсункой 23. Трубопровод питания рампы содержит быстрый соединитель 25, шланг 26, фильтр 27, общий предохранительный электровентиль 28, контур обхода этого общего предохранительного электровентиля, включающий в себя игольчатый клапан 29 и электровентиль, позволяющий контролировать герметичность трубопровода, орган 31 измерения расхода (факультативный), регулятор 32 давления (факультативный), реле 33 давления со срабатыванием при минимальном пороговом давлении, реле 34 давления со срабатыванием при максимальном пороговом давлении, датчик 35 давления. Этот главный контур питает все форсунки 23, перед каждой из которых находятся ручной вентиль 36, электровентиль 37 и шланг 38.
На фиг. 4 схематично представлена известная печь в вертикальном разрезе по продольной оси XX посередине полой перегородки 6. Этот пример включает в себя 3 последовательные нагревательные рампы 16a, 16b и 16c. Нагнетательная рампа 18 обеспечивает циркуляцию свежего воздуха для охлаждения обожженных анодов и приток кислорода для сжигания топлива, впрыскиваемого через нагревательные рампы 16a, 16b, 16c. Поток воздуха и затем дымовых газов в перегородке 6 схематично показан пунктирной линией. Отверстия 9 камер 2, находящиеся между нагнетательной рампой 18 и нагревательными рампами 16a, 16b, 16c, закрыты, чтобы ограничивать утечку нагнетаемого воздуха. На входе первой нагревательной рампы 16c находится рампа 17, называемая «рампой нулевой точки». Для этой перегородки 6 и этих нагревательных рамп 16a, 16b, 16c показаны пары форсунок 23a1, 23a2, 23b1, 23b2, 23c1, 23c2 и термопары 24a, 24b, 24 с для измерения температуры в перегородке. Для каждой нагревательной рампы 16a, 16b, 16c установлены соответствующие форсунки в двух отверстиях 9, разделенных отверстием 9, которое остается свободным и закрыто крышкой. Термопары 24 установлены на выходе форсунок в направлении потока газов. В конце пути пламени находится всасывающая рампа 11, перед которой установлена рампа 15 измерения предварительного нагрева.
В среднем нагревательная рампа 16 работает примерно на 30% от своей общей мощности. Для ограничения стоимости, габаритов и веса рампы 16 ее трубопровод рассчитан на номинальный расход топлива, эквивалентный 30% расхода, который понадобился бы для одновременного питания всех форсунок 23 этой рампы 16 при их номинальной мощности. Если одновременно открыть большое количество форсунок 23, то пропускной способности рампы 16 оказывается недостаточно, и происходит неконтролируемое падение давления газов. Это падение давления приводит к уменьшению длины пламени и может выражаться ухудшением качества горения. Это явление особенно проявляется при газообразном топливе, поскольку в случае жидкого топлива оно компенсируется насосом, установленным на рампе 16, который поддерживает давление и заставляет непрерывно циркулировать в трубопроводе 3-5-кратный объем впрыскиваемого жидкого топлива.
Впрыск топлива является пульсирующим (в виде импульсов). Как правило, мощность впрыска модулируют путем изменения продолжительности закрывания автоматических вентилей 37 форсунок 23. Ее можно также модулировать, изменяя продолжительность открывания вентилей 37. Когда форсунка 23 открыта, происходит впрыск на 100% ее мощности и потребляется ее максимальный расход. Например, в случае природного газа продолжительность впрыска в основном колеблется от 0,5 до 4 с, тогда как в случае мазута продолжительность впрыска в основном колеблется от 30 до 150 мс.
В варианте модулирование мощности впрыска можно также производить, меняя давление питания форсунок 23 топливом, например, при помощи регулятора 32 давления, установленного на трубопроводе питания каждой рампы 16. Это решение позволяет изменять длину пламени в зависимости от уровня давления, при этом слабое давление дает более короткое пламя, чем во время работы при номинальном давлении. Следовательно, оно влияет на распределение калорий в перегородках 6 и на температурный профиль по высоте каждой перегородки 6.
Мощность брутто впрыска вычисляют при помощи инкрементального ПИД-блока для каждой пары форсунок каждой рампы 16, то есть на каждую перегородку 6. В зависимости от отклонения между температурой, измеряемой термопарой 24 рампы 16 соответствующей перегородки 6, и заданным значением, устанавливаемым оператором, ПИД-блок вычисляет изменение общей команды брутто. Это изменение, добавленное к предыдущей команде брутто, дает общую команду брутто в пределах от 0 до 100%. При этом данную команду ограничивают в зависимости от нижних и верхних допустимых пределов, задаваемых оператором для рампы 16.
Распределение этой мощности между двумя форсунками, например 23a1 и 23a2 для рампы 16, осуществляют, например, на основании параметра соотношения, задаваемого оператором. Соотношение должно всегда соблюдаться, для чего вычисляют допустимые верхние и нижние пределы для рампы 16. После этого система регулирует эту общую мощность для соблюдения максимального предела мощности, который был зафиксирован для перегородки 6. Этот максимальный предел устанавливает либо оператор, либо модуль мониторинга горения.
Значение конечной общей мощности поступает в автомат контроля/управления рампой 16 вместе со значениями соотношения и продолжительности импульса. Автомат вычисляет время закрывания для входной форсунки (например, 23a2) и выходной форсунки (например, 23a1), чтобы мощность впрыска соответствовала соотношению и общей мощности. Вычисленные значения импульсов передаются на форсунки 23.
В известных решениях не существует очень точной синхронизации ритма с другими парами форсунок 23 других рамп 16, находящихся на этой же перегородке 6. Поскольку воздух горения в основном поступает от входа (нагнетается нагнетательной рампой 18), содержание в нем кислорода снижается между первой нагревательной рампой (такой как 16c) и последней (такой как 16a). В зависимости от цикла впрыска между форсунками 23, установленными на одной и той же перегородке 6, возникают ситуации, когда форсунки 23 производят впрыск в такой же объем воздуха, что и предшествующие им форсунки, при этом содержание кислорода в указанном объеме оказывается низким. Это приводит либо к сдвигу воспламенения относительно места впрыска, либо к неполному сгоранию впрыскиваемого топлива и к накапливанию недожога. Это явление проявляется больше при газообразном топливе, чем при жидком топливе, по причине более продолжительного времени впрыска.
Для ограничения колебаний давления топлива в нагревательной рампе 16 в лучшем случае производят первоначальное смещение при запуске разных пар форсунок 23, установленных на одной рампе 16, но это смещение не поддерживается.
Ограничения связаны с тем, что форсунками 23 часто управляет независимое устройство, такое как электронная плата, специально разработанная для этого применения, которая генерирует импульсы в зависимости от значения частоты, передаваемого автоматом рампы 16, что не позволяет точно задавать ритм работы парам относительно друг друга. Часто форсунками 23 напрямую управляет автомат рампы 16. В этом случае задавание точного ритма на рампе 16 возможно, но вычислительная мощность и относительная медлительность обновления выходов автоматов ограничивают возможность точного задавания ритма. Относительно медленная связь между автоматами и разброс органов управления не позволяют производить точную синхронизацию между различными нагревательными рампами 16.
На фиг. 5 схематично представлен пример известной системы контроля-управления вращающимся пламенем. Управление обеспечивают два избыточных центральных компьютера CCS-A 42a & CCS-B 42b, которые передают команды для исполнения на автоматы 45, находящиеся на каждой рампе 11, 15, 16, 17 и 18. Эти автоматы 45 напрямую управляют приводами, в частности заслонками на рампе 11, форсунками 23 на нагревательных рампах 16 и вентиляторами на рампе 18. Связь между различными управляющими устройствами осуществляется через сеть связи, которая может быть проводной или, например, типа WiFi. Центральные компьютеры вычисляют команды для каждого привода в зависимости от заданных значений, введенных ранее операторами, и от измерений, поступающих от автоматов 45 рамп. Затем эти команды поступают на каждый автомат 45, который их исполняет. Сеть связи Уровня 1 между центральными компьютерами 42a & 42b и автоматами 45 рамп включает в себя коммутаторы (switch) Ethernet 40 и точки доступа WiFi 43, которые распределены в здании цеха. Каждый автомат 45 подключен к сети WiFi через пользователя (44), при этом внутренняя сеть Ethernet рампы обеспечивает обмен данными через коммутатор (switch) Ethernet 46 между пользователем WiFi 44, локальным экраном 47 и регуляторами 48 скорости в случае нагнетательной рампы 18. Вспомогательный автомат 43 (находящийся, например, в зале электрооборудования) позволяет собирать данные, поступающие от элементов, обслуживающих печь, таких как центр обработки дымов.
Компьютер DMS 41 обеспечивает архивирование данных процесса и связан с компьютерами CCS 42a & 42b через коммутатор (switch) 40, входящий в состав сети Ethernet Уровня 2. Эта сеть может быть связана с заводской сетью для извлечения и использования данных системами Уровня 3.
Мониторинг процесса обеспечивают при помощи контрольных экранов 39, которые могут быть вынесены, например, в контрольный зал, в случае необходимости, через специально выделенную сеть (Сеть KVM). Эти экраны 39 показывают данные в реальном времени, поступающие от компьютеров CCS 42a & 42b, а также архивированные данные, поступающие от DMS 41.
Для устранения вышеупомянутых недостатков изобретением предлагается способ оптимизации горения в линиях перегородок многокамерной печи, называемой «печью с вращающимся пламенем», для обжига углеродистых блоков. Печь содержит последовательный ряд камер предварительного нагрева, нагрева, естественного охлаждения и принудительного охлаждения, расположенных в ряд вдоль продольной оси XX печи. Каждая камера состоит из расположенных рядом друг с другом и поперечно к указанной продольной оси XX и чередующихся ячеек, в которых находятся предназначенные для обжига углеродистые блоки, и из полых нагревательных перегородок, сообщающихся и расположенных в линию с перегородками других камер параллельно продольной оси XX печи, в которых циркулируют охлаждающий и окисляющий воздух и газообразные продукты горения. Всасывающая рампа соединена во время предварительного нагрева с каждой из перегородок первой камеры соответственно одним из нагнетательных патрубков. Необходимый окисляющий воздух частично поступает через нагнетательную рампу зоны естественного охлаждения, связанную, по меньшей мере, с одним вентилятором, и частично просачивается за счет разрежения через линии перегородок. Топливо, необходимое для обжига углеродистых блоков, частично впрыскивается, по меньшей мере, через две нагревательные рампы, каждая из которых расположена, по меньшей мере, над одной из двух смежных камер зоны нагрева и которые выполнены с возможностью впрыска топлива в каждую из перегородок соответствующей камеры зоны нагрева. По меньшей мере, нагревательными рампами управляет напрямую управляющий контроллер посредством управления входами/выходами указанных рамп. При этом способ включает в себя автоматическую идентификацию управляющим контроллером относительного положения одной нагревательной рампы относительно других во время соединения указанной нагревательной рампы с сетью, и упорядочение работы форсунок нагревательных рамп осуществляют посредством индивидуального распределения во времени рабочих циклов форсунок.
Технология ядра реального времени и сети реального времени делает возможным задавание ритма, так как ядро реального времени имеет время с абсолютно определенным циклом и с постоянной продолжительностью.
Управляющий контроллер производит вычисление команд, считывая данные непосредственно на входах, и самостоятельно обеспечивает управление выходами, связанными с приводами. Таким образом, в нагревательных рампах исключены, по меньшей мере, автоматы.
В ходе каждого цикла управляющий контроллер собирает все входные данные, прежде чем начать вычисление, и затем позиционирует все выходы, прежде чем начать новый цикл.
Таким образом, всеми выходами, управляющими форсунками, распределенными на различных нагревательных рампах, управляет только один контроллер, причем с высокой скоростью и с точной и надежной ритмичностью, которая стала возможной благодаря использованию ядра реального времени и сети реального времени.
Выбор действий и соответствующее позиционирование выходов осуществляют в порядке приоритета задач.
Сеть реального времени является фундаментальной, так как позволяет обеспечивать действительное считывание всех входов и запись всех выходов на каждой стадии цикла.
Согласно примеру выполнения изобретения, функции контроля/управления рамп программируют в программном автомате.
Согласно примеру выполнения изобретения, управляющий контроллер является персональным компьютером.
Сеть реального времени, связывающая, в частности, управляющий контроллер и входы/выходы рамп, является, например, сетью Ethernet.
Согласно другому примеру выполнения изобретения, ядро реального времени Twincat связано с сетью реального времени Ethernet.
Кроме того, способ в соответствии с изобретением отличается тем, что временное распределение рабочих циклов форсунок осуществляют таким образом, чтобы форсунка работала, только когда объем газа, находящийся под указанной форсункой, имеет достаточное содержание кислорода для обеспечения горения впрыскиваемого топлива.
Таким образом, способ в соответствии с изобретением отличается тем, что временное распределение рабочих циклов форсунок осуществляют таким образом, чтобы ограничить образование недожога, в частности, CO.
Общий алгоритм позволяет оптимизировать ритм впрысков, чтобы обеспечивать одновременно оптимизацию наличия воздуха в перегородках, а также поддержание контролируемого расхода топлива в трубопроводах каждой нагревательной рампы для сохранения гомогенных характеристик впрыска. Таким образом, временное распределение рабочих циклов форсунок осуществляют таким образом, чтобы ограничить колебания расхода топлива в каждой нагревательной рампе. Кроме того, временное распределение осуществляют, ограничивая число одновременно работающих форсунок максимальным числом, при этом указанное максимальное число является числом, которое приводит к номинальному расходу топлива в указанной рампе.
Согласно частному варианту изобретения, способ предполагает также оптимизацию горения в топливных форсунках в течение времени, обозначаемого D, в печи, содержащей число N форсунок, распределенных по перегородкам и нагревательным рампам печи. Форсунки работают импульсами по принципу «все или ничего» и с модуляцией продолжительности. Для каждой из N форсунок определяют продолжительность работы Δi, меньшую или равную D, при этом значения продолжительности работы Δi выводят в зависимости от энергетических нужд печи, и их выдает система контроля-управления печи. При этом, согласно способу:
- продолжительность работы Δi форсунки делят на ряд импульсов, при этом сумма значений продолжительности импульсов равна продолжительности работы Δi указанной форсунки;
- порядок работы определяют по временному распределению импульсов для каждой из N форсунок индивидуально и кодируют в виде двоичной временной функции pi, которая соответствует 1, когда форсунка с порядковым номером i производит импульс в момент s, и в противном случае соответствует 0;
- порядок работы вычисляют в момент Т вычисления с учетом требуемых значений продолжительности работы Δi форсунок, при этом импульсы форсунки происходят не раньше первоначального момента ti, следующего за моментом T, и не позже момента ti+D;
- первоначальные моменты ti каждой форсунки зависят от относительного положения форсунок одной перегородки и от скорости Vk потока газообразных продуктов горения в этой перегородке.
Предпочтительно порядок работы вычисляют следующим образом:
/a/ выбирают любой первоначальный порядок,
/b/ каждой форсунке присваивают порядковый номер i от 1 до N,
/c/ для форсунки с порядковым номером i, равным 1, выбирают распределение рабочих импульсов этой форсунки, которые позволяют максимизировать функцию Uk, характеризующую содержание кислорода в газообразных продуктах горения после последней форсунки одной перегородки за интервал времени между моментами tk и tk+D, где tk является моментом, соответствующим последней форсунке этой перегородки, при этом импульсы других форсунок сохраняют положения первоначального порядка, и в результате получают порядок работы с оптимальным распределением импульсов для форсунки с порядковым номером i, равным 1,
/d/ этап /c/ повторяют на основании итогового порядка этапа /c/, последовательно рассматривая форсунки с порядковым номером i, превышающим 1, до форсунки с порядковым номером N.
Способ может содержать следующие дополнительные этапы:
/e/ используя в качестве первоначального порядка порядок работы, определенный на этапе /d/, каждой форсунке присваивают новый порядковый номер i от 1 до N и повторяют этапы /c/ и /d/, /f/ полученный порядок работы сравнивают с первоначальным порядком и в качестве порядка работы выбирают наилучший из двух.
/g/ этапы /e/ и /f/ повторяют многократно с количеством раз, совместимым с временем вычисления между моментом Т вычисления и первым из первоначальных моментов ti форсунок одной перегородки.
При помощи этих дополнительных этапов определяют наилучший из порядков работы этапа /f/, при котором общий расход топлива в каждой рампе, получаемый в результате распределения работы форсунок рампы, не превышает максимальный возможный расход топлива в указанной рампе.
В зависимости от заданных значений температуры, устанавливаемых оператором, и от считываемых значений температуры для каждой перегородки в сочетании с вспомогательными измерениями, такими как измерение CO или расхода воздуха в перегородках, вычисляют матрицу впрыска, используя вычислительную мощность управляющего контроллера. Затем ее передают на вынесенные выходы на каждой из нагревательных рамп для управления форсунками.
Объектом изобретения является также устройство оптимизации горения в линиях перегородок.
Кроме описанных выше отличительных признаков, изобретение имеет также другие отличительные признаки, более подробно рассмотренные ниже в связи с не ограничительными примерами выполнения, описанными со ссылками на прилагаемые чертежи.
Пять первых фигур были описаны выше для известных технических решений, а именно:
на фиг. 1 схематично показана конструкция печи с двумя вращающимися факелами и с открытыми камерами, вид в плане;
на фиг. 2 схематично показана внутренняя конструкция печи, изображенной на фиг. 1, частичный вид в перспективе и в поперечном разрезе с вырезом;
на фиг. 3 показана жидкостная схема, иллюстрирующая пример нагревательной рампы;
на фиг. 4 показан частичный схематичный вид в продольном разрезе, иллюстрирующий расположение рамп на линии перегородок;
на фиг. 5 схематично показана известная система контроля-управления;
на фиг. 6 схематично показана система контроля-управления в соответствии с изобретением;
на фиг. 7 показана хронограмма, иллюстрирующая работу форсунки за определенное время.
Как показано на фиг. 6, система контроля-управления в соответствии с изобретением содержит, например, компьютер архивирования данных DMS 41 и, по меньшей мере, два контроллера CCS 42a & 42b. Эти машины связаны между собой при помощи коммутатора (switch) Ethernet 40, что образует сеть Ethernet Уровня 2. Каждый из контроллеров 42a и 42b содержит автомат реального времени, который управляет через сеть Ethernet реального времени Уровня 1 блоками вынесенных входов/выходов 52, которыми оборудованы рампы 11, 15, 16, 17 и 18, а также вспомогательный автомат 43.
Рампы 11, 15, 16, 17 и 18 соединены с сетью реального времени при помощи провода, который подключен к соединительным коробкам 51, установленным напротив каждой камеры 2 печи 1.
Мониторинг способа обеспечивают при помощи контрольных экранов 39, которые могут быть вынесенными при помощи специально выделенной, в случае необходимости, сети (сеть KVM). На этих экранах 39 в реальном времени выводятся данные, поступающие от контроллеров CCS 42a & 42b, а также архивированные данные, поступающие от DMS 41. В здании цеха установлены дополнительные экраны 50 для обеспечения мониторинга способа. На этих экранах 50 в реальном времени выводятся данные, поступающие от контроллеров CCS 42a & 42b. Они связаны с сетью реального времени через специально выделенные группы входов/выходов 52.
Управляющий контроллер 42a, 42b автоматически идентифицирует относительное положение рамы по отношению к другим рампам в момент соединения указанной рампы с сетью.
Для этого, согласно варианту выполнения, во время запуска системы в нее вводят теоретическую продолжительность цикла обжига, первоначальное положение пламени и теоретическую конфигурацию каждого факела пламени.
Под «теоретической конфигурацией каждого факела пламени» следует понимать относительное положение рамп внутри одного факела.
На основании теоретической продолжительности цикла, относительного положения, теоретической конфигурации пламени и текущих даты и времени управляющий контроллер 42a, 42b непрерывно вычисляет для каждого факела теоретические положения, распознаваемые, например, по номеру, указывающему на секцию в печи 1 для разных типов рамп 11, 15, 16, 17, 18, которые потребуются ему для управления способом обжига при помощи пламени.
С точки зрения оборудования каждая рампа 11, 15, 16, 17, 18 содержит головную часть, идентифицированную единым номером, и входы/выходы. Управляющий контроллер 42a, 42b использует таблицу соответствия, которая на основании этого номера позволяет ему идентифицировать рампу, а также ее тип (всасывающая, нагревательная и т.д.).
Проводная сеть вокруг печи 1 включает в себя последовательный ряд коммутаторов сети.
Каждая секция печи 1 оборудована единым сетевым разъемом, к которому подключают рампу, находящуюся в этой секции. Этот разъем во время установки соединяют с входом, идентифицированным номером, одного из коммутаторов, входящих в состав местной сети. Пара, образованная номером секции и номером входа коммутатора, является единственной и внесена во время установки местной сети в таблицу соответствия, которую будет использовать управляющий контроллер 42a, 42b.
Управляющий контроллер 42a, 42b непрерывно отслеживает различные входы коммутаторов для обнаружения любых изменений, таких как подключение или отключение рампы 11, 15, 16, 17, 18. При обнаружении подключения рампы управляющий контроллер 42a, 42b определяет номер головной части данной рампы, который он комбинирует с номером входа коммутатора, что позволяет ему связать номер секции с этой рампой. Таким образом, управляющий контроллер 42a, 42b идентифицирует положение каждой рампы в печи 1 относительно других рамп в момент подключения.
Затем, на основании идентификации положения каждой рампы 11, 15, 16, 17, 18 управляющий контроллер 42a, 42b может сравнить реальное положение с теоретическим положением, которое он вычислил, и принять решение о подтверждении или не подтверждении подключения рамы и, следовательно, о ее управлении.
Согласно изобретению, шесть форсунок 23, находящихся на одной линии перегородок 6, управляются в зависимости друг от друга, а также в зависимости от форсунок 23, находящихся на других линиях перегородок 6. Порядок открывания форсунок 23 и выбор продолжительности импульса позволяют оптимизировать работу каждой нагревательной рампы 16 и работу всего пламени.
В частности, чтобы оптимизировать горение топлива в форсунках 23, рассмотрим продолжительность времени оптимизации D печи 1, оборудованной форсунками 23. Пометим индексами i параметры, связанные с форсункой 23 порядкового номера i, где i составляет от 1 до N, при этом N является общим числом форсунок 23 печи 1, распределенных среди числа R нагревательных рамп 16 и числа М перегородок 6 печи 1. Например, в случае, когда печь 1 содержит две галереи 1a и 1b, три нагревательные рампы 16 на каждую галерею, при этом каждая нагревательная рампа содержит четыре пары форсунок 23, то есть связана с четырьмя перегородками 6 в каждой галерее, как показано на фиг. 2 и 3, общее число N форсунок в печи 1 будет равно сорока восьми.
В дальнейшем термины «первый» и «последний» будут применяться относительно направления прохождения пламени, при этом подразумевается, что первой форсункой для данной перегородки является та, которая первой получает воздух, нагнетаемый нагнетательной рампой 18.
Форсунки 23 работают импульсами по принципу «все или ничего» и с модуляцией продолжительности.
Продолжительность работы Δi, меньшая или равная продолжительности D оптимизации, связана с форсункой 23 с порядковым номером i. Продолжительность работы Δi каждой форсунки 23 определяют в соответствии с энергетическими потребностями печи 1. Ее выдает система контроля-управления 42a, 42b печи 1.
Продолжительность работы Δi форсунки 23 с порядковым номером i делят на ряд числа импульсов, обозначенный Ki, таким образом, чтобы сумма значений продолжительности Ki импульсов была равна продолжительности работы Δi.
При этом порядок работы определяют по временному распределению Ki импульсов для каждой форсунки 23 индивидуально и кодируют в виде двоичной временной функции pi(s), где s обозначает время, которая равна 1, если форсунка 23 с порядковым номером i производит импульс, в противном случае она равна 0. Функция pi(s) показана на фиг. 7.
Порядок работы вычисляют в момент Т вычисления с учетом требуемой продолжительности работы Δi форсунок 23.
Ki импульсов форсунки 23 с порядковым номером i происходят не раньше первоначального момента ti, следующего за моментом вычисления Т, и не позже момента ti+D. Иначе говоря, первый импульс форсунки 23 с порядковым номером i начинается не раньше первоначального момента ti, а последний импульс заканчивается не позже момента ti+D.
Первоначальные моменты ti каждой форсунки 23 зависят от относительного положения форсунок 23 одной перегородки 6 и от скорости Vk потока газообразных продуктов горения в данной перегородке 6. В дальнейшем индекс к будет показывать, что речь идет о параметре, связанном с перегородкой с порядковым номером k, где k составляет от 1 до M.
При этом порядок работы форсунок 23 для данной перегородки 6 c порядковым номером k вычисляют путем осуществления следующих этапов:
/a/ выбирают любой первоначальный порядок форсунок 23 в перегородке 6 c порядковым номером k,
/b/ каждой форсунке 23 присваивают порядковый номер i от 1 до N, например, в зависимости от относительного положения форсунок 23 в направлении движения пламени в данной перегородке 6 c порядковым номером k,
/с/ для первой форсунки, которой присвоен порядковый номер 1, выбирают распределение Ki рабочих импульсов этой форсунки 23, которые позволяют максимизировать функцию Uk(s), характеризующую содержание кислорода в газообразных продуктах горения после последней форсунки перегородки 6 с порядковым номером k за интервал времени между моментами tk и tk+D, где tk является моментом первого импульса последней форсунки рассматриваемой перегородки 6 c порядковым номером k, при этом импульсы других форсунок с порядковым номером i, превышающим 1, сохраняют положения первоначального порядка, и в результате получают порядок работы с оптимальным распределением импульсов для каждой форсунки с порядковым номером 1,
/d/ этап /c/ повторяют на основании итогового порядка этапа /c/, последовательно рассматривая форсунки с более высоким порядковым номером до форсунки с порядковым номером N.
Предпочтительно способ оптимизации горения содержит следующие дополнительные этапы:
/e/ используя в качестве первоначального порядка порядок работы, определенный на этапе /d/, каждой форсунке присваивают новый порядковый номер i от 1 до N и повторяют этапы /c/ и /d/,
/f/ полученный порядок работы сравнивают с первоначальным порядком и в качестве порядка работы выбирают наилучший из двух.
/g/ этапы /e/ и /f/ повторяют многократно с количеством раз, совместимым с временем вычисления между моментом Т вычисления и первым из моментов ti начала первого импульса форсунок 23.
Согласно дополнительному отличительному признаку изобретения, для лучшего из двух порядков работы этапа III убеждаются, что общий расход топлива каждой из R рамп 16 в результате распределения импульсов работы форсунок 23 рампы 16 не превышает максимальный возможный расход указанной рампы 16.
Действительно, как правило, из предыдущего вычисления порядка на перегородках 6 вытекает, что форсунки 23 одной нагревательной рампы 16 имеют не одинаковое распределение импульсов, поэтому необходимо проверять, чтобы вычисление порядка работы, основанного на оптимизации в зависимости от содержания кислорода в каждой перегородке 6, соответствовало также оптимальной работе каждой рампы 16.
Таким образом, вычисление порядка работы позволяет оптимизировать временное распределение импульсов форсунки 23 на каждой перегородке 6 и для каждой нагревательной рампы 16 во всей печи 1.
Время δti, необходимое, чтобы газообразные продукты горения могли пройти со скоростью Vk расстояние di между форсункой 23 с порядковым номером i перегородки 6 с порядковым номером k и последней форсункой 23 этой перегородки 6 с порядковым номером k, равно:
Согласно изобретению, промежуток между моментом ti, соответствующим форсунке 23 с порядковым номером i перегородки 6 с порядковым номером k, и моментом tk, соответствующим последней форсунке этой же перегородки с порядковым номером k, равен времени, необходимому газообразным продуктам горения, чтобы пройти расстояние между двумя форсунками 23, то есть:
Предпочтительно время между моментом Т вычисления порядка работы и моментами ti первых форсунок 23 каждой перегородки 6 имеет значение меньше одной секунды.
Согласно изобретению, функция Uk(s), характеризующая содержание кислорода в контрольном объеме τ в момент s после последней форсунки перегородки к, равна содержанию кислорода Ck в контрольном объеме τ перед первой форсункой 23 перегородки 6 с порядковым номером k за вычетом суммы содержания кислорода qi, необходимого для полного сжигания работающей форсункой 23 с порядковым номером i, когда контрольный объем τ проходит под форсункой 23 с порядковым номером i в момент s - δti:
Иначе говоря, необходимо убедиться, что контрольный объем τ имеет достаточное содержание кислорода относительно количества топлива, впрыскиваемого форсункой 23 с порядковым номером i перегородки 6 с порядковым номером k, когда этот контрольный объем х проходит под этой форсункой 23 с порядковым номером i. Действительно, кислород расходуется при сжигании под форсунками 23 с порядковым номером ниже i перегородки 6 с порядковым номером k. Таким образом, когда контрольный объем τ проходит под последней форсункой 23 перегородки 6 с порядковым номером k, содержание кислорода в контрольном объеме τ должно быть достаточным, чтобы обеспечивать реакцию горения и, следовательно, чтобы ограничивать образование недожога.
Согласно примеру выполнения изобретения, максимизация функции Uk для форсунки i состоит в максимизации общей продолжительности, когда функция Uk(s) является положительной для моментов s интервала
Согласно другому примеру выполнения изобретения, максимизация функции Uk для форсунки i состоит в максимизации суммы S положительных значений Uk(s) за интервал
Например, продолжительность импульсов форсунок 23 составляет от ½ секунды до 5 секунд, и время между двумя последовательными импульсами одной форсунки 23 составляет от ½ секунды до 5 секунд.
Далее рассмотрим фиг. 7, на которой представлена функция pi(s), характеризующая временное распределение импульсов форсунки 23 с порядковым номером i во время работы по принципу «все или ничего».
Для каждой форсунки 23 с порядковым номером i функцию pi(s) определяют для моментов s интервала времени между моментами ti и ti+D.
а
Согласно примеру выполнения, определяют двоичную функцию pi как ряд импульсов идентичной продолжительности  с промежутком времени b между импульсами, происходящими между моментами ti+c и ti+D-c.
Промежуток времени b между импульсами может принимать одно из десяти следующих значений: {0.5 с, 1 с, 1.5 с, 2 с, 2.5 с, 3 с, 3.5 с, 4 с, 4.5 с, 5 с}.
Значения времени a, b и c связаны между собой следующими отношениями:
Ki*a=Δi
и
Ki*a+(Ki-1)*b+2*c=D
Функция pi полностью определяется продолжительностью работы Δi и выбором промежутка времени b между импульсами.
Для продолжительности работы Δi и в зависимости от выбора значения b, а также с учетом того, что общая продолжительность импульсов равна Δi, число импульсов Ki равно целой части (Δi+D)/b, увеличенной на 1:
с
а
Отсюда напрямую получаем значения  и
и
Выбор значения b допустим, только если результирующая продолжительность а составляет от 0.5 до 5 с.
Таким образом, выбирая допустимое значение для b, при этом продолжительность работы Δi устанавливается в зависимости от оборудования, полностью определяют функцию pi(s). Таким образом, определяют функцию UK(s), после чего можно осуществлять вычисление порядка работы.