Автоматизация доменного процесса

II. Загрузка шихтовых материалов.

Сюда входят: рудная 3 и коксовая 4 подачи, количество подач 5, порядок загружаемых материалов 6, работа конусов 7, уровень засыпи и скорость схода шихты 8, положение вращающегося распределителя шихты (ВРШ) 9, распределение материалов в печи 10.

III. Состояние верхней зоны печи (колошника).

Здесь контролируются: давление 11 и температура 12 в газоотводах, давление колошникового газа 13, расход 14 и давление 15 пара, подаваемого в печь, давление в междуконусном пространстве 16, температуры по окружности 17 и по диаметру 18 колошника, содержание СО 19, СО2 20 и Н2 21 в колошниковом газе и по диаметру колошника 22 (проводится периодически).

IV. Состояние шахты печи.

На нескольких горизонтах шахты по окружности в кладку вмонтированы термопары, контролирующие температуру по окружности шахты на данном горизонте 23. Измеряются расход 24 и давление 25 охлаждающей воды на различных горизонтах шахты. В средней части шахты встраивается отборное устройство 26, позволяющее измерять перепады статического давления между кольцевым воздухопроводом 27 и серединой шахты АРН (нижний перепад) и между серединой шахты 26 и колошником 13 (верхний перепад). Измеряется также общий перепад давления по шахте печи от кольцевого воздухопровода 27 до колошника 13. Измерение перепадов статического давления позволяет судить о гидравлическом сопротивлении столба шихтовых материалов на различных участках шахты печи.

V. Параметры комбинированного дутья.

Количество 28, давление 29 и температура 30 холодного дутья, количество 31 и давление 32 природного газа, количество 33 и давление 34 кислорода, содержание кислорода в дутье 35, влажность дутья 36, температура дутья 37, распределение дутья 53 и природного газа по фурмам доменной печи 39.

VI. Состояние нижней зоны печи (горн).

Измеряются температуры в фурменной зоне 40, температуры лещади 41 и фундамента печи 42 на нескольких - уровнях. Контролируются на выпусках температура чугуна 43 и шлака 44. Содержание кремния, серы и марганца в чугуне 45, основность шлака 46.

Продукты плавки исследуются периодически (на выпусках) и сведения об их составе получаются с опозданием. Внедрение современных методов экспресс-анализа позволит ускорить получение этой важной информации.

VII. Технико-экономические показатели плавки.

Производительность печи, расход углерода на тонну чугуна, к. и. п. о., себестоимость продукции оцениваются по результатам работы доменной печи за сутки.

VIII. Тепловое состояние воздухонагревателей (рисунок 5). - Здесь контролируются общее количество 1 и давление 2 газа, расходуемого на обогрев воздухонагревателя; расход газа на обогрев каждого воздухонагревателя 3; температуры купола 4 и продуктов сгорания 5, покидающих воздухонагреватель, разрежение перед дымовым шабером 6. На различных участках дымового и воздушного трактов устанавливают сигнализаторы перепада давления 7, обеспечивающие безопасность перевода воздухонагревателя с режима обогрева на режим «дутья».

Рисунок 5 - Принципиальная схема автоматического контроля работы воздухонагревателей

При автоматическом переводе воздухонагревателей предусматривается установка прибора, контролирующего зажигание факела газа 8.

Кроме указанных систем контроля, на доменной печи устанавливают еще целый ряд сигнализаторов и блокирующих устройств в системе загрузки печи, периодически определяют массу колошниковой пыли, вынесенной из печи, и ряд других параметров.

Система контроля основных параметров доменного процесса представляет сложный комплекс датчиков, преобразователей и вторичных приборов. Количество щитов, пультов и стендов, на которых размещается эта аппаратура, непрерывно растет. Информация становится трудно обозримой и персонал, обслуживающий печь, не в состоянии полностью использовать ее для оперативного управления процессом.

В настоящее время на мощных доменных печах устанавливают системы централизованного контроля (СЦК), а показатели основных параметров процесса, кроме регистрации на бланках и перфокартах, выносятся также на мнемонические схемы в виде цифровой индикации, причем индикаторы расположены в точках мнемосхемы, соответствующих положению датчика на объекте. Примечание СЦК и мнемосхем дает возможность более рационально использовать всю информацию, поступающую от системы контроля доменного процесса, и выдавать ее в форме, удобной для ввода в управляющие вычислительные машины. В системе СЦК может быть предусмотрена предварительная обработка данных: сглаживание, усреднение, расчет комплексных показателей, что облегчает анализ информации.

Интересующий нас параметр - давление природного газа, поступающего по фурмам в печь в качестве восстановителя, контролируется АСК давления природного газа (позиция 32, рисунок 4).

2. Использование природного газа в доменных печах

Применение природного газа в сочетании с кислородом позволяет получить экономию кокса и в то же время сохранить нормальные газодинамические условия работы печи. При этом увеличение выхода газа на единицу массы сгоревшего у фурм кокса, обусловленное подачей в печь природного газа, компенсируется уменьшением выхода газа вследствие использования кислорода.

Кислород поступает в воздухопровод до воздухонагревателей и поэтому нагревается в них до температуры горячего дутья. Природный газ вдувается в печь в холодном виде (t = 20-30° С), что приводит к дополнительному охлаждению горна. Кроме того, тепло затрачивается на диссоциацию природного газа. Поэтому применение природного газа вызывает необходимость повышения температуры горячего дутья.

Применение природного газа ограничивается максимально возможным нагревом дутья и количеством кислорода, которое используется на данной печи.

Принципиальная схема автоматического регулирования расхода и распределения природного газа по фурмам печи приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 - принципиальная схема регулирования расхода и распределения природного газа по фурмам доменной печи

Воздух и кислород из турбовоздуходувкой машины Т по трубопроводу холодного дутья через измерительную диафрагму поступают в воздухонагреватель В, а частично непосредственно в смесительный трубопровод С. Расход холодного дутья измеряется дроссельным органом 1, датчиком 2, а концентрация кислорода в дутье газоанализатором 13, Природный газ по трубопроводу через измерительную диафрагму и регулирующий орган подается в кольцевой коллектор (на схеме показан в развернутом виде). От кольцевого коллектора отходят линии, через которые природный газ, проходя измерительные диафрагмы и регулирующие клапаны, попадает в фурмы Ф1, Ф2,…, Фп. Общий расход природного газа измеряется диафрагмой 3 и датчиком 4.

Автоматическое регулирование расхода природного газа осуществляется с помощью регулятора соотношения 5 с задатчиком 6. Этот регулятор поддерживает заданное соотношение между расходом холодного дутья и природного газа с учетом концентрации кислорода в дутье. Управляющий сигнал от регулятора 5 поступает на исполнительный механизм 7 при регулирующем клапане. Расход природного газа через каждую фурму измеряется датчиками 8.

Автоматическое распределение природного газа осуществляется системой обегающего контроля, которая состоит из коммутатора 9 и регулятора 10, воздействующего на исполнительные механизмы 11 при клапанах на фурмах. Предусматривается возможность перехода на ручное управление 12, при котором исполнительные механизмы управляются кнопками. На некоторых заводах распределение природного газа по фурмам осуществляется только дистанционно.

При этом датчики через коммутатор 9 поочередно подключаются к контрольному прибору 14, а исполнительные механизмы 11 управляются дистанционно. Такое управление распределением природного газа дает достаточно удовлетворительные результаты, потому что давление в линии природного газа значительно превышает сопротивление столба шихтовых материалов и колебание сопротивления шихты практически не сказывается на расходе природного газа через фурмы печи.

Разрабатываются системы автоматического управления распределением природного газа и кислорода по фурмам печи с учетом распределения температуры в окислительных зонах по периферии горна. В этих схемах используются пирометры излучения (фотоэлектрические, спектральные, радиационные), измеряющие излучение в нескольких точках по окружности горна. Если в какой-либо зоне излучение меньше или больше, чем в других, то система автоматически корректирует задание регуляторам расхода природного газа и кислорода таким образом, чтобы устранить возникшую неравномерность температур на периферии горна.

Предлагаются также связанные схемы управления подачей и распределением комбинированного дутья, в которых управление распределением дутья, природного газа и кислорода по фурмам объединено в одну систему. В дальнейшем эту систему предполагается объединить с системой управления распределением газового потока по высоте и сечению шахты доменной печи.

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

Давление является одним из важнейших параметров химико-технологических процессов. От величины давления часто зависит правильность процесса химического производства. Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей силы к площади, на которую действует сила. При равномерном распределении сил давление равно частному от деления нормальной составляющей силы давления на площадь, на которую эта сила действует. Величина единицы давления зависит от выбранной системы единиц.

В качестве единиц давления практически применяют многие единицы. В таблице 2 приведены соотношения некоторых применяемых единиц давления.

Таблица 2 - соотношения между единицами давления

Единицы давления		или атм.	атм. (физическая атмосфера)	мм рт. ст.	Па
1 кг/м2 или 1 мм вод. ст.					980665
1 атм. (техническая)	104		0,9678	735,56	98066,5
1 атм. (физическая)	10332	1,0332		760,00	101325
1 мм рт. ст.	13,6				133,332
1 Па	0,102

Различают абсолютное и избыточное давление. Абсолютное давление - параметр состояния вещества (жидкостей, газов и паров). Избыточное давление представляет собой разность между абсолютным давлением и барометрическим давлением (т.е. давлением окружающей среды):

,

Если абсолютное давление ниже барометрического, то

,

где - давление (разрежение), измеренное вакуумметром.

3.1 Классификация приборов для измерения давления

Приборы для измерения давления обычно классифицируются по принципу действия и по роду измеряемой величины.

По принципу действия приборы для измерения давления делятся на:

1) жидкостные, основанные на уравновешивании измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости;

2) поршневые, в которых измеряемое давление уравновешивается внешней силой, действующей на поршень;

3) пружинные, измеряющие давление по величине деформации упругого элемента;

4) электрические, основанные либо на преобразовании давления в какую-либо электрическую величину либо на изменение электрических свойств материала под действием давления.

По роду измеряемой величины приборы для измерения давления и разрежения делятся на:

1) манометры - приборы для измерения избыточного давления.

2) вакуумметры - приборы для измерения разрежения (вакуума).

3) мановакуумметры - приборы для измерения избыточного давления и вакуума.

4) напоромеры (микроманометры) - приборы для измерения малых избыточных давлений.

5) тягомеры (микроманометры) - приборы для измерения малых

разрежений.

6) тягонапоромеры (микроманометры) - приборы для измерения малых давлений и разрежений.

7) дифференциальные манометры - приборы для измерения разности давлений.

8) барометры - приборы для измерения барометрического давления.

3.1.1 Жидкостные приборы

Жидкостные приборы отличаются простотой устройства, невысокой стоимостью и относительно высокой точностью измерения. Благодаря этим достоинствам жидкостные приборы и в настоящее время не утратили своего значения. Они широко применяются как для лабораторных, так и для технических измерений.

Жидкостные приборы служат для градуировки и поверки приборов других систем, для измерения небольших избыточных давлений, разрежений, разности давлений, а также атмосферного давления.

Лабораторные приборы

Двухтрубный U-образный манометр (рисунок 7) состоит из стеклянной трубки, изогнутой в виде буквы U. Трубка укреплена на доске со шкалой, расположенной между ветвями трубки. Трубка манометра заполнена жидкостью (ртутью, водой, спиртом). Система находится в равновесии, если гидростатическое давление столба жидкости в открытом колене манометра уравновешивается давлением в другом колене:

Рисунок 7 - двухтрубный (U - образный) манометр: 1 - стеклянная трубка, 2 - доска

, (1)

где - абсолютное давление в аппарате или трубопроводе в Па.

- барометрическое давление в Па.

S - площадь сечения трубки в .

h - разность уровней жидкости в обеих коленах или высота уравновешивающего столба жидкости в м.

? - плотность жидкости в .

g - ускорение силы тяжести в .

Из уравнения (1) получаем:

,

Или

. (2)

Если давление в пространстве, присоединенном к манометру, ниже атмосферного, то жидкость в трубках манометра переместится в обратном направлении и высота ее столба будет соответствовать разрежению (вакууму).

Присоединив оба свободных конца трубки манометра к двум полостям с разными давлениями, можно по разности уровней жидкости в приборе определить разность давлений.

Манометр наполняется жидкостью до нулевой отметки шкалы. Для определения высоты столба жидкости необходимо делать два отсчета: снижения в одном колене, подъема в другом и суммировать замеренные величины, т. e. H=h1+h2.

Однотрубный (чашечный) манометр представляет собой модификацию двухтрубного, одно из колен которого заменено широким сосудом (чашкой). Устройство манометра показано на рисунке 8. Сосуд 1 соединен с вертикальной стеклянной трубкой 2. Резервуар, в котором измеряется давление, подключается к сосуду, а резервуар, в котором измеряется разрежение, - к трубке. О величине давления или разрежения судят по высоте столба жидкости в вертикальной трубке прибора.

Рисунок 8 - однотрубный чашечный манометр: 1 - сосуд, 2 - трубка

Преимущество чашечного манометра заключается в единичном отсчете положения мениска жидкости в трубке. Однако при этом возникает погрешность из-за понижения уровня жидкости в сосуде, что изменяет положение нуля шкалы. При поднятии жидкости в трубке на высоту жидкость в сосуде опустится на величину .

Эти величины связаны между собой равенством: ,

где s - площадь сечения трубки; S - площадь сечения сосуда.

Отсюда

,

Истинная высота столба жидкости

,

Давление

.

Таким образом, величина погрешности измерения зависит от отношения площадей сечения трубки и сосуда и может быть сделана сколь угодно малой. Площади сосуда и трубки выбирают обычно такими, чтобы величиной s/S можно было пренебречь. Большинство чашечных приборов имеет отношение s/S < 1/400.

При этом без внесения существенной погрешности можно считать

.

Погрешность измерения в однотрубном манометре также может быть устранена построением специальной шкалы, учитывающей понижение уровня жидкости в сосуде. Для разметки такой шкалы можно воспользоваться уравнением

,

где - длина шкалы в мм, а s и S - площади сечения трубки и сосуда.

Верхний предел измерения давления жидкостными манометрами ограничивается приемлемыми габаритными размерами приборов. На практике двухтрубные и однотрубные приборы изготовляются для измерения давлений не выше 0,196 МПа.

При точных измерениях жидкостными лабораторными приборами необходимо вводить поправки на величину ускорения силы тяжести и на температуру. Поправка на ускорение силы тяжести равна:

,

где - высота столба жидкости при нормальном ускорении; = 9,80665 м/сек2; - наблюдаемая высота столба;- ускорение силы тяжести в данной местности.

Поправка на температуру включает поправки на изменение плотности жидкости и изменение длины шкалы от изменения температуры.

Суммарная температурная поправка равна

,

где h - высота столба жидкости при нормальной температуре; - для

ртути 0° С, для воды +4° С; - наблюдаемая высота столба при температуре t; ? - коэффициент линейного расширения материала

шкалы; - коэффициент объемного расширения жидкости.

Микроманометр с наклонной трубкой. При измерении малых давлений применяют приборы с наклонной трубкой (рисунок 9). Прибор состоит из стеклянного сосуда, к которому припаяна стеклянная трубка, наклоненная под

Рисунок 9 - микроманометр с наклонной трубкой: 1 - доска; 2 - сосуд; 3 - трубка; 4 - уровень

некоторым углом к горизонту. Сосуд с трубкой укреплен на деревянной доске со шкалой. Для удобства шкала сделана подвижной, чтобы при заполнении прибора жидкостью можно было совместить ноль шкалы с мениском жидкости в трубке. Конец трубки присоединяется к полости, в которой измеряется разрежение. Для точной установки прибора в горизонтальной плоскости он снабжен уровнем. Вследствие наклонного положения трубки высота столба жидкости, уравновешивающая измеряемое давление, будет равна

,

где - перемещение мениска жидкости в трубке, отсчитанное по шкале.

Микроманометры с наклонной трубкой изготовляются обычно для измерения давления 157-980 Па (16-100 мм вод. ст.).

Погрешность этих приборов не превышает ±1,5% предельного значения шкалы.

В тех случаях, когда приходится измерять давление или разрежение в более широких пределах, пользуются микроманометрами с переменным углом наклона трубки.

Технические приборы

Лабораторные приборы в связи с недостаточной прочностью, нечеткостью шкалы, затрудняющей отсчеты, малым диапазоном измерений и сложностью устройств для записи и передачи на расстояние нельзя широко применять в промышленности. Поэтому для технических измерений жидкостные приборы выполняются в виде так называемых комбинированных жидкостно-механических приборов. К ним относятся поплавковые, колокольные и кольцевые.

Поплавковые приборы представляют собой U-образные жидкостные манометры, одно из колен которых расширено и в нем помещен поплавок. Поплавок связан со стрелкой, движущейся вдоль шкалы. Поплавковые приборы чаще всего используются как дифференциальные манометры (дифманометры) для измерения перепада давления.

На рисунке 10 показана схема поплавкового дифманометра. Если в левом сосуде давление а в правом , то при уровень жидкости в левом сосуде понизится на высоту , а в правом повысится на высоту. Разность давлений уравновешивается столбом жидкости высотой

(3)

Рисунок 10 - Схема поплавкового дифманометра

Условие равновесия выражается формулой

,

Страницы: 1, 2, 3, 4