АСУ ТП процессом спікання агломераційної шихти в умовах аглофабрики ВАТ ММК ім. Ілліча

Основываясь на функциональной схеме, разработана принципиально-электрическая  схема (лист 4 графической части проекта) контура регулирования соотношением «топливо-воздух», основного в управлении качеством процесса спекания аглошихты.

Рассмотрим подключение  приборов контура. Расход природного газа и воздуха осуществляется методом  переменного перепада с помощью  диафрагмы, сигнал с которой преобразователем разности давлений «САПФИР-22М-ДД» (поз.24-2, 26-2) преобразуется в токовый 5 мА. Питание 36 В преобразователям обеспечивает блок питания 22-БП-36. Сигнал 5 мА с САПФИР-22М-ДД поступает на БИК-1,1 (поз.24-3, 26-3), который преобразует и отправляет сигнал 5 мА на регистрирующий прибор Диск-250-1121 (поз.24-4, 26-4) против обрыва цепи на его клеммные колодки  устанавливаются стабилитроны VD. С Диск-250 и БИК-1,1 сигнал 5 мА подается на микроконтроллер Symatic S7-300. Задатчик РЗД-22 (поз.26-5) вырабатывает управляющий сигнал, который поступает на пакетный переключатель ПМОФ-45 (поз.26-6). Переключатель в зависимости от сигнала (от задатчика или от УВК) осуществляет переключение сигнала на соответствующие соединения. С помощью ручного задатчика М-1730 (поз.26-7) можно задать необходимое значение регулируемого параметра в ручную. С миллиамперметра и переключателя сигнал 5 мА поступает на блок ввода аналоговых сигналов SM 331 микроконтроллера Symatic S7-300.

Микроконтроллер Symatic S7-300  обрабатывает сигналы полученные с  задатчика либо с миллиамперметра сравнивает с текущими значениями и вырабатывает управляющий сигнал, который подается на БРУ-32 (поз.26-8). Блок ручного управления БРУ-32 связан через клеммы 19, 29 с пускателем ФЦ-0510 (поз.26-9). Пускатель осуществляет регулирование исполнительным механизмом МЭО-250/63 (поз.26-10), который активизирует регулирующий орган, в нашем случае заслонку на газопроводе, подающем воздух. Блок питания БПИ-24 обеспечивает питание микроконтроллеру и БРУ-32. Для исполнительного механизма МЭО-250/63 подключен блок питания БП-10.

 

5.  Проектирование щита КИП и А контура регулирования

соотношением  «топливо-воздух»

 

Щит контроля и управления необходим для оперативного вмешательства  персонала в работу системы, а  также для выдачи соответствующей  информации. На нем располагаются средства контроля, управления и сигнализации.

Исходным чертежом, по которому составляется общий вид  щита контроля и управления, является функциональная схема автоматизации. На щите размещается вся аппаратура, которая указана на функциональной схеме.

В дипломном проекте  используется щит, состоящий из 6 панелей. В качестве щитов используются стандартные изделия: щиты панельные плоские ЩПП размером 2200х1000 и 2200х600.

В графической части  дипломного проекта рассмотрена  панель 4, на которой расположены следующие приборы: вторичный регистрирующий прибор Диск-250-1121 (поз.26-4), миллиамперметр М1730 (поз.26-7), ручной задатчик РЗД-22 (поз.26-5), переключатель ПМОФ-45 (поз.26-6),  блок ручного управления БРУ-32 (поз.26-8).

6. Проектирование монтажно-коммутационной схемы контура

регулирования соотношением «топливо-воздух»

 

Монтажно-коммутационная схема щита проектируется исходя из принципиально-электрической схемы и общего вида щита. На ней отображаются все вторичные приборы и другие средства автоматизации. Связь между приборами производиться как путем соединения напрямую контактов технических средств проводкой, так и при помощи клеммных колодок, что дает преимущество при модернизации щита или замене отдельных технических средств.

Также на монтажно-коммутационной схеме показана связь всех приборов расположенных на щите с приборами и техническими средствами вне щита, т.е. устройства ввода в щиты внешних электрических и трубных проводок, а также их присоединение к внутренней проводке щитов. В частности показана связь с исполнительным механизмом, микроконтроллером, щитом блоков питания и преобразователей.

Чертежи монтажно-коммутационных схем щитов необходимы для выполнения электрической и трубной коммутации приборов и средств автоматизации в пределах щита. Монтажные схемы выполняют в виде отдельных чертежей для каждой панели щита.

В графической части  дипломного проекта (лист 7) выполнен чертеж панели №4. На этой схеме отображаются клеммники на десять клемм для соединения приборов между собой и клеммники на 6 клемм для подсоединения питающего напряжения. Приборы на монтажно-коммутационной схеме размещаются так, как они будут размещены на обратной стороне щита. Линии и связи нумеруются так же, как и на принципиально-электрической схеме. Отображается без масштаба.

6.7  Математическая модель

6.7.1 Разработка детерминированной математической модели

 

Физико-математические модели агломерационного процесса могут быть получены аналитически, путем последовательного  описания физических и химических превращений в исходных материалах в процессе производства [21]. Динамическая математическая модель спекания агломерационной шихты,         реализуемая на ЭВМ, позволяет быстро и с минимальными затратами                    исследовать влияние ведущих параметров процесса спекания (высоты слоя шихты, содержания углерода и влаги в шихте, скорости движения                         спекательных тележек и др.) на его технико-экономические показатели и может быть использована в качестве информационной части в АСУ агломерационным

производством для оптимизации  технологического процесса. Алгоритм динамического моделирования в математической форме отражает физико-химические превращения и тепловые явления в спекаемом слое шихты практически в той мере, в какой процесс агломерации в настоящее время может быть описан аналитически.

В алгоритм динамической модели процесса спекания включены зажигание, сушка (переувлажнение) шихты, горение топлива, нагрев и охлаждение слоя шихты, изменение расхода газов, плотности шихты, теплоемкости материалов и газов, коэффициентов тепло- и влагообмена по ходу технологического процесса. Некоторые химические (в том числе минералогические) превращения в настоящее время исследованы и описаны недостаточно полно, поэтому их влияние на процесс можно учесть только приблизительно, путем некоторой коррекции теплофизических свойств шихты и агломерата, материального баланса и других хорошо изученных факторов.

Математическая модель основана на следующих предпосылках. Ввиду малых размеров частиц шихты их температура постоянна по объему; все частицы элементарного объема шихты, расположенные на одном горизонте слоя, имеют одинаковую температуру; тепловые эффекты реакций локализованы в объеме частиц шихты; теплообмен между шихтой и газовым потоком происходит при граничных условиях третьего рода; теплообмен теплопроводностью или излучением между слоями шихты, расположенными на различных горизонтах, отсутствует; теплота плавления и кристаллизации выражена зависимостью теплоемкости материалов от температуры; теплоемкости шихты и агломерата одинаковы; теплота экзо- и эндотермических реакций, а также потери теплоты с механическим недожогом и в окружающую среду определяются путем коррекции тепловыделения при горении коксика (по тепловому балансу); кислород диссоциирующих оксидов рассчитывается по уравнению, в котором содержание кислорода в воздухе корректируют с помощью коэффициентов (по материальному балансу); аккумуляцией теплоты и массы газами в слое можно пренебречь, так как она мала по сравнению с аккумуляцией теплоты и массы материалами; теплоемкость газов не зависит от их состава. Многие из этих допущений не влияют сколько-нибудь существенно на структуру алгоритма моделирования.

В слое спекаемой агломерационной  шихты протекают процессы горения топлива, тепло- и влагообмена; изменяются давления водяных паров в газах, насыпная плотность шихты, теплоемкость шихтовых материалов, агломерата и продуктов сгорания. Некоторые из этих физических и химических явлений математически могут быть охарактеризованы системой алгебраических уравнений, не содержащих пространственной координаты и времени. Действительно, зависимости коэффициента теплоотдачи от температуры и состава шихты или теплоемкости газов от температуры сохраняются в любом месте слоя в любой момент времени. Это же относится и к другим подобным зависимостям. Рассмотрим алгебраические уравнения модели.

При горении топлива  выделяется теплота:

,      (6.7.1)

где  - тепловые эффекты экзо- и эндотермических реакций, потери с механическим недожогом и в окружающую среду, выраженные в долях от теплоты сгорания;

    - доля углерода, сгорающего до СО₂ и СО;

       - теплоты сгорания углерода до СО₂ и СО.

Совместное протекание тепло- и  влагообмена в слое характеризуется психрометрическим коэффициентом:

,          (6.7.2)

Здесь - объемные коэффициенты теплоотдачи и влагообмена;

  r — теплота парообразования.

Коэффициент теплоотдачи между  газами и шихтой зависит от скорости и температуры газов и уменьшается в процессе сушки и спекания шихты, поэтому можно записать:

,      (6.7.3)

где      v   - скорость продуктов сгорания в свободном сечении слоя;

   Т_Г - абсолютная температура газа;

 С  - содержание углерода в шихте;

 W - влажность шихты;

  - постоянные.

Давление насыщенных водяных паров в продуктах  сгорания Р_нас зависит от температуры шихты t_ш и величины нормального давления Р_н:

        (6.7.4)

Парциальное давление водяных паров в газах Р_в.п. можно выразить через парциальную скорость и абсолютное давление продуктов сгорания Р:

Р_в.п = Р         (6.7.5)

Насыпная плотность  шихты  зависит от ее абсолютной плотности и пористости П:

         (6.7.6)

Если допустимо некоторое  уменьшение точности моделирования, то можно принять = const. Для расчетов повышенной точности может быть использована величина усадки шихты, зависящая от разрежения в вакуум-камерах, высоты слоя и других факторов. На теплоемкость шихтовых материалов Сш и газов С влияет температура шихты tш и газов tг:

       (6.7.7)

С = Сг.о + C'г fг,                             (6.7.8)

где  , - постоянные.

Продукты сгорания, проходящие через спекаемый слой, состоят из кислорода, водяных паров и других газов, поэтому парциальные скорости связаны соотношением:

        (6.7.9)

Физические и химические превращения в спекаемом слое агломерационной шихты протекают во времени τ и в пространстве (по высоте слоя, пространственная координата Z). Эти динамические процессы (сушка, горение углерода, изменение температуры, концентрации кислорода в газах, парциальной скорости водяных паров и кислорода по высоте слоя) характеризуются системой дифференциальных уравнений в частных производных по τ и Z. Скорость сушки шихты (или ее переувлажнения) пропорциональна разности относительных давлений водяных паров: по выражению (6.7.4) — для насыщенных паров, по уравнению (6.7.5) — для действительных значений ненасыщенных.

     (6.7.10)

В процессе сушки влага  мигрирует внутри частиц шихты, поэтому влажность последней необходимо учитывать:

,      (6.7.11)

где S, N — постоянные.

Эксперименты по динамике сушки агломерационной шихты  показали, что N = 5,64 и S = 1,13, если W выражена в процентах на сухую массу. Для процесса переувлажнения f(W) = 1, так как в этом случае миграция влаги в частицах шихты на скорости процесса не отражается. Из уравнения материального баланса влаги следует

,      (6.7.12)

где  - плотность водяных паров.

Исследования горения  углерода в слое показали, что градиент концентрации кислорода в газах по высоте слоя сложным образом зависит от параметров процесса — концентрации кислорода в газе , среднего радиуса частицы топлива Rc, плотности топлива и др.:

    ,                    (6.7.13)

где D, R, E — постоянные.

Так как текущие значения Rc и С связаны с начальными значениями и соотношением , то

          (6.7.14)

На основании уравнения (6.7.14) с учетом материального баланса  кислорода и углерода можно записать уравнение скорости горения углерода:

,    (6.7.15)

где  - стехиометрический коэффициент;

- плотность кислорода.

Из уравнений (6.14) и (6.15) получаем выражение изменения парциальной  скорости кислорода по высоте слоя:

     (6.7.16)

Составив уравнение  теплового баланса газового потока, найдем градиент температуры газов  по высоте слоя и скорость изменения температуры шихты :

               (6.7.17)

                             (6.7.18)

При этом

     ;              (6.7.19)

           (6.7.20)

Уравнения (6.7.1) – (6.7.18) являются аналитической  основой математического динамического моделирования агломерационного процесса на ЭВМ. Расчетная схема модели спекаемого слоя представлена на рисунке 6.7.1.

Рис. 6.7.1 -  Расчетная схема модели спекаемого

             слоя агломерационной шихты

Слой шихты высотой Н разбит на n зон, так что ∆Z=H/n. Слои пронумерованы по ходу процесса спекания (сверху вниз): 1, 2, … , j –1 , j , j + 1, … , n – 1, n. Дискретизация процесса моделирования во времени с шагом дискретности ∆τ позволяет производить расчеты по шагам, номера которых 1, 2, … ,     К – 1, К, К + 1, … . В результате квантования процесса во времени и в пространстве ∆Z дифференциальные уравнения (6.7.11) – (6.7.18) представлены в конечно-разностной форме. Запишем итерационную схему функционирования динамической модели. Для величин, относящихся к шихте (W, C, t_ш), например, для влажности: , а для величин, относящихся к газовому потоку , например для скорости водяных паров: