СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ В КОМПЛЕКСЕ "ПЕЧЬ ВАНЮКОВА - КОТЕЛ-УТИЛИЗАТОР"
SYSTEM TO CONTROL THERMAL CONDITIONS IN VANUKOV FURNACE-HEAT RECOVERY BOILER UNIT

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при выплавке медного штейна в печах автогенной плавки, в частности в печах Ванюкова.
Известны автоматизированные системы управления (АСУ) печи Ванюкова [1, 2]. При этом основное внимание уделяется содержанию меди в штейне и отмечается, что разброс содержания меди явно не зависит ни от каких управляющих переменных, в том числе расходов кислородно-воздушной смеси (КВС). В связи с этим предлагается для управления процессом плавки использование экспертных систем.
Однако недостатком данной АСУ является неучет дискретного запаздывающего характера контроля содержания меди и серы в шихте при заданном массовом расходе шихты, а также неучет влияния этого колебания на тепловую работу котла-утилизатора (КУ).
В работе [3] рекомендовано расход КВС рассчитывать при заданной среднебалансовой концентрации серы в шихте, определяемой методом материального баланса. При этом также не учитываются изменения концентрации серы в шихте при заданном массовом расходе шихты.
Однако практика работы печей Ванюкова на целом ряде предприятий показывает, что концентрация серы в шихте существенно изменяется во времени.
На рис. 1 приведен характерный пример колебаний концентрации серы в шихте печи Ванюкова во времени по данным одного из предприятий [4].
Известна также система управления плавкой медно-никелевого сульфидного сырья в печи Ванюкова, в которой в качестве основного параметра принимают также содержание меди в штейне, а компенсацию времени дискретного запаздывания контроля осуществляют путем введения расчетного эквивалентного времени [5]. Однако недостатком этой системы является неопределенность и изменчивость входящих в расчетную формулу величин и требуется их постоянная и также дискретная корректировка.
Кроме того, управление технологическим процессом не увязывается с работой котла-утилизатора, в частности не учитывается влияние колебания серы в шихте на ход технологического процесса и, главное, на стойкость элементов печи и котла-утилизатора.
Практика работы печи Ванюкова и проведенное математическое моделирование показывают, что при увеличении концентрации серы выше расчетной среднемассовой неучет колебаний концентрации серы приводит к недостатку кислорода для выгорания серы, выносу недожженной серы за пределы плавильной ванны в аптейк печи и ее дожиганию в аптейке за счет дополнительно подаваемого кислорода на дожиг. Это, в свою очередь, приводит к увеличению температуры отходящих газов на входе в КУ до температур 1400-1500°С и выше.
Эти недопустимые по установленным техническим условиям работы КУ превышения температуры отходящих газов приводят к резкому увеличению тепловых потоков на поверхности котла и, соответственно, температур этих поверхностей. Возникают аварийные ситуации при прогаре тепловоспринимающих поверхностей в радиационной и конвективной зонах КУ. Эти ситуации особенно опасны в связи с попадаем воды на ванну печи, что приводит к хлопкам и даже взрывам с разрушением конструкций и угрозой для жизни обслуживающего персонала.
Кроме того, в случае недостатка кислорода в ванне печи при увеличении содержания серы в шихте нарушаются условия стабильного протекания технологического процесса. Это приводит к тепловому дисбалансу ванны печи, снижению тепловой эффективности и производительности. Дожигание серы над ванной и в аптейке приводит к ухудшению стойкости элементов самой печи.
Таким образом, известна система управления печи Ванюкова, принятая за прототип [5].
Однако недостатком этой системы является неучет колебаний концентрации серы в используемой для плавки шихте, что нарушает стабильное протекание технологического процесса. Это приводит к снижению тепловой эффективности и производительности печи, ухудшению стойкости элементов печи и КУ, возникновению аварийных ситуаций.
Техническим результатом настоящего изобретения является стабилизация теплового режима в системе «печь Ванюкова - котел-утилизатор», что обеспечивает постоянство температуры отходящих газов печи на входе в котел-утилизатор на допустимом уровне 1300-1350°С с повышением
производительности печи и стойкости ее элементов и КУ и предотвращением аварийных ситуаций.
Технический результат изобретения достигается тем, что представлена система управления тепловым режимом в комплексе «печь Ванюкова - котел-утилизатор», содержащая расходомер шихты, выполненный с возможностью размещения в устройстве подачи шихты, расходомер кислородно-воздушной смеси, выполненный с возможностью установки в фурме для ввода кислородно-воздушной смеси под ванну печи, регулятор соотношения шихта/кислородно-воздушная смесь, связанный с расходомером шихты, расходомером кислородно-воздушной смеси и через исполнительный механизм регулирования расхода кислородно-воздушной смеси с регулирующим органом расхода кислородно-воздушной смеси, и расходомер охлаждающей воды, выполненный с возможностью установки в трубопроводе ввода охлаждающей воды в аптейк печи, отличающаяся тем, что она снабжена термопарой, выполненной с возможностью размещения на границе между пароиспарительной и конвективной зонами котла-утилизатора, корректирующим регулятором соотношения шихта/кислородно-воздушная смесь по температуре в котле-утилизаторе, корректирующим регулятором температуры в котле-утилизаторе по расходу охлаждающей воды, связанным через исполнительный механизм подачи охлаждающей воды с регулирующим органом расхода охлаждающей воды, измерителем температуры с сигнализатором заданной температуры, переключателем корректирующих регуляторов и сигнализатором максимального расхода кислородно-воздушной смеси, при этом выход термопары связан со входом упомянутого измерителя температуры и со входом упомянутого корректирующего регулятора соотношения шихта/кислородно-воздушная смесь, выход которого соединен с регулятором соотношения шихта/кислородно-воздушная смесь, а упомянутый сигнализатор заданной температуры и выход расходомера кислородно-воздушной смеси через сигнализатор максимального расхода кислородно-воздушной смеси подключены к переключателю корректирующих регуляторов, который связан соответственно с корректирующим регулятором соотношения шихта/кислородно-воздушная смесь и с корректирующим регулятором температуры в котле-утилизаторе по расходу охлаждающей воды.
При этом очевидно, что непосредственное использование в качестве регулирующего параметра собственно концентрации серы в шихте в реальном времени затруднено из-за сравнительно длительного, дискретного характера процесса анализа содержания серы, появлением в связи с этим значительного запаздывания в системе регулирования и увеличением колебаний по выносу недожженной серы над ванной печи.
Таким образом, представительным регулируемым параметром в этой ситуации, непосредственно отражающим режим выноса серы и ее дожигания в аптейке, являются температура отходящих газов в аптейке и на входе котла-утилизатора. Однако из-за наличия высоких температур и значительной запыленности отходящих газов в этих зонах невозможно добиться приемлемой для непрерывного автоматического регулирования стойкости термопар при их размещении на входе в котел-утилизатор. В то же время установка термопары на границе между пароиспарительной и конвективной зонами котла-утилизатора отражает достаточно представительную информацию о температурном режиме и обеспечивает, как показывает практика, длительную стабильную работоспособность и эксплуатацию термопары. Проведение расчетов и математическое моделирование показало, что при проектной температуре на входе в котел-утилизатор отходящих газов 1300-1350°С температура на границе между его пароиспарительной и конвективной зонами составляет 700-800°С, что и принято в качестве уставки для регуляторов температуры. Превышение этой температуры свидетельствует о росте температуры отходящих газов на входе в котел-утилизатор и вероятности аварийных ситуаций, температура ниже этого диапазона приводит к тепловой недогрузке котла и снижению его паропроизводительности. Основой предлагаемой системы управления является установка корректирующего регулятора с датчиком температуры на границе пароиспарительной и конвективной зон котла-утилизатора, что обеспечивает корректировку соотношения шихта/кислородно-воздушная смесь в случае колебания концентрации серы в шихте относительно средних значений и предотвращает возможность возникновения аварийных ситуаций.
Подстраховочным элементом системы управления является дополнительная подсистема с регулятором температуры и регулирующим воздействием в виде подачи охлаждающей воды в аптейк печи. Ее подключение к регулированию температуры котла-утилизатора происходит в случае исчерпания возможностей по снижению температуры в котле за счет корректирования соотношения шихта/кислородно-воздушная смесь вследствие достижения максимального значения расхода кислорода. Подача охлаждающей воды является именно запасным вариантом, так как при этом имеют место значительно неравномерные поля температур на входе в котел и снижение его тепловой эффективности.
Для реализации этой запасной подсистемы управления установлен сигнализатор достижения максимального расхода кислородно-воздушной смеси в процессе регулирования температуры и связанного с ним переключателя на подсистему регулирования температуры по расходу охлаждающей воды. Также установлен сигнализатор поддержания температуры в заданном пределе 700-800°С.
Данная система на примере печи печи Ванюкова представлена на рис. 2. Она включает в себя рабочее пространство печи 1, котел-утилизатор 2, плавильную ванну 3 с выпуском шлака ШЛ и штейна ШТ, надванное пространство 4, аптейк печи 5, радиационную зону котла-утилизатора 6, пароиспарительную зону котла-утилизатора 7, нисходящие и восходящие участки 8 и 9 конвективной зоны, устройство подачи шихты 10, устройство ввода шихты в рабочее пространство и ванну печи 11, коллектор подачи кислородно-воздушной смеси 12, кислородно-воздушные фурмы 13, трубопровод подачи охлаждающей воды в аптейк печи 14 регулирующим органом подачи воды 15, форсунками для ввода воды в аптейк печи 16, расходомер кислородно-воздушной смеси 17, 23, расходомер шихты 18, 21, термопару на границе пароиспарительной и конвективной зон котла-утилизатора 19, регулятор соотношения шихта/кислородно-воздушная смесь 20, корректирующий регулятор соотношения шихта/кислородно-воздушная смесь по температуре в котле-утилизаторе 22, исполнительный механизм регулирования расхода кислородно-воздушной смеси 24, регулирующий орган расхода кислородно-воздушной смеси 25, сигнализатор максимального расхода кислородно-воздушной смеси 26, регулятор температуры в котле-утилизаторе по расходу охлаждающей воды 27, исполнительный механизм расхода охлаждающей воды 28, расходомер охлаждающей воды 29, 30, переключатель корректирующего регулятора соотношения шихта/кислородно-воздушная смесь на регулятор температуры по расходу охлаждающей воды 31, измеритель температуры 32, сигнализатор 33 установления температуры в пределах задания 700-800°С.
Ш - шихта, КВС - кислородно-воздушная смесь, ОВ - охлаждающая вода, ОГ - отходящие газы, ШЛ - шлак, ШТ - штейн, Со - соотношение, С - регулятор, G - расход, IR - прибор показывающий и записывающий, Т - температура, кор - корректирующий регулятор, КВС - кислородно-воздушная смесь.
Система работает следующим образом. В рабочее пространство печи 1 через надванное пространство 4 в ванну печи 3 подается шихта. При этом используется устройство подачи шихты 10 и устройство ввода шихты в рабочее пространство и ванну печи 11. В рабочее пространство 1, в частности в ванну печи 3, подается кислородно-воздушная смесь (КВС) через коллектор 12 и фурмы 13. К аптейку печи подведен также трубопровод подачи охлаждающей воды в аптейк печи 14 и установлены форсунки для ввода воды 16. Соотношение шихта/кислородно-воздушная смесь обеспечивается регулятором соотношения 20 с использованием расходомера шихты 18, 21 и расходомера КВС 17, 23. Температура котла-утилизатора на границе пароиспарительной и конвективной зон измеряется термопарой 19. Выход термопары 19 соединен с входом корректирующего регулятора 22, который корректирует задание регулятору соотношения 20 при отклонении заданной температуры в корректирующем диапазоне 700-800°С. Выход расходомера КВС 17, 23 соединен с входом сигнализатора 26, который срабатывает при достижении максимально возможного расхода КВС и обеспечивает переключение корректирующего регулятора 22 на регулятор температуры 27. Регулятор температуры 27 через исполнительный механизм 28 и регулирующий орган 15 обеспечивает регулирование температуры уже за счет расхода охлаждающей воды. Выход термопары 19 соединен с входом измерителя температуры 32, снабженного сигнализатором 33. При установлении температуры в пределах задания 700-800°С сигнализатор 33 переключает регулятор температуры 27 обратно на корректирующий регулятор 22 и в обычном режиме регулирование температуры в котле-утилизаторе осуществляется с использованием корректирующего регулятора 22 и регулятора соотношения 20.
Предлагаемая система может быть применена и на плавильных печах черной металлургии, работающих в режиме ПЖВ (плавка в жидкой ванне), в частности при выплавке чугуна в печах типа РОМЕЛТ, снабженных котлом-утилизатором. При этом обеспечивается стабилизация работы печи и котла-утилизатора при колебании содержания углерода в применяемом восстановителе.
Таким образом, использование данной системы управления обеспечивает стабильное протекание процессов плавления шихты в печах Ванюкова, учитывает колебания концентрации серы в шихте, увеличивает стойкость и теплоэффективность работы печи и котла-утилизатора, предотвращает аварийные режимы работы комплекса печь Ванюкова - котел-утилизатор.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Спесивцев А. Интеллектуальная АСУ печи Ванюкова. Control Engineering, 2013. No. 3.
2. Спесивцев А. Интеллектуальная АСУ печи Ванюкова. http://summatechnology.ru/Publications/intellektualnaya_asu_pechi_vanukova.shfml.
3. Рогова Л.Н. Металлургические расчеты. Учебное пособие. Норильский индустриальный институт. - Норильск: НИИ, 2007. - 154 с.
4. Вернигора А.С., Казанцев А.Н., Красильников Ю.В. [и др.]. Анализ показателей печи Ванюкова на ОАО СУМЗ с целью стабилизации режимов плавки. // Цветная металлургия, №3, 2008. - с. 24-28.
5. Кадыров Э.Д., Васильева Н.В. Способ управления плавкой медно-никелевого сырья в печи Ванюкова при дискретном запаздывающем контроле продуктов плавки. Патент на изобретение РФ №2484157. Заявл. 28.07.2011; опубл. 10.06.2013.