ТЕРМИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ XXI ВЕКА - КОНСТРУКЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ - Системы прямого ...
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
ТЕРМИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ XXI ВЕКА – КОНСТРУКЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ
Лисиенко В.Г., Маликов Ю.К., Медведев И.Ю., Маликов Г.К., Сурганов К.А., Титаев А.А.
Опубликовано в 2006 г.
В последнее время в области печестроения произошли столь значительные изменения, которые иначе как технически
революционные, пожалуй, не назовешь. Эти изменения коснулись как требований к технологиям нагрева, так и собственно
конструкции печей. В общих чертах эти изменения можно охарактеризовать следующими положениями:
Резко возросли требования к равномерности нагрева. Эти требования касаются в равной степени как статической
неравномерности – по объему садки, по сечению заготовки, так и динамической – динамических отклонений температуры в
результате внесения возмущающих воздействий и работы регуляторов-стабилизаторов. Требования равномерности достигли
почти фантастических величин – на уровне или даже выше метрологической точности процесса регулирования – до ± 5 °С.
Существенно возросли требования к материалам футеровки печей и технологических агрегатов. Эти требования
предусматривают прежде всего увеличение стойкости футеровки, снижение ее аккумулирующей способности, уменьшение
сроков сооружения печей, снижение эксплуатационных затрат. Произошло существенное изменение подходов к выбору
огнеупорных и теплоизоляционных материалов, к конструкции металлического каркаса и режимам эксплуатации печей.
Существенно расширились возможности горелочных устройств как в выборе технического оснащения, так и в оснастке. Это
прежде всего автоматизированное импульсное отопление, обеспечение автоматическим розжигом, контролем пламени, как
правило, индивидуальные запорные и регулирующие исполнительные органы, с высоким подогревом воздуха.
Изменились и требования к автоматизации горелочных устройств в совокупности с управлением тепловыми режимами печи.
При этом предусматривается использование быстродействующих управляющих устройств для горелок импульсного отопления,
совершенных цифровых регуляторов, использование контроллеров с разветвленными возможностями программного
управления, создание эффективного информационного обеспечения функционирования печи.
Кардинально изменились и требования к проектированию и реконструкции печей. Если не прибегать к прямой поставке
полностью зарубежного оборудования иностранных фирм «под ключ», а пытаться использовать в качестве генерального
подрядчика отечественные фирмы, то их ответственность существенно возрастает, конкурентный риск здесь уже очень велик.
При этом становится крайне необходимым проведение предпроектных модельных исследований с использованием самых
современных математических моделей и программных средств, с выявлением особенностей и оптимальных условий работы
проектируемых печей. В данной работе приводится оригинальный опыт проектирования, сооружения и эксплуатации самой
современной конструкции печи (XXI века), удовлетворяющей, с нашей точки зрения всем вышеперечисленным требованиям
современных печных конструкций. Генеральным подрядчиком создания данной печи выступает отечественная фирма «Газ-
Комплект» при научно-кадровой поддержке НИИ энергосбережения и автоматизации Уральского государственного
технического университета – УПИ. В качестве заказчика выступил один из трубных заводов Свердловской области.
При этом объектом является наиболее ответственный агрегат, так называемого, четвертого передела, стоящего на стыке
металлургии и машиностроения – термической печи периодического действия. Проектное задание включало создание
термической печи, имеющей следующие характеристики (рис. 1):
o длина – 9690 мм;
o ширина – 2840 мм;
o высота – 1750 мм;
o площадь пода печи – 27,55 м2;
o масса садки – 6…15 т;
o вид топлива – природный газ;
o температура нагрева металла – до 900 °С
В соответствии с вышеизложенными требованиями современного печного парка, были приняты следующие проектные решения:
печь оснащается керамоволокнистыми и легковесными огнеупорными материалами, импульсными горелочными устройствами,
современной цифровой автоматикой с программным управлением. Отметим, что данная работа проходила в условиях жесткой
конкуренции со стороны иностранных фирм, поставляющих на наши предприятия весьма дорогостоящее оборудование.
Остановимся подробнее на основных, существенных деталях проекта.
Рис. 1. Общий вид печи: 1 – центральный шкаф управления, 2 – газовый коллектор, 3 – воздушный коллектор, 4 – газовая горелка, 5 – термопара, 6 – дымоход, 7 – шкаф управления горелкой Было проведено предварительное математическое моделирование тепломассообмена в печи. При этом использовался наиболее современный ДЗУ-метод моделирования [1-7] с одновременным расчетом как температурных, так и скоростных полей в поперечных и продольных сечениях печи, для расчетов использовался компьютер высокого уровня. Трехмерное математическое моделирование камерной печи использовалось при определении полей скоростей и температур по периметру печи и в межтрубном пространстве садки труб для количественной оценки интенсивности локального омывания труб продуктами сгорания с целью выбора расположения горелок, а так же для расчета теплоотдачи от продуктов сгорания к трубам. При этом были приняты следующие допущения: факел полагался полностью сгоревшим на выходном срезе туннеля, что в значительной мере соответствует паспортным данным импульсной горелки; садка цилиндрических труб заменялась садкой квадратных эквивалентного диаметра. Был рассчитан стационарный режим течения и теплообмена. Моделирование включало в себя две стадии. На первой стадии выбиралось такое конструктивно простое расположения горелок, при котором происходило бы наиболее равномерное омывание дымом поверхностей труб. Соответственно было построено около 10 расчетных схем как с вертикальным, так и горизонтальным расположением осей горелок, и с различным расстоянием между их осями. В итоге была выбрана и проработана конструктивно наиболее простая схема с нижним расположением горелок на противоположных стенках печи. На второй стадии была построена окончательная расчетная схема, на которой и было проведено подробное моделирование гидродинамики и теплообмена. Основной трудностью в процессе моделирования являлась сложность построения и расчета геометрии и сетки с большим количеством (70-75) труб. Поля скоростей и температур определялись путем численного решения системы трехмерных уравнений Навье - Стокса, турбулентности, энергии на сетке с числом узлов 150000 по методу [8,9]. Задача трехмерного радиационного теплообмена решалась зональным методом; обобщенные угловые коэффициенты зон определялись путем прямого численного интегрирования на крупной сетке с последующим сопряжением с мелкой гидродинамической сеткой. Некоторые результаты представлены на рис. 3 для следующих параметров: скорость факела 100 м/с, температура 1200 К , температура садки-труб 950 К. Расчеты показали: основная масса потоков в печном пространстве между садкой и стенками печи движется со скоростями в пределах 10…100 м/с. Эти вихревые потоки имеют сложную неординарную структуру с резкими градиентами и сменой направления движения и плохо поддаются описанию. Скорости в межтрубном пространстве на порядок ниже, чем скорости вне его; они существенно неравномерны по межтрубному пространству садки – от 0,1 у краев до 0,003 м/c в центральных областях. Трехмерные вихревые потоки в межтрубном пространстве, направление и форма которых носит весьма сложный характер, определяются немонотонными полями скоростей и давлений на его границах. Температурные поля внутри в печном пространстве между садкой и стенками печи определены в диапазоне 1000-1200 К. В межтрубном пространстве температура резко снижается; перепад температур между поверхностью садки и дымом не превышает нескольких градусов. Поэтому тепловой поток к поверхности труб в межтрубном пространстве весьма низок и неравномерен по сечению садки, изменяясь от нескольких десятков-сотен (Вт/м2) внутри садки до нескольких тысяч (до 4000 Вт/м2) на периферии. Конвективный и радиационные тепловые потоки от продуктов сгорания к периферийным боковым поверхностям садки равны соответственно 920 Вт/м2 (4600), к нижней 1200 (3060), к верхней 680(2900) (в скобках указаны радиационные потоки). Средние конвективные тепловые потоки к периферийным поверхностям были равны 3400, а радиационные 12200 Вт/м2.
Если отнести эти потоки к разности начальной температуры факела и температуры труб (250 °С), то оказывается, что средний конвективный коэффициент теплоотдачи равен 14 Вт/см2К, а радиационный 50 Вт/м2К. Внутри межтрубного пространстве конвективные потоки малы и тепло внутрь садки передается в основном переизлучением с трубы на трубу. Результаты математического моделирования показали возможность расчета температурных и скоростных полей на таких сложных объектах, как печь с садкой состоящей из большого количества изделий. Эти результаты были использованы для проведения мероприятий по увеличению равномерности нагрева садки. Как уже отмечалось, были использованы керамоволокнистые огнеупорные и теплоизоляционные материалы с малой инерционностью, эффективные в смысле стоимости и надежности в эксплуатационных условиях действующего производства. При этом температура в печи может достигать 900 °С, а температура наружных поверхностей не поднимается выше 45 °С. Кроме того, резко сокращены сроки строительства, розжиг и пуск печи сокращается в 3-5 раз, потери на аккумуляцию теплоты снижены так же многократно. Печь уже функционирует более 2 лет и каких-либо нарушений в работе футеровки печи не обнаружено. Печь оснащена двенадцатью скоростными горелками, способными функционировать в импульсном режиме. Горелки оснащены автоматическим розжигом, ультрафиолетовыми обнаружителями пламени, индивидуальными и регулирующими агрегатами, кроме этого установлен регулятор соотношения «воздух-газ», общий для всех горелок. Установка горелок приведена на рис. 2. Рис. 2. Установка горелок: 1 – подача газа, 2 – подача воздуха, 3 – вентиль регулирования воздуха, 4 - импульсные горелки, 5 – основные газовые вентили, 6 –вспомогательные газовые вентили, 7 – модуль поддержания соотношения газ-воздух В свете описанных выше требований к технологии нагрева, печь оснащена системой импульсного отопления, обладающей по сравнению с системой непрерывного отопления следующими преимуществами: горелочные устройства работают на максимальном расходе топлива, что позволяет полностью использовать преимущества скоростных горелок для интенсивной рециркуляции газов в рабочем пространстве; исключаются постоянно действующие локальные источники тепла с температурой, более высокой по отношению к средней температуре рабочего пространства, что уменьшает опасность местных перегревов; значительно расширяются возможности управления режимами нагрева и контролируемого охлаждения с помощью изменения последовательности включения и выключения горелочных устройств в зонах печи в процессе термообработки. Автоматизация управления импульсным отоплением была апробирована и далее существенно усовершенствована [7-9]. Первоначально система управления была реализована на базе локальных регуляторов для каждой зоны управления и общего импульсного преобразователя, в качестве которого использовался специализированный модуль циклического управления горелками MPT 700 фирмы Kromschroder, выполняющие функции ШИМ- / ЧИМ –модуляторов. В ходе проведенных испытаний описанной системы удалось добиться приемлемых результатов по качеству нагрева, однако эти результаты оказались хуже, чем предсказывала математическая модель. Кроме того, изменение параметров садки (количество, сортамент заготовок) требовало полностью ручной перенастройки системы, и сделать этот процесс адаптации автоматическим не представлялось возможным. Следует также отметить, что процесс нагрева трубных заготовок продолжается около суток, и в цеховых условиях достаточно сложно заниматься оптимизацией и отладкой алгоритмов нагрева. Таким образом, недостатком данного подхода в построении системы управления оказалась ее недостаточная гибкость и невозможность адаптации к изменяющимся характеристикам объекта, определяемых в основном садкой, т.е. невозможность создания развернутого алгоритма управления, учитывающего все особенности импульсного режима работы печи. Исходя из вышеперечисленного, было принято решение модернизировать АСУ печи. В качестве основы АСУ был выбран программируемый логический контроллер (ПЛК) S7-3142DP фирмы SIEMENS, разработана система мониторинга процесса на базе SCADA-системы WinCC, при этом настройка и управление процессом нагрева реализована в том числе и дистанционно посредством технологии GSM. Рассмотрим подробно модернизированную АСУ печи. ПЛК фирмы SIEMENS реализует функции ПИД-регуляторов для каждой зоны и импульсного преобразователя. Кроме основных функций управления, на ПЛК возложены вспомогательные задачи контроля скорости выхода дымовых газов из печи, блокировки безопасности и др. Управление тепловой нагрузкой осуществляется посредством изменения длительности импульсов в случае
постоянного периода (ШИМ-модуляция), при этом используется оригинальный алгоритм преобразования задания регулятора в последовательность импульсов, позволяющий минимизировать скачки как температуры, так и давления в печи. Кроме непосредственно автоматизации печного нагрева, была создана система мониторинга и управления процессом на базе SCADA-системы Windows Control Center v4.02 фирмы SIEMENS для персонального компьютера (ПК) (рис. 3). При этом ПК получает данные от контроллера в режиме «реального времени» и сохраняет их на жестком диске для последующей обработки. Такая схема позволяет избежать непосредственного участия человека в процессе сбора данных и не требует его постоянного присутствия в помещении цеха возле работающей печи. Установка ПК в помещении, отделенном от основного помещения цеха, позволяет обеспечить технолога более комфортными условиями работы. Рис. 3. Основной экран программы мониторинга процесса нагрева Как уже отмечалось выше, была создана система удаленной настройки и управления процессом нагрева. Существует ряд причин, позволяющих считать дистанционный контроль существенным и определяющим элементом современной АСУ ТП: это повсеместное существование корпоративных сетей на предприятиях, позволяющих легко передать большие объемы данных за приемлемое время; для обслуживания специализированного оборудования, например ПЛК фирмы Siemens, необходимы специалисты высокой квалификации, прошедшие специальный курс обучения, и удаленный контроль за процессом решает задачу быстрого поиска неисправностей в работе оборудования и даже дистанционного перезапуска системы в случае недостаточной квалификации персонала; многообразие печных технологий очень велико, и дистанционное управление позволяет в «кабинетных» условиях развивать и совершенствовать алгоритмы управления. К сожалению, даже существование корпоративной сети на предприятии не всегда решает задачу удаленного контроля над процессом, поскольку наряду с вопросами сопряжения оборудования с этими сетями возникает проблема передачи данных из самой сети. Как правило, приходится организовывать сторонний канал передачи данных от объекта управления в центральный офис разработчика системы и обратно. В качестве такого канала можно использовать системы сотовой связи, предоставляющие ряд технологий для передачи данных. Специалистами «Газ-Комплект» реализована система удаленного управления, использующая в качестве канала передачи данных GSM-сети (протокол GPRS), которые в настоящее время являются приоритетными по соотношению «доступность/надежность». Реализовано две схемы удаленного управления: Система с созданием канала передачи данных по требованию; Система с постоянно действующим каналом связи.
Рис. 4. Схема системы удаленного управления с созданием канала передачи данных по требованию. В первом случае (рис. 4) GPRS модем подключен «напрямую» к компьютеру с установленной SCADA-системой. В этом случае нерационально создавать постоянно действующий канал связи во избежание превышения допустимой нагрузки на SCADA- компьютер, возникающей, например, вследствие распределенных Internet-атак. Для установки связи используется терминал передачи команд, в качестве которого может выступать обычный сотовый телефон. Команда посылается в виде sms-сообщения на номер, закрепленный за GPRS модемом, обрабатывается с помощью специализированного приложения, установленного на компьютере со SCADA-системой, и далее по результатам обработки возможна установка связи с сетью Internet по протоколу GPRS и передача данных как в центральный офис, так и из него. Следует отметить, что в сетях GSM при использовании протокола передачи данных GPRS в реальных условиях следует рассчитывать на пропускную способность 1…5 кб/c. В этих условиях отрисовка удаленных графических консолей в оперативном режиме возможна лишь в случае применения протокола прикладного уровня, посредством которого удаленное приложение-сервер передает атрибуты объектов, например, тип объекта и координаты объекта на экране, а локальная управляющая программа-клиент воспроизводит графическую консоль, с которой работает оператор. Для минимизации трафика, разработана развитая система команд, передаваемых в теле управляющего sms-сообщения, способных обеспечить практически полный мониторинг системы без использования графических консолей. В связи с нестабильностью SCADA-системы, работающей под управлением Windows 98, была создана усовершенствованная схема удаленного управления с возможностью организации постоянного канала передачи данных. Данное решение предполагает установку рядом с Windows-компьютером, выполняющим приложение SCADA, управляющего Linux-компьютера с подключенным GPRS модемом. Между ними организуется высокоскоростная сетевая связь по технологии Ethernet. Таким образом, компьютер с установленной SCADA-системой управляет ПЛК, Linux-компьютер управляет Windows-компьютером, оператор через канал сотовой связи GPRS управляет Linux-компьютером (рис. 5).
Рис. 5. Схема системы удаленного управления с постоянно действующим каналом связи. В этом случае снимается проблема допустимой нагрузки, поскольку задачи фильтрации трафика и отражения атак целиком переносятся на управляющий Linux-компьютер без участия компьютера непосредственно работающего с ПЛК. Управляющий компьютер в определенной степени замещает собой оператора, который следит за работой приложения и восстанавливает Windows-компьютер в случае возникновения аварийной ситуации. Управляющий компьютер нагружается необходимыми семантиками в виде программ и сценариев, которые активируются удаленно. Таким образом, управляющий компьютер выступает в роли сервера для тонкого клиента, установленного в центральном офисе. Управляющий Linux-компьютер выполняется в виде безвентиляторного одноплатного компьютера с пониженным энергопотреблением и флеш-диском, т.е. без механических компонент. Результаты реализации проекта. Печь работает уже в течение двух лет. При этом достигнуты следующие показатели: система импульсного отопления с прямым цифровым управлением обеспечивает однородное поле температур в рабочем пространстве печи в режиме выдержки с точностью ±5 °С; автоматизированная система стабилизации давления обеспечивает поддержание давления в рабочем пространстве печи в режиме выдержки на уровне 1±2 мм.вод.ст; брак по микроструктуре партий составил примерно 3 % от общего количества; средний удельный расход топлива составил 81 кг у.т. на тонну годного металла. Таким образом, достигнуты следующие важные результаты: Предложенный совместно с ЦЗЛ ПНТЗ режим термообработки и достигнутая точность регулирования температуры обеспечили снижение брака в среднем в 5 раз (с 15 % до 3 %) по сравнению с существующим парком печей; Принятый режим термообработки позволил почти в 2 раза снизить удельный расход топлива (81 кг.ут/т для камерной термической печи № 14 против 146 кг.ут/т в среднем по участку). Конструкция и работа печи в полной мере отвечает современным описанным выше требованиям. Конкурентоспособность по сравнению с зарубежными конструкциями доказана временем. Передовые, имеющие соответствующее научное и кадровое сопровождение фирмы, на примере «Газ-Комплект» и НИИ проблем энергосбережения и автоматизации УГТУ-УПИ, способны решать проблемы печестроения на самом современном уровне, даже в самых жестких условиях конкуренции. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Лисиенко В.Г., Волков В.В., Маликов Ю.К. Улучшение топливо-использования и управление теплообменом в металлургических печах. М.: Металлургия, 1988, – 232 с. Лисиенко В.Г. Принцип построения трехуровневых АСУ ТП нагревом металла. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1999, 73 с. Лисиенко В.Г., Щелоков Д.М., Ладыгичев М.Г. Хрестоматия энергосбережения /под ред. В.Г. Лисиенко. В 2-х книгах. кн. 1. М.: Теплоэнергетик. 2002. – кн. 1 688 с. Лисиенко В.Г., Щелоков Д.М., Ладыгичев М.Г. Топливо. Рациональное сжигание, управление и технологическое использование /под ред. В.Г. Лисиенко. В 3-х книгах. кн. 1, 2003, кн. 1 608 с. Lisienko V.G., Malikov G.K., Malikov Yu.K. Zone-node method for calculating radiant gas flows in complex geometry ducts. Numeral heat transfer. An International journal of computation and methodology. Part B: Fundamentals. 1992, Vol. 22, № 1, pp. 1-24. Лисиенко В.Г. Интегрированный (обобщенный) энерго-экологический анализ – основа современной теории печей и энергосбережения. Международный конгресс. Пече-трубостроение: тепловые режимы, конструкции, автоматизация и экология. М.: Теплотехник, 2004, с. 5-13. Лисиенко В.Г., Маликов Г.К., Маликов Ю.К. и др. Эффективность применения струйно-факельного нагрева в промышленных печах // Сталь. 1996. № 6. с. 45-48. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 152 с. Khalil E.E., Spalding D.B., Whitelaw J.H. The Calculation of Local Flow Properties in Two-Dimensional Furnaces // Int. J. Heat Mass Transfer. 1975. V.18. № 6. Pp. 775-791.
Лисиенко В.Г., Титаев А.А., Сурганов К.А. Усовершенствование автоматического управления импульсной термической печи современной конструкции. Студент и научно-технический прогресс. Сборник тезисов докладов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005, с.49. Лисиенко В.Г., Сурганов К.А. Алгоритм мониторинга горелок для печи с импульсным отоплением. Научные труды VII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. т. 1. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005, с.29-30. Лисиенко В.Г., Сурганов К.А. Исследование алгоритма работы устройства циклического управления MPT-700. Девятая Всероссийская студенческая научно-техническая интернет-конференция «Информационные технологии и электроника». Екатеринбург, 2004.
Вы также можете почитать
