Способ связного автоматического управления подачей энергоносителей в доменную печь

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к доменному процессу. Способ автоматического управления подачей энергоносителей в доменную печь включает измерение и регистрацию расходов энергоносителей - управляющих воздействий и измерение, оценку и регистрацию параметров состояния и возмущающих воздействий, обеспечивающие возможность оценивать коэффициенты балансовых уравнений энергетической компенсации для верха и низа доменной печи с использованием индексов теплового состояния верха и низа печи. Расходы энергоносителей связывают между собой в автоматическом режиме через соответствующие автоматические регуляторы соотношения. Предварительно задают базовые значения расходов энергоносителей, соответствующие условиям нормального хода доменной печи, и выбирают ведущий расход энергоносителей. В дальнейшем на базе решений балансовых уравнений энергетической компенсации определяют соотношения между текущими расходами энергоносителей отдельно для статического и динамического режимов управления. Фиксируют отклонение ведущего расхода энергоносителей от базового значения. Определяют соответствующие задания регуляторам соотношения из решения балансовых уравнений энергетической компенсации одновременно для верха и низа доменной печи. Эти задания вычисляют и реализуют автономно в статическом режиме управления и в динамическом режиме управления. Приводят расходы энергоносителей в соответствие с требуемыми соотношениями с помощью соответствующих регуляторов соотношения. Изобретение позволяет обеспечить управление доменным процессом путем регулирования подачей энергоносителей управляющих воздействий в темпе с процессом в автоматическом режиме без участия оператора при снижении стоимости средств управления и вычислительной техники и увеличении точности управления. 3 ил.

Изобретение относится к металлургии, в частности к доменному процессу.

Известны способы управления доменным процессом [1-5], при котором в качестве моделей управления используются сложные количественные зависимости, основанные на теплообменных, физико-химических и газодинамических соотношениях.

Однако эти способы основаны на решении сложных систем уравнений, что требует напрямую в темпе с процессом применения численных итерационных методов решения и не обеспечивает достаточной точности управления при работе систем управления в реальном времени. Кроме того, для управления в режиме реального времени это требует использования сложной дорогостоящей компьютерной техники и периферийных устройств.

Известны также способы управления подачей энергоносителей, в частности природного газа [6, 7] , однако эти способы предусматривают распределение энергоносителей в группе доменных печей, а не управление в пределах одной доменной печи.

В силу сложности применяемых алгоритмов и моделей указанные способы обеспечивают работу системы управления в так называемом режиме советчика и играют роль лишь вспомогательного инструмента, позволяющего персоналу изменять соответствующие параметры с учетом рекомендаций советчика. Это требует постоянного вмешательства персонала в работу печи, вносит субъективный фактор в процесс управления и не позволяет в автоматическом режиме в реальном времени без участия персонала и его непосредственного вмешательства проводить управление подачей энергоносителей в доменную печь.

Известны также способы не прямого, а последовательного (трехуровневого) управления технологическими процессами [8] , при которых в автоматическом режиме управления реального времени используются сравнительно простые алгоритмы, а параметрическая идентификация сравнительно простых моделей реального времени основана на периодическом решении сложных (полных) математических моделей. При этом упрощается работа персонала печи и исключается влияние субъективных факторов на процесс управления. Однако эти способы не разработаны применительно к управлению подачей энергоносителей в доменную печь, а в основном применяются для процессов нагрева металла.

Таким образом, известен способ управления подачей энергоносителя в доменном производстве, принятый за прототип [6], при котором на основании уравнений теплового состояния для верха и низа печи проводится управление работой группой доменных печей. Однако при этом способе используются напрямую для управления доменным процессом системы сложных уравнений теплового состояния доменных печей, что не обеспечивает достаточной точности управления в режиме реального времени и требует применения дорогостоящей вычислительной техники и периферийных устройств. Кроме того, этот способ применяется для группы доменных печей и не предназначен для управления в рамках одной печи.

При этом удается обеспечить работу системы управления лишь в режиме советчика и требуется постоянное вмешательство персонала в процесс управления, что вносит субъективный фактор в процесс управления.

Целью данного изобретения является обеспечение управления доменным процессом путем регулирования подачей энергоносителей - управляющих воздействий - в темпе с процессом в автоматическом режиме без участия оператора при снижении стоимости средств управления и вычислительной техники и увеличении точности управления.

Указанная цель достигается тем, что расходы основных энергоносителей (кокс, природный газ, кислород, влага дутья, дутье) связаны между собой в автоматическом режиме через автоматические регуляторы соотношения. При этом в процессе управления используются регуляторы соотношения для четырех основных видов энергоносителей доменной плавки: природный газ (или другие топливные добавки), кокс, кислород и влага дутья, при этом используются четыре регулятора соотношения: СО_К - "природный газ - кокс", - "природный газ - кислород", - "природный газ - влага дутья" и СО_Д - "кислород - дутье", при этом задания регуляторам соотношений (уставки) определяются на основании балансовых уравнений энергетического сохранения одновременно для верха и низа печи, а работа регуляторов соотношения после нанесения возмущений протекает в две стадии: в статическом и динамическом режиме, причем для этих режимов задаются собственные уставки регуляторам соотношения и время статического и динамического режима работы регуляторов.

В данном случае ведущим расходом энергоносителей принят природный газ, колебания расходов которого возможны в силу различных причин, связанных с энергоснабжением, но возможно использование и любого из расходов энергоносителей в качестве ведущего расхода, например, кислорода.

Для определения уставок регуляторов соотношения СО_К, , и СО_Д в статическом и динамическом режиме управления используется следующая методика. Известно, что верхняя и нижняя часть доменной печи работают в достаточно автономном режиме [1-3], поэтому отдельно для верха и низа печи записываются балансовые компенсационные уравнения энергетического сохранения, обеспечивающие в соответствии с [1-3] поддержание на определенном, нормальном и оптимальном уровне критериев или индексов теплового (энергетического) состояния верха и низа доменной печи. В данном случае удобно эти соотношения привязать к 1 кг кокса на 1 тонну чугуна.

При этом в силу запаздывания воздействия сверху в виде расхода кокса (на 4-5 часов) процесс управления делится на две стадии: стадия статического режима - через 4-5 часов после изменения подачи кокса и стадия динамического режима - в течение этого периода.

Статический режим управления. При этом используются регулирующие воздействия: расход кокса, расход природного газа и кислорода; считается, что влага дутья находится на некотором минимальном постоянном уровне.

В этом режиме компенсационные балансовые уравнения энергетического сохранения соответственно для верха и низа доменной печи запишутся в виде: Динамический режим управления. При этом используются регулирующие воздействия: расход природного газа, кислорода и влага дутья. В этом режиме в силу отмеченного выше транспортного запаздывания расход кокса не оказывает влияния на тепловое состояние низа доменной печи.

Кроме того, в динамическом режиме природный газ и кислород имеют противоположный знак воздействия на тепловое состояние низа доменной печи по сравнению со статическим режимом. Это хорошо иллюстрируется фиг.1 [9], на которой по оси абсцисс отложено время в часах, а по оси ординат - приращение содержания кремния в чугуне в %, которое достаточно адекватно отражает тепловое состояние низа доменной печи [1, 2]. На этой фигуре, относящейся к вычислительному эксперименту для доменной печи 6 Новолипецкого металлургического завода, кривые соответствуют следующим условиям: 1 - снижение рудной нагрузки на 0,2 т/т чугуна; 2 - повышение рудной нагрузки на 0,2 т/т чугуна; 3 - повышение температуры дутья на 50^oС; 4 - повышение влажности дутья на 3%; 5 - снижение содержания кислорода в дутье на 3%; 6 - снижение расхода природного газа на 3% (к дутью). Как видим, для управляющих воздействий - природный газ и кислород - свойственен знакопеременный во времени характер воздействия на содержание кремния в чугуне и, следовательно, на тепловое состояние низа печи, при этом в динамическом режиме природный газ действует как охладитель, кислород - как разогреватель низа печи, а в статическом режиме - наоборот.

В этом случае в динамическом режиме без участия кокса уравнения (1) и (2) преобразуются к виду: Уравнения (3) и (4) существуют как бы независимо друг от друга и из каждого уравнения получаются свои соотношения "кислород - природный газ" для верха и низа печи.

Компромиссное решение для верха и низа печи можно в этом случае получить, введя в рассмотрение в систему управления еще одно регулирующее воздействие для верха и низа доменной печи - расход влаги дутья.

Тогда с учетом того, что влага дутья несколько увеличивает индекс теплового состояния верха печи и снижает соответствующий индекс низа печи, уравнения энергетического сохранения соответственно для верха и низа доменной печи запишутся в виде: В уравнениях (1)-(6)
ΔK, ΔПГ, ΔO₂, Δϕ_д - отклонения от так называемого, базового (условно нулевого) уровня [1-3] управляющих воздействий - расходов соответственно кокса, природного газа, кислорода и влаги дутья, кг, м³, % О₂ и г/м³ дутья;
Δα_n и Δβ_m - изменение возмущающих воздействий (влаги кокса, температуры дутья, содержания железа в агломерате и т.д.) и основных параметров теплового состояния доменной печи (содержания кремния в чугуне, температуры колошника и т.д.);
- численные коэффициенты для верха доменной печи;
- численные коэффициенты для низа доменной печи.

Индекс "штрих" относится к величинам для динамического режима.

Величины ΔК, ΔПГ отнесены к 1 т чугуна.

При этом в динамическом режиме в величины Δα_n и Δβ_m в формулах (3)-(6) не входят возмущающие воздействия сверху, так как они имеют примерно такое же транспортное запаздывание, как и расход кокса. Но для динамического режима остаются так называемые, быстрые воздействия или воздействия снизу, в частности расходы природного газа, кислорода и влаги дутья.

Численные коэффициенты и знаки воздействий в этих уравнениях определяются по известной методике [1-3], используя показатели - индексы теплового состояния для верха и низа доменной печи с корректировкой их на восстановительный потенциал горновых газов, газопроницаемость шихты, производительность печи и соотношение теплоотдачи природного газа и углерода кокса в горне доменной печи.

Особенностью данного способа является получение требуемых соотношений регулирующих воздействий путем одновременного решения двух пар уравнений: (1) и (2) - для статического режима и (3) и (4), (5) и (6) - для динамического режима. Это обеспечивает наиболее благоприятные условия работы доменной печи, так как удовлетворяются условия нормального хода доменной печи одновременно как по условиям верха, так и низа доменной печи.

При этом используется управление подачей энергоносителей в комбинированном режиме - с использованием управляющих воздействий как для компенсации возмущающих воздействий (инвариантный принцип управления), так и для компенсации отклонений параметров состояния (принцип управления по отклонению).

Совместное решение уравнений (1) и (2) для статического режима дает соотношения СО_СТ ^К и - "природный газ - кокс" и "природный газ - кислород" в виде:


В динамическом режиме возможно два варианта решения. Первый вариант основан на уравнениях (3), (4), когда влага дутья не используется в качестве управляющего воздействия, например находится на минимальном уровне.

В этом случае уравнения (3) и (4) дают различные соотношения "природный газ - кислород" для верха и низа доменной печи, соответственно для верха

для низа

Значение соотношения для верха и низа доменной печи может быть принято как среднее из значений для верха и низа доменной печи:

Кроме того, возможно решение компромиссной задачи для верха и низа доменной печи путем нахождения из уравнений (3) и (4) расхода природного газа ΔПГ и принятия требуемого соотношения (см. формулы (27) и (28)).

По данным [3] целесообразно в динамическом режиме сразу же использовать соотношение для низа печи , а среднее значение использовать в случае выхода параметра состояния для верха печи - температуры колошника - за пределы допускаемых значений.

При возможности использования в динамической стадии влаги дутья в качестве управляющего воздействия соотношения "природный газ - кислород" и "природный газ - влага дутья" получаем из совместного решения уравнений (5) и (6)


В случае использования природного газа, но отсутствия обогащения кислородом, что иногда имеет место на доменных печах, в статическом режиме и в динамической стадии воздействия используется влага дутья и соответствующие соотношения запишутся следующим образом.

В статическом режиме


В динамическом режиме


В этом случае в динамическом режиме необходимо принимать компромиссное (например, среднее) соотношение для "природного газа - влаги дутья" для верха и низа доменной печи. Из уравнений (16) и (17) соответственно
для верха печи

для низа печи

Среднее значение

Кроме того, и в этом случае возможно решение компромиссной задачи для верха и низа доменной печи путем определения из уравнений (16), (17) величины ΔПГ и соотношения (см. формулы (30) и (31)).

Для статического режима решение уравнений (14) и (15) дает значение соотношения СО_К ^СТ и - "природный газ - кокс" и "природный газ - влага дутья":


Приведенные данные и уравнения свидетельствуют о возможности определения компромиссных соотношений для основных управляющих воздействий доменной печи: "природный газ - кокс", "природный газ - кислород", "природный газ - влага дутья", удовлетворяющих требованиям как верха, так и низа доменной печи и, следовательно, обеспечивающих наиболее эффективное протекание теплообменных и восстановительных процессов в доменной печи.

При этом для статического режима определяющими являются соотношения "природный газ - кокс", "природный газ - кислород" и в случае отсутствия обогащения кислородом - "природный газ - кокс", "природный газ - влага дутья".

В динамическом режиме (в течение 4-5 часов после изменения расхода кокса) определяющим является соотношение "природный газ - кислород" или "природный газ - кислород" и "природный газ - влага дутья". В случае отсутствия обогащения кислородом - "природный газ - влага дутья".

Известно также, что подача кислорода в доменную печь связана с расходом дутья. Поэтому в данном способе во всех случаях изменения расхода кислорода (в статическом и динамическом режимах работы) предусмотрено выдерживать соотношение между расходом кислорода и расходом дутья по выражению [10]

где V_д - расход дутья, м³/мин; ΔV_д - изменение расхода дутья; К_Д - коэффициент изменения расхода дутья на 1% обогащения дутья кислородом. Например, по данным АО Магнитогорский металлургический комбинат [10] К_Д= 0,8. Тогда

При использовании предлагаемого способа управления возможно протекание процесса управления по двум вариантам.

В первом варианте управления не происходит отклонение от базовых значений каких-либо возмущающих воздействий или параметров состояния, т.е. при этом в формулах (7)-(22) величины Δα_n/= 0 и Δβ_m = 0. В этом случае при изменении (отклонении от базового значения) по каким-либо причинам одного из управляющих воздействий (кокса, природного газа, кислорода, влаги дутья) изменение остальных управляющих воздействий проводится непосредственно по соотношениям, определяемым формулами (7)-(22) для статического и динамического режима работы.

Во втором варианте управления имеет место отклонение от базовых значений возмущающих воздействий (температуры дутья, влаги кокса, содержания железа в шихте, температуры агломерата и т.д.) и параметров состояния (температуры колошника, содержания кремния в чугуне и т.д.). При этом в формулах (7)-(22) величины Δα_n ≠ 0 и Δβ_m ≠ 0.

При этом, как следует из формул (7)-(22), для определения требуемых соотношений "кокс - природный газ", "кислород - природный газ", "влага дутья - природный газ" необходимо задаваться определенной величиной ΔПГ, направленной на компенсацию указанных возмущений. Эта величина может быть определена из соответствующих технологических инструкций.

Однако возможен и другой путь. Компенсирующая величина ΔПГ может быть, наоборот, найдена из уравнений (7), (22) при задании определенного соотношения ΔК/ΔПГ, например, в рамках принятого по технологической инструкции коэффициента замещения расхода кокса природным газом. Например, по данным [10] величина δ_K = ΔK/ΔПГ = -0,7 кг/м³ природного газа.

В случае отклонения возмущающих воздействий от базовых значений величина δ_K может быть скорректирована по известным методикам [2, 3].

Так из формулы (7) для статического режима при наличии обогащения кислородом требуемый для компенсации возмущающих воздействий или отклонений параметров состояния от базовых значений расход природного газа равен

Требуемый расход кокса определяется из соотношения

Требуемый расход кислорода ΔО₂ в этом случае определяется по формуле (8) в зависимости от определенного по формуле (25) расхода природного газа ΔПГ.

В динамическом режиме формула определения требуемой величины ΔПГ получается из соотношений (3), (4), тогда

Требуемый расход кислорода ΔО₂ без использования влаги дутья в соответствии с формулами (3), (4) и (27) определяется из соотношения

При использовании влаги дутья требуемый расход кислорода ΔО₂ определяется из соотношения (12), требуемый расход влаги дутья - по формуле (13).

При отсутствии применения обогащения кислородом из формулы (21) для статического режима определяется требуемый для компенсации возмущающих воздействий или отклонения параметров состояния от базовых значений расход природного газа

Требуемый расход кокса определяется по формуле (26).

Требуемый расход влаги дутья определяется по формуле (22).

В динамическом режиме формула для ПГ получается из формул (16), (17)

В этом случае требуемый расход влаги дутья Δϕ_д определится в соответствии с формулами (16), (17) из соотношения

В случае отклонения параметров состояния от базовых значений или нанесения быстрых возмущающих воздействий предпочтительно использование "быстрых" управляющих воздействий снизу (расход природного газа, кислорода, влаги дутья). В этом случае для определения расхода природного газа для статического режима применяются формулы для статического режима (25) и (29) для случаев применения обогащения
кислородом и без применения обогащения кислородом соответственно при условии ΔК= 0 и δ_K = 0. Требуемые расходы кислорода ΔO₂ определяются в этом случае в соответствии с формулами (1) и (2) при ΔК=0 из соотношения

Требуемый расход влаги дутья Δϕ_д при отсутствии применения обогащения кислородом в соответствии с формулами (14) и (15) при ΔК=0 определится из соотношения

В динамическом режиме при использовании обогащения кислородом для определения расходов природного газа ΔПГ используется формула (27). Соотношение определяется в этом случае по формуле (28), а при использовании влаги дутья соотношения и определяются по формулам соответственно (12) и (13). При этом в случае использования влаги дутья в динамическом режиме в статическом режиме она приводится к нулевому (базовому) значению (см. фиг.2).

В динамическом режиме без использования обогащения кислородом требуемый расход природного газа ΔПГ определяется по формуле (30), а соотношение - по формуле (31).

Покажем возможности управления подачей энергоносителей на конкретных примерах для доменной печи. По данным [1-3] принимаем следующие значения коэффициентов в формулах (1), (2), (9), (11), (12), (13), (18)-(20), (21), (22), (25), (27)-(33):
а_ПГ=1,7 кг/м³; а_О2=42 кг/%О₂;
С_ПГ=0,57 кг/м³; С_О2=3,8 кг/%О₂;


При этом расходы кокса и природного газа отнесены к 1 т чугуна.

1. Работа доменной печи с обогащением дутья кислородом.

При этом, используя [9] , в первом приближении принимаем одинаковые численные значения коэффициентов для статического и динамического режимов работы.

Для упрощения принимаем Δα_n = 0 и Δβ_m = 0
Тогда по формулам (7) и (8) в статическом режиме


В динамическом режиме при работе без влаги дутья в качестве управляющего воздействия по формулам (9)-(11)



В динамическом режиме при работе с влагой дутья по формулам (12), (13)


При изменении расхода кислорода соотношение "кислород - дутье" определяется по формуле (24), в частности при V_Д=2900 м³/мин

2. Работа доменной печи без обогащения дутья кислородом в статическом режиме по формулам (21) и (22)


В динамическом режиме по формулам (18)-(20)



Работу регуляторов соотношения в данных примерах 1 и 2 проиллюстрируем графиками (фиг.2) для случаев увеличения расхода природного газа на ΔПГ. На этой фигуре: 0 - принятый нулевой уровень; расходы: К - кокса, ПГ - природного газа, О₂ - кислорода, ϕ_д - влаги дутья; а, б - при наличии кислорода; в - при отсутствии кислорода; I - динамический режим; II - статический режим, при этом в случаях а и б динамический режим I отличается соответственно неиспользованием и использованием влаги дутья в качестве управляющего воздействия.

Графики фиг. 2 характеризуют работу соответствующих регуляторов соотношения при увеличении расхода природного газа на +ΔПГ.

При наличии подачи кислорода (фиг.2, а) в статическом режиме (II, а) увеличение расхода природного газа на ПГ приводит к снижению расхода кокса на -ΔК и увеличению расхода кислорода на +ΔО₂ по уравнениям (7) и (8).

В динамическом режиме (I, а) пока подача кокса еще не влияет на работу низа доменной печи приходится принять более значительную подачу кислорода +ΔO₂ по уравнениям (9)-(11). В случае возможности использования в динамическом режиме расхода влаги дутья (I, б) изменение расхода кислорода и влаги дутья определяем по соотношениям (12) и (13).

При отсутствии обогащения кислородом на доменной печи (фиг.2, в) в статическом режиме (II, в) в случае увеличения расхода природного газа расход кокса -ΔК и влаги дутья -Δϕ изменяются по уравнениям (21) и (22). В динамическом режиме (I, в), пока влияние уменьшенного расхода кокса в нижней части доменной печи еще не реализуется, требуется более значительное по сравнению со статическим режимом уменьшение расхода влаги дутья -Δϕ по уравнениям (18)-(20).

3. Работа доменной печи с обогащением дутья кислородом. Возмущающее воздействие - снижение температуры дутья на 100^oС: ΔТ_Д=-100^oС.

По данным [1] С_m=С_Тд=-0,16 кг кокса/град.

Рассчитаем требуемый для компенсации данного возмущения расход природного газа. При этом используем быстрое воздействие снизу (без изменения расхода кокса). При этом в силу автономности тепловой работы верха и низа доменной печи [1-3] можно принять для верха печи для возмущающего воздействия по температуре дутья a_n=а_Тд=0.

3.1. Статический режим.

Для определения расхода природного газа ΔПГ применяем формулу (25) при δ_K = ΔK/ΔПГ = 0.

Соотношение "кислород - природный газ" для статического режима находим по формуле (32) при a_n=0

Таким образом, при нанесении данного возмущения в статическом режиме расход природного газа увеличится на 38,46 м³/т чугуна и содержание кислорода в дутье возрастет на 0,0405•38,46=1,558 %О₂.

3.2. Динамический режим.

В динамическом режиме расход природного газа (без использования влаги дутья) определяется по формуле (27)

Соотношение "кислород - природный газ" находим по формуле (28)

Таким образом, в динамическом режиме расход природного газа, наоборот, должен снизиться на 38,46 м³/т чугуна и расход кислорода также снизится на 0,0405•38,46=1,558 %О₂.

4. Применение природного газа в доменной печи при отсутствии обогащения кислородом. Возмущающее воздействие - снижение температуры дутья на 100^oС. Коэффициенты в уравнении энергетического сохранения те же, что и в примере 3, кроме того, для влаги дутья

4.1. Статический режим.

По формуле (29) определяем при δ_K = 0 приращение расхода природного газа ΔПГ

Соотношение "влага дутья - природный газ" для статического режима определяем по формуле (33)

В этом случае расход природного газа увеличится на ΔПГ=6,61 м³/т чугуна, а содержание влаги дутья уменьшится на дутья.

4.2. Динамический режим.

По формуле (30) определяем приращение природного газа ΔПГ

Соотношение определяем по формуле (31)

В этом случае в динамическом режиме расход природного газа снизится на 12,43 м³/т чугуна, а содержание влаги дутья увеличится на
1,3076•12,43=16,253 г/м³ дутья.

Представленные расчетные формулы и примеры расчета подтверждают возможность реализации способа связного автоматического управления подачей энергоносителей: кокса, природного газа или других топливных добавок, кислорода и влаги дутья в виде трех регуляторов соотношения, привязанных к расходу природного газа: СО_К - "природный газ - кокс"; - "природный газ - кислород"; - "природный газ - влага дутья", при этом задания (уставки) регуляторам соотношения определяются на основе приведенных выше балансовых уравнений энергетического сохранения, синхронно для верха и низа доменной печи. При этом показано, что получаемые решения для соотношений СО_К, , одновременно удовлетворяют условиям оптимальной работы как верха, так и низа доменной печи.

При этом также показана необходимость работы указанных регуляторов соотношения в две стадии: в статическом режиме (через 4-5 часов после изменения расхода природного газа) и в динамическом режиме непосредственно после изменения расхода природного газа. При необходимости привязки управления к изменению расхода кислорода в регуляторе соотношения достигается инверсия соотношения и ведущим расходом становится расход кислорода. После изменения расхода природного газа на базе этого регулятора устанавливаются соотношения СО_К и регуляторов "природный газ - кокс" и "природный газ - влага дутья".

При отсутствии на доменной печи подачи кислорода управление тепловой работой реализуется с помощью двух регуляторов соотношения: СО_К - "природный газ - кокс" и - "природный газ - влага дутья", при этом уставки также различаются для статического и динамического режимов работы регуляторов соотношения и определяются из соответствующих балансовых уравнений энергетического сохранения.

На фиг.3 представлено устройство, реализующее данный способ. Оно включает доменную печь 1, загрузку шихты 2, подачу дутья 3, подачу в дутье природного газа (топливных добавок) 4, кислорода 5 и влаги дутья 6, выпуск чугуна и шлака 7, отвод колошниковых газов 8, датчики управляющих воздействий: расхода природного газа и топливных добавок 9, содержания кислорода в дутье 10, влажности дутья 11, расхода кокса 12, расхода дутья 13; датчики параметров состояния: температуры дутья 14, состава и температуры чугуна и шлака 15, температуры колошниковых газов 16, перепада давления 17, производительности печи 18, уровня засыпи 19, состава рудной части шихты 20, состава колошникового газа 21, влаги кокса 22; блок системы сбора и обработки информации (СОИ) 23; вычислительный блок для решения уравнений энергетического сохранения и выдачи заданий (уставок) регуляторам соотношения 24; блок корректировки коэффициентов уравнений энергетического сохранения 25; блоки ручного ввода данных 26; регуляторов соотношения: "природный газ - кокс" 27, "природный газ - кислород" 28, "природный газ - влага дутья" 29, "кислород - расход дутья" 30; блок установления параметров времени статического и динамического режимов работы регуляторов соотношений 31; блоки базы данных 32, исполнительных механизмов и регулирующих органов для изменения расходов соответственно подач кокса 33, природного газа (топливных добавок) 34, кислорода 35 и влаги дутья 36, дутья 37, а также устройство отображения информации 38 и устройство корректировки уставок регуляторам соотношений 39. При этом выходы датчиков управляющих воздействий 9, 10, 11, 12, 13 и выходы датчиков параметров состояния 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 соединены со входом блока системы сбора и обработки информации (СОИ) 23, выход вычислительного блока системы сбора и обработки информации соединен со входом вычислительных блоков 24 и 25, выход вычислительного блока 25 соединен со входом вычислительного блока 24, вычислительный блок 24 соединен со входами в регуляторы соотношений 27, 28, 29 и 30, выходы блоков 31 и 32 соединены с входом в вычислительный блок 24, выход блока базы данных 32, кроме того, соединен со входом в вычислительный блок 23, выходы регуляторов соотношений 27, 28, 29 и 30 соответственно соединены с исполнительными механизмами и регулирующими органами расходов кокса 33, кислорода 35 или природного газа 34, влаги дутья 36 и расхода дутья 37, выход блока СОИ 23 соединен со входом дисплея 38, а выход блока 39 - со входом вычислительного блока 24.

Устройство работает следующим образом. Датчики величин - управляющих воздействий 9, 10, 11, 12 и 13 измеряют соответственно расход природного газа (топливных добавок), содержание кислорода в дутье, влажность дутья, расходы кокса и дутья. Датчики параметров состояния 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 измеряют соответственно температуру дутья, состав и температуры чугуна и шлака, температуру колошниковых газов, перепады давления, производительность печи (оценивается дополнительным расчетом), уровень засыпи, состав рудной части шихты, состав колошникового газа и влагу кокса. Сигналы всех этих датчиков поступают в вычислительный блок системы сбора и обработки информации 23, в котором нормируются и переводятся в числовой код. Кроме того, в этом блоке по известным методикам [1, 2] вычисляются индексы теплового состояния верха и низа доменной печи и оцениваются коэффициенты уравнений энергетического сохранения для управляющих воздействий (расхода кокса, природного газа, содержания кислорода в дутье и влаги дутья), возмущающих воздействий (влаги кокса, содержания железа в агломерате, температуры агломерата и др.) и параметров состояния (температуры колошника, содержания кремния в чугуне и др. ). При этом используется также блок базы данных, в котором содержатся данные принятых базовых значений расходов природного газа, кокса, кислорода, влаги дутья, а также о физических параметрах, константах и других необходимых величинах для работы вычислительного блока 23. Данные о полученных коэффициентах уравнений энергетического сохранения поступают в вычислительный блок 24, в котором на базе решений уравнений энергетического сохранения определяются соотношения между расходами "природный газ - кокс", "природный газ - кислород", "природный газ - влага дутья" и "кислород - расход дутья". При этом соотношения определяются отдельно для статического (формулы (7), (8) при наличии кислорода и (21), (22) при отсутствии кислорода) и динамического (формулы (9), (10), (11), (12), (13) при наличии кислорода и (18)-(20) при отсутствии кислорода) режимов управления. При этом ведущим расходом для установки соотношений принят расход природного газа. В случае необходимости по условиям работы печи изменения ведущего расхода можно, например, принять за ведущий расход кислорода. Тогда вычисляются значения соответствующих соотношений, в которых ведущим является расход кислорода, например "кислород - природный газ", "кислород - кокс", "кислород - влага дутья". Время работы регуляторов соотношений в динамическом и статическом режиме управления определяется блоком 31, в котором задается соответствующее время (4-5 часов).

Данные о вычисленных соотношениях расходов поступают на задатчики регуляторов соотношений "природный газ - кокс" 27, "природный газ - кислород" 28, "природный газ - влага дутья" 29 и "природный газ - расход дутья" 30. В случае отклонения расхода природного газа (или кислорода) от заданного базового значения соответствующие регуляторы соотношений через исполнительные механизмы и регулирующие органы 33, 35, 36 и 37 приводят расходы кокса, кислорода, влаги дутья и дутья в соответствии с требуемыми соотношениями.

В соответствии с уравнениями (7)-(13), (18)-(22), (25)-(29) задаваемые соотношения могут изменяться при отклонении от базовых значений возмущающих воздействий и параметров состояния доменной плавки (влажность кокса, содержание железа в агломерате, содержание кремния в чугуне, температура колошника и т. д.). Предусмотрен и ручной ввод (корректировка) заданий регуляторам соотношений 39.

Отражение информации о заданиях регуляторам соотношений и текущих расходах управляющих воздействий и параметров состояний реализуется в блоке отображения информации 38.

Преимуществом способа управления доменной печью является управление основными энергоносителями - управляющими воздействиями доменной печи в автоматическом режиме без непосредственного участия оператора, что повышает точность и надежность управления, исключает возможность субъективных ошибок. Кроме того, уставки регуляторам соотношений определяются из условий эффективной работы одновременно как верха, так и низа доменной печи. Это в результате приводит к снижению расходов основных энергоносителей - кокса, природного газа (топливных добавок) и кислорода и обеспечивает протекание ровного хода доменной печи.

Источники информации
1. Китаев Б.И. Управление доменным процессом. Свердловск: УПИ, 1984, 95 с.

2. Китаев Б.И., Ярошенко Ю.Г., Суханов Е.Л., Овчинников Ю.Н., Швыдкий B. C. Теплотехника доменного процесса. М.: Металлургия, 1978, 248 с.

3. Спирин Н.А., Овчинников Ю.Н., Швыдкий B.C., Ярошенко Ю.Г. Теплообмен и повышение эффективности доменной плавки. Екатеринбург: УГТУ, 1995, 243 с.

4. Калло С., Ахола Т. Развитие технологий производства чугуна на металлургическом заводе RAUTARUUKKI STEEL // Металлург, 1999, 11, с. 55-59.

5. Никадзияма Н. , Сумигата Т., Маки А. и др. Разработка и применение экспертной системы для контроля хода печи с применением искусственного интеллекта. Тэуу то хаганэ, 1987, т.73, с. 2100-2107.

6. Спирин Н.А., Монастырский В.П., Федулов Ю.В. и др. Патент SU 1801120. Способ управления работой группы доменных печей. Открытия, изобретения, 1993, 9.

7. Овчинников Ю.Н., Ченцов А.В., Спирин Н.А. и др. Способ работы группы доменных печей. А.с. СССР 1518380. Открытия, изобретения, 1989, 40, с. 131.

8. Бадалов Д.А., Тобидзе А.М., Кюркчан А.М. и др. Способ управления нагревом заготовок в кольцевой нагревательной печи. А.с. СССР 441298. Открытия, изобретения, 1990, 3,
9. Мойкин В.И., Бабушкин Н.М., Боковиков Б.А. Динамические характеристики доменных печей по результатам математического моделирования. Вопросы производства чугуна в доменных печах. М.: Металлургия, 1984, с. 46-52.

10. Ахметзянов Ф.М., Гибадулин М.Ф., Сарычев А.Ф. Ведение доменной печи. Технологическая инструкция. ТИ-101-П-Д-22-97. Магнитогорск: ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат", 1997, 125 с.

Формула изобретения

Способ автоматического управления подачей энергоносителей в доменную печь, при котором проводят измерение и регистрацию расходов энергоносителей - управляющих воздействий, а также измерение, оценку и регистрацию параметров состояния и возмущающих воздействий, обеспечивающие возможность оценивать коэффициенты балансовых уравнений энергетической компенсации для верха и низа доменной печи с использованием индексов теплового состояния верха и низа печи, отличающийся тем, что расходы энергоносителей связывают между собой в автоматическом режиме через соответствующие автоматические регуляторы соотношения, при этом предварительно задают базовые значения расходов энергоносителей, соответствующие условиям нормального хода доменной печи, выбирают ведущий расход энергоносителей, в дальнейшем на базе решений балансовых уравнений энергетической компенсации определяют соотношения между текущими расходами энергоносителей отдельно для статического и динамического режимов управления, фиксируют отклонение ведущего расхода энергоносителей от базового значения, определяют соответствующие задания регуляторам соотношения из решения балансовых уравнений энергетической компенсации одновременно для верха и низа доменной печи, причем эти задания вычисляют и реализуют автономно в статическом режиме управления и в динамическом режиме управления, приводят расходы энергоносителей в соответствие с требуемыми соотношениями с помощью соответствующих регуляторов соотношения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3