СИСТЕМА ДВУХУРОВНЕВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫМ ПРОЦЕССОМ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

Полезная модель относится к металлургии и может быть использована в прокатном производстве для автоматического регулирования теплового режима нагревательных печей.
Известен способ управления нагревом металла, при котором воздействуют на расход топлива по величине скорости изменения теплового центра металла, а при достижении максимального значения этого параметра и при отклонении его текущего значения от заданного на 5% переходят с непрерывной подачи топлива на импульсную (а.с. №1470792, кл. С21Д 11/00, опубл. 07.04.1989). При этом скважность управляющих импульсов изменяют в зависимости от степени нагрева, снижая таким образом расход топлива.
Недостатки этого способа обусловлены тем, что текущую информацию о регулируемом параметре получают по модели от датчика (от датчика-имитатора), а заданную временную программу изменения температуры устанавливают расчетным путем.
Таким образом, и текущая, и заданная информация несут в себе погрешность допущений, что снижает качество регулирования, а соответственно и качество нагрева, которое определяет в свою очередь качество конечной продукции.
Кроме того, необходимость имитации усложняет реализацию способа, особенно в условиях достаточно широкого ассортимента марочного состава, когда требуется иметь набор датчиков-имитаторов.
Известен метод управления, основанный на измерении рассогласования между текущим значением температуры в рабочем пространстве печи и заданным значением с формированием по результатам измерения регулирующего сигнала, которым воздействуют на расход топлива (см. например, А.М.Беленький и др. Автоматическое управление металлургических процессов, М. Металлургия, 1989 г., с.362-364).
Основным недостатком этого метода является запаздывание управляющего воздействия, обусловленное инерционностью как самой печи, так и измерительной системы, что приводит к повышенному расходу топлива и снижает качество нагрева.
Известен способ управления нагревом металла в пламенной нагревательной печи, заключающийся в том, что расходом топлива управляют по изменяемому в соответствии с предварительно установленным графиком задающему параметру расхода (ЗП). Величину ЗП по ходу процесса изменяют сначала циклически - от большого значения к меньшему, от цикла к циклу, а затем корректируя значение последнего циклического задания путем суммирования с текущим значением сигнала регулирующего воздействия, формируемого по рассогласованию между текущими значениями температуры и требуемым значением. Временные интервалы, определяющие продолжительность циклов, фиксируют по достижению текущим значениям температурного рассогласования заданных значений в области отрицательного разбаланса (патент РФ №2068006, кл. С21Д 11/00, F27Д 19/00, опубл. 20.10.1996 г.).
Недостатком известной системы является отсутствие текущей информации о фактическом нагреве металла, т.е. о тепловом потоке поглощаемом металлом, что приводит к перерасходу топлива.
Другим недостатком известного способа является отсутствие информации и внешних и внутренних возмущениях в системе, что снижает качество регулирования, а также ведет к перерасходу топлива.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является система автоматического регулирования теплового режима нагревательной печи. Система содержит задатчик и датчик регулируемого параметра, например, температуры печи, дифференциатор, вход которого соединен с выходом датчика температуры, первый сумматор, входы которого соединены с задатчиком и датчиком температуры печи, а выход - через регулятор температуры печи - с исполнительным механизмом регулировочного клапана расхода топлива, второй сумматор, входы которого соединены с выходами дифференциатора и задатчика температуры, а выход через регулятор расхода соединен с исполнительным механизмом регулировочного клапана расхода воздуха (патент РФ №2030462, кл. С21Д 11/00, F27Д 19/00, опубл. 10.03.1995 г.).
В данной системе введен дополнительный сигнал по скорости роста температуры печи, который для регулятора расхода воздуха является информацией о внешнем возмущении и служит для повышения качества регулирования.
Недостатком данной системы является высокий расход топлива, а также отсутствие информации о внутреннем возмущении, т.е. о
возмущении, идущем со стороны регулирующего органа и изменяющем величину регулирующего воздействия.
Технической задачей полезной модели является обеспечение экономичного сжигания топлива, достижение наилучших условий теплообмена с металлом и кладкой и поддержание в печи газовой атмосферы определенного состава.
Поставленная техническая задача достигается тем, что система двухуровневого регулирования тепловым процессом нагревательной печи, включающая блок регулятора расхода топлива, отличающаяся тем, что система выполнена в виде двух уровней управления тепловым процессом, причем первый уровень выполнен в виде блочного комплекса ручного задания режима нагрева, а второй уровень - в виде блочного комплекса задания режима нагрева по математической модели, при этом второй уровень управления процессом нагрева включает в себя блок регулятора расхода топлива, блок сравнения соотношения "газ-воздух", блок сравнения давления по зонам печи и блок сравнения температур по зонам печи.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом - рис.1
На рис.1 показана принципиальная схема двухуровневого управления тепловым процессом нагревательной печи.
Система автоматического регулирования тепловым процессом нагревательной печи (1) выполнена из блочного комплекса 1-го уровня грубой настройки технологических параметров (2), выполняемой вручную и 2-го блочного комплекса управления (3), выполняемого в автоматическом режиме по математической модели.
Второй блочный комплекс (3) выполнен из блока регулятора расхода топлива (4), блока сравнения соотношения "газ-воздух" (5), блока сравнения давления по зонам печи (6) и блока сравнения температур по зонам печи (7).
Для достижения поставленной технической задачи управления нагревом металла в нагревательной печи измеряют рассогласование между текущим значением температуры в рабочем пространстве печи и требуемой температурой нагрева, и по результатам измерений формируют регулирующий сигнал, который используют при управлении подачей топлива, дополнительно определяют текущее значение расхода топлива на нагрев, сравнивают его с задающим параметром подачи и по результатам сравнения формируют управляющий сигнал, которым воздействуют через блок расхода топлива (4) и блок соотношения "газ-
-воздух" (5) на регулировочный орган в подводящем трубопроводе топлива.
Указанные задачи решаются путем направленного изменения соотношения " газ - воздух ", автоматическая стабилизация которого позволяет улучшить качество нагрева металла, уменьшить удельный расход топлива, угар и окалинообразование.
Качественное регулирование заданного значения "газ - воздух" по измеренным расходам даже при достаточно больших тепловых нагрузках еще не гарантирует экономичного сжигания топлива и постоянства состава продуктов горения внутри печи.
Неконтролируемые изменения теплоты сгорания топлива, особенно при отоплении смешанным газом, приводят к колебаниям действительных значений, которые могут достигать значительной величины. Для устранения этих колебаний в систему регулирования вводят импульс от калориметра, непрерывно измеряющего теплоту сгорания топлива.
Действительное количество воздуха, поступающего в печь, может существенно отличаться от измеренного. Это отличие обусловлено потерями на участках воздухопровода расположенных после диафрагмы и подсосами в печь холодного воздуха из окружающего пространства. Количество теряемого воздуха может быть ориентировано оценочно при теплотехнических испытаниях печи.
Количество подсасываемого воздуха зависит от давления в печном пространстве и увеличивается при снижении тепловой нагрузки. Используя эту зависимость, можно сформировать корректирующий импульс, вызывающий снижение заданного значения в соответствии с уменьшением тепловой нагрузки (уменьшением расхода воздуха или топлива). Введение такого импульса, а также учет теряемого воздуха позволяет снизить влияние этих факторов, но не устранять его полностью. Кроме того, при эксплуатации печи количество теряемого воздуха в зависимости между количеством подсасываемого воздуха и тепловой нагрузкой печи меняются.
2
2
4
2
Достаточно точно о составе атмосферы печи (полноте сжигания топлива) можно судить по результатам анализа продуктов сгорания, отбираемых в конце печи, или для печей большой мощности в конце каждой зоны. По найденному содержанию О, СО, H, CH и N может быть рассчитан действительный коэффициент расхода воздуха. Разность между рассчитанным и заданным значением является корректирующим сигналом регулятору расхода "газ - воздух".
Данную корректирующую функцию выполняют блок регулятора расхода топлива (4) и блок сравнения соотношения " газ - воздух "(5).
Применение указанного способа требует обеспечения представительности проб продуктов сгорания, отбираемых для автоматического анализа, решения задачи очистки и охлаждения пробы, а также минимума запаздываний в импульсной линии и соответственно в газоанализаторе.
Пример
Характеристика нагревательной методической печи с шагающим подом
1. Длина печи по кладке, мм
35500
2. Ширина в свету, мм
12644
3. Площадь пода, полезная, м<sup>2</sup>
440
4. Тепловая мощность, ккал/час.
8×10<sup>6</sup>
5. Производительность, т/час.
140
6. Топливо: природно-доменный газ, ккал/м<sup>3</sup>
4500
7. Количество зон регулирования, шт.
4
8. Заготовка: длина, м
3,6-11,4
9. Сечение: прямоугольное и фасонное
16 типоразмеров
10. Рекуператор: металлический, двухпетлевой - S, м<sup>2</sup>
1142
11. Температура подогрева воздуха, С°
до 400
12. Горелочные устройства
скоростного типа
13. Удельный расход топлива, кГут/т
до 60
Система отличается от известных аналогов тем, что имеет два уровня управления режимом нагрева нагревательной печи:
- первый предназначен для грубого управления технологическими параметрами печи, действующими в ручном режиме;
- второй предназначен для работы в оптимальном режиме и контролирует четкое соотношение "газ - воздух", оптимальное внутрипечное давление, поддержание необходимого теплового режима печи с высокой точностью регулирования температуры за счет поддержания оптимальных расходов газа и воздуха;
- горелочные устройства печи работают в режиме "открыто - закрыто";
- указанный режим работы горелок позволяет четко выдерживать соотношение "газ - воздух", что возможно только при полностью открытых горелках, т.к. при плавном и неполном открывании регулирующих органов управления отсутствует линейная зависимость в соотношении.
Благодаря использования полезной модели в условиях цеха ЦПШБ ОАО "Нижнетагильский металлургический комбинат" удалось снизить:
- расход топлива на 30%,
- угар металла на 41% (с 1,2% до 0,5%),
- вредные выбросы в атмосферу.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемая система отличается наличием новых элементов: блока регулятора расхода топлива, блока сравнения соотношения "газ - воздух", блока сравнения давления по зонам печи и блока сравнения температур по зонам печи.
Сравнение предлагаемого технического решения с другими известными решениями показывает, что указанные элементы известны, однако при введении их в указанной связи с остальными элементами системы автоматического регулирования тепловым процессом нагревательной печи позволяет вести нагрев по заданной программе, что ведет к получению технического эффекта, сформулированного в технической задаче полезной модели.
Технический результат достигается за счет:
- оптимизации технологического процесса, т.е. точного регулирования соотношения "газ - воздух";
- поддержания стабильного давления в рабочем пространстве печи;
- применения горелок нового типа, работающих в положениях "открыто - закрыто", т.е. отказ от плавного регулирования расходов газа и воздуха, что позволяет избежать нарушения соотношений компонентов;
- новые горелки обладают меньшими объемами вредных выбросов в атмосферу, т.к. положение "открыто" соответствует самому оптимальному соотношению "газ - воздух".
Таким образом, согласно предлагаемой системы двухуровневого регулирования тепловым процессом нагревательной печи управляющим воздействием является расход топлива к горелкам (на зоны печи), а управление режимом нагрева по математической модели заключается сначала в стабилизации заданного расхода с циклическим изменением величины задания, от большего к меньшему по предварительно установленному графику, а затем в отработке задающего воздействия, которое формируют путем алгебраического суммирования заданной
постоянной величины с текущим значением регулирующего воздействия по отклонению температуры в зонах печи.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-технической информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого технического решения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источников, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявляемой полезной модели.
Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует критерию "новизна".
Заявляемая полезная модель может быть реализована промышленным способом и отвечает требованиям критерия "промышленная применимость".