Обеспечить оптимальное соотношение топливо – воздух и минимизировать запаздывание при его отработки даже для самых совершенных из описанных выше систем регулирования можно за счет введения опережающего результаты сжигания импульса по рассчитанным по составу топлива значениям теоретически необходимого количеств воздуха В0 и плотности газа, например, импульса В0. Вычисленный в районе газосмесительной станции, где осуществляется приготовление топлива переменного состава, этот импульс поступит в систему регулирования у потребителя топлива раньше, чем само топливо. Это позволит произвести все регулирующие воздействия в системе точно в нужный момент, полностью устранив запаздывание. Устранить возможные небольшие отклонения, возникшие из-за неточности расчета или отработки, можно уже по результатам сжигания, т.е. с помощью обратной связи.
Этот второй процесс произойдет уже с запаздыванием, но для случая малых остаточных отклонений и потери будут минимальными для выполнения вычислений и формирования корректирующих импульсов при сжигании газов переменного состава фирма Techdata США разработала и выпустила на рынок блок «Сжигание газа». Блок представляет собой набор программ, позволяющий рассчитывать теплоту сгорания смеси газов, расход воздуха, требуемый для полного сгорания, температуру горения при заданном коэффициенте расхода воздуха, состав продуктов сгорания. Данные о термодинамических и физических свойствах простых газов и отдельных компонентов топлива и продуктов сгорания содержится в поставляемой с блоком библиотеке. Данные о применяемых потребителем комбинациях газов в смеси можно запоминать, если эти комбинации стабильны, или рассчитывать по измеренным расходам газов. Для реализации блока фирмой разработан интерфейс пользователя, подключаемый без проблем к любому средству автоматизации и почти не требующий предварительного обучения обслуживающего персонала.
На основании вышеизложенного, наиболее рациональным представляется способ управления сжиганием топлива в многозонных методических печах, включающий регулирование расхода топлива, при котором измеряют температуру среды в каждой зоне, датчиком обеспечивающим измерение средне интегрального значения, характеризующего интенсивность нагрева металла во всей зоне. При отклонении измеренного от заданного значения измеряют расход топлива. Измеряют или рассчитывают по составу топлива его теплоту сгорания и соответствующим образом корректируют измеренное значение расхода топлива в зону. Измеряют температуру воздуха и соответствующим образом корректируют измеренное значение расхода воздуха, вычисляют и поддерживают изменением расхода воздуха заданное соотношение топливо-воздух, определенное по составу и расходу топлива. Измеряют содержание кислорода в продуктах горения, в конце зоны сравнивают его с заданным значением, определенным по расходам топлива и воздуха в эту и предыдущие зоны. При отклонении измеренного значения от заданного изменяют соответствующим образом расход воздуха в зону. Измеряют давление в печи, сравнивают с заданным и устраняют отклонение изменением сопротивления дымового тракта, которое фиксируют на время открытия заслонок окна выдачи металла. Измеряют содержание кислорода в продуктах горения в конце печи, сравнивают его с заданным, определенным по суммарным расходам топлива и воздуха на печь. При наличии отклонения измеренного значения от заданного изменяют давление в печи в сторону уменьшения отклонения. При снижении расхода топлива в зону ниже 15 – 20% от максимального увеличивают заданное значение коэффициента расхода воздуха и при дальнейшем снижении нагрузки полностью прекращают изменение расхода воздуха.
Реализация способа позволяет за счет предварительного расчета характеристик топлива и воздуха осуществить стабилизацию коэффициента расхода воздуха еще до начало горения, т.о. компенсировать основную часть возмущающего воздействия практически без запаздывания. За счет введения обратной связи по содержанию кислорода минимизируется остаточная ошибка регулирования. Учет расходов во все предыдущие зоны позволяет компенсировать ошибки в работе их систем регулирования в последующих зонах. Исключение подсосов холодного воздуха в печь и связанных с этим отрицательных последствий (перерасход топлива, увеличенное окалинообразование и т.п.) обеспечивается за счет изменения давления в печи. Изменение заданного значения расхода воздуха в зависимости от нагрузки зоны позволяет стабилизировать режим работы горелок, расположение и форму факела, что обеспечивает интенсивный нагрев металла. Прекращение регулирование давления в печи на время открытия заслонок обеспечивает сохранность оборудования и исключает ложные срабатывания всех систем регулирования и их негативные последствия. Возможность изменения заданного расхода воздуха в зависимости от нагрузки печи позволяет минимизировать количество вредных выбросов в атмосферу.
Разработка АСУ ТП.
В соответствии с проведенным анализом способа регулирования коэффициента расхода воздуха можно провести синтез системы управления сжиганием топлива с учетом его состава и кислородного потенциала печной атмосферы. Функциональная схема системы приведена на рис.1.
Система синтезирована на базе комплекса программ для микро-ЭВМ и содержит минимальное число физических элементов – средств автоматизации. Такой подход продиктован стремлением обеспечить высокие метрологические характеристики системы, так как любое дополнительное средство автоматики при отработке возложенной на него функции, а таких функций в системе очень много, неизбежно вносит свою долю в увеличение общей погрешности работы системы. Точность же выполнения расчетов с помощью микро-ЭВМ можно обеспечить на порядок, а то и на два выше, чем с помощью специализированных блоков, реализующих тот же алгоритм расчета.
Исходя из этого, в состав системы включены только первичные преобразователи - датчики. Для исключения запаздывания в отработке управляющих воздействий, связанных с настройкой регуляторов и усилителей мощности, в системе предусматривается прямое цифровое управление двигателями при регулирующих клапанах газа и воздуха и учет люфтов в их сочленениях.
Состав системы
Система включает в себя следующие контуры Контур управления температурой в зоне (на рис.1 не показан). Контур состоит из: термоэлектрического преобразователя, установленного в своде печи, нормирующего преобразователя, обеспечивающего согласование выходного сигнала термоэлектрического преобразователя с уровнем входных сигналов микро-ЭВМ, программы управления расходом топлива Pr.УТ и программы управления регулирующим органом на газопроводе зоны Pr.Ут. Задание в этот контур поступает от системы оптимизации режима нагрева металла, которая рассчитывает задание температуры для каждой зоны печи. Программ же Pr.УТ и Pr.Ут по одной. Обслуживание зон осуществляется в цикле. При этом при переходе к соответствующей зоне из памяти берутся специфические для нее параметры: коэффициент усиления по каналу температура-топливо при текущем расходе и теплоте сгорания топлива; скорость перемещения регулирующего органа и его расходная характеристика вблизи занимаемого положения; величина люфта в случае движения в выбранном и обратном направлении и т.п. Все параметры первоначально вводятся в память ЭВМ, а затем в процессе работы непрерывно адаптируются по результатам регулирующих воздействий. Такой подход позволяет уже первым регулирующим воздействием устранить минимум 90% рассогласования между контролируемым параметром и его заданным значением, т.о. снизить отклонение сразу практически на порядок, одновременно избежав перерегулирования и ввода систем в автоколебания
Контур регулирования давления в рабочем пространстве печи (на рис.1 не показан) включает в себя датчик давления с нормированным выходным сигналом, программу управлением давлением Pr.УР, и программу управления регулирующим органом Pr.Ур, установленном в дымоотводящем тракте. Задание для контура формируется программой Pr.р(з), обрабатывающая поступающие к ней сигналы о величине содержания кислорода в продуктах сгорания на выходе из печи от заданного значения, о положении заслонок окна выдачи металла и о величине задания, устанавливаемого оператором, исходя из режима работы дымососов и котлов-утилизаторов.
Программа Pr.УР использует при своей работе хранящиеся в памяти и непрерывно адаптируемые специфические параметры, позволяющие точно рассчитывать необходимое перемещение дымового клапана, а программа Pr.Ур – точно отрабатывать рассчитанное перемещение. Адаптация коэффициентов производится по результатам регулирующих воздействий.
Контур управления расходом воздуха включает в себя средства измерения перепадов давления на диафрагме, установленной на подводе газа в зоне, давления и температуры воздуха перед диафрагмой, а также программы вычисления фактического расхода воздуха Pr.В(ф), управления расходом воздуха Pr.УВ(ф) и управления регулирующим органом на воздухопроводе Pr.Ув. Задание в этот контур поступает от программы, рассчитывающей заданный расход воздуха Pr.В(з) и корректируется внутри контура по сигналу обратной связи, вырабатываемому программой Pr.DO2. Количество контуров управления равно числу зон. Программы Pr.УВ(ф) и Pr.Ув работает в цикле аналогично программам Pr.УТ и Pr.Ут, при этом программы Pr.Ут и Pr.Ув связаны между собой,, что позволяет минимизировать запаздывание в отслеживании изменения расхода топлива и снизить динамическую ошибку
поддержания коэффициента расхода воздуха. Программы Pr.В(ф) всех зон связаны между собой, что позволяет учитывать режим работы предыдущих зон.