1.6.5.7. Принципы автоматизации вращающихся печей

В 1960-1970-х годах активно велись работы по •.зтоматизации вращающихся печей, применяемых в различных отраслях промышленности. На основе проведенных в это время теоретических и экспери-

нтальных исследований, а также опыта эксплуа­тации промышленных систем автоматического

равления в работе [151] сформулированы основ­ные принципы создания САУ вращающихся печей.

1. Цель управления вращающейся печью — под­держание заданного качества обжига получаемого продукта.

2. Для автоматического управления имеются только два управляющих воздействия: расход топ­лива и расход воздуха.

3. Изменение расхода материала на входе в печь, т. е. ее производительности, вызывает очень дли­тельный переходный процесс, вследствие чего не­обходимо стабилизировать питание печи сырьем.

4. Скорость вращения печи должна соответство­вать производительности; изменение скорости вы­зывает длительную перестройку всего режима и до­пускается только при крайней необходимости из­менения производительности печи; использовать скорость вращения печи в качестве управляющего воздействия для системы автоматического регули­рования недопустимо.

1. Создание замкнутой системы автоматическо­го регулирования качества обжига оказалось не­возможным из-за огромного транспортного запаз­дывания в объекте управления. Серьезным препят­ствием также является отсутствие датчика каче­ства обжига.

5. Установлено, что вариацию качества обжига можно удержать в приемлемых пределах, если ста­билизировать тепловой режим печи на ее концах. Для этого необходимы две системы автоматического регулирования: температура материала в зоне го­рения поддерживается подачей топлива, а темпе­ратура отходящих газов регулируется расходом воздуха.

6. Особого внимания требует поддержание аэро­динамического режима печи. Расход первичного воз­духа, который подается в корень факела для турбу­лентного смешивания топлива с воздухом, увязы­вается с расходом топлива. Поток вторичного воз­духа может быть организован по одной из двух схем, закладываемых в проект печи. В первом случае по­будителем расхода является дымосос, который со­здает в холодном конце печи (в загрузочной камере) такое разрежение, которое способно преодолеть аэро­динамическое сопротивление печи и обеспечить за­бор воздуха в ее горячем конце. Тогда управление расходом воздуха осуществляется изменением тяги дымососа. Во втором случае помимо дымососа печь оснащают, вентилятором вторичного воздуха. Тог­да расход воздуха регулируется изменением произ­водительности вентилятора, а тягой дымососа под­держивают разрежение в загрузочной камере, чтобы не было выброса пыльных газов.

Для полного сжигания топлива, ввиду неиде­альности процесса смешения, требуется некоторый избыток воздуха по отношению к теоретически не­обходимому. При этом в отходящем из печи газе содержится кислород, по концентрации которого можно судить о коэффициенте избытка воздуха. Для того чтобы не нарушался режим горения, ус­танавливается минимальное содержание кислоро­да, ниже которого блокируется возможность умень­шения расхода вторичного воздуха.

Эти принципы не устарели и остаются осново­полагающими при создании САУ вращающейся известерегенерационной печи.

1.6.5.8. Система автоматического управления вращающейся известерегенерационной печи

Современная САУ вращающейся известерегене­рационной печи строится по иерархическому прин­ципу.

Первый уровень обеспечивает поддержание ста­бильности технологического процесса и исполне­ние команд, поступающих от управляющих уст­ройств более высокого уровня. Он включает систе­мы пуска — останова насосов и двигателей, за­щитную блокировку, системы, обеспечивающие работу датчиков, включая первичную обработку ин­формации, и исполнительных механизмов на регу­лирующих органах, а также системы автоматичес­кого регулирования режимных параметров. Пер­вый уровень может быть выполнен на аналоговой или цифровой технике, а также в комбинирован­ном варианте.

Из систем первого уровня важнейшими явля­ются системы, поддерживающие заданный техно­логический режим известерегенерационной печи. Эти системы строятся на изложенных ранее прин­ципах автоматизации вращающихся печей.

Стабилизация питания печи сырьем осуществ­ляется системой управления вакуум-фильтра, на котором сгущается каустизационный шлам. Так как замерять расход и концентрацию сгущенного шлама затруднительно из-за его реологических свойств, то фильтр оснащается расходомерами и плотномером на жидких потоках, а искомые пара­метры рассчитываются по материальному балансу. Таким образом, эта система является разомкнутой с регулированием по возмущению. Поддержание аэродинамического режима осуществляется САР, действие которой описано в пп. 1.6.5.7.

Температурный режим в печи поддерживается двумя системами. Температура извести на выходе из печи (в зоне горения) измеряется пирометром [158] и регулируется расходом топлива. Теплооб­мен здесь радиационный и определяется темпера­турой пламени горелки, которая зависит, в пер­вую очередь, от подачи топлива. В холодном кон­це печи теплообмен между газом и материалом — конвективный и зависит не только от температу­ры, но и от скорости газа. Скорость газа определя­ется расходом воздуха, который и принимается за управляющее воздействие. В качестве температу­ры, характеризующей тепловой режим в холодном конце печи, принимается или температура матери­ала в зоне нагрева, расположенной после зоны суш­ки (так как она характеризует подготовленность материала к декарбонизации), или температура вы­ходящего из печи газа, являющаяся косвенным показателем, но имеющим меньшее запаздывание.

Первый случай предпочтительней, но он сло­жен в реализации — датчик температуры устанав­ливается на подвижном корпусе печи и требует специальных устройств для съема сигнала. Целе­сообразно использовать обе температуры путем при­менения так называемой каскадной схемы, когда для замкнутой системы первого уровня использу­ется косвенный показатель с малым запаздывани­ем, а значение основной регулируемой величины поддерживается корректирующим регулятором вто­рого замкнутого контура.

При изменении расхода топлива изменяется тем­пература газа и, учитывая большую скорость газо­вого потока, сразу же начинает изменяться интен­сивность теплообмена в холодном конце печи. Та­ким образом, обе системы регулирования оказыва­ются связанными. Были попытки сделать системы автономными путем введения перекрестных свя­зей, но они оказались безуспешными из-за огром­ного транспортного запаздывания в тракте мате­риала, а также сложности взаимосвязей темпера­тур горячего и холодного концов печи.

Для проектирования и настройки САР первого уровня компания «Honeywell» [150, 158] исполь­зует передаточные функции (см. рис. 1.120), полу­ченные, как уже упоминалось, с помощью специ­ально разработанного алгоритма по данным нор­мальной эксплуатации объекта.

Для обеспечения надежности работы печи сис­темы первого уровня должны функционировать даже при отключении систем высшего уровня и поддер­живать течение технологического процесса с учас­тием оператора.

Второй уровень системы управления реализу­ется только на цифровой технике — это управле­ние с прогнозированием на модели. Задачами это­го уровня являются:

— управление качеством обжига извести;

— управление производительностью в соответ­ствии с потребностью каустизации щелоков.

Известно, что каждой производительности дол­жен соответствовать оптимальный стационарный режим печи [150, 158]. Этому режиму соответству­ют оптимальные значения скорости вращения печи и температура ее холодной и горячей части, которые используются в качестве заданий для САР первого уровня. Однако возмущения и неучтенные факторы приводят к отклонению качества обжига извести от заданного значения, а информация о качестве обжи­га поступает с большим запаздыванием, так как оп­ределяется лабораторным путем. Поэтому за теку­щее значение оценки качества принимается прогноз, полученный с помощью математической модели. Эта оценка отклонения качества обжига используется для корректировки температуры обжига.

Следует отметить, что сложность объекта и не­достаточная точность модели затрудняют достиже­ние высокого качества управления. Поэтому фир­ма применила адекватный для данного случая под­ход — использовала для построения алгоритмов управления теорию нечетких множеств. В этом слу­чае конкретное значение заданной регулируемой величины заменяется диапазоном ее допустимых изменений. Это ослабляет требования к точности авления и позволяет добиваться некоторого приближения к оптимальности по другим крите­риям — увеличению производительности, умень­шению расхода энергии. Практика показала, что в ом достигается положительный эффект. Следу­ет отметить, что в терминах теории оптимальнос­ти задача сводится к случаю оптимизации по не-льким критериям.

Третий уровень управления включает:

— оптимизацию стационарного режима, для чего может использоваться аналитическая модель (1.207);

— адаптацию модели качества обжига (коррек-овку параметров модели по данным нормаль­ной эксплуатации);

— анализ работы систем автоматического регу-ования с целью корректировки настроек регу­ляторов систем первого уровня.

Известно, что вращающиеся печи требуют осто­рожных управляющих воздействий. В работе [151] предложен критерий, который при синтезе САУ обеспечивает монотонность переходных процессов. Ее целесообразно обеспечить и при управлении с мо-• лью. На рис. 1.119 приведен пример современ­ной САУ известерегенерационной печи, разработан­ной фирмой «Honewell» [150].

Следует отметить, что простота конструкции вращающейся печи оборачивается недостаточной наблюдаемостью и управляемостью технологиче­ского процесса. В результате необходимо создавать очень сложные системы управления, что иллюст­рирует один из основных законов кибернетики — л он необходимого разнообразия: для достижения эффективного управления необходимо, чтобы слож­ность управляющего устройства соответствовала сложности объекта управления.

В перспективе два подхода к созданию моделей должны объединяться: аналитические модели бу­дут упрощаться на основе информации, получае­мой при построении экспериментальных моделей. Совершенствование моделей вращающейся печи — основной путь повышения эффективности САУ ре­генерации извести.

1.6.6. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА БУМАГИ