Содержание к диссертации
Введение
Глава I. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СУХОТУШЕНИЯ КОКСА
1.1. Сущность и особенности сухого тушения кокса 13
1.2. Экспериментально-статлетическое исследование УСТК. 20
1.3. Обзор и анализ существующих систем контроля и управления процессом 29
1.4. Задачи исследования 33
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТК КАК ТЕРМОДИНА
2.1. Эксергетический анализ УСТК 35
2.1.1. Оценка эксергетическои эффективности работы камеры тушения 35
2.1.2. Оценка эксергетическои эффективности работы котла-утилизатора 41
2.1.3. Принятие решений 49
2.2. Разработка и осуществление мероприятий по увеличению эксергетическои эффективности блока УСТК 50
2.3. Выбор критерия эффективности функционирования УСТК 5
2.3.1. Построение математической зависимости критерия эффективности от технологических переменных для камеры тушения 60
2.3.2. Построение математической зависимости критерия эффективности от технологических переменных котла-утилизатора 68
Глава 3. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО АВТОМАТИЧЕСКОМУ КОНТРОЛЮ И РЕГУЛИРОВАНИЮ РАБОТЫ АГРЕГАТОВ БЛОКА УСТК 74
3.1. Построение обобщенного критерия эффективности процесса GTK 74
3.2. Оценка обобщенного критерия эффективности для различных технологических режимов 75
3.3. Решение задачи поиска экстремума обобщенного критерия эффективности УСТК и ее анализ 80
Глава 4. ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОСНОВНЫХ АГРЕГАТОВ
БЛОКА УСТК 87
4.1. Математическое описание динамических свойств агрегатов по основным управляющим и возмущающим воздействиям 87
4.2. Моделирование "динамических свойств основных агрегатов блока УСТК на АВМ 93
4.3. Выбор рациональной структуры автоматического управления процессом СТК 94
Глава 5. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ 111.
5.1. Автоматическая система контроля величины угара кокса. . 111
5.2. Автоматическая система измерения количеств тепла и эксергии, отобранных в камере тушения циркуляционным газом и поступающих в котел-утилизатор 113
5.3. Автоматическая система измерения теплотехнических и эксергетических КПД камеры тушения, котла-утилизатора и всей УСТК И6
5.4. Автоматическая система измерения температуры потушенного кокса 122
5.5. Автоматическая система стабилизации гидравлического режима 125
5.6. Автоматическая система стабилизации температуры потушенного кокса 128
5.7. Автоматическая система регулирования питания котла... 130
5.8. Заключение 133
ОБОБЩЕНБЫЕ ШВОШ 134
ЛИТЕРАТУРА 138
ПРИЖЖЕНИЯ 147
- Сущность и особенности сухого тушения кокса
- Оценка эксергетическои эффективности работы камеры тушения
- Построение обобщенного критерия эффективности процесса GTK
- Математическое описание динамических свойств агрегатов по основным управляющим и возмущающим воздействиям
- Автоматическая система контроля величины угара кокса.
Введение к работе
На UJ1 съезде КПСС отмечалось, что решение всех народнохозяйственных задач зависит от развития тяжелой индустрии. и, в первую очередь, ее базовых отраслей - топливно-энергетических /I/. Советский Союз производит сегодня пятую часть мирового производства энергоресурсов. И все же энергия для народного хозяйства страны при нынешних темпах его развития дефицитна. Обеспечение бесперебойной работы всех энергосистем требует, прежде всего, широкого внедрения энергосберегающей техники и технологии /2/.
Эффективное использование вторичных энергоресурсов в тепло-и энергоемких производствах является насущной народнохозяйственной задачей нашего времени. Отмечая высокие темпы развития энергетики в нашей стране, Л.И.Брежнев на ноябрьском 1979 г. Пленуме ЦК КПСС сказал: "Какими .бы темпами мы ни развивали энергетику, сбережение тепла и энергии и впредь будет важнейшей общегосударственной задачей" /3/.
Чтобы полностью и бесперебойно обеспечить нужды страны в топливно-энергетических ресурсах, необходимо постоянно осуществлять мероприятия по экономии и повышению эффективности использования топлива и энергии, то есть делать все возможное для их сбережения, имея в виду, что значительно выгоднее вкладывать средства в мероприятия по экономии этих ресурсов, чем в увеличение их добычи и производства. Вовлечение вторичных энергетических ресурсов в энергетический баланс страны является одним из важнейших факторов надежного обеспечения народного хозяйства теплом и энергией /4/.
Научно-технический прогресс во многих отраслях народного хо- зяйства на ближайшие десятилетия будет основываться на все более возрастающем потреблении черных металлов. Несмотря на появившуюся во многих странах тенденцию к исключению доменного производства из металлургического цикла и переходу к получению стали непосредственно из руда» практическое решение этой задачи в значительных масштабах пока далеко от осуществления /5/. Поэтому доменный передел, как первое основное звено в производстве черных металлов, сохранит свое значение на достаточно продолжительное время. Намеченный на XI пятилетку рост производства чугуна приведет к увеличению производства доменного кокса. Его выпуск в 1985 году составит 380 млн.тонн /6/. Учитывая потребность в коксе других отраслей промышленности (цветная металлургия, химическая промышленность, литейное производство и т.д.) надо полагать, что ближайшие десятилетия будут характеризоваться повышенным и устойчивым спросом на кокс.
Производство кокса является одним из самых энергоемких производств металлургического цикла. Доля расхода топлива, тепловой и электрической энергии в коксохимическом производстве составляет 2,5-3,0$ от общего расхода в черной металлургии.
Общий расход энергии в коксовом производстве существенно зависит от способа тушения кокса. В промышленности применяют два способа тушения - мокрый и сухой. При мокром способе кокс тушат водой. Вся энергия, затраченная на процесс коксования, полностью теряется с охлаждающей водой, при этом происходит сильное загрязнение атмосферы вредными сернистыми и фенольными соединениями.
При сухом способе кокс тушат инертными газами. Этот способ тушения позволяет уменьшить пылегазовые выбросы в атмосферу, использовать в шихте для коксовых печей слабоспекающиеся газовые угли при неизменном качестве получаемого кокса. По этой причине процесс сухого тушения кокса (СТК) перспективно рассматривают как технологическую ступень, позволяющую улучшить качество кокса. Кроме того, этот способ тушения позволяет утилизировать тепло раскаленного кокса.
Преимущества сухого тушения привели к созданию в Советском Союзе крупнотоннажных установок сухого тушения кокса (УСТК), которыми комплектуют почти все вновь строящиеся коксовые цехи. УСТК позволяют утилизировать до 40^ тепла, затраченного на коксование, которое эквивалентно поступлению дополнительного количества энергии в баланс страны. Однако в производстве СТК еще значительные тепловые потери, обусловленные как причинами технологического характера, так и несовершенной системой управления процессом. При возрастающем производстве кокса сухого тушения суммарные тепловые потери на УСТК страны достигают весьма значительной величины. Поэтому исследования и разработки, направленные на уменьшение этих потерь, являются своевременными и актуальными.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка систем управления процессом сухого тушения кокса, обеспечивающих максимальную утилизацию тепла на УСТК при заданной производительности по коксу.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: исследовать УСТК как термодинамическую систему; выбрать критерий эффективности для автоматического управления процессом; найти математические зависимости критериев эффективности отдельных агрегатов и всей УСТК от технологических переменных процесса; обосновать необходимый объем контролируемых и регулируемых величин; исследовать УСТК как объект управления; разработать рациональную структуру автоматического контроля и управления; разработать автоматические системы контроля и управления; произвести промышленное внедрение разработанных систем.
Сущность и особенности сухого тушения кокса
Сухое тушение кокса является составляющей частью (подсистемой) коксохимического производства. Способ сухого тушения кокса циркуляционными газами с последующим использованием отобранного тепла для производства пара энергетических параметров предопределил структуру этой подсистемы и связь ее с другими подсистемами коксохимического производства. Подсистема СТК на ЕХОДЄ связана с коксовыми батареями, а на Еыходе - с коксосортировкой. Главными входами подсистемы СТК являются горячий кокс и питательная вода для котла-утилизатора. Специфический вход-подсасываемый воздух из окружающей среды. Выходами подсистемы являются охлажденный кокс и пар, а также коксовая пыль и пылегазовые выбросы в атмосферу .
На рис.1,1 представлена схема промышленной УСТК. Подсистема СТК состоит из блоков УСТК, основными агрегатами которьго/являют-ся камера тушения (КТ) и котел-утилизатор (КУ).
Камера тушения I представляет собой термоизолированную цилиндрическую шахту с комбинированным подводом циркуляционного газа через центральный рассекатель 2 и дутьевые устройства по периферии нижней конусной части 3 и односторонним отводом циркуляционного газа из верхнегос кольцевого сборного канала 4. Для равномерного схода потушенного кокса в камере предусмотрено двухстороннее разгрузочное устройство с отсекателем потока 5 и двумя затворами 6.
Котел-утилизатор 7 по конструкции агрегат конвективный, зме-евиковый, с многократной принудительной циркуляцией. Поверхность нагрева котла скомпонована в одной вертикальной шахте, где поток газ ов-нисходящий.
Камера тушения связана с котлом-утилизатором герметичными расходами 8. Конструктивно блок УСТК выполнен таким образ ом,что в свой контур включает два устройства для вывода части циркуляционного газа из контура ("свечи") - свеча дымососа 9 и свеча форкамері 10.
Кокс с температурой Ю00-1050С, выгруженный из коксовой камеры, специальным тушильным вагоном доставляют к камере тушения I. Загруженный сверху в камеру тушения кокс опускается вдоль камеры. Охлажденный до температуры 200-250С, кокс разгружают через специальные затворы на рампу холодного кокса II. Противотоком коксу вкамеру тушения подают циркуляционный газ. Нагретый до температуры 750-800С циркуляционный газ отводят через 36 косых ходов 12 в верхний кольцевой сборный канал и подают через пылеосадительный бункер ІЗ в котел-утилизатор 7. Отобранное тепло в котле-утилизаторе используют для получения пара энергетических параметров, а охлажденный газ, доочищенный в циклонах 14 дымососом 15 подают в камеру тушения.
Оценка эксергетическои эффективности работы камеры тушения
Для промышленных тепловых процессов важна не энергия вообще, а ее работоспособная часть (эксергия). Для раскрытия физической сущности сложных тепловых процессов наиболее эффективными являются эксергетические методы анализа /26-29/. Эксергетический анализ позволяет дать объективную оценку реальных энергетических ресурсов сложной энерготехнологической системы (ЭТС) и выявить пути ее термодинамического совершенствования.
УСТК относится к системам с несколькими материальными потоками, для которых характерны различные качественные показатели. Оценка системы невозможна без сведения всех количественных и качественных характеристик к единому показателю. Таким единым показателем сложной ЭТС является эксергия.
Дальнейшее развитие процесса СТК связано, в значительной мере, с его термодинамическим совершенствованием. Для оценки эксер-гетической эффективности агрегатов блока УСТК, выявления возможностей и путей термодинамического совершенствования эксергетический анализ последних выполнялся методом эксергетических потоков /30, 31/.
Построение обобщенного критерия эффективности процесса GTK
Эксергетические потери для всей УСТК представляют собой аддитивную функцию отдельных составляющих эксергетических потерь камеры тушения и котла-утилизатора.
Учитывая требование однозначности, предъявляемое к критериям эффективности /56/, и ограниченное количество управляющих воздействий на УСТК, целесообразно представить критерий эффективности всего процесса СТК в виде зависимости суммарных эксергетических потерь от основных переменных процесса. С этой целью на модели был поставлен дробный факторный эксперимент типа при следующих допущениях:
1. Перегретый пар имеет постоянное теплосодержание, соответствующее давлению перегретого пара равному 2,25 МПа (23 кгс/см2) и температуре - 4Е0С.
2. Давление в барабане котла - 2,35 МПа (24 кгс/см2) ./На ЭВМ рассчитывали значения всех составляющих потерь и общие эксергетические потери для соответствующих условий опытов матрицы планирования. По значениям общих эксергетических потерь рассчитывали коэффициенты полиномиального уравнения /60, 61/.
class4 ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОСНОВНЫХ АГРЕГАТОВ
БЛОКА УСТК class4
Математическое описание динамических свойств агрегатов по основным управляющим и возмущающим воздействиям
На основании параметрического анализа и анализа обобщенного критерия эффективности была разработана структурная схема УСТК, представленная на рис.4.1. В соответствии со структурной схемой исследовали динамические свойства камеры тушения и котла-утилизатора /75/. По каналам приведенным в табл. 4.1 и 4.2 динамические свойства изучали экспериментально путем нанесения ступенчатых возмущений.
Переходные характеристики, полученные в процессе экспериментальных исследований сглаживались методом скользящего усреднения /76/. Сглаженные переходные характеристики были аппроксимированы апериодическими звеньями первого порядка или апериодическими звеньями первого порядка и звеньями чистого запаздывания.
Аналитическим путем были получены передаточные функции по каналам, представленным в табл. 4.3.
В основе аналитического вывода передаточных функций лезкит уравнение теплового баланса камеры тушения в динамическом режиме /77/.
Вывод аналитических уравнений был произведен при следующих допущениях: объектом исследования является нижняя часть камеры тушения с практически потушенным коксом, а не вся камера, по высоте которой наблюдается изменение температуры кокса.
class5 РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ class5 .
Автоматическая система контроля величины угара кокса
Угар кокса, нанося большой ущерб в УСТК, не контролируется из-за отсутствия методики его измерения в производственных условиях. По предложенной методике измерения угара в производственных условиях, изложенной в главе 2, разработана схема автоматического контроля его /79, 80/ согласно зависимости (2.45).
Приращение по абсолютной величине в циркуляционном газе объемных количеств двуокиси и окиси углерода в результате горения кокса после камеры тушения измеряются соответственно дифференциальными газоанализаторами (поз7-1,7-2). На блоке сложения производят сложение двух выходных сигналов от дифференциальных газоанализаторов (поз.7-3).
Расход циркуляционного газа измеренный по перепаду давления на дымососе дифманометром с преобразователем (поз. 5-І), поступает на вторичный регистрирующий прибор с выходным преобразователем (поз5-2). Выходные сигналы сумматора (поз. 7-3) и вторичного прибора (поз. 5-2) перемножают в блоке умножения (поз. 7-4) с учетом постоянного коэффициента Kj. Величину угара регистрируют на одной из шкал вторичного прибора (поз. 7-4).
