Автоматизация доменного процесса. АСК давления природного газа. Расчет измерительной схемы автоматического потенциометра

Автоматизация доменного процесса. АСК давления природного газа. Расчет измерительной схемы автоматического потенциометра

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Сибирский Федеральный Университет

«ИНСТИТУТ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ»

ХИМИКО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Курсовой проект

Автоматизация доменного процесса. АСК давления природного газа. Расчет измерительной схемы автоматического потенциометра (0-700?С)

Красноярск

2010 г.

Содержание

Введение

1 Доменный процесс

1.1 Анализ доменного процесса, как объекта автоматизации

1.2 Статические и динамические характеристики доменного процесса

1.3 Автоматический контроль основных параметров доменного процесса

2 Использование природного газа в доменных печах

3 Анализ современных методов автоматического контроля давления и выбор наиболее рационального метода

3.1 Классификация приборов для измерения давления

3.1.1 Жидкостные приборы

3.1.2 Поршневые манометры

3.1.3 Пружинные приборы

3.1.4 Мембранные приборы

3.1.5 Манометры сопротивления

3.1.6 Емкостные манометры

3.1.7 Пьезоэлектрические манометры

3.1.8 Теплопроводные манометры

3.2 Выбор рационального метода измерения давления природного газа

4 Расчет измерительной схемы автоматического потенциометра

5 Описание работы принципиальной схемы автоматического контроля давления природного газа

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Непрерывный рост мощности доменных печей и внедрение новых методов интенсификации технологического процесса существенно повысили производительность доменного производства и увеличили потоки сырья, энергии и продуктов плавки, участвующих в производственном процессе. Современный доменный цех ежесуточно потребляет свыше 50 тыс. т различных материалов, 100 млн. м3 воздуха, примерно 2 млн. т воды и расходует более 20 тыс. кВтч электроэнергии. Значительно усложнилось управление доменным производством, возросло количество информации, которое необходимо освоить и использовать для управления процессом. Увеличилось также число управляющих воздействий и усложнился выбор управлений, наиболее рациональных для данных условий. Анализ поступающей информации и выбор оптимальных управляющих воздействий требуют высокой квалификации персонала, обслуживающего печь. В этих условиях возрастает необходимость внедрения систем автоматического контроля и управления.

Системы контроля и управления работой доменных печей постепенно усложнялись - от простейших систем стабилизации отдельных параметров до локальных систем управления отдельными режимами работы печи и, наконец, до комплексных систем управления всем доменным процессом.

Автоматический контроль и стабилизация некоторых параметров доменного процесса сыграли в свое время большую роль в деле повышения производительности и экономичности работы доменных печей. Внедрение локальных систем стабилизации расхода, температуры и влажности горячего дутья, давления колошникового газа, нагрева воздухонагревателей позволило повысить производительность доменных печей на 5-9% и получить экономию кокса 6-7%. Кроме того, локальные системы стабилизации облегчили труд металлургов и повысили общую культуру производства.

Внедрение локальных систем управления, таких, например, как системы автоматического управления шихтоподачей, распределения горячего дутья и природного газа по фурмам доменной печи, автоматический перевод и управление нагревом воздухонагревателей и т.д., дало дополнительный экономический эффект: производительность доменных печей увеличилась еще на 4-5%, а расход кокса снизился на 2-3%.

В настоящее время в России разрабатывается и внедряется комплексная система автоматического управления с применением УВМ. В состав комплексной системы входят подсистемы управления шихтовкой и шихтоподачей, управления тепловым и газодинамическим режимами и управления ходом печи. По предварительным расчетам, внедрение комплексной системы повысит производительность печей на 9-11% и снизит расход кокса на 12 - 14%. Несмотря на высокую стоимость комплексной системы управления, срок ее окупаемости менее двух лет.

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.

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: ДSi - 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: ф = 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
		ф	Т	к
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

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5