Автоматическое регулирование соотношения топливо-воздух

Схема регулирования температуры с позиционным электрическим регулятором

Схема регулирования температуры с электрическим регулятором непрерывного действия

Принципиальная схема регулирования температуры в рабочем пространстве пламенной металлургической печи показана на Рисунке 5.1.

Температура в печи измеряется первичными преобразователями (термопарами или пирометрами) TE.Если температура в печи не равна заданной, устанавливаемой при помощи задатчика THI, то в регуляторе TC формируется управляющее воздействие, которое через блок ручного управления (поз. 1-6)и усилитель NS (ПБР)поступает на исполнительный механизм (поз. 1-8), сочлененный с регулирующим органом на подводе топлива в печь. При отклонении температуры выше задания регулятор через исполнительный механизм и регулирующий орган уменьшает расход топлива, а при отклонении температуры вниз от задания - увеличивает.

Также в схеме предусмотрен канал для измерения расхода топлива.

Рисунок 5.1 – Схема регулирования температуры в пламенной печи с электрическим регулятором непрерывного действия

Температура в печи сопротивления (Рисунок 5.2) измеряется термопарой, пирометром или термометром сопротивления 1в комплекте с показывающим автоматическим потенциометром или мостом 2, имеющим встроенный позиционный регулятор. При отклонении температуры от задания вниз или вверх замыкаются соответственно командные контакты регулятора К1или К3, которые через промежу­точные реле Р1или Р3подают максимальное или минимальное питание на печь от трансформатора 3. Величина тока питания контролируется амперметром 4. Подача тока максимальной величины обеспечивает подъем температуры, а при подаче тока минимальной величины температура в печи понижается. Система регулирования может быть настроена и таким образом, что для понижения температуры регулятор полностью отключает питание электронагревателей.

Если температура в печи равна заданной, то в регуляторе замыкается контакт К2и печь включается под номинальную силу тока, т.е. получает питание, обеспечивающее заданный температурный режим. Номинальная сила тока зависит от температуры, массы нагреваемого материала, состояния печи, и поэтому из-за постоянного изменения этих параметров практически невозможно добиться такой его величины, при которой температура стабилизируется на заданном значении. Практически среднюю величину питающего тока, подаваемого контактом К2выбирают близкой к номинальной для преимущественного режима работы печи. Правильный выбор средней ступени питания представляет хорошее качество регулирования. Для улучшения качества регулирования можно осуществлять коррекцию средней номинальной величины питающего тока при изменении задания (массы и вида нагреваемых изделий и степени изно­са печи), от которого зависят теплообмен в рабочем пространстве и тепловые потери в окружающую среду.

Вышеописанная трехпозиционная схема регулирования легко трансформируется в двухпозиционную, если в регуляторе будут исполь­зоваться только два командных контакта К1и К3и, следовательно, только две ступени питания печи. Двухпозиционная система несколько проще, но обеспечивает худшее качество регулирования, чем трехпозиционная система. Выбор той или иной системы регулирования диктуется требуемым качеством регулирования и наличием технических средств.

Рисунок 5.2 - Схема регулирования температуры в электрической печи с релейным регулятором

Автоматическое регулирование соотношения расходов топлива и воздуха, подаваемых в печь, должно обеспечивать необходимые ус­ловия сжигания топлива. Эти условия различаются для печей того или иного назначения, но в целом их можно сформулировать сле­дующим образом:

1) топливо должно сжигаться экономично;

2) сжигание топлива должно быть организовано так, чтобы в пе­чи сохранялись наилучшие условия теплообмена факела с металлом и кладкой;

3) сжигание топлива должно быть организовано так, чтоб в печи поддерживалась газовая атмосфера определенного состава.

В зависимости от типа печи перед системой автоматического регулирования ставится задача выполнения одного из перечисленных требований или определенной их совокупности.

Численно соотношение топливо - воздух определяется так называемым коэффициентом расхода воздуха, часто обозначаемым буквой α. Часто встречающееся название "коэффициент избытка воздуха" сложилось исторически и является менее точным, так как в ряде современных металлургических печей топливо сжигается в определенных зонах не при избытке, а при недостатке воздуха.

Коэффициент расхода воздуха равен

, (5.2)

где В_в – действительный расход воздуха; В^о_в – теоретический расход воздуха, необходимый для полного сжигания топлива; V^o_в – теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сжигания единицы топлива; В_Т – расход топлива.

При отоплении печи топливом нескольких видов, например природным газом и мазутом, и при использовании для формирования факела и сжигания этих топлив вентиляторного воздуха, сжатого воздуха и кислорода числитель и знаменатель формулы 5.2 представляют собой соответственно суммы расходов кислородоносителей и топлив.

Рассмотрение формулы 5.2 показывает, что для точного определения коэффициента расхода воздуха необходимо точное знаниерасходов топлива и воздуха и состава топлива, так как от последнего зависит величина V^o_в.

Если топливо сжигается с α=1 и при идеальном смешении с воздухом, то развивается максимальная калориметрическая температура горения. При α<1 часть топлива не сгорает из-за недостатка кислорода и максимальная температура не достигается. При α > 1 топливо сгорает полностью, но часть выделяющегося при этом тепла идет на нагрев излишнего воздуха и максимальная температура горения также не достигается. Справедливость рассуждений о качественных изменениях теоретической калориметрической температуры горения, т.е. температуры, развиваемой при полном сгорании топли­ва и без теплообмена продуктов сгорания с окружающей средой, сохраняется и для реальных температур, получаемых в рабочих пространствах металлургических печей.

Максимум реальной температуры сгорания имеет место при значениях α, несколько больших единицы, из-за того, что в условиях не идеального, а реального смешения топлива и воздуха полное сгорание требует некоторого избытка воздуха. Уровень реальных температур несколько ниже из-за теплообмена факела с окружающей средой. Из исследований также следует, что изменением коэффициента расхода воздуха можно регулировать температуру горения; последняя уменьшается с увеличением α.

Как показывают исследования, при сжигании газообразного топлива в различных реальных печах максимальная температура достигается при α=1,05-1,15, а при сжигании жидкого топлива – при α=1,15 -1,25.

Таким образом, если требуется получить наибольшую скорость нагрева металла и экономичное сжигание топлива, то в печи нужно иметь максимальную температуру и, следовательно, система автоматического регулирования должна поддерживать коэффициент расхода воздуха на соответствующем уровне. В термических печах часто возникают несколько иные задачи, связанные с тем, что воздух следует подавать с избытком или недостатком для снижения температуры факела и изменением его длины и формы с целью предотвращения перегрева изделий и кладки и обеспечения равномерного нагрева садки.

Коэффициент расхода воздуха влияет не только на теплообмен, но и на массообмен в печах. Очевидно, что изменения коэффициента αсопровождаются изменениями состава печной атмосферы. При α<1 в печи создается восстановительная атмосфера, а при α>1 окислительная. Неправильное регулирование расхода воздуха может привести к повышенному окислению металла и существенному ухудшению экономических показателей агрегата. В печах безокислительного нагрева, работающих с недостатком воздуха в зоне высокотемпературного нагрева, регулирование коэффициента расхода воздуха обеспечивает печную атмосферу оптимального состава - и исключает сильное окалинообразование. В таких печах коэффициент α поддерживается на уровне 0,45 — 0,55.

Сказанное выше позволяет сделать вывод, что системы автоматического регулирования соотношения топливо - воздух решают важные задачи, обеспечивающие производительную и экономичную работу металлургических печей.

Автоматическое регулирование соотношения расхода топлива и воздуха на большинстве печей осуществляется при помощи регуляторов соотношения. Чаще всего ведущим потоком в схеме отопления и автоматического пропорционирования является топливо, расход которого задается регулятором температуры. Регулятор соотношения получает информацию о расходах топлива и воздуха и управляет расходом воздуха, который является, таким образом, ведомым потоком. В некоторых случаях применяется обратная схема, где ведущим потоком служит воздух, а ведомым - топливо. Расходы газообразного топлива и воздуха измеряются обычно дросселирующими устройствами: диафрагмами, cоплами, трубами Вентури. Расход мазута измеряется расходомерами постоянного перепада или объемными расходомерами.

Регулирование соотношения по расходам топлива и воздуха, подводимым к печи, имеет ряд недостатков.

Во-первых, на участках воздухопровода, расположенных после измерительного устройства, могут иметь место потери воздуха выбивание, особенно через неплотности в кладке рекуператоров, регенераторов, каналов и рабочего пространства, которые нарушают отрегулированный коэффициент расхода воздуха. По существу объектом регулирования соотношения является участок трубопровода между дросселирующим измерительным устройством и регулировочным клапаном, а не рабочее пространство печи, в котором должно происходить сжигание топлива при заданном расходе воздуха.

Во-вторых, коэффициент расхода воздуха может искажаться за счет погрешностей в измерении расходов топлива и воздуха и из-за колебаний состава топлива. Погрешности измерений возникают в результате отклонений температуры, давления, вязкости и т.д. измеряемых сред от значений, принятых при расчете дросселирующих устройств. Например, подогрев воздуха меняется в процессе эксплуатации печи из-за износа рекуператора и если не применяется расходомер с автоматической компенсацией, то изменения температуры воздуха будут вызывать ошибки в измерении его расхода. Колебания в составе топлива, например смешанного газа, поступающего с коксовых батарей, а состав мазута может отличаться в различных партиях этого топлива. Качественная работа системы регулирования соотношения требует точного измерения расходов и стабилизации характеристик топлива.

В-третьих, все применяемые системы регулирования соотношения достаточно точно поддерживают заданный коэффициент расхода воздуха при изменениях расходов сред в пределах 100 - 35 % от максимальных значений. При работе печей могут иметь место гораздо более глубокие, например 5 - 6-кратные, изменения расходов топлива и воздуха. При этом перепады статических давлений на дросселирующих органах, являющиеся мерой расходов, изменяются в 25 - 36 раз, что приводит к потере чувствительности измерительной аппаратуры на малых расходах и к большим ошибкам измерений и регулирования коэффициента расхода воздуха. Помимо рассмотренного, влияние на сгорание топлива в рабочем пространстве печи оказывают также подсосы воздуха из окружающего пространства. Для ряда конструкций печей указанные недостатки могут не иметь существенного значения и регулирование коэффициента расхода воздуха на подводе к печи является удовлетворительным. Во многих же случаях желательно осуществлять процесс регулирования на основе контроля процесса сжигания топлива.

Контроль процесса сжигания может осуществляться по результатам анализа продуктов сгорания. Коэффициент расхода воздуха для бессернистого топлива вычисляется по формуле:

, (5.3)

где О₂, СО, Н₂, СН₄, N₂ – соответственно содержание газов в продуктах сгорания; 3,76 – коэффициент, равный отношению содержания азота и кислорода в воздухе.

При полном сгорании топлива формула 5.3 превращается в выражение вида:

(5.4)

Анализ формул показывает, что для контроля коэффициента расхода воздуха при неполном сгорании топлива необходимо проводить анализ покидающих печь продуктов сгорания на О₂, СО, Н₂, СН₄, N₂. При полном сгорании достаточно осуществлять анализ лишь на О₂ и СО₂. применение автоматических газоанализаторов и вычислительных устройств для расчетов коэффициента расхода воздуха по приведенным формулам позволяет непрерывно контролировать качество сжигания топлива.

На основе этого создаются системы регулирования с коррекцией задания регулятору соотношения по составу продуктов сгорания. Успешная работа таких систем во многом зависит от представительности проб газа, отбираемых для автоматического анализа, т.е. от того, насколько состав продуктов сгорания в месте отсоса газозаборной фурмой соответствует среднему их составу на выходе из рабочего пространства печи. Неправильная установка газозаборной фурмы, например, с малым заглублением в дымовой канал, после шибера, поворота или расширения канала может привести к тому, что продукты сгорания будут отбираться из объема, в который подсасывается воздух, или из застойных зон, где состав газа отличается от состава основного потока. Помимо получения представительной пробы, должны быть решены задачи очистки и охлаждения пробы, сведения к минимуму транспортного запаздывания по трассе импульсной линии и запаздываний в собственно газоанализаторах.

Поскольку объектом регулирования соотношения, как уже указывалось, является участок трубопровода между измерителем расхода воздуха и регулировочным органом, то запаздывания в системе невелики.

Дата добавления: 2015-03-29