система автоматического регулирования расхода природного газа в фурмы доменной печи

Формула изобретения

Система автоматического регулирования расхода природного газа в фурмы доменной печи, содержащая комплекс технических средств управления, состоящий из задатчика, соединенного с регулятором, и исполнительного механизма, вал исполнительного механизма соединен с регулирующим органом, установленным на трубопроводе природного газа, комплекс технических средств измерения, состоящий из датчика расхода дутья, датчика расхода природного газа, датчика контроля содержания кислорода в дутье, причем датчик расхода природного газа соединен с регулятором, отличающаяся тем, что она снабжена двумя умножителями, устройством вычисления коэффициентов, задатчиком теоретической температуры горения, комплекс технических средств измерения снабжен датчиком температуры горячего дутья, комплекс технических средств управления снабжен усилителем мощности, причем датчик температуры горячего дутья, и задатчик теоретической температуры горения соединены с входами устройства вычисления коэффициентов, первый и второй выходы которого соединены с первым входом первого умножителя и первым входом второго умножителя соответственно, датчик расхода дутья соединен с вторым входом первого умножителя и вторым входом второго умножителя, датчик контроля содержания кислорода в дутье соединен с третьим входом второго умножителя, выходы первого и второго умножителей соединены с регулятором, вход усилителя мощности соединен с выходом регулятора, а выход с входом исполнительного механизма.

Описание изобретения к патенту

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 Q_пг расход природного газа; G_д расход холодного дутья; коэффициент соотношения расходов природного газа и холодного дутья; t_Т теоретическая температура горения топлива в фурменной зоне доменной печи; T_д 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:

Q_пг=(к₁%O₂-к₂)G_д, тыс.м³/ч,

где к₁=f(t_T); (2)

к₂=f(t_T, T_д) (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%O₂G_д-к₂G_дQ^за_пг^д-Q_пг = 0 (5)

где Q^pf_пг^l заданный расход природного газа, тыс.м³/ч;



t^p_т^fl заданная теоретическая температура горения топлива в фурменной зоне доменной печи, тыс.ч^oC.

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:

Q_пг расход природного газа, который принимаем за 100%

A: 0.63 тыс.м³/ч (0.100%);

B: 0.50 тыс.м³/ч (0.100%);

Q^pf_пг^l 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);

G_д 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%);

t^p_т^fl заданная теоретическая температура горения топлива A; B 1,9.2,6 тыс.^oC (3,0.4,0%); (3,8.5,2%);

T_д 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 Q_пг, 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 Q_д 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 T_д 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 t^p_т^fl 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 G_д 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 G_д.

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 G_д 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 G_д. В результате этой операции в первом умножителе 22 образуется величина к₂ G_д 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 G_д, 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 Q^pf_пг^l 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 Q_пг: произведение коэффициента к₂ в соответствии с выражением 7 и расхода дутья G_д, т.е. к₂ G_д; произведение коэффициента к₁ в соответствии с выражением 6, содержание кислорода в дутьеO₂ и расхода дутья G_д, т.е. к₁%O₂G_д; заданный расход природного газа Q^pf_пг^l

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 Q_пг 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 Q_пг, расходе дутья G_д, температуре горячего дутья T_д 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 t^p_т^fl и температуре горения дутья T_д, 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 G_д 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 G_д, 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 Q_пг, произведении к₂ G_д, произведении к₁ O₂ G_д и заданном расходе природного газа Q^pf_пг^l 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.