Спосіб автоматичного регулювання співвідношення “паливо-повітря” в багатозонній печи

Изобретение относится к методам управления сжиганием топлива в пламенных печах и может быть использовано.в металлургии и машиностроении. Известен способ автоматического регулирования соотношения "топливо-воздух" в проходной печи, включающий измерение расходов воздуха и топлива в зонах, определение отношения расходов воздуха и топлива в каждой зоне и изменение расхода воздуха при отклонении указанного отношения от заданного значения [1]. В способе не учитывается избыточный воздух или продукты неполного сгорания топлива, поступающие в зону из предшествующих зон. Изменение соотношения тепловых мощностей зон приводит к отклонению суммарного коэффициента расхода воздуха о т оптимального и увеличению теплопотерь за счет недожога или подачи избытка воздуха. Наиболее близким техническим решением является способ автоматического регулирования соотношения "топливо-воздух" в многозонной печи [2], с помощью которого измеряют расходы топлива и воздуха в каждой зоне, определяют отношения расходов воздуха и топлива в каждой зоне после-первой по сумме расходов в данной зоне и предшествующи х ей зонах и изменяют расход воздуха по отклонению указанного отношения от заданного значения. Применение способа характеризуется низким качеством регулирования процесса сжигания, повышенным удельным расходом топлива, недожогом и нарушением стабильности горения. При повышении тепловой мощности предшествующих зон относительно данной и существенном различии коэффициентов расхода воздуха в них соотношение "газ-воздух" в данной зоне значительно отклоняется от стехиометрического. Так, если заданный коэффициент расхода воздуха в предшествующей зоне больше, чем в данной, коэффициент расхода воздуха в горелки данной зоны снижается. При его значении, меньше 0,6, образуется коптящий факел, теплообмен в печи резко ухудшается. Кроме того, увеличивается длина зоны горения из-за дожигания части топлива в обедненном окислителе - дыме из предшествующи х зон. Процесс горения продолжается в методической зоне, а при ее недостаточной длине - в дымопаде и боровах. Температура уходящего дыма повышается, топливоиспользование ухудшается. Если заданный коэффициент расхода воздуха в предшествующей зоне меньше, чем в данной, соотношение расходов воздуха и топлива в горелки данной зоны увеличивается. При коэффициенте расхода воздуха, больше 1,6, начинаются вибрации и отбросы пламени от насадков горелок, возможен срыв и погасание факелов, что требует а варийной остановки печи. Целью изобретения является повышение точности регулирования, сокращение удельных расходов топлива, предотвращение недожога и нарушения стабильности горения. Сущность изобретения заключается в регулировании подачи топлива и воздуха в каждую зону печи после первой в рабочем диапазоне соотношений одновременно с поддержанием требуемого баланса топлива и воздуха на печь. При отклонении отношения расходов воздуха и топлива в каждой зоне после первой от стехиометрического соотношения до предельного расхода воздуха изменяют отношение расходов воздуха и топлива в смежной предшествующей зоне путем перераспределения суммарного расхода воздуха между данной и смежной предшествующей зонами. При этом подачу воздуха уменьшают в зону с большим заданным отношением расходов воздуха и топлива и увеличивают - в зону с меньшим заданным отношением. Сжигание топлива в зонах с коэффициентом расхода воздуха не ниже минимально допустимого предупреждает образование коптящего факела и ухудшение условий теплообмена. Топливо, поступающее в зоны, сжигается в их пределах, повышается степень утилизации тепла уходящего дыма в методической зоне и исключается недожог, что способствуе т экономии топлива. Подача в горелки воздуха в количествах не выше максимального допустимого предотвращает аварийные остановки печей из-за срывов факелов. Уменьшение в связи с этим неплановых простоев печей также позволяет сократить удельные расходы топлива. Способ осуществляется следующим образом. Зональным системам регулирования устанавливают заданные отношения расходов воздуха и топлива a 1зн,..., a iзн. Измеряют расходы газа и воздуха в каждую зону, оценивают отношения расходов воздуха и топлива в каждой зоне после первой по сумме расходов в данной зоне и предшествующи х ей зонах. При отклонениях этих о тношений от заданных значений изменяют подачу воздуха в зоны до устранения отклонений. Одновременно сравнивают отношение расходов воздуха и топлива в горелки каждой зоны после первой a 2n,..., a in со стехио-метрическим соотношением и при отклонении до предельного расхода воздуха изменяют отношения расходов воздуха и топлива в смежной предшествующей зоне. При его повышении в условиях a iзн > a i-1зн максимально допустимого a imaxпред увеличивают заданное отношение расходов воздуха и топлива в смежной предшествующей зоне, увеличивают расход воздуха в нее и уменьшают на ту же величину в данную зону, стабилизируя a in на уровне a imax пред. При снижении отношения тепловых мощностей предшествующей и данной зон величину коррекции aiзн уменьшают постепенно до 0, поддерживая в дальнейшем заданные a iзн и a i-1зн в зонах. При уменьшении a in до минимального допустимого a imin пред заданное отношение a i-1зн в смежной предшествующей зоне уменьшают, на одинаковую величину уменьшают расход воздуха в предшествующую зону и увеличивают в данную до обеспечения a in -= a imin пред При уменьшении тепловой мощности предшествующей зоны или увеличения ее в данной отношение расходов воздуха и топлива в предшествующей зоне, уменьшают до ai-1зн, поддерживая в дальнейшем заданные отношения значения a iзн и a i-1зн. Блок-схема устройства, реализующего способ, представлена на чертеже. Устройство включает зональные расходомеры газа 1 (16 и т.д. по количеству отапливаемых зон), сумматоры 2(17), задатчики соотношения "газ-воздух" 3(18), блоки умножения 4(19), расходомеры воздуха 5(20), сумматоры 6(21), блоки сравнения 7(22), блоки переключения 8(23), регуляторы с усилителями 9(24), исполнительные механизмы 10(25), исполнительные органы расхода воздуха на зоны 11(26), задатчики предельного соотношения "газ-воздух" на зону 12(27), блоки умножения 13(28), блоки сравнения 14(29), пороговые элементы 15(30). Расходомеры 1(16 и т.д.) подключены к сумматору 2. Выходы сумматора 2 и задатчика 3 соединены с блоком 4. Расходомеры 5 (20 и т.д.) подключены к сумматору 6. Выходы блоков 4 и 6 соединены со входами блока 7, который через блок переключения 8 подключен ко входу регулятора 9. Выход регулятора 9 соединен через исполнительный механизм 10 с исполнительным органом 11. Задатчик 12 и расходомер 1 подключены к блоку 13, Входы блока 14 соединены с выходами блока 13 и расходомера 5, а его выходы - со входами порогового элемента 15 и блока переключения 23 предшествующей зоны. Выход порогового элемента 15 соединен с блоком 23. Входы блока 8 связаны с пороговым элементом и блоком сравнения предельного и фактического расхода воздуха в последующую зону. Расходомеры 1 и 5 соединены с соответствующими сумматорами последующих зон. Блоки 16-30 предшествующей зоны, как и других зон, соединены аналогично. Устройство работает следующим образом. Задатчиками 3 и 18 устанавливают требуемые соотношения расходов газа и воздуха в данной и смежной предшествующей зонах печи, а задатчиками 12 и 27 предельные соотношения. Если задатчиком 18 установлено a больше, чем задатчиком 3, то задатчиком 12 устанавливается минимально допустимое a min пред , а в противном случае - максимально допустимое a mахпред. Аналогично настраивают задатчик 27. Сигналы с расходомеров газа в данную зону 1 и предшествующие (16 и т.д.) поступают в сумматор 2. Сигналы с сумматора 2 и задатчика 3 перемножаются в блоке 4. Сигналы с расходомеров воздуха 5(20 и т.д.) в данную и предшествующие зоны суммируются в блоке 6, после чего в блоке 7 сравниваются сигналы с блоков 6 и 4. При коэффициенте расхода воздуха в горелки смежной последующей зоны a minпред < a i+1n < a mахпред блок 7 подключен через блок переключения 8 ко входу регулятора 9, а блок сравнения предельного и фактического расхода воздуха в последующую зону отключен от регулятора 9. От сигнала с блока 7 регулятор 9 срабатывает и через исполнительный механизм 10 воздействует на исполнительный орган расхода воздуха 11 до достижения соответствия между требуемым по задатчику 3 и фактическим расходом воздуха в данную зону с уче том подачи газа и воздуха в предшествующие зоны. Блоки 16-30 базовой системы в смежной предшествующей зоне работают аналогично. Произведение сигналов расходомера 1 и задатчика 12 поступает с выхода блока 13 на блок 14, где сравнивается с сигналом расходомера 5. При отклонении расхода воздуха до предельного пороговый элемент 15 воздействует на блок 23, подключая блок 14 ко входу регулятора 24 смежной предшествующей зоны и отключая от него блок сравнения 22. Если задатчиком 12 задано a mахпред и сигнал датчика 5 превысил сигнал с блока 13, через блок 23 на регулятор 24 подается с блока 14 сигнал на увеличение подачи воздуха. Регулятор 24 с помощью исполнительного механизма 25 открывает исполнительный орган 26 на воздухопроводе смежной предшествующей зоны. Повышение расхода воздуха в нее приводит к увеличению сигнала с расходомера 20. Сигнал с блока 6, противофазный сигналу с блока 4, возрастает и с выхода блока 7 через блок 8 поступает сигнал на снижение расхода воздуха в регулятор 9. Он с помощью исполнительного механизма 10 и исполнительного органа 11 уменьшает расход воздуха в данную зону, что снижает сигнал с датчика на входе сумматора 6. Регулятор прекращает работу при балансе сигналов с блоков 4 и 6. Расход воздуха на данную зону уменьшается на ту же величину, на которую увеличивается на смежную предшествующую зону. Одновременно снижается сигнал от расходомера 5 на входе блока 14. При балансе сигналов от блоков 5 и 13 на входе блока 14 (при расходе воздуха в данную зону равном максимально допустимому) регуляторы 24 и 9 прекращают изменение подачи воздуха в зоны. При превышении сигнала от блока 13 над сигналом от расходомера 5 срабатывает пороговый элемент 15, блоком 23 отключается блок 14 от регулятора 24 и подключается к нему блок 22. Дальнейшее регулирование производится в базовом варианте. При заданном в блоке 12 коэффициенте расхода воздуха a min пред меняется на обратный знак коррекции расхода воздуха в предшествующей зоне и работа системы осуществляется аналогично. Конкретный пример осуществления способа. Испытания выполнялись на кольцевой печи ф 18,2 м кольцепрокатной линии завода им. К.Либкнехта для нагрева заготовок из углеродистых и легированных сталей до 1150-1260рС. Печь имеет 4 отапливаемых природным газом зоны и методическую, нумерация отапливаемых зон принята походу металла. Заданный коэффициент расхода воздуха a 1 =- 1,0; a 2 = 1,2; a 3=a 4= 0,8. Предварительно были определены значения максимально и минимально допустимого коэффициента расхода воздуха на горелки Температурный режим поддерживался согласно технологической инструкции. Так, производство бандажей и колец из заготовок диаметром 520-530мм высотой 190-210мм среднеуглеродистой стали обеспечивается прокатным оборудованием линии на уровне 60-30 штук в час в зависимости от сложности прокатываемого профилеразмера. При производительности печи 40 заготовок в час нагрев металла до 1240-1260°С обеспечивался при температуре в 1-4 зонах 1180,1240,1280,1290°С и расходах топлива в них 350, 430, 320, 220 м 3/ч. Учитывая стехиометрическое количество воздуха 9,8 м 3/м 3 устанавливали расход воздуха в 4-ю и 3-ю зоны: 220x0,8x9,8 = 1725 м 3/ч и (220+320) х 0,8 х 9,8 - 1725 = 2510 м 3/ч. Затем определяли требуемый расход воздуха во вторую зону: (220+320+430) х 9,8x1,2-- 1725-2510 = 7170 м 3/ч и максимально допустимый: 430x1,65 х 9,8 = 6950 м 3/ч. Поскольку требуемый расход воздуха превышал максимально допустимый, увеличивали соотношение расходов воздуха и газа в 3-й зоне повышением расхода воздуха в нее на 7170-6950 = 220 м /ч и поддерживали расходы воздуха в 3-й зоне на уровне: 2510+220= = 2730 м 3/ч, а во 2-й зоне - 6950 м 3/ч. Затем определяли требуемый расход воздуха в 1-ю зону: (350+430+320+220)х1,0x9,8-1725--2730-6950=1530 м 3/ч и предельную его величину: 350x0,6 x9,8 = 2060 м 3/ч. Поскольку требуемый расход воздуха меньше предельного, уменьшая соотношение расходов воздуха и газа во 2-й зоне, снижая подачу воздуха в°нее на 1530-2060 = -530 м /ч.и поддерживая в 1-й зоне расход воздуха 2060 м 3/ч. При расходе воздуха во 2-ю зону 6950--530 = 6420 м 3/ч, коэффициент расхода воздуха по подаче в ней составлял: что ниже максимально допустимого. Поэтому уменьшали соотношение расходов воздуха и газа в 3-ю зону до требуемого a 3= 0,8 путем снижения расхода воздуха в нее с 2730 до 2510 м 3/ч, а в 2-ю зону устанавливали расход воздуха 6420+(27302510)=6640 м 3/ч, что меньше предельно допустимого (6950 м 3/ч) и регулирование прекращали при коэффициентах расхода воздуха (по балансу) Температура уходящих продуктов сгорания в дымопаде составила 930-940°С, образования коптящего факела - в 1-й зоне и догорания топлива в методической зоне не наблюдалось. Во 2-й зоне обеспечивалось устойчивое горение без вибраций и срыва факелов. Удельный расход топлива составил 111,9кгут/т. Сравнительные испытания при управлении сжиганием по известному способу выполнялись при том же распределении расходов газа по зонам (350, 430, 320, 220 м /ч) и коэффициенте расхода воздуха (1,0; 1,2; 0,8; 0.8). Расходы воздуха в 1-4-ю зоны поддерживались 1530, 7170, 2510, 1725 м 3/ч. При этом в 1-й зоне коэффициент расхода воздуха по подаче составил: из-за образования коптящих факелов от горелок 1-й зоны наблюдались выбивания недогоревшего топлива через неплотности 1-й и методической зон, следы СО обнаружены в борове после дымопада. Периодическое погасание горелок 2-й зоны из-за большого коэффициента расхода воздуха на них потребовало оперативного вмешательства нагревальщиков. При указанных расходах топлива по зонам и производительности 40 заготовок в час температура их на выдаче составила 1220-1230°С, перепад по сечению 40-50°С. Кондиционный нагрев металла был достигнут лишь при расходах топлива на 1-4-ю зоны; 470, 450, 330, 210 м 3/ч и расходах воздуха 2670, 7400, 2590, 1650 м /ч. При этом продуктов неполного горения в дымопаде и боровах не обнаружено. Наблюдалось интенсивное догорание топлива примерно до середины методической зоны и периодические срывы факелов с горелок 2-й зоны. Температура продуктов сгорания в дымопаде составила 1070-1100°С. Удельный расход топлива 123,8 кг у.т./т. Применение способа позволяет повысить точность регулирования, снизить удельный расход топлива на 10-11%, предотвратить недожог топлива и обеспечить условия устойчивого его горения.