Доменная печь

 

НИТУ МИСИС

 

 

 

 

Курсовая  работа

Проектирование  систем автоматизации

 

на тему: «Доменная печь»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2011г

1. Доменный процесс

 

Основной технологической  задачей доменной плавки является восстановление железных руд и получение чугуна заданного состава и температуры. Доменная печь относится к классу шахтных печей, в которых осуществляется слоевой режим работы с противотоком обрабатываемого материала, заполняющего весь рабочий объем печи, и горячих  газов, фильтрующихся через сравнительно плотные слои этих материалов.

Характерными особенностями  слоевого режима работы печи являются большая поверхность материалов, подвергающихся тепловой и химической обработке, и в то же время неопределенность активной части поверхности, участвующей  в процессах тепло- и массообмена. Причиной неопределенности является движение материалов, которые в ходе обработки  меняют размеры и формы кусков и претерпевают изменения химического  состава и агрегатного состояния, что изменяет условия фильтрации горновых газов через различные  участки сечения печи. Другой особенностью слоевого режима является то, что все  виды теплопередачи (радиация, конвекция  и теплопроводность) тесно переплетены  и практически неразделимы. Это  затрудняет теоретические расчеты  процессов теплообмена и экспериментальное  определение теплотехнических характеристик  доменных печей.

Из сказанного выше следует, что основной технологический процесс  доменной плавки – восстановление железа, несмотря на свою химическую природу, в значительной мере зависит от теплового режима, распределения газового потока в столбе шихтовых материалов и характера движения шихты.

Основная задача автоматического  управления доменным процессом заключается  в создании наиболее благоприятных  условий для протекания восстановительных  процессов. При этом доменная печь работает с максимальной производительностью  и экономичностью при ограничениях, обусловленных качеством сырья, мощностью воздуходувных машин, ресурсами кислорода, природного газа, состоянием печи, вспомогательного оборудования и др.

Основная задача управления может быть разделена на ряд локальных (частных) задач, решение которых  позволяет выбрать и стабилизировать  рациональные режимы работы печи. В  частности, к этим задачам относятся:

• Управление шихтоподачей;
• Управление тепловым режимом печи;
• Управление распределением газовых потоков в столбе шихтовых материалов;
• Управление сходом шихты (ходом печи).

Хотя все процессы, протекающие  в печи, взаимосвязаны, указанные  задачи в определенной мере автономны, и поэтому такое разделение достаточно обосновано.

На первом этапе автоматизации  доменного производства стабилизируются  отдельные параметры процесса: расход, температура и влажность горячего дутья, давление колошникового газа и т.д. На втором этапе решаются указанные  выше частные задачи по выбору и  стабилизации оптимальных режимов  и, наконец, последний этап управления процессом заключается в координации  работы всех частных систем с целью  достижения заданного критерия управления.

Для решения всех указанных  выше задач в первую очередь необходимо изучить особенности доменной печи как объекта автоматического  управления.

 

1.1 Анализ доменного  процесса, как объекта автоматизации

 

Производство чугуна является непрерывным, процессом, протекающим  во всем объеме доменной печи. Получение  рабочей информации о ходе технологического процесса из внутренних областей доменной печи практически невозможно. Поэтому  для контроля над ходом процесса и управления используются косвенные  показатели, в известной мере отражающие состояние отдельных участков (зон) доменной печи. К таким показателям  относятся, например, состав колошникового  газа, перепады статического давления по высоте шахты печи и т.д. Получаемая информация является далеко не полной и не может отразить влияния на процесс множества факторов (число  которых достигает 700). Поэтому многие явления, происходящие в доменных печах, проявляются как случайные функции  времени. Часть рабочей информации получается нерегулярно и со значительным опозданием (анализ химического состава  сырья и продуктов плавки), часть  информации отражает прошлое состояние  процесса (температура чугуна и шлака, содержание кремния в чугуне).

Недостаточность и запаздывание информации затрудняют управление процессом  плавки.

Следует отметить еще одну особенность доменной печи как объекта  автоматического управления: технологический  процесс проходит во всем объеме печи, а управления сосредоточены на границах шахты

Управление «сверху» осуществляется на колошнике путем изменения  условий загрузки, а «снизу» из фурменной зоны изменением параметров дутья (рисунок 1).

При каждом возмущении необходимо выбрать такое управляющее воздействие, которое повлияло бы на состояние  некоторой области печи, далеко отстоящей  от места приложения этого управления. Естественно, что это приводит к  существенным запаздываниям управляющих  воздействий; так, например изменение  рудной нагрузки на кокс сказывается  на тепловом состоянии горна доменной печи только через 5–6 ч.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – схема управляющих воздействий доменной плавки

 

Вместе с тем можно  указать некоторые обстоятельства, благоприятствующие работе управляющих  систем. Доменные печи, как правило, длительное время работают в стационарных производственных условиях, выплавляют чугун одной и той же марки, работают на идентичном сырье, что позволяет  выбрать оптимальный для этих условий режим работы. Задача систем управления заключается в выборе этого режима и затем в компенсации  флуктуации входных параметров процесса, которые сравнительно невелики. Другим благоприятным фактором является большая  аккумулирующая способность печи. Огромная масса материалов, участвующих в  процессах массо- и теплообмена, способствует сглаживанию возмущающих  воздействий. В этом смысле печь как  бы является фильтром для возмущающих  воздействий. Инерционность процесса позволяет иметь некоторый резерв времени для выбора рационального  управления.

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.

Основной задачей при  управлении доменным процессом, является стабилизация теплового состояния  и, следовательно, производительности печи, состава и температуры продуктов плавки. Поскольку производительность печи и состав чугуна поддерживаются практически постоянными, постольку необходима стабилизация как параметров загрузки, так и параметров дутьевого режима. Более подробное представление о стабилизируемых параметрах дает схема рис 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2. Схема автоматизации доменной печи.

ДП доменная печь; В - блок воздухонагревателей; Т - Турбо воздуходувная  машина; Г газоочистка; 1- система управления загрузкой шихтовых бункеров; 2 - управление шихтолодачей и загрузкой; 3 распределение шихтовых материалов по окружности колошника. 4 - управление дозированием компонентов шихтовых материалов; 5 -стабилизация влажности дутья; 6 -стабилизация расхода кислорода; 7-стабилизация соотношения расхода природного газа и воздуха; Л - стабилизация распределения дутья и природного газа по фурмам; У - стабилизация теплоты сгорания смешанного газа на отопление воздухонагревателей: К) - управление перекидкой клапанов воздухонагревателей. II - стабилизация температуры горячего дутья; 12 - стабилизация температуры купола воздухонагревателей; 13 - управление нагревом воздухонагревателей; 14 - управление тепловым состоянием доменной печи;15 - управление шихтовкой доменной плавки; 16 -управление сходом шихтовых материалов; 17 - управление распределением газового потока по сечению шахты печи, IX - стабилизация расхода дутья; 19 - стабилизация давления колошникового газа.

 

2. Автоматический  контроль

 

На современных доменных печах осуществляется контроль (в основ* ном, автоматический) большого числа технологических и теплотехнических

величин, приведенных в  табл.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. АСУ ТП доменной  плавки Функции и назначение

Основные функции АСУ  ТП выплавки чугуна в доменной печи заключаются в следующем:

1. Информационные  и вычислительные функции

I. Измерение и контроль: температуры чугуна и шлака; температуры фурменных зон; температуры газов по радиусу печи под уровнем засыпи; температуры газов по радиусу печи над уровнем засыпи; температуры поверхности шихты на колошнике; температуры колошникового газа в газоотводах; температуры кладки печи; температуры горячего дутья; температуры купола воздухонагревателя; температуры отходящих газов из воздухонагревателя; расхода природного газа на печь; расхода холодного дутья; расходов пара и кислорода в дутье; расходов дутья и природного газа по фурмам; давления горячего дутья; давления газа на колошнике; перепадов давления по Высоте шахты печи; состава колошникового газа после скруббера; состава газов по радиусу шахты под и над уровнем засыпи; содержания кислорода в дутье; влажности дутья; влажности кокса; уровня засыпи шихты.

2. Расчет: состава шихты; количества кокса в подаче; скорости схода шихты; параметров, характеризующих тепловое состояние печи; параметров, характеризующих тепловое состояние воздухонагревателей.

 

Управляющие функции

1. Управление величинами: расходом дутья; расходом природного газа на печь; распределением дутья и природного газа по фурмам; температурой дутья; влажностью дутья; содержанием кислорода в дутье; давлением газа на колошнике.

2. Управление процессами  и комплексными параметрами; набора  и подачи шихты; тепловым состоянием  печи; распределением газов по  сечению шахты печи; ходом печи; нагревом воздухонагревателей; режимом  переключения воздуха нагревателей  на дутье.

Схема централизованной АСУ  ТП доменной плавки с одним УВК  показана на рис.111.14 (в схеме опущены  контуры измерения и управления распределением дутья и природного газа по фурмам и тепловым режимом  воздухонагревателей).

В настоящее время имеют  большее распространение распределенные АСУ с несколькими подсистемами, выполненными на базе МПТ или микро- или мини- ЭВМ и объединенными на более высоком уровне центральным УВК.

Примером такой распределенной системы может служить АСУ  ТП, изображенная на рис.111.15.

Система включает четыре взаимосвязанные  мини-ЭВМ!- мини-ЭВМ 4.

 

 

 

ВРШ - вращающийся распределитель шихты; СК- скруббер для очистки газа; ДГ- дроссельная группа; КГ- колошниковый газ; ВВК- весовая воронка кокса; 17Г-природный газ; Я пар; К- кислород; ХД - холодное дутье; ГД - горячее дутье.

Сигналы измерения;

 1 и 2 - температура чугуна и шлака;

3 - температура фурменных  зон; 

4 и 5 - температура и  состав газон по радиусу печи под уровнем засыпи;

6 и 7 - то же над уровнем  засыпи;

8 - уровень засыпи шихты;

9 - температура колошникового газа в четырех газоотводах;

10- давление газа на  колошнике;

11 12 и 13 - верхний, нижний и общий перепад давления по высоте шахты печи;

14 - давление горячего  дутья; 

15 - расход природного  газа на печь;

18 - состав колошникового  газа;

19 и 21 - влажность и масса  кокса;

23 расход холодного дутья; 

24 - влажность дутья; 

25 - содержание кислорода  в дутье; 

27 - расход пара;

28 - расход кислорода;

32 -расход колошникового  газа.

Сигналы управления;

16 - расход природного  газа на печь;

17 - масса загружаемого кокса;

20 - давление газа на  колошнике; 

22 - температура горячего  дутья; 

26 - расход пара (влажность  дутья);

29 - расход кислорода (содержание  кислорода в дутке);

30 - расход холодного дутья; 

31 - вращающийся распределитель шихты

 

 

 

 

 

 

2. Управление  процессами и комплексными параметрами;  набора и подачи шихты; тепловым состоянием печи; распределением газов по сечению шахты печи; ходом печи; нагревом воздухонагревателей; режимом переключения воздуха нагревателей на дутье.

Схема централизованной АСУ  ТП доменной плавки с одним УВК  показана на рис.111.14 (в схеме опущены  контуры измерения и управления распределением дутья и природного газа по фурмам и тепловым режимом  воздухонагревателей).

В настоящее время имеют  большее распространение распределенные АСУ с несколькими подсистемами, выполненными на базе МПТ или микро- или мини- ЭВМ и объединенными на более высоком уровне центральным УВК.

Примером такой распределенной системы может служить АСУ  ТП, изображенная на рис.111.15.

Система включает четыре взаимосвязанные  мини-ЭВМ1- мини-ЭВМ 4.

 

Мини-ЭВМ 4 применяются для  управления: загрузкой, вращающимся распределителем шихты, режимом дутья и тепловым состоянием печи. Управление "сверху" осуществляется путем изменения рудной нагрузки на кокс Р/К-2, изменением соотношения программ загрузки А и Б-3, выбором программы работы ВРШ-3. Управление "снизу" происходит в результате изменения расхода дутья 16, его температуры 11 и влажности 13, а также путем изменения давления газа на колошнике 1.