Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 16
1.1. Технологический процесс производства карбида кальция 16
1.2. Зонное строение реакционного пространства карбидной печи 23
1.3. Влияние электрических и технологических параметров на распределение энергии в ванне карбидной печи 26
1.4. Существующие системы управления электротермическими печами 29
1.5. Постановка задачи исследования 43
2. Синтез математической модели процесса производства карбида кальция 48
2.1. Карбидная печь как объект управления 48
2.2. Расчет материального баланса карбидной печи 53
2.3. Расчет энергетического баланса 64
2.4. Основные закономерности процесса производства карбида кальция 69
2.4Л. Электрические характеристики руднотермической печи 71
2.4.2. Связь электрических и технологических параметров процесса 74
2.4.3. Зависимость производительности РПТ от электрических и технологических параметров процесса 78
2.5. Связь гармонического состава напряжения и тока с характером преобразования электрической энергии в РТП
3 2.5.1. Зависимость степени развития электрической дуги от электрических параметров печи 82
2.5.2 Определение активного сопротивления ванны карбидной печи на основе гармонического анализа тока 86
2.5.3. Связь гармонического состава тока электродов с размером углеродистой зоны и литражом карбида кальция 89
2.5.4. Использование постоянной составляющей фазного напряжения для управления режимами выпуска расплава и перепуска электродов 91
2.6. Структура математической модели процесса получения
карбида кальция 96
2.7. Алгоритм расчета математической модели 101
2.8. Программная реализация математической модели на ЭВМ 104
2.9. Оценка адекватности математической модели 107
2.10. Выводы к главе 2 111
3. Разработка системы управления процессом производства карбида кальция 112
3.1. Постановка задач системы управления 112
3.2. Выбор критерия управления 115
3.3. Структура системы управления 117
3.4. Статическая оптимизация процесса производства карбида кальция 121
3.5. Управление длиной рабочей части электрода 125
3.6. Управление уровнем расплава карбида кальция 128
3.7. Стабилизация активного сопротивления ванны карбидной печи 131
3.8. Стабилизация литража карбида кальция 136
4. Численное исследование качества работы системы управления РТП 141
4.1. Алгоритм расчета управляющих воздействий в блоке статической оптимизащш процесса получения карбида кальция 141
4.2. Алгоритм расчета управляющих воздействий в контуре управления длиной рабочей части электрода 146
4.3. Алгоритм расчета управляющих воздействий в контуре управления уровнем расплава карбида кальция 149
4.4. Алгоритм расчета управляющих воздействий в контуре стабилизации активного сопротивления ванны печи 152
4.5. Алгоритм расчета управляющих воздействий в контуре стабилизации литража карбида кальция 160
4.6. Анализ качества работы системы управления 167
4.7. Выводы к главе 4 169
Выводы 171
Список литературы
- Зонное строение реакционного пространства карбидной печи
- Расчет энергетического баланса
- Структура системы управления
- Алгоритм расчета управляющих воздействий в контуре стабилизации литража карбида кальция
Зонное строение реакционного пространства карбидной печи
В руднотермической печи существует сложная и тесная взаимосвязь технологических параметров (состав шихты, дозировка, периодичность выпуска расплава и другие) с электрическими (напряжение, ток, мощность). Существование такой связи обусловлено тем, что изменение как технологических, так и электрических параметров вызывает изменения в распределении энергии в объеме ванны печи и в характере преобразования --электрической энергии в тепловую. В углеродистой зоне происходят основные химические реакции и превращение электрической энергии в теплоту, и размеры этой зоны определяют активное сопротивление ванны печи, удельные сырьевые и энергетические затраты, качество продукта и производительность печной установки /10,11 /.
Так как углерод является электропроводным материалом, то с увеличением его количества растет электропроводность ванны печи, возрастающая с повышением температуры. В углеродистой зоне происходит контакт между электропроводящим расплавом и кусками кокса, следовательно, обеспечивается контакт между электродом и подом печи. Для обеспечения электрического контакта торцы электродов должны находится на уровне начала углеродистой зоны. Если они находятся выше уровня зоны, электрический контакт нарушается, а опускание их ниже этого уровня приводит к падению сопротивления и росту тока, величина которого лимитируется характеристикой трансформатора.
Эффективность работы электропечи зависит от характера распределения мощности в ванне печи между шихтой, дугой и расплавом.
Хотя нет единого мнения о характере распределения мощности в карбидной печи, большинство авторов признает, что перегрев расплава нежелателен вследствие разложения целевого продукта - карбида кальция. Таким образом, для карбидной печи особенно важное значение приобретает контроль качества расплава в ней и количество энергии, выделяемой в расплаве. Для оценки характера протекания технологического процесса в руднотермической печи Педро А. А. /12/ предложил использовать характеристики электрической дуги.
Степень развития электродугового режима в карбидной печи и значение мощности, выделяемой в электрической дуге, в настоящее время оцениваются по-разному и зависят от многих факторов как технологического, так и -электрического свойства. Г.А. Сисоян утверждает, что для карбидной печи мощностью 7,5 МВА эффективное сопротивление всей ванны составляет 2-Ю"3 Ом, а расплава 0,2-10"3 Ом. Отсюда он делает вывод, что в расплаве выделяется 10% всей энергии, основное же количество энергии выделяется в дуге и шихте /13/. В другой своей работе он вообще пренебрегает сопротивлением расплава и влиянием шихтовой проводимости, считая, что выделение энергии происходит в дуге. Напротив, по А. С. Моргулеву в дуге карбидной печи выделяется не более 5-10 % всей энергии /14/.
По данным, полученным на печи РПО - 60К /12/, отмечалось содержание в токе электродов трех регистрируемых гармонических составляющих с частотами 100, 150 и 250 Гц. Наибольшего значения достигало содержание третьей гармоники - до 35%. Лишь немного ей уступало содержание пятой гармоники. Снижение степени развития дуги, т.е. снижение относительного содержания в токе электрода гармонической составляющей с частотой 150 Гц, может быть достигнуто путем увеличения электросопротивления печной ванны.
Как известно, нелинейность и несимметричность вольт-амперной характеристики электрической дуги вызывает искажение формы кривых напряжения и тока, т.е. они могут отличаться от синусоиды. Искажения форм кривых тока и напряжения изучаются на соответствующих осциллограммах. В настоящее время применяются не только описательная характеристика осциллограмм, но и их численная расшифровка.
Содержание в токе электрода гармонических составляющих может быть использовано для определения момента окончания плавки при достижении расплавом заданного уровня или при достижении требуемого состава расплава, когда уровень его известен или не меняется в процессе плавки. Уравнения связи гармонического состава тока электродов с технологическими параметрами работы руднотермической печи могут быть использованы также для определения необходимости корректировки ведения режима плавки: изменения положения электродов, переключения ступеней напряжения трансформатора, изменения дозировки состава шихты. На распределение энергии между дугой, расплавом и шихтой влияют как технологические, так и электрические параметры, при этом количественное определение изменения распределения энергии при изменении параметров ее работы является сложной задачей, не имеющей до настоящего времени достаточно простого и надежного решения. Однако то, что преобразование электрической энергии в тепловую имеет особенности, зависящие от характера среды, по которой проходит ток, предполагает возможность оценки распределения энергии в ванне печи и протекания физико-химических процессов в ней на основе явлений, сопровождающих прохождение тока через шихту, дуту и расплав.
Расчет энергетического баланса
Технологический процесс производства карбида кальция относится к категории сложных объектов управления. Он характеризуется большим количеством параметров, сложностью их взаимосвязей, наличием сложных физико-химических и электроэнергетических процессов /20, 68, 69, 80, 81/.
Физико-химические процессы, гфоисходящие в ванне, не поддаются непосредственному контролю, поэтому управление процессом производства карбида кальция происходит в условиях неопределенности и неполноты информации о параметрах процесса. Такие параметры, как активное сопротивление ванны печи, размер углеродистой зоны, уровень развития электрической дуги, содержание карбида кальция в расплаве до выпуска его из печи невозможно непосредственно измерить в ходе технологического процесса из-за труднодоступности реакционного пространства печи, поэтому характер изменения этих величин является неопределенным. Для преодоления указанных выше трудностей управления на основе анализа физико-химических -закономерностей процесса карбидообразования необходимо составить математическую модель, которая позволит получить недостающую информацию о параметрах процесса /82-84/. Математическая модель составляет основное содержание алгоритма управления и в общем виде представляет собой зависимость вида: Y=f(tU,F) (2.1) где Y - вектор выходных параметров процесса; X - вектор входных параметров процесса; U - вектор управляющих воздействий; F - вектор возмущающих воздействий. К входным параметрам относятся: составы кокса, извести, золы восстановителя, электродной массы; размер кусков кокса; удельный расход электродной массы; электрическая мощность карбидной печи, номинальный ток, протекающий через электрод, номинальное индуктивное сопротивление ванны печи, активное и реактивное сопротивления короткой сети. Значения входных параметров процесса могут быть измерены, но не зависят от режима процесса, возможность воздействия на них отсутствует. Выходные параметры можно разделить на две группы: параметры, значения которых могут быть измерены и параметры, рассчитанные по математической модели. К первой группе относятся: сила тока электрода, напряжение на выводах трансформатора, относительное содержание в токе электрода гармонических составляющих с частотами 100 и 150 Гц, расход электроэнергии, мощность, потребляемая из сети, постоянная составляющая фазного напряжения. По модели рассчитываются следующие значения: количество и состав продуктов плавки, выход печного газа, пыли, ферросплава, общий удельный расход электроэнергии, полезная мощность на электроде, активное сопротивление ванны печи, масса углеродистого слоя и производительность печи. Вектор управляющих воздействий содержит такие параметры, изменением которых можно воздействовать на характер протекания процесса получения карбида кальция в соответствии с заданным алгоритмом функционирования, а именно: расход кокса и извести, напряжение с низкой стороны трансформатора, ток электрода, величина перемещения электрододержателя и напряжение ступени печного трансформатора, команды на начало и окончание перепуска электродов и выпуска расплава. Для оперативного изменения убавляющих воздействий есть соответствующие технические средства задания и регистрации. Возмущающие воздействия, среди которых случайные колебания химического и гранулометрического состава шихты, скачки напряжения в питающей сети трансформатора печной установки - это различного рода неуправляемые воздействия на процесс.
В результате воздействия этих факторов изменяется количество непрореагировавшего углерода в реакционном пространстве печи, что, в свою очередь, ведет к колебанию сопротивления подэлектродного пространства, определяемого массой углеродистого слоя, и, в конечном итоге, к снижению производительности печной установки.
Задача управления процессом производства карбида кальция сводится к стабилизации электротехнологичеких параметров, что обуславливает получение заданного литража карбида при известном составе сырья и обеспечивает максимальную производительность печной установки.
Стабильный электротехнологический режим работы карбидной печи определяется постоянством размера углеродистой зоны и неизменным уровнем развития электрической дуги, о чем свидетельствует постоянство активного сопротивления ванны печи /12/. Состояние технологического процесса отражается в свойствах углеродистой зоны как токопроводящей среды, поэтому необходимо исследовать внешние проявления свойств этой зоны -спектральный состав токов и напряжений на электродах, через которые осуществляется подвод электрической энергии.
Структура системы управления
Состояние технологического процесса отражается в свойствах рабочей зоны как токопроводящей среды, поэтому необходимо исследовать внешние проявления свойств этой зоны - спектральный состав токов и напряжений на электродах, через которые осуществляется подвод электрической энергии. Для этого необходимо построение системы аналитических уравнений, решение которых позволит решить задачу стабилизации размера углеродистой зоны. Сохранение геометрических размеров рабочей зоны в заданных пределах обеспечит поддержание в пределах допустимых отклонений такие параметры, как активное сопротивление ванны печи, количество и качество целевого продукта, удельный расход электроэнергии, мощность печи, а, следовательно, и максимальную производительность печной установки.
Поскольку эффективность технологического процесса в руднотермической печи связана прежде всего с характером преобразования в ней электрической энергии в тепловую, то знание влияния возмущающих воздействий и причин, их порождающих, на этот характер даст возможность наиболее оперативно и качественно управлять РПТ. Здесь представляет интерес использование явлений, сопровождающих преобразование тока в электрической дуге, для оценки влияния технологических параметров на работу печи. Поэтому при разработке методики исследований наиболее важной представлялась возможность определения степени развития электрической дуги в различных условиях работы карбидной печи.
Как известно, нелинейность и несимметричность вольт-амперной характеристики электрической дуги вызывает искажение формы кривых напряжения и тока, т.е. они могут отличаться от синусоиды. Искажение форм кривых тока и напряжения изучаются на соответств тощих осциллограммах. В настоящее время применяется не только описательная характеристика осциллограмм, но и их численная расшифровка. Для изучения процессов в электрических цепях с несинусоидальными токами и напряжением и получения количественных данных используют теорему Фурье. Согласно этой теореме, любую несинусоидальную периодически изменяющуюся величину можно разложить в тригонометрический ряд, который можно рассматривать как сумму постоянной величины и ряда синусорщальных гармонических величин с кратньїми частотами. Ряд Фурье имеет вид: r( o) = A0+A1-sm(a + w1) + A2-sm(2-a + w2) + - ґ2 11(У + Ак sin(k-a) + i//k) где AQ - постоянная составляющая; А1 - амплитуда первой гармоники; А2..Ак - амплитуды высших гармоник; ц/і,У2 і начальные фазы гармоник; о угловая частота. Гармоническую составляющую, частота которой равна частоте несинусоидальной периодической величины (промышленная частота 50 Гц), называют основной гармоникой, другие гармоники с частотами, кратными основной, называют высшими гармониками. Амгмитуды гармонических составляющих обычно быстро убывают с увеличением их порядка, поэтому при разложении кривых тока в тригонометрический ряд ограничиваются четырьмя-пятью членами. На основе этих исследований определяются гармонические составляющие, которые наиболее полно характеризуют определенные моменты технологического процесса /111-114/.
Результаты анализа рабочего спектра тока могут быть использованы для исследования возможности контроля и управления процессами в руднотермических электропечах. Гармонический анализ тока в производстве осуществляется специальными приборами /115-
Количественная оценка несинусоидальности кривой тока позволяет определить величину гармонических еостав шюїЦйх в различные периоды технологического процесса. На основании результатов измерения можно выбрать гармоники, которые наиболее точно характеризуют различные моменты работы электропечи и позволяют идентифицировать технологические факторы, оказывающие влияние на условия преобразования электрической энергии в электропечи.
Для определения мощности, выделяемой в дуге, целесообразно использовать содержание в токе электрода нечетных гармоник. Из них прежде всего 3-ей гармоники, т.е. составляющей с частотой 150 Гц, поскольку при прямоугольной форме осциллограммы напряжения дуги это напряжение равно утроенному напряжению 3-ей гармоники - U3 /12/: Ud 3-U3 (2.111) Величина гармонической составляющей с частотой 150 Гц (І3) в токе электрода печи с открытой дугой определяется из выражения /118/:
Алгоритм расчета управляющих воздействий в контуре стабилизации литража карбида кальция
Постоянство состава сырья в течение определенного промежутка времени и большая ршерционность печи позволяет рассматривать процесс производства карбида кальция как стационарный. Нарушение стационарности процесса приводит к изменению размера углеродистой зоны, сопротивления подэлектродного пространства, литража карбида кальция, и, в конечном итоге, к уменьшению производительности печной установки.
В качестве критерия управления процесса производства карбида кальция выбрана производительность печной установки, зависящая от содержания СаС2 в расплаве, активного сопротивления ванны печи, мощности печной установки и общего удельного расхода электроэнергии. По известным значениям расхода электроэнергии Wc (показания счетчика) и активной мощности печи Ра (показания прибора на пульте управления) рассчитывается фактическая производительность карбидной печи:
Максимальная производительность карбидной печи обеспечивается при соблюдении оптимального режима процесса, т.е. стабилизацией оптимальных значений активного сопротивления ванны печи и литража карбида кальция.
Отклонение значений указанных параметров от оптимальных может быть вызвано изменениями размера углеродистой зоны и уровня развития электрической дуги. Непосредственный прямой контроль степени развития дуги невозможен вследствие труднодоступности реакционного пространства и наличия высоких температур, поэтому применяются косвенные методы измерения, основанные на явлениях, сопровождающих горение электрической дуги, и математическая модель процесса производства карбида кальция.
Автором предложен метод оперативного определения фактических значений активного сопротивления ванны печи (ЯВ,Ф) И литража карбида
кальция (Ьф) на основе гармонического анализа тока электродов (раздел 2.5). Сравнение фактических значений сопротивления и литража с рассчитанными в блоке статической оптимизации значениями упомянутых параметров при данном составе шихты позволяет определить отклонение активного сопротивления ванны печи (ARg) и литража карбида кальция (AL), которые теоретически должны быть равны нулю при стационарном режиме работы печи. На основе вышеизложенного критерий управления с учетом ограничений может быть представлен в виде: Решение задачи оптимизации позволяет на основе ее результатов сформировать оптимальные задания (уставки) для контуров управления РТП в производстве карбида кальция. На размер углеродистой зоны и степень развития электрической дуги влияют такие технологические параметры, как изменение длины рабочей части электрода и уровень расплава в печи. Управление длиной рабочей части электрода и уровнем расплава в карбидной печи предлагается осуществлять на основе исследования особенностей изменения постоянной составляющей фазного напряжения.
Стабилизация электротехнологических параметров путем подачи корректирующих управляющих воздействий позволяет устранить негативное влияние изменения размера углеродистой зоны и развития электрической дуги.
Структура системы управления, состоящая из руднотермической печи и подсистем управления дозированием состава шихты, переключением ступеней трансформатора, перемещением электрододержателя, перепуском электродов и выпуском расплава, приведена на рис. 3.1.
В предлагаемой структуре можно выделить две основные подсистемы формирующие управляющие воздействия: оптимизации и стабилизации электротехнологического режима работы РТП. Подсистема стабилизации состоит из четырех контуров управления, в которых решаются следующие задачи: - управление длиной рабочей части электродов; - управление уровнем расплава в печи; - стабилизация активного сопротивления ванны печи; - стабилизация литража карбида кальция. Подсистема оптимизации определяет условия получения наибольшей производительности и выдает оптимальные настройки для вышеперечисленных систем управления. Блок-схема обобщенного алгоритма управления процессом производства карбида кальция представлена на рис. 3.2.
Решение задачи статической оптимизации позволяет определить оптимальные электротехнологические параметры процесса: расход кокса G Q , расход извести G/z, ток электродов /3, напряжение на трансформаторе UHH, активное сопротивление ванны печи RBQ И литраж карбида кальция LQ, обеспечивающие максимальную производительность Qmax- Задача
