Устройство для управления работой фосфорной печи

 

Сущность изобретения: устройство управления работой фосфорной печи содержит датчики и задатчики электрических параметров печи, соединенные с входами регулятора электрического режима, его выходы соединены с блоком перемещения электрода и переключения ступеней напряжения. В устройство дополнительно введены последовательно соединенные блок определения активного сопротивления каждого электрода, блок сравнения фактического и заданного значений, блоки контроля обрушения шихты и облома электрода, логические элементы И и блоки запрета. 2 ил.

Изобретение относится к электротермии, в частности к системам управления процессом получения фосфора в электропечах.

Известно устройство управления фосфорной электропечью.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство управления фосфорной электропечью, содержащее для каждой фазы датчики тока и напряжения фаз и задатчики этих параметров, соединенные с соответствующими входами регулятора электрического режима, первый выход которого соединен с переключателем ступеней напряжения соответствующего печного трансформатора, блок перемещения электрода, выход которого соединен с приводом электрода, блок контроля содержания Р₂О₅ в шлаке, выход которого соединен с первым входом блока корректировки шихты, второй вход указанного блока соединен с выходом блока контроля активного сопротивления ванны печи, входы которого соединены с датчиками тока каждой фазы, и блок конечных выключателей крайних положений электрода, первый и второй выходы которого соединены со входом регулятора.

Недостатком этого устройства является то, что при одинаковых ступенях напряжения по фазам печи и небольшом неравенстве токов в электродах имеет место резкая неравномерность фазного сопротивления подэлектродного пространства и фазных напряжений со стороны низкого напряжения, однако регулятор этого не чувствует, что сказывается на качестве регулирования.

Целью изобретения является повышение качества регулирования за счет снижения асимметрии фазных напряжений и определения причины аварийных ситуаций в процессе работы электропечи (обрушение шихты, облом или скол электрода).

Это достигается тем, что в устройство управления работой фосфорной печи, содержащее регулятор электрического режима, входы которого соединены с датчиками и задатчиками тока и напряжения каждой фазы, а выходы с блоком перемещения электрода и переключателем ступеней напряжения печного трансформатора своей фазы, блоки контроля крайних (верхнего и нижнего) положений электрода, выходы которых соединены с соответствующими входами регулятора, блок контроля содержания Р₂О₅ в шлаке, выход которого соединен с первым входом блока корректировки шихты, второй вход указанного блока соединен с выходом блока определения активного сопротивления ванны, причем входы блока определения сопротивления ванны соединены с датчиками тока каждой фазы, и блок конечных выключателей крайних положений электрода, дополнительно введены блоки определения активного сопротивления каждой фазы, блок сравнения и задатчик этого параметра, два блока усилителей, по два логических элемента И в каждой фазе, блоки запрета, блоки фиксации обрушения шихты и облома электродов для каждой фазы, причем входы блока измерения активного сопротивления фазы соединены соответственно с датчиком тока и напряжения данной фазы, а выход с входом блока сравнения, выходы которого соответственно соединены с входом первого и второго блоков усилителей, причем первые выходы указанных усилителей соединены с первыми входами логических элементов И и запрещающими входами блоков запрета соседних фаз, каждый из которых включен между вторым выходом регулятора и входом блока перемещения электрода, а вторые входы логических элементов И соединены с соответствующими выходами блока конечных выключателей крайних положений электрода, вторые выходы блоков усилителей соответственно соединены с входом блока обрушения шихты и входом блока облома электрода.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства управления для одной фазы фосфорной электропечи; на фиг. 2 раскрыта структурная схема выполнения блоков обрушения шихты и облома электродов.

Устройство содержит ванну 1 фосфорной печи с электродом 2 (количество электродов, находящихся в ванне печи, соответствует количеству фаз), печной трансформатор 3 с переключателем 4 ступеней напряжения, который является датчиком напряжения, токовый трансформатор 5, являющийся датчиком тока. Задатчики указанных параметров расположены в регуляторе 6 электрического режима, который может быть выполнен общим на все фазы электропечи, т.е. по канальному принципу или же на каждую фазу свой регулятор отдельно.

Первый выход регулятора соединен через блок запрета 7 с блоком 8 перемещения электрода, второй выход регулятора соединен с блоком 4 переключения ступеней напряжения печного трансформатора 3.

Датчики тока и напряжения (I_эи U_п) соединены с входами R-метра (блока определения активного сопротивления фазы), который содержит преобразователь 9, счетное устройство 10.

Выход блока 9 соединен с вычислительным устройством 11, а выходы блоков 10 и 11 являются входами делителя 12, выход которого является выходом R-метра и соединен с входом блока сравнения 13 фактического и заданного значений активного сопротивления, второй вход блока сравнения 13 соединен с задатчиком 14, а выходы блока 13 соединены с блоком усилителей.

Выход блока усилителей 15а соединен с входом блока 16 обрушения шихты, а выход блока усилителей 15б с входом блока 19 облома электродов.

Усилители 15а и 15б содержат несколько усилителей, отличающихся порогом срабатывания, и количество их зависит от выбранного шага квантования сигнала рассогласования, поэтому число выходов этих блоков соответствует количеству усилителей в каждом блоке, но независимо от их числа, по крайней мере один из выходов указанных блоков соединен с первым входом блоков совпадения (логический элемент И) 18, 17 соответственно.

Вторые входы элементов И 17, 18 соединены с выходами блока 20 крайних конечных выключателей, причем блок 17 с нижними, а блок 18 с верхними конечными выключателями.

Выходы логических элементов 17, 18 выдают соответствующие команды на пульт управления печью и в систему перепуска электродов.

Кроме того, сигнал, поступающий на первые входы блоков 17, 18, размножается и поступает на запрещающий вход блоков 7 запрета соседних фаз.

Блок 23 контроля содержания Р₂О₅ в шлаке соединен с первым входом блока контроля 21, второй вход которого соединен с выходом блока 22 контроля сопротивления ванны печи 22.

Входы указанного блока 22 соединены с датчиками тока каждой фазы. Выход блока 21 соединен с весовыми дозаторами.

Кроме того, сигнал о содержании Р₂О₅ в шлаке поступает также на пульт управления печью.

Блок 16 (см. фиг. 2) обрушения шихты состоит из логического элемента ИЛИ 24, выход которого соединен с блоком сравнения 25, второй вход которого соединен с элементом ЗАДЕРЖКА 26, а выход с элементом НЕ 27 и усилителем 28.

Соответственно, блок 19 облома электрода состоит из элемента ПАМЯТЬ 29, выход которого соединен с блоком сравнения 30, второй вход которого соединен с дополнительным выходом регулятора 6, а выходы с входами усилителей 31 и 32.

Выполнение устройства не должно вызывать трудностей при реализации, так как включает элементы электроавтоматики и электроники, выпускаемые отечественной промышленностью в виде отдельных элементов или комплектно, например регулятор электрического режима, преобразователи и т.д.

Выполнение блоков 16 и 19 на логических элементах необходимо для того, чтобы установить основную причину отклонения фазного сопротивления.

Дополнительный блок запрета необходим для того, чтобы при отработке сигнала рассогласования при отклонении фазного сопротивления на одной фазе не было влияния соседних фаз.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства на примере управления процессом получения фосфора в руднотермической печи РКЗ-80Ф, максимальная рабочая мощность ее 65 МВт.

Эта печь имеет три самоспекающихся электрода 2 диаметром Д_э 1700 мм, расположенных по треугольнику с диаметром распада Д_р 4800 мм в ванне 1, имеющей круглую форму с внутренним диаметром Д_в 10200 мм и высоту Н_в 5650 мм.

Шихта, состоящая из агломерата, кварцита и кокса, приготовленная в соответствующих соотношениях в дозаторном отделении, по конвейеру поступает в печные бункера и загружается через течки в ванну 1 фосфорной печи.

Пусть выбраны следующие параметры процесса возгонки желтого фосфора.

Рабочая мощность печи Р 50 МВт, ток электродов I_э 70 кА, напряжение печного трансформатора U 449 В, что соответствует 17 ступени, cos ϕ 0,906.

Температура под крышкой печи 300-500^оС, а отношение высоты подэлектродного пространства (h_эп) к диаметру электрода должно поддерживаться в пределах 0,70-0,95, что для данной печи обеспечит погружение конца электрода в углеродистую (рабочую) зону. Под действием тепла, возникающего в результате протекания тока по электродам, происходит расплавление шихты и возгонка фосфора.

В процессе плавки осуществляются управление и контроль за параметрами электровозгонки (активной и реактивной энергией, мощностью отдельных фаз, токами электродов, положением электрододержателя, контроль температуры отходящих газов и давления под крышкой печи, содержания Р₂О₅ в шлаке и модуля кислотности его и т.д.).

Выпуск шлака из ванны печи осуществляется периодически или непрерывно в зависимости от рабочей мощности печи, а выпуск феррофосфора после потребления печью 1100-1200 мВт^.ч электроэнергии.

Регулирование электрического режима осуществляется в основном за счет перемещения электродов, а в случае их нахождения в крайних положениях путем переключения ступеней напряжения.

В качестве датчика тока электрода используются токовые трансформаторы 5, сигналы, пропорциональные току электрода, поступают на вход регулятора 6 электрического режима, где сравниваются с заданным значением тока (I_эзад. 70 кА). В случае отклонения в ту или другую сторону срабатывают соответствующие усилители и выдают сигнал (F₁) на перемещение электрода вверх (вниз), если ток больше заданного (если ток меньше заданного).

Эта команда поступает в блок 8 перемещения электрода, через блок запрета 7, если сигналы f₂ и f₃ отсутствуют, если же какой-либо из электродов соседней фазы находится в крайнем верхнем или нижнем положении, то сигнал об этом от блока 20 крайних конечных выключателей соответствующей фазы поступает в регулятор 6, который выдаст команду (F₂) на переключатель ступеней напряжения 4 и произойдет переключение ступени печного трансформатора 3, увеличение (уменьшение) напряжения.

В качестве регулятора электрического режима на фосфорных печах применяется регулятор "Фоскар".

Одновременно с другого трансформатора тока 5 сигналы, пропорциональные току электрода, поступают на вход R-метра, т.е. на блоки 9 и 10. На второй вход блока 10 поступает сигнал от датчика напряжения 4. Таким образом, в блоке 10 формируется сигнал, пропорциональный фазной мощности, т.е.

P_ф= U_фiI_эicosϕ U_Ai/ I_эicosϕ, где U_фi фазное напряжение, В; U_лi линейное напряжение, В; I_эi ток электрода i-й фазы, кА; cos ϕ коэффициент мощности.

Этот сигнал с выхода блока 10 поступает в блок деления 12, на второй вход которого поступает сигнал с выхода блока 11, в котором формируется сигнал, пропорциональный I_э², т.е. на выходе блока 12 формируется сигнал, пропорциональный R_ф , который сравнивается в блоке сравнения 13 с заданным значением R_Фзад., поступающим с блока задания 14.

Заданное значение сопротивления фазы зависит от заданного электрического режима и в зависимости от условий поддержания необходимого уровня потребления реактивной мощности и энергии в часы больших и малых нагрузок энергосистемы.

В таблице приведены некоторые рекомендуемые режимы работы фосфорной печи РКЗ-80Ф.

В рассматриваемом случае заданное значение сопротивления фазы находится в пределах 3,04-3,31 мОм.

Пусть в нашем примере в момент контроля I_э 72 кА, U_л 455 В, в блоке 10 получен сигнал, пропорциональный фазной мощности, т.е. реализуется уравнение R_ф= I_э cosϕ 72 ·10³ · 0,906 17,14 мВт.

Сигнал, пропорциональный этому значению, поступает на вход блока деления 12 и на выходе получаем сигнал, пропорциональный следующему значению: R_ф= = 3,297 мОм, который является выходным сигналом R-метра.

Этот сигнал сравнивается (блок 13) с заданным (блок 14), в рассматриваемом случае заданное значение определяем как середину допускаемого диапазона, так как R_фзад. 3,20 мОм и на выходе блока сравнения 13 появится сигнал, пропорциональный сигналу рассогласования Δ 0,097 мОм, однако ни один из усилителей блока 15а не сработает, так как 0,097 < 0,48.

В блоке 15а (аналогично и в блоке 15б) может быть два или больше усилителей с различной чувствительностью на срабатывание, например три, причем чувствительность их соответственно равна ± 15% R, ±25% R_фзади ± 50% R_фзад, т. е. при срабатывании третьего усилителя в блоке 15 необходимо установить причину резкого изменения фазного сопротивления.

Такой выбор чувствительности усилителей обосновывается тем, что на основании исследований установлено, что в зависимости от мощности печи и регламентных значений технологических параметров активное сопротивление фазы не должно выходить за пределы 1,8 < R_ф < 5,0 мОм, так как R_ф > 5,0 мОм означает потерю фазы, а R_ф < 1,8 мОм может означать неправильную посадку электродов в ванне печи или облом электрода.

Периодически, но не реже одного двух раз в смену определяют содержание Р₂О₅ в шлаке (блок 23).

Независимо от выбранного способа определения на выходе блока 23 формируется сигнал, пропорциональный фактическому Р₂О₅ в шлаке, которое равно 1,3% (С_к1,3%). Этот сигнал сравнивается с заданным значением, которое определяется из зависимости С_к кР_а^п 0,3˙ 50^0,39 0,7% где К и п эмпирические коэффициенты, зависящие от типоразмера печи, так для печи РКЗ-48 ФМ2 К 0,07, п 0,69, а для печей РКЗ-72Ф и РКЗ-80Ф К 0,3, п 0,39 соответственно; Р_а средняя рабочая мощность печи за смену, мВт.

На выходе блока 23 сигнал рассогласования С_к 0,6% который поступает на вход блока 21 корректировки шихты.

На второй вход блока 21 поступает сигнал от определения усредненного сопротивления ванны печи, который формируется в блоке 22. Пусть R_ф 2,5 мОм.

Этот сигнал сравнивается с заданным R_Фзад 3,2 мОм и на выходе сформируется сигнал Δ R_в 0,70 мОм, который поступает на вход блока 21 корректировки шихты. Если на втором входе блока корректировки шихты есть сигнал Р₃', то на выходе его появится сигнал F₃ на изменение состава шихты.

На практике корректировка состава шихты осуществляется не чаще одного раза в сутки, а значения С_к и R_ф усредняются за период между двумя корректировками.

В рассматриваемом примере устройства определения сопротивления фаз II и III аналогичны, поэтому приводим только полученные результаты R_ф 3,3 мОм, R_ф 3,15 мОм. Соответственно фазные мощности составили 17,2 и 17,0 мВт. Из этого примера можно сделать вывод, что электрический режим работы печи оптимален и асимметрии по фазам нет.

Некоторое отклонение общего сопротивления ванны от расчетного объясняется отклонением содержания Р₂О₅ в шлаке от оптимального значения.

Пусть через некоторое время на печи установились следующие параметры.

Мощность печи Р 55 мВт, токи электродов соответственно левого, среднего и правого I_эi 77, 77, 63 кА, фазные сопротивления, измеренные R-метром, соответственно равны R_фi 4,0; 2,9; 4,5к мОм. Сопротивление ванны, измеренное блоком 22, R_ф 2,62 мОм. Заданные значения фазных сопротивлений и сопротивление ванны печи для указанной мощности (см. таблицу) соответственно равны Р_ф 3,25 мОм, R_ф3,4 мОм. Содержание Р₂О₅ в шлаке С_к0,85.

Таким образом, на выходе блока 26 контроля Р₂О₅ в шлаке сигнал рассогласования отсутствует несмотря на то, что на выходе блока сопротивления ванны имеется сигнал F₃, а электрический режим не является симметричным.

Попробуем оценить степень асимметрии путем сравнения фактических сопротивлений каждой фазы с заданным значением.

На выходе блоков 13 соответственно появятся следующие сигналы, мОм: Δ₁ + 0,75; Δ₂ 0,35; Δ₃ + 1,25, т.е.

Δ₁ + 23 Δ₂ 10,7 Δ₃= + 38,5 Так как Δ₂ (-10,7) < (-15,0), то усилитель блока 15б не сработает, а усилитель 15а первой фазы и второй усилитель третьей фазы сработают, но так как сигнал рассогласования наибольший на третьей фазе, то обработка начнется с нее, а на блоках запрета 7 первой и второй фаз будут сигналы запрета, запрещающие перемещение электродов этих фаз.

При отработке сигнала рассогласования могут возникнуть следующие ситуации:
а) сигнал отработан и электрод не сел на наконечник (блок 20). В этом случае сопротивления соседних фаз соответственно стали равны: R_ф1 3,4 мОм, R_ф2 3,5 мОм, R_ф3= 3,5 мОм, т.е. асимметрия ликвидирована. Причина высокая посадка электрода этой фазы;
б) при отработке сигнала рассогласования электрод "сел" на нижний наконечник (блок 19), причем сигнал рассогласования превышает Δ + 25 При этом произойдет переключение ступеней напряжения и мощность печи уменьшится. В этом случае сигнал μ₄ (от узла крайних нижних конечных выключателей) поступает на второй вход дополнительного логического элемента И 17, на выходе которого формируется команда в систему перепуска электрода.

Аналогично в случае, если фазное сопротивление значительно уменьшилось, например на 30 т.е. сработали первый и второй усилители блока 15б, и при отработке сигнала рассогласования (перемещения электрода вверх) он "садится" на крайний верхний наконечник (блок 19, сигнал μ₅), то это означает, что электрод длинный и надо временно (до установления нормального электрического режима) его не перепускать. Эта команда на запрет перепуска этого электрода формируется на выходе второго дополнительного элемента И 18.

Пусть по каким-то причинам, которые требуется определить, резко увеличилось фазное сопротивление и стало R_ф 5,4 мОм, т.е. увеличилось на
· 100 66
В этом случае сработает третий усилитель блока 15а и на выход блоков 24 и 26 поступит сигнал об отклонении фазного сопротивления, так как при этом работают также первый и второй усилители блока 15а, то отработка возмущения будет осуществляться аналогично описанному.

Через время t t_зад. сигнал, пропорциональный первоначальному отклонению поступит на первый вход блока сравнения 25, на втором входе блока сравнения может сигнал быть и не быть в зависимости от того, произошла обработка возмущения до значения, равного отпусканию третьего усилителя 15а, или нет.

В первом случае сигнала от элемента ИЛИ 24 на входе блока сравнения нет, поэтому на другом входе его формируется сигнал равный Δ 66 от блока 25 и срабатывает усилитель 28, что означает, что причина возмущения обвал шихты, если же на выходе блока 28 есть сигнал, а на выходе блока 25 сравнения формировался сигнал Δ= 0 или близкий к нему, то на выходе блока 27 (элемент НЕ) формируется сигнал, означающий, что электрод короткий, т.е. электрод сидит в шихте, и необходим срочный повышенный перепуск. Дополнительным фактором, подтверждающим эту причину, является наличие сигнала на выходе элемента И (блок 16).

Время задержки должно задаваться технологом, который владеет информацией об обрушениях шихты.

При обрушении шихты фазное сопротивление изменяется значительно, но, как правило, отработка этого возмущения осуществляется самой печью быстро. Поэтому, чтобы не нарушать заданный электрический режим, на выходе блока 28 формируется сигнал, поступающий на пульт и запрещающий перемещение электрода вниз.

Предположим, что в какой-то момент времени на какой-то из фаз произошло резкое уменьшение сопротивления при заданном электрическом режиме, который был приведен выше.

Пусть R_ф1 1,5 мОм. В этом случае сработают все три усилителя блока 15б и начнется отработка возмущения.

Сигнал с третьего усилителя 15б поступает на вход блока 29, где запоминается. После того, как электрод будет перемещаться вверх периодически, по сигналу μ₅ будет происходить в блоке 30 сравнение запомненного сигнала с текущим, при этом если на выходе блока сравнения 30 сигнал рассогласования изменяется мало, т.е. Δ 0 5 то сработает усилитель 29, что означает облом или обрыв электрода. В этом случае по команде технолога задается новый электрический режим.

Если же сигнал рассогласования на выходе блока сравнения 30 растет пропорционально величине перемещения электрода, то Δ >> 5 тогда сработает усилитель 37, что означает, что электрод длинный и находится в шлаковой зоне, т.е. запрет на перепуск его.

В этом случае и на выходе блока 18 (элемент И) будет сигнал f₄.

Предлагаемое устройство для управления работой фосфорной печи обладает рядом преимуществ по сравнению с известными устройствами, а именно:
выравнивание электрического режима по фазам (мощности, напряжения, сопротивления, длины электрода и т.д.);
определение и фиксация причины отклонения электрического режима от оптимального (обвал шихты, облом электрода, нахождение его в зоне шихты или шлака, длина электродов и т.п.);
повышение качества регулирования, так как окончательная отработка возмущения осуществляется только после установления причины дисбаланса.

Это позволит улучшить технико-экономические показатели работы печи и экономический эффект от использования изобретения.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ФОСФОРНОЙ ПЕЧИ, содержащее для каждой фазы датчики тока и напряжения фаз и задатчики этих параметров, соединенные с соответствующими входами регулятора электрического режима, первый выход которого соединен с переключателем ступеней напряжения соответствующего печного трансформатора, блок перемещения электрода, выход которого соединен с приводом электрода, блок контроля содержания P₂O₅ в шкале, выход которого соединен с первым входом блока корректировки шихты, второй вход указанного блока соединен с выходом блока контроля активного сопротивления ванны печи, входы которого соединены с датчиками тока каждой фазы, и блок конечных выключателей крайних положений электрода, первый и второй выходы которого соединены с входами регулятора, отличающееся тем, что в него введены блоки определения активного сопротивления каждой фазы, блок сравнения и задатчик сопротивления каждой фазы, два блока усилителей, по два логических элемента И в каждой фазе, блоки запрета, блоки фиксации обрушения шихты и облома электрода для каждой фазы, причем входы блока измерения активного сопротивления фазы соединены соответственно с датчиками тока и напряжения данной фазы, а выход с первым входом блока сравнения, соединенного вторым входом с задатчиком сопротивления фазы, а выходом с входами первого и второго блоков усилителей, причем первые выходы указанных усилителей соединены с первыми входами логических элементов И и запрещающими входами блоков запрета соседних фаз, каждый из которых включен между вторым выходом регулятора и входом блока перемещения электрода, а вторые входы логических элементов И соединены с соответствующими выходами блока конечных выключателей крайних положений электрода, вторые выходы блоков усилителей соответственно соединены с входом блока обрушения шихты и входом блока облома электрода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3