Автоматизация доменного процесса (стр. 2 из 11)

Сложность и случайный характер явлений, протекающих в доменной печи, затрудняют аналитическое детерминированное описание процесса, поэтому для его идентификации часто используются методы математической статистики и статистической динамики. Уравнения множественной регрессии позволяют с известной погрешностью прогнозировать некоторые явления, а методы планируемого эксперимента и статистической динамики дают возможность оценить усредненные динамические характеристики доменной печи по различным каналам. Оценивая трудности получения информации, сложность процесса, ограниченность возможностей управления, следует отметить, что доменный процесс достаточно управляем. Это доказывается практикой работы технологов – доменщиков России, добивающихся высоких показателей работы мощных доменных печей.

1.2 Статические и динамические характеристики доменного процесса

Сложный характер взаимных связей между параметрами доменного процесса усложняет определение статических и динамических характеристик доменной печи по отдельным каналам. Некоторые выходные координаты доменного процесса зависят от нескольких входных величин, поэтому при определении зависимости такой выходной координаты от одного входного воздействия необходимо стабилизировать все остальные входные параметры. Вследствие нелинейности системы статическая и динамическая характеристики по одному каналу могут изменяться при различных условиях стабилизации остальных входов. Поэтому в некоторых случаях целесообразно располагать рядом характеристик, полученных при наиболее часто встречающихся производственных условиях. В этих случаях можно, оценивая реальные производственные условия, управлять объектом с учетом его характеристик, наиболее близко соответствующих данному состоянию процесса.

Некоторые выходные координаты доменного производства представляют собой расчетные показатели, характеризующие различные стороны технологического процесса, например показатели теплового состояния, различных участков печи, показатели, оценивающие развитие процессов прямого и непрямого восстановления железа, и др.

Связь расчетных показателей с техническими и экономическими показателями работы печи и их изменение во времени являются важными характеристиками процесса. В настоящее время расчетные показатели (индексы) широко используются при разработке алгоритмов управления доменным процессом.

Рисунок 2 – экспериментальная переходная кривая по каналу содержания кремния в чугуне – расход кокса в подачу: ΔSi – приращение содержания кремния в чугуне, %

При благоприятных условиях (в стационарном режиме) удается определить динамические характеристики доменной печи по отдельным каналам, пользуясь известными экспериментальными методами. Чаще всего используются методы нанесения пробных ступенчатых или импульсных возмущений по данному каналу при стабилизации остальных входных величин.

Кривые разгона аппроксимируются переходными функциями апериодического звена и звена чистого запаздывания, основными параметрами этих звеньев являются постоянная времени Т, коэффициент

передачи (усиления) К и время запаздывания т. В таблице 1 приведены значения этих параметров по некоторым каналам локальной стабилизации и управления. Из таблицы видно, что динамические характеристики по каналам стабилизации температуры, влажности, давления и т.д. существенно отличаются от характеристик по параметрам управления тепловым режимом, выходной координатой которого является содержание кремния в чугуне на выпусках из доменной печи. Если для первых значения запаздывания и постоянных времени измеряются секундами, то для вторых – часами.

На рисунке 2 приведена экспериментальная кривая разгона по каналу изменение содержания кремния в чугуне на выпуске из печи – изменение расхода кокса в подачу. Параметры аппроксимирующихся звеньев для этой печи объемом 2700 м³ составляют: τ = 4 ч; Т = 5,3 ч. Общее время переходного процесса 12–13 ч. Естественно, что управление режимом нагрева печи является более сложной задачей, чем стабилизация параметров горячего дутья.

Выше уже указывалось, что случайный характер явлений, протекающих в рабочем пространстве доменной печи, и нестационарность процесса затрудняют определение статических и динамических характеристик объекта, поэтому в последние годы получили распространение статистические методы исследования процесса по данным, полученным в ходе нормальной эксплуатации печи.

Применение статистических методов исследования стало возможным вследствие широкого применения электронных цифровых вычислительных машин (ЭВМ), так как эти методы требуют большой вычислительной работы.

Таблица 1 – динамические характеристики доменной печи

Выходная величина	Входная величина	Параметры динамических Звеньев
		τ	Т	κ
Температура горячего дутья (термопара в стальном чехле)	Положение смесительного клапана	20 с	80 с
Влажность дутья (психрометрический датчик влажности)	Расход пара на увлажнение дутья	45 с	135 с
Давление колошникового газа (сильфонный, компенсационный манометр)	Положение регулирующей заслонки на дроссельной группе	3 с	32 с
Перепады давления по высоте шахты печи:	Расход дутья
а) верхний перепад	2 с	48 с
б) нижний перепад (сильфонный дифманометр)	2 с	39 с
Расход дутья через фурму (сильфонный дифманометр)	Положение дроссельной заслонки в фурменном рукаве	0,26 с	1 с
Температура купола воздухонагревателя (термопара в стальном чехле)	Коэффициент расхода воздуха	18с	88 с
Содержание кремния в чугуне на выпусках (доменная печь объемом 1518 м3)	Температура горячего дутья	1 ч	5 ч
То же	Влажность дутья	1,5 ч	5 ч
То же	Рудная нагрузка на кокс	4,5 ч	6 ч

Динамические свойства объектов в известной мере отражаются автокорреляционными и взаимокорреляционными функциями различных параметров процесса. На рисунке 3, а и б показаны авто – корреляционные функции. Время затухания этих функций составляет в среднем около 400 мин.

На рисунке 3, в приведена взаимокорреляционная функция, показывающая связь между рудной нагрузкой на кокс (Р/К) и содержанием кремния в чугуне (Si) на выпусках из доменной печи. Коэффициент взаимной корреляции достаточно высок (максимальное r = 0,7), а сдвиг максимума функции относительно начала координат характеризует инерционность системы по этому каналу. Этот сдвиг составляет примерно 10 ч, что хорошо согласуется с экспериментальными данными, приведенными выше. Из сказанного следует, что статические и динамические характеристики доменного процесса могут быть получены известными аналитическими – балансовыми расчетами, составлением дифференциальных уравнений, экспериментальными методами нанесения пробных возмущений или статистическими исследованиями. Инерционность объекта по отдельным каналам существенно различается. В большинстве случаев связи между параметрами процесса нелинейны, поэтому характеристики процесса зависят от конкретной производственной ситуации.

Рисунок 3 – автокорреляционные и взаимокорреляционные функции:

а – общий перепад давления; б – скорость схода шихтовых материалов; в-рудная нагрузка на кокс – содержание кремния в чугуне на выпусках

1.3 Автоматический контроль основных параметров доменного процесса

Контрольно-измерительная аппаратура, установленная на доменных печах, позволяет получить доступную для измерения рабочую информацию о технологическом процессе, а также о состоянии печи и вспомогательного оборудования. Кроме того, она должна обеспечить безопасность работы всех агрегатов, составляющих комплекс доменного производства.

Рисунок 4 – принципиальная схема автоматического контроля параметров доменного процесса: Т – турбовоздуходувная машина; В-воздухонагреватели; Ш – шихтоподача; 3 – загрузка печи; ГО – газоочистка; Д – дроссельная группа, Ч – чугун; Шл – шлак на выпусках