Система автоматического регулирования расхода природного газа в фурмы доменной печи
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к устройствам регулирования параметров доменной планки, и может быть использовано для автоматизации и оптимизации работы доменной печи. Технический результат - обеспечение эффективного использования природного газа с увеличением производительности доменной печи и уменьшением удельного расхода кокса за счет достижения оптимального соотношения расходов природного газа и обогащенного кислородом дутья. Сущность изобретения заключается в том, что в системе используются в составе комплекса технических средств: канал измерения расхода обогащенного кислородом дутья с измерительной диафрагмой; канал измерения температуры горячего дутья с термопарой; канал измерения содержания кислорода в дутье с датчиком и канал измерения расхода природного газа с измерительной диафрагмой, а также в составе комплекса технических средств управления; задатчик расхода природного газа; измерительный и электронный блоки регулятора; усилитель мощности и исполнительный механизм. Технический результат достигается также путем введения в комплекс технических средств канала измерения температуры горячего дутья и снабжением системы дополнительными блоками; задатчиком теоретической температуры горения; устройством, связанным с первым и вторым умножителями и предназначенным для определения коэффициентов к1 и к2, необходимых для оптимизации расхода природного газа путем воздействия комплекса технических средств управления на регулирующий орган, расположенный на трубопроводе природного газа. 1 табл., 1 ил.
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к устройствам регулирования параметров доменной печи, и может быть использовано для автоматизации и оптимизации процесса доменной планвки.
Известна система контроля и регулирования подачи природного газа при комбинированном дутье, в котором количество подаваемого в доменную печь природного газа и холодного дутья измеряются мембранным или компенсационным дифманометром в комплекте со вторичным прибором, установленным на главном щите управления печью [1] Известная система в условиях использования на доменной печи комбинированного дутья позволяет регулировать расход природного газа в зависимости от расхода холодного дутья, т.е. поддерживать их заданное задатчиком соотношение с помощью автоматического регулятора, который через усилитель мощности и исполнительный механизм управляет регулирующим дросселем, установленным на трубопроводе природного газа. Система автоматического регулирования соотношения расхода газа и дутья построена на стандартных средствах дифференциально-трансформаторных приборов. Так, с применением в электрической схеме системы регулирования ферродинамических преобразователей, эти преобразователи являются выходными и входят в состав задатчика соотношения и вторичных приборов расхода дутья и природного газа. При этом выход преобразователя вторичного прибора расхода дутья соединен с входом умножителя типа ПЭФ, выходом подключенного к обмотке возбуждения, являющегося входом ферродинамического преобразователя, входящего в состав задатчика соотношения. Выход последнего, наряду с выходом ферродинамического преобразователя вторичного прибора расхода дутья природного газа, поступают на информационные входы измерительного блока регулятора [2] Между тем, как показывает практика ведения доменной плавки при комбинированном дутье для регулирования расхода природного газа необходимо учитывать не только изменение расхода дутья, но и изменение количества кислорода в обогащенном дутье, которое в свою очередь влияет на процессы в фурменной зоне печи, изменяя количество образовавшихся продуктов горения. Таким образом, известная система регулирования имеет существенный недостаток, обусловленный вышеназванными особенностями технологии вдувания комбинированного дутья в доменную печь. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранная в качестве прототипа система автоматического регулирования расхода природного газа доменной печи [3] в которой от турбовоздуходувной машины по трубопроводу кислород и воздух через измерительную диафрагму поступают в воздухонагреватель и далее через кольцевой воздухопровод распределяется в воздушные фурмы доменной печи. При этом измеряется расход холодного дутья и содержание кислорода в дутье. Кроме того, природный газ по трубопроводу через измерительную диафрагму и регулирующий орган подается в кольцевой коллектор с измерением расхода природного газа и его регулированием с помощью регулятора соотношения расходов дутья и природного газа по заданному соотношению на соответствующем задатчике. При этом управляющий сигнал от регулятора соотношения через усилитель мощности поступает на исполнительный механизм, выходной вал которого связан с регулирующим клапаном расхода природного газа. В конечном итоге регулятор соотношения поддерживает заданное соотношение между расходом холодного дутья и расходом природного газа с учетом изменения концентрации кислорода в дутье. При комбинированном дутье одновременное вдувание в горн доменной печи природного газа и обогащение кислородом дутья является эффективным средством повышения интенсивности доменной плавки, в результате которой происходит сокращение удельного расхода кокса и увеличение производительности печи. Вместе с тем известная система регулирования не обеспечивает в полной мере положительного эффекта в достижении снижения расхода кокса и производительности печи. Это обусловлено тем обстоятельством, что система регулирования, учитывая изменение расхода дутья и кислорода в нем, не обеспечивает оптимального расхода природного газа, при котором в системе имеет место наличие корректирующих сигналов, связанных с количественной оценкой изменения процесса горения дополнительного топлива и кокса в фурменной зоне доменной печи: изменение температуры горячего дутья и горновых газов, уменьшение выхода горных газов при стабилизированной теоретической температуре горения топлива. Целью настоящего изобретения является обеспечение возможности эффективного использования природного газа с увеличением производительности доменной печи и уменьшением расхода кокса за счет достижения оптимизации соотношения расходов природного газа и обогащенного кислородом дутья. Указанная цель достигается тем, что система автоматического регулирования расхода природного газа доменной печи содержит комплекс технических средств управления, состоящий из последовательно соединенных по входам и выходам задатчика, измерительного и электронного блоков регулятора, усилителя мощности и исполнительного механизма, выходным валом связанного с регулирующим органом дросселя на трубопроводе природного газа, а также датчики контроля содержания кислорода в дутье, расходов дутья и природного газа в трубопроводах обогащенного кислородом дутья и природного газа, входящие в комплекс средств измерения, выход которого по каналу измерения расхода дутья соединен с первым входом первого умножителя, а выход по каналу расхода природного газа соединен с входом измерительного блока регулятора комплекса технических средств управления расходом природного газа. Согласно предлагаемому изобретению в комплекс технических средств измерения введен канал температуры горячего дутья, а дополнительно система снабжена вторым умножителем, задатчиком теоретической температуры горения и устройством вычисления коэффициентов, которое по первому и второму входам соединено соответственно с выходом задатчика теоретической температуры горения и с выходом комплекса технических средств по каналу измерения температуры горячего дутья, а по первому и второму выходам устройства вычисления коэффициентов соединено соответственно с третьим входом второго умножителя и со вторым входом первого умножителя, соединенного первым входом с первым входом второго умножителя, который входом соединен с выходом комплекса технических средств по каналу измерения содержания кислорода в дутье, а выходы первого и второго умножителей подсоединены ко входам измерительного блока регулятора комплекса технических средств управления расходом природного газа. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая система автоматически поддерживает такой расход природного газа доменной печи, при котором соотношение расхода природного газа и дутья зависит не только от изменения содержания кислорода в дутье, но и от заданной теоретической температуры горения и от фактической температуры горячего дутья. Таким образом, заявляемая система регулирования соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение заявляемого решения предлагаемого изобретения с другими техническими решениями в данной области техники показывает, что используемые в качестве элементов системы регулирования задатчик, второй блок умножения и устройство вычисления коэффициентов широко известны. Вместе с тем при их взаимодействии с указанными выше связями с остальными элементами системы в схеме регулирования появляется новый режим работы, приводящий к использованию системы регулирования для оптимизации газодинамического и теплового режима работы доменной печи. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения предложенного устройства критерию изобретения "изобретательский уровень". На чертеже представлена принципиальная схема подачи обогащенного кислородом дутья и регулируемого по расходу природного газа к воздушным фурмам доменной печи, где: 1 трубопровод обогащенного кислородом дутья; 2 - трубопровод природного газа; 3 воздуходувная машина; 4 воздухонагреватель; 5 кольцевой воздухопровод горячего дутья; 6 кольцевой коллектор природного газа; 7 комплекс технических средств измерения; 9 и 8 канал измерения расхода обогащенного кислородом дутья с измерительной диафрагмой; 11 и 10 - канал измерения содержания кислорода в дутье с датчиком; 13 и 12 канал измерения температуры горячего дутья с термопарой; 15 и 14 канал измерения расхода природного газа с измерительной диафрагмой; 16 комплекс технических средств управления; 17 задатчик; 18 измерительный и электронный блоки регулятора; 19 усилитель мощности и 20 исполнительный механизм; 21 - регулирующий орган; 22 первый умножитель; 23 второй умножитель; 24 - задатчик теоретической температуры горения топлива в фурменной зоне и 25 - устройство вычисления коэффициентов. Система регулирования содержит воздуходувную машину 3, из которой воздух и кислород поступают по трубопроводу 1 обогащенного кислородом дутья в воздухонагреватель 4, где нагреваются до температуры горячего дутья 13, измеряемой термопарой 12 и входящей в комплекс технических средств измерения 7. В этот комплекс 7 входит также канал измерения расхода холодного дутья 9 с помощью диафрагмы 8 и канал измерения содержания кислорода в холодном дутье 11 с использованием датчика 10. Измерительные диафрагма 8 и датчик 10 расположены на трубопроводе холодного дутья 1. При этом нагретые воздух и кислород распределяются через кольцевой воздухопровод 5 по воздушным фурмам и поступают в доменную печь, а природный газ по трубопроводу 2 поступает в кольцевой коллектор 6 и вдувается через воздушные фурмы в доменную печь. На трубопроводе 2 природного газа расположена измерительная диафрагма 14, входящая в комплекс технических средств 7 по каналу измерения расхода природного газа 15, а также на трубопроводе 2 расположен регулирующий орган 21, связанный с валом исполнительного механизма 20 комплекс технических средств управления 16 расходом природного газа. Комплекс технических средств управления 16 включает в себя последовательно соединенные по входам и выходам задатчик расхода природного газа 17, измерительный и электронный блоки регулятора 18, усилитель мощности 19 и исполнительный механизм 20, изменяющий расход природного газа с помощью регулирующего дросселя 21 трубопровода 2 природного газа. На входы измерительного блока регулятора 18 поступают сигналы с выхода комплекса технических средств 7 по каналу 15 измерения расхода природного газа, а также соответственно с выходом первого 22 и второго 23 умножителей. При этом второй умножитель 23 входами соединен: по первому входу с первым входом первого умножителя 22 и с выходом комплекса технических средств 7 по каналу 9 измерения расхода холодного дутья, а по второму вход с выходом комплекса технических средств 7 по каналу 11 измерения содержания кислорода в холодном дутье и по третьему входу с первым выходом устройства вычисления коэффициентов 25, вторым выходом подключенного к второму входу первого умножителя 22. Первый и второй входы устройства вычисления коэффициентов 25 подсоединены соответственно к выходу задатчика 24 теоретической температуры горения топлива в фурменной зоне и к выходу комплекса технических средств 7 по каналу 13 измерения температуры горячего дутья. В качестве преобразователей в составе комплекса технических средств 7 по каналу 9 измерения расхода холодного дутья и по каналу 15 измерения расхода природного газа могут быть использованы преобразователи измерительные "Сапфир 22 ДИ", а по каналу 13 измерения температуры горячего дутья - преобразователь измерительный типа Ш 78 и по каналу 11 измерения содержания кислорода в холодном дутье анализатор кислорода обогащенного дутья типа АКОД-1. Комплекс технических средств управления 16 расходом природного газа выполнен на базе контроллера логического микропроцессорного типа "Ломиконт Л-112, в том числе измерительный блок регулятора модуль РГ-12; задатчик 17 расхода природного газа например, задатчик типа ЗУ 22; усилителя мощности 19 например, пускатель бесконтактный реверсный типа ПБР-2М; исполнительного механизма 20 например, механизм исполнительный электрический однооборотный типа МЭО-40/10-0,25-87. В качестве первого 22 и второго 23 умножителей и устройства вычисления коэффициентов 25 может быть также использован контроллер логический микропроцессорный типа "Ломиконт Л-112" алгоритм умножения-деления УД (031) и сумматор СУМ (030). Блок 24 выполнен, например, на базе задатчика типа ЗУ 22. Известно, что для нормального ведения доменной плавки оптимальный расход природного газа связан с параметрами следующими функциональными зависимостями: где Qпг расход природного газа; Gд расход холодного дутья; коэффициент соотношения расходов природного газа и холодного дутья; tТ теоретическая температура горения топлива в фурменной зоне доменной печи; Tд температура горячего дутья; O2 содержание кислорода в дутье; v влажность в холодном дутье. Применяя известное выражение показателя теоретической температуры горения топлива в фурменной зоне и используя применяемые в практике ведения доменной плавки размерности величин, входящих в систему уравнений (1), а также приняв, что влажность холодного дутья v0,01, система (1) формулизируется в следующую зависимость: Qпг=(к1%O2-к2)Gд, тыс.м3/ч, где к1=f(tT); (2) к2=f(tT, Tд) (4) (3) Окончательное уравнение регулирования оптимального расхода природного газа с учетом выражения (2) и удобства в техническом решении при конструировании предлагаемого устройства имеет следующий вид: к1%O2Gд-к2GдQзапгд-Qпг = 0 (5)где Qpfпгl заданный расход природного газа, тыс.м3/ч;
tpтfl заданная теоретическая температура горения топлива в фурменной зоне доменной печи, тыс.чoC. Для условий при эксплуатации доменных печей N 5 (A) и N 6 (B) Новолипецкого комбината представим следующие размерности и шкалы измерительных приборов, входящих в выражение формул 5, 6 и 7 переменных величин:
Qпг расход природного газа, который принимаем за 100%
A: 0.63 тыс.м3/ч (0.100%);
B: 0.50 тыс.м3/ч (0.100%);
Qpfпгl заданный расход природного газа
A: +3,15.0.-3,15 тыс.м3/ч (5,0.0.-5,0%);
B: +2,5.0.-2,5 тыс.м3/ч (5,0.0.-5,0);
Gд расход холодного дутья
A: 0.6,3 тыс.м3/мин (0.10,0%);
B: 0.8,0 тыс.м3/мин (0.16,0%); O2 содержание кислорода в обогащенном дутье
A: 20.40% (31,75.63,5%);
B: 21.41% (42,0.82,0%);
tpтfl заданная теоретическая температура горения топлива A; B 1,9.2,6 тыс.oC (3,0.4,0%); (3,8.5,2%);
Tд температура горячего дутья
A: 0,3.1,6 тыс.oC (0,48.2,54%);
B: 0,3.16,6 тыс.oC (0,60.3,2%). В таблице приведены расчетные данные постоянных величин, входящих в выражение формул 6 и 7. Значение в приведенных выше и в таблице переменных и постоянных величин по выражениям формул 5, 6 и 7 из расчета, что максимум расхода природного газа составляет 63, тыс.м3 (A) и 50, тыс.м3 (B) принято за 100% было использовано для промышленного испытания предлагаемой системы автоматического регулирования расхода природного газа на доменных печах N5 (A) и N6 (B) Новолипецкого комбината на базе контроллера логического микропроцессорного типа "Ломиконт Л-112". Система регулирования (фиг. 1) работает следующим образом. При изменении величин, входящих в уравнение регулирования расхода природного газа 5, на входе и выходе комплекса технических средств измерения 7 формируются сигналы соответственно в виде 0.5 мА в форме цифрового кода. Эти сигналы образуются в результате действия тактовых импульсов, которые синхронизируют работу системы в целом, в том числе комплекс технических средств измерения 7, устройство вычисления коэффициентов 25, первый 22 и второй 23 умножители, а также измерительный и электронный блоки регулятора 18 комплекса технических средств управления расходом природного газа 16 доменной печи. Так при изменении расхода природного газа Qпг, измеряемого с помощью измерительной диафрагмы 14, расположенной в трубопроводе 2 природного газа, сигнал, пропорциональный этому изменению, поступает в преобразователь 15. В преобразователе 15 образуется это изменение в аналоговой форме 0.5 мА и затем с инверсного выхода комплекса технических средств 7 канала измерения расхода природного газа в виде кода поступает на один из входов измерительного блока регулятора 18 комплекса технических средств управления расходом природного газа 16 доменной печи. Аналогично происходит формирование сигнала при изменении расхода дутья Qд с помощью измерительной диафрагмы 8, преобразователя 9 и действия синхронизирующего импульса с поступлением кода с выхода комплекса технических средств 7 по каналу измерения расхода дутья 9 на первый вход второго умножителя 23. При этом под действием синхронизирующего тактового импульса на втором входе второго умножителя 23 образуется код, величина которого зависит от сигнала на датчике 10 и преобразователя 11 комплекса технических средств 7 по каналу измерения содержания кислорода в дутьеO2. Подобным образом происходит формирование кода изменения температуры горячего дутья Tд с помощью синхронизирующего тактового импульса, с термопары 12 и преобразователя 13 комплекса технических средств 7 по каналу измерения температуры горячего дутья. Этот код под действием синхронизирующего импульса поступает с выхода комплекса технических средств 7 по каналу измерения температуры горячего дутья 13 одновременно с кодом, пропорциональным заданной теоретической температуры горения tpтfl на задатчике 24, соответственно на второй и первый входы устройства вычисления коэффициентов 25. Следующим тактовым импульсом присутствующие коды на первом и втором входах устройства 25 загружаются в него и очередным тактовым импульсом подается команда на вычисление коэффициентов к по формуле и к по формуле с выдачей результатов вычисления в виде кодов соответственно на первый и второй выходы устройства 25. Коэффициенты а1, а2, с1, с2 и с3 постоянно в виде кода устанавливаются в устройстве 25 и по команде, связанной с действием очередного тактового импульса, участвуют в вычислительных операциях по формулам 6 и 7. Кроме того, результаты вычисления к1 и к2 с первого и второго выхода устройства в виде кода поступают соответственно на третий вход второго первого умножителя 22. На первый вход которого умножителя 22 под действием синхронизирующего импульса параллельно поступает код с выхода комплекса технических средств 7 по каналу измерения расхода дутья 9 и формирование которого описано выше. Очередной тактовый импульс вызывает команду на загрузку присутствующих кодов на первом и втором дутья Gд и коэффициент к2 по формуле 7, а также присутствующих кодов на третьем, втором и первом выходах второго умножителя 23 соответственно коэффициент к1 по формуле 6, изменение содержания кислорода в дутьеO2 и изменение расхода дутья Gд. При очередном тактовом импульсе формируется команда на выполнение операции умножения в первом умножителе 2 в соответствии с формулой 5 величин в коде, ранее загруженных с первого и второго входов изменение расхода дутья Gд и коэффициент к2, а также во втором умножителе 23 кодов, загруженных с третьего, второго и первого входов коэффициент к1, изменение содержания кислорода в дутьеO2 и изменение расхода дутья Gд. В результате этой операции в первом умножителе 22 образуется величина к2 Gд в виде кода, присутствующего на инверсном выходе первого умножителя 22 и поступающего на один из входов измерительного блока регулятора 18 комплекса средств управления 16 расхода природного газа доменной печи. Подобным образом во втором умножителе 23 образуется величина - к1 O2 Gд, код которой с его выхода поступает на один из выходов измерительного блока регулятора 18. Кроме того, на другом входе измерительного блока регулятора 18 присутствует код, величина которого отображает заданный расход природного газа Qpfпгl в соответствии с выражением уравнения 5. Окончательно на входах измерительного блока 18 устанавливаются сигналы в виде кодов, величины которых входят в левую часть уравнения регулирования расхода природного газа 5 текущий расход природного газа Qпг: произведение коэффициента к2 в соответствии с выражением 7 и расхода дутья Gд, т.е. к2 Gд; произведение коэффициента к1 в соответствии с выражением 6, содержание кислорода в дутьеO2 и расхода дутья Gд, т.е. к1%O2Gд; заданный расход природного газа Qpfпгl
Очередной тактовый импульс вызывает команду на нагрузку присутствующих на четырех входов кодов в измерительном блоке регулятора 18. И при последнем тактовом импульсе устанавливается команда на суммирование величин в коде, входящих в левую часть выражения уравнения 5. При отклонении от нуля измерительный блок 18 в соответствии со знаком отклонения, пропорционально этому отклонению воздействует на электронный блок регулятора 18, который в соответствии с ПИ законом регулирования через усилитель мощности 19 управляет исполнительный механизм 20. Исполнительный механизм 20 перемещает регулирующий орган 21, приводя расход природного газа к величине, достаточной для ликвидации рассогласования в измерительном блоке регулятора 18 в соответствии с уравнением регулирования расхода природного газа. При этом через каждые семь тактовых импульсов, синхронизирующих работу данной системы, на выходе комплекса технических средств 7 по каналу измерения расхода природного газа 15 и на входе измерительного блока регулятора 18 комплекса технических средств управления расходом природного газа 16 формируется новый код, величина которого соответствует изменению расхода природного газа Qпг в процессе перемещения исполнительного органа 21. Таким образом после первого тактового импульса, синхронизирующего систему, на выходах комплекса технических средств измерения 7 обновляется информация о расходе природного газа Qпг, расходе дутья Gд, температуре горячего дутья Tд и содержании кислорода в дутьеO2 с дальнейшим поступлением в виде кода на входы блоков предлагаемой системы автоматического регулирования, изображенной на фиг. 1. После второго и третьего тактовых импульсов соответственно устанавливается информация о заданной теоретической температуре горения топлива в фурменной зоне tpтfl и температуре горения дутья Tд, в виде кода присутствующая на первом и втором входе устройства вычисления 25, загружается в него и производится операция вычисления в соответствии с выражением формулы 6 и 7 с дальнейшим поступлением результатов в виде кода на второй выход устройства 25 и второй вход первого умножителя 22. После четвертого и пятого тактовых импульсов информация о расходе дутья Gд и коэффициенте к2, согласно выражению уравнения 7 в виде кода присутствующая на первом и втором входе первого умножителя 22, а также информация о расходе дутья Gд, содержание кислорода в дутьеO2 и коэффициента к1, согласно выражению уравнения 6 в виде кода присутствующая на первом, втором и третьем входах второго умножителя 23, соответственно загружается в первый 22 и второй 23 умножители и в них производится операция умножения с поступлением результатов этой операции в виде кода на инверсный выход и прямой выход первого 22 и второго 23 умножителей, а также соответственно на входы измерительного блока регулятора 18. После шестого и седьмого тактовых импульсов информация о расходе природного газа Qпг, произведении к2 Gд, произведении к1 O2 Gд и заданном расходе природного газа Qpfпгl в виде кода присутствующая на каждом из четырех входов измерительного блока регулятора 18 соответственно в него загружается и производится операция суммирования величин в коде, присутствующих на четырех входах и загруженных в измерительный блок регулятора 18. В дальнейшем при отклонении от нуля по выражению уравнения 5 измерительный блок регулятора 18, его электронный блок, усилитель мощности 19 и исполнительный механизм 20 комплекса технических средств управления 16 воздействуют на исполнительный орган 21, в соответствии с вышеописанными действиями изменяя расход природного газа до величины, приводящей к ликвидации отклонения, которое было определено в измерительном блоке регулятора 18. Промышленное испытание предложенного технического решения для системы автоматического регулирования расхода природного газа на доменных печах N 5 и N 6 АО "НЛМК" показало, что стабилизация теоретической температуры горения топлива в фурменной зоне при изменении расхода дутья, содержание кислорода в дутье и температуры горячего дутья путем изменения расхода природного газа увеличивает производительность печи преимущественно за счет снижения удельного расхода кокса на плавку. Внедрение предлагаемой системы регулирования позволит повысить эффективность природного газа в условиях оптимизации соотношения расходов природного газа и обогащенного кислородом дутья, а также улучшение газодинамической и тепловой работы доменной печи.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2