Автоматизированная система управления пароструйным компрессором

Целью создания АСУ является поддержание заданных параметров работы пароструйного компрессора при различных режимах работы технологического оборудования.

Основным регулируемым параметром является давление рабочего пара на входе компрессора. Поддержание давления рабочего пара на заданном уровне позволяет обеспечить требуемый расчетный коэффициент инжекции аппарата без смены рабочего сопла.

Дополнительным регулируемым параметром, накладывающим ограничения на контур регулирования давления рабочего пара, является давление пара на выходе компрессора, поддержание которого на уровне не менее 4 кгс/см² необходимо по техническим условиям работы системы деаэрации.

Рассмотрим функции автоматизированной системы регулирования режимов компрессора:

– поддержание заданного значения давления рабочего пара на входе пароструйного компрессора;

– ограничение давления смешанного пара на выходе компрессора в допустимом диапазоне;

– сигнализация о выходе параметров пара на входе и выходе компрессора за установленные допустимые пределы;

– автоматизированный контроль и управление работой пароструйного компрессора с ПЭВМ диспетчера энергокорпуса.

Система автоматического регулирования режимами пароструйного компрессора включает в себя: пароструйный компрессор; регулирующий клапан с электромеханическим исполнительным механизмом У1, расположенный на подводящем паропроводе рабочего пара; датчики температуры пара ТЕ1-ТЕ3 на входах и выходе компрессора; датчики давления пара РЕ1-РЕ3 на входах и выходе компрессора; датчики расхода GE1-GE2 на трубопроводах инжектируемого и смешанного пара.

Структурная схема АСУ пароструйного компрессора представлена на рис. 11.7. Как видно из рис. 11.6 сигналы с датчиков давления, температуры и расхода пара передаются в микропроцессорный контроллер, который обеспечивает выполнение функций автоматического регулирования давления пара, сигнализации выхода параметров за установленные допустимые пределы, передачи текущих данных по параметрам пара и приема команд управления с рабочей станции диспетчера.

 

Рис. 11.6. Структурная схема АСУ пароструйного компрессора

 

Установка пароструйного компрессора с автоматизированной системой управления, осуществляющего смешение низкопотенциального пара с промотборов турбин давлением 2,0-2,7 кгс/см² с высокопотенциальным паром давлением 12,5-16,0 кгс/см², дает возможность получить на выходе компрессора пар давлением около 4,0-4,7 кгс/см², который может быть использован для подачи на деаэраторы.

Схема включения пароструйного компрессора в технологическую схему пароснабжения представлена на рис. 11.7. Как видно из схемы на рис. 13.7 паровой компрессор включен параллельно существующей автоматической редукционной установке (1), настроенной на поддержание давления пара на выходе равным 4 кгс/см² (РУ 16/4). При нормальном режиме работы давление пара на выходе компрессора превышает 4 кгс/см², в результате чего РУ (1) закрыто. Расход пара с промотборов турбин идет через компрессор на деаэраторы.

Рабочий режим компрессора обеспечивается регулирующим клапаном (3) по сигналу с датчиков давления рабочего и смешанного пара (см. рис. 11.7). Если, в случае недостаточной подачи рабочего пара, давление на выходе компрессора становится меньше 4 кгс/см², то РУ (1), автоматически открывается обеспечивая требуемое давление и расход пара на деаэраторах 4 кгс/см² за счет использования высокопотенциального пара (существующий режим). При этом, однако, снижается полезная подача пара на выработку электроэнергии.

Для защиты паровых турбин от повышенного давления в промотборе, связанного с изменением режимов работы парового компрессора в результате аварийных либо плановых остановов технологического оборудования энергокорпуса, предусмотрен предохранительный клапан (2).

Избыток пара с промотборов может также быть использован в сетевых бойлерах для нагрева теплофикационной воды.

 

 

Рис. 11.7. Структурная схема включения пароструйного компрессора

 

Паровой компрессор позволяет повысить давление инжектируемого потока низкопотенциального пара без непосредственных затрат механической энергии путем непосредственного смешения с паром более высоких параметров. Благодаря этому качеству паровой компрессор может быть использован для утилизации отработанного пара в различных отраслях промышленности, в том числе в металлургическом производстве.

В этой связи проведен расчет и анализ режимов работы парового компрессора, предназначенного для подачи пара в деаэраторы энергокорпуса паросилового цеха ОАО «ММК».

При этом для выявления диапазона допустимого снижения давления пара, подаваемого в систему деаэрации, был проведен производственный эксперимент, который показал, что давления пара 4 кгс/см² достаточно для нормальной деаэрации при изменении расхода питательной воды в широком диапазоне (от 100 до 400 т/ч).

В результате было получено максимальное расчетное давление пара на выходе компрессора 4,79 кгс/см² при коэффициенте инжекции u=1, давлении рабочего пара 12,5 кгс/см² и инжектируемого пара 2,5 кгс/см². При снижении давления инжектируемого пара до минимального значения 2,0 кгс/см² расчетное давление на выходе компрессора составляет 4,05 кгс/см², что также выше допустимого порога давления на деаэрацию, выявленного в ходе эксперимента.

Для подержания заданного рабочего состояния пароструйного компрессора при различных режимах работы технологического оборудования энергокорпуса необходимо производить автоматизированное регулирование работы аппарата, путем изменения подачи рабочего пара. С этой целью разработана микропроцессорная система автоматического регулирования режимов пароструйного компрессора. Регулируемым параметром является давление рабочего пара на входе компрессора. Дополнительным регулируемым параметром, накладывающим ограничения на контур регулирования давления рабочего пара, является давление пара на выходе компрессора, поддержание которого в допустимом диапазоне необходимо по условиям технологии.

Практическое использование разработанной автоматизированной компрессорной установки позволит утилизировать низкопотенциальный пар с промотборов турбин путем его использования в системе деаэрации энергокорпуса и тем самым повысить эффективность существующей системы пароснабжения потребителей промплощадки ОАО «ММК».

 

 

12. Лингвистический подход к оптимизации управления вельц-процессом[45]

Производство цинка – одно из основных направлений цветной металлургии страны. В 90-х годах резко увеличилась конкуренция на рынке цинка. Для сохранения своих позиций перед заводами возникла проблема увеличения производства цинка с улучшением его качества и уменьшением затрат на производство. Это определило необходимость реконструкции заводов с ориентацией на внедрение современных информационных технологий.

Крупнейшим в РФ производителем цинка, кадмия, индия является ОАО «Челябинский цинковый завод». ОАО «ЧЦЗ» как и большинство заводов по производству цинка работает по классической гидрометаллургической схеме: обжиг цинковых концентратов, выщелачивание огарка с очисткой растворов и электролитическое осаждение цинка с последующим переплавом катодов.

Первой стадией указанной схемы производства цинка является обжиг цинковых концентратов и некондиционных вторичных видов сырья (коллективные концентраты, окисленная руда, кеки, шламы и др.). Самой эффективной технологией утилизации цинкосодержащего вторичного сырья является вельц-процесс.

Вельц-процесс применяется для переработки материалов с низким содержанием летучих металлов путем нагревания их во вращающейся трубчатой печи до температуры, при которой извлекаемый металл возгоняется. Возогнанный металл увлекается газами, образующимися в печи, и улавливается в виде пыли, обогащенной возогнанным металлом.

На качество процесса вельцевания сильно влияют нестабильность основных параметров, отсутствие автоматизированного контроля и управления локальными и сквозными параметрами, неопределенность параметров рабочего режима, обеспечивающих высокий выход вельц-окиси. Все это снижает качество процесса вельцевания.

Актуальной задачей повышения эффективности процесса вельцевания является автоматизация управления в рамках АСУ ТП. Задачи данного класса рассматривались в литературе, главным образом для цементного производства[46]. Однако задача использования современных методов обработки информации в АСУ ТП с целью оптимизации процесса вельцевания изучена недостаточно.

Процесс вельцевания цинковых кеков производится во вращающихся печах. Общая структура процесса представлена на рис. 12.1.

Рис. 12.1

 

Цинковый кек содержит около 20% цинка, индий, кадмий, свинец, медь. Для извлечения этих металлов его смешивают с коксовой мелочью и нагревают до 1250-1350°С в вельц-печи. Тепло выделяется за счёт сгорания коксовой мелочи и экзотермических реакций. В качестве флюсующих добавок, позволяющих оптимизировать вельц-процесс при переработке цинковых кеков, используются известняк и формовочный песок. Технологический воздух используется для интенсификации процессов горения углерода и окисления паров цинка, свинца и кадмия, поддержания необходимой температуры в реакционной зоне. Принудительная подача воздуха используется также для эффективного сжигания природного газа при разогреве печи. Природный газ используется для сушки и разогрева футеровки печи при ее пуске, а также для разогрева материала после остановок печи и технологических нарушений. Оптимальным является ведение процесса без использования природного газа. Продуктами вельцевания являются вельц-окись, которая возгоняется, охлаждается и улавливается рукавными фильтрами, и медистый клинкер. В вельц-окиси содержится около 75% оксида цинка, оксиды кадмия, индия и свинца. Медистый клинкер содержит 3-4% меди и 30-35% железа. Вельц-окись направляется на выщелачивание, а клинкер отгружается на медные предприятия.

В соответствии с работой[47], в качестве критериев оптимизации вельц-процесса можно принять следующие:

– максимальное содержание оксида цинка в пыли, которую выносят из печи протекающие газы

max M_ZnO; (12.1)

– максимальное повышение CO ₂ в отходящих газах

max V_CO2; (12.2)

– минимальный объем дутья (воздуха) при удовлетворении допусков на режимные параметры вельц-процесса

min V_O2. (12.3)

Смысл этих критериев достаточно очевиден: критерий (1) отражает выход целевого продукта вельц-печи; максимальное содержание CO ₂ в отходящих газах (критерий (12.2)) обеспечивает полное выгорание в печи составляющей углерода, являющейся основным источником тепла вельц-процесса; минимизация расхода кислорода V_O2 (критерий (12.3)) соответствует минимальной подачи воздуха в печь. Здесь, если подается избыток воздуха, то тепло выдувается из печи и снижается ее энергетическая эффективность. При недостатке воздуха наблюдается неполное выгорание соответствующей составляющей углерода и недовыработка тепловой энергии, что также снижает эффективность печи.

В процессе эксплуатации печи наблюдаются различные режимы ее работы, которые зависят от параметров загрузки печи и параметров ведения вельц-процесса. Каждому режиму ведения вельц-процесса соответствует свой набор результирующих показателей:

, (12.4)

где (M_ZnO, V_CO2, V_O2) – вектор наблюдаемых базовых показателей эффективности режимов; s – индекс наблюдаемых режимов печи; N – количество режимов.

В общем случае ведение вельц-процесса не является оптимальным. Формально это означает, что для некоторого s -го режима, характеризующегося наблюдаемыми значениями показателей эффективности (M_ZnO, V_CO2, V_O2), можно указать резервы повышения показателей эффективности: повышение M_ZnO, V_CO2 и снижение V_O2. Для оптимальных режимов невозможно осуществить улучшение одного из показателей без ухудшения других показателей. Как известно из теории оптимизации, совокупность неулучшаемых решений образуют область Парето в задачах оптимизации. Представляется целесообразным из множества всех наблюдаемых режимов ведения вельц-процесса выделить Парето-оптимальные режимы. Зная набор Парето-оптимальных режимов, можно рассчитать для них тепловой и материальный балансы, которые, в свою очередь, могут служить основой для оптимального ведения вельц-процесса.

В данной работе приводится алгоритм выделения Парето-оптимальных режимов в рамках ведения информационной базы данных АСУ ТП.