Исследование возможности применения искусственных нейронных сетей для автоматического управления процессом металлизации

Для процесса "Мидрекс" характерно получение восстановительного газа в реформере [1]. Термокаталитическая конверсия протекает по реакциям:

CH4 + H2O CO + 3H2 ;

CH4 + CO2 2CO + 2H2 ;

При этом на катализаторе устанавливается равновесие реакции водяного газа:

CO + H2O = CO2 + H2;

Для процесса "Мидрекс" типично, что в качестве кислородоносителя для конверсии, кроме (сравнительно небольших количеств) водяного пара, используется в первую очередь диоксид углерода - составная часть колошникового газа. Смешанный газ (природный + технологический) перед процессом конверсии подогревается (в рекуператоре) до температуры ~ 400 °С и затем конвертируется на никелевом катализаторе с одновременным нагревом до ~ 900 °С. При этом происходит увеличение объема. В скруббере колошникового газа избыточный газ выделяется из цикла технологического газа и используется как топливный. Теплота его сгорания используется для покрытия потребности в тепле эндотермических реакций конверсии.

При паровой конверсии обычные катализаторы реакции расщепления природного газа отличаются высокой чувствительностью к сере, в то время как при процессе "Мидрекс" допустимы и более высокие содержания серы в смешанном газе. Если заданное предельное содержание серы (например, ~0,0014% в природном газе) превышается лишь эпизодически и незначительно, то временное отравление катализатора (проявляющееся в снижении производительности) является обратимым и устранится самопроизвольно, если содержание серы в циркулирующем газе спустя короткое время вновь снизится до нормального уровня.

Обычными источниками поступления серы являются железная руда и природный газ. При использовании обожженных окисленных окатышей сера, содержащаяся в руде, становится безвредной, что соответствует условиям. Для очистки природного газа от серы предусмотрена установка десульфурации, описание которой в работе не приводится.

Процесс конверсии протекает в вертикальных реакционных трубах реформера, заполненных катализатором, газ через которые течет снизу вверх. Трубы расположены в футерованном газоплотном, стальном корпусе. Система подовых горелок, расположенных между трубами реформера, обеспечивает теплом эндотермический процесс. В главных горелках сжигается часть потока колошникового газа, к которому добавляется небольшое количество свежего природного газа.

В дополнение к описанной выше главной системе горелок отопления реформера имеется независимая вспомогательная система работающих на природном газе горелок, расположенных тоже между рядами труб в днище реформера. Вспомогательная система горелок рассчитана, так, чтобы реформер (газовый конвертор) можно было нагреть без нагрузки до заданной рабочей температуры и поддерживать во время перерывов в работе на этом уровне.

Поскольку в дымовом газе реформера при его нормальной работе содержание кислорода получается низким, он может быть использован для получения инертного газа.

Горячий конвертированный газ, выходящий из 288 труб реформера при температуре ~ 900 °С, поступает в два газосборных футерованных коллектора.

В холодильнике конвертированного газа и непосредственно за ним температура и состав газа корректируются с таким расчетом, чтобы были точно выдержаны конкретные параметры процесса восстановления.

Из трубопровода конвертированного газа ответвляется часть потока и охлаждается в противоточном оросительном охладителе (при этом содержание воды в упомянутом газе снижается). Температура основного потока регулируется количеством охлажденного конвертированного газа, вводимым в основной поток. Кроме того, можно повысить содержание метана (CH4) в конвертированном газе, добавляя природный газ в его холодную часть. В трубопроводе восстановительного газа установлены датчики температуры и содержания метана.

В рекуператоре охлаждается дымовой газ реформера, нагревая воздух, подводимый к главным горелкам, смешанный и природный газ. Дымовой газ последовательно проходит через радиационную и конвективную зоны воздухоподогревателя, затем через конвективный подогреватель смешанного газа и, наконец, через конвективный подогреватель природного газа и при этом охлаждается.

Холодный воздух разделяется для его подогрева между радиационной и конвективной зонами воздухоподогревателя. В радиационной зоне дымовые газы и воздух движутся в прямотоке, а все конвективные зоны в рекуператоре работают по перекрестно-противоточному принципу.

Утилизация тепла дымового газа позволяет снизить общий расход тепла на процесс и увеличить производительность реформера, так как благодаря предварительному подогреву смешанного газа в рекуператоре участок нагрева в трубах реформера до начала конверсии получается более коротким.

Применена система с двумя параллельными рекуператорами, из которых дымовые газы отсасываются двухпоточным эксгаустером и сбрасывается в дымоход дымовой трубы.

Даже когда главные горелки реформера не работают, в воздухоподогреватель можно подавать воздух, благодаря чему предотвращается перегрев рекуператоров и эксгаустера. Нагретый воздух сбрасывается в дымовую трубу.

1.3.3 Цикл охлаждающего газа

В зоне охлаждения печи металлизации горячий металлизованный продукт (имеющий температуру ~ 760 °С) отдает физическое тепло охлаждающему газу, который входит в эту зону с температурой ~ 40 °С. Здесь теплопередача тоже идет в противотоке, так как охлаждающий газ движется сверху вниз из распределителя в отводящие каналы, расположенные поперек шахты навстречу движущимся сверху вниз окатышам. Для обеспечения равномерного хода печи предусмотрено разрыхление материалов в печи на трех уровнях зубьями питателя, постоянно движущегося взад и вперед. Три верхних постоянно действующих питателя выполнены водо-охлаждаемыми, а два средних и нижний работают без охлаждения.

Охлажденный металлизованный продукт выходит из печи металлизации через нижний динамический затвор и далее через маятниковый питатель. Как и на участке загрузки шихтовых материалов, в печь металлизации к нижнему динамическому затвору постоянно подводится инертный газ.

При помощи маятникового питателя можно управлять производительностью печи металлизации.

Горячий запыленный охлаждающий газ с температурой 400450 °С поступает через отводящие каналы в скруббер, который по конструкции в принципе аналогичен скрубберу колошникового газа, но не имеет разделения на два газовых потока. Чистый газ (имеющий остаточную запыленность не более чем ~ 10 мг/м3) поступает в компрессор охлаждающего газа (такого же винтового типа, как компрессор технологического газа), который компенсирует потерю напора в цикле охлаждающего газа, составляющую ~ 40 кПа. Перед входом в печь металлизации охлаждающий газ в циклонном каплеотделителе освобождается от капель воды и далее через соответствующий распределитель подводится в зону охлаждения.

Между зонами восстановления и охлаждения всегда происходит неизбежный небольшой газообмен. Условия этого газообмена определяются расходом затворного газа, постоянно подводимого через динамический затвор, и устанавливающимся соотношением давлений в циклах технологического и охлаждающего газов.

Целесообразно отметить, что переход углерода в металлизованный продукт зависит от температуры охлаждающего газа. По мере снижения этой температуры содержание углерода в металлизованных окатышах повышается.

1.3.4 Цикл инертного газа

Для динамических затворов печи металлизации и для других потребителей постоянно необходим инертный газ. Для этого в цехе металлизации предусмотрена одна установка инертного газа для двух модулей. Каждая установка имеет следующие три системы: подачи инертного газа для нормальной работы, подачи продувочного газа, аварийной подачи инертного газа.

Часть потока дымового газа из реформера используется в качестве инертного газа. Этот газ не содержит никаких горючих компонентов. Содержание кислорода устанавливается на уровне ~ 1 % путем настройки отношения газ - воздух на горелках реформера. На случай, если содержание кислорода превышает 3 %, предусмотрено устройство, в котором природный газ сжигается в режиме недожога, таким образом, расходуется избыток кислорода.

1.4 УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ МЕТАЛЛИЗАЦИИ

1.4.1 Организация управления

Чтобы можно было наблюдать за ходом процесса прямого восстановления и управлять им, наряду с визуальным изображением хода процесса (мнемонической схемой) нужна оптимальная организация ряда частных задач по управлению: измерение, регулирование и перестройка органов управления; наблюдение, оповещение и управление; проведение анализов и взвешивание [1].

Решение этих задач должно соответствовать модульной концепции агрегатов так, чтобы функции управления отдельными элементами агрегата включались в общую схему.

В соответствии со структурой цеха задачи по управлению процессом распределены между различными пультами управления. По два модуля прямого восстановления управляются из одного помещения, причем для каждого участка процесса в узком смысле (для печи металлизации, газовых циклов, реформера, трубопровода для отвода дымового газа) имеется свой участок пульта управления. Из общей части, расположенной между этими участками, управляются системы, используемые обоими модулями совместно (оборотные водяные циклы со сгустителем; градирнями и т.п., а также генераторы инертного газа) .

Таким образом, для модулей № 1 и 2 и № 3 и 4 имеются по одному распределительному щиту в помещении управления процессом, коммутационные помещения, трансформаторные подстанции и аварийный электрогенератор.

Управление доставкой окисленных окатышей, их распределением между четырьмя шахтными печами металлизации, отправкой металлизованных окатышей, станциями их грохочения, распределением металлизованных окатышей между обеими бункерными эстакадами (перед электросталеплавильным цехом и перед железнодорожной станцией) осуществляется с транспортного пульта. Предусматривается обмен сигналами между помещением транспортного пульта и обоими пультами для управления процессом.

Технологические параметры процесса и параметры работы машин увязываются между собой при помощи свободно программируемых систем управления. При этом реализуются все частные задачи управления процессом. В соответствии со структурой пультов управления предусмотрены свободно программируемые управляющие блоки. Эти блоки перерабатывают сигналы, поступающие на сторону их входа только в двоичном виде. Упомянутые сигналы формируются в датчиках предельных значений - местных и установленных в измерительных системах распределительных помещений и аналитических лабораторий, в концевых выключателях на вентилях (клапанах), на реле приводов и в выключателях на пультах управления процессом. Выходные сигналы передаются в бинарном виде на место на электромагнитные клапаны и в системы управления приводами в виде команд "включить - выключить" и на сигнальные лампы на местные пульты как сигналы с центрального пульта управления и от местных приборов управления.

На некоторых участках модулей для предупреждения при появлении взрывоопасных или токсичных газов установлены сигнализационные газоанализаторные устройства на взрывоопасность ("Экс") и на монооксид углерода (СО). При помощи таких устройств контролируются участки вокруг станций учета расхода природного газа, зоны загрузки в шахтные печи металлизации, газовые компрессоры, рекуператоры, генераторы инертного газа и некоторое другое оборудование. Для сигнализации о взрывоопасности ("Экс") определяется концентрация горючих газов, причем уровень подачи сигнала тревоги устанавливается на достаточном расстоянии от нижнего предела взрывоопасной концентрации горючего газа.

Система наблюдения за монооксидом углерода измеряет селективно содержание СО и подает сигнал тревоги при достижении максимально допустимой концентрации на рабочем месте.

1.4.2 Основные контуры регулирования в модулях прямого восстановления

Для оптимального управления работой установок прямого восстановления "Мидрекс" необходимо наблюдать за большим числом контуров измерения и регулирования (см. Приложение 6). Ввиду сложности технологических взаимосвязей в процессе эксплуатационный персонал должен иметь глубокие знания и большой опыт работы на установке, чтобы вести процесс по возможности без неполадок и получать хорошие показатели.

Приведём лишь некоторые важнейшие контуры регулирования.

1. Давление в системе необходимо поддерживать постоянным на таком уровне, чтобы условия на нагнетании компрессоров технологического газа были всегда определенными. Для выравнивания давления часть газа, выходящего из скруббера колошникового газа, отводится через заслонку регулирования давления из цикла технологического газа и доставляется на отопление реформера. Заслонка регулирования давления устанавливается соответствующим регулятором в такое положение, что давление в трубопроводе технологического газа между скруббером колошникового газа и компрессорами технологического газа остается постоянным.

2. Для конвертирования природного газа решающее значение имеет получение достаточно высокой влажности смешанного газа перед реформером. Это надежнее всего достигается настройкой правильного значения температуры технологического газа в насыщенном состоянии. Наиболее эффективно это реализуется регулированием температуры охлаждающей воды на стороне технологического газа в скруббере колошникового газа. Правильная температура устанавливается регулированием соотношения между горячей и холодной водой, поступающей в скруббер колошникового газа. Регулирование соотношения проводится по температуре технологического газа после компрессоров.

3. Определяющим рабочим параметром для цикла технологического газа является его объемный расход (в пересчете на нормальные условия). Поскольку компрессоры технологического газа работают с постоянным объемным расходом, нужно ответвлять регулируемую часть потока от основного и возвращать его в скруббер колошникового газа.

На основе измерения объемного расхода в основном потоке газа байпасный клапан на возвратном потоке регулируется с таким расчетом, чтобы объемный расход одного потока поддерживался на заданном уровне.

4. Природный газ, необходимый для процесса прямого восстановления, подводится в процесс в зависимости от требуемого количества продукта -- металлизованных окатышей. Однако устанавливать жесткую связь между количеством выгружаемого продукта и количеством подводимого природного газа нецелесообразно. Природный газ лучше подводить в регулируемом постоянном соотношении с расходом технологического газа в его цикл. Заданное значение (уставка) для контура регулирования расхода природного газа при этом изменяется в настраиваемом соотношении в зависимости от расхода технологического газа.

5. Процессом конверсии необходимо управлять так, чтобы химический состав конвертированного газа после реформера соответствовал заданным концентрациям. При правильной настройке других параметров содержание СО в конвертированном газе определяется тонким регулированием расхода природного газа. Поэтому параллельно с регулированием соотношения между расходами технологического и природного газов предусматривается и тонкое регулирование расхода природного газа.

Заданное значение (уставка) в этом контуре регулирования изменяется в зависимости от результата анализа -- содержания СОв конвертированном газе после реформера.

6. Потребность в тепле на процесс конверсии в значительной части покрывается избытком технологического газа - так называемым топливным газом. Недостающее количество тепла покрывается добавочным количеством природного газа, расход которого регулируется в зависимости от температуры в рабочем (топочном) пространстве реформера.

7. Для предотвращения экзотермически протекающей реакции обратной метанизации (образования СН из СО и Н) в шахтной печи к свежему конвертированному газу нужно добавлять некоторое количество метана в форме природного газа. Содержание СН в восстановительном газе должно устанавливаться на основе опыта (в основном в зависимости от характеристик применяемых окисленных окатышей).

Расход добавляемого природного газа регулируется с таким расчетом, чтобы в восстановительном газе поддерживалось постоянное содержание метана.

8. Температура восстановления (в печи металлизации) должна устанавливаться, возможно, более высокой, в зависимости от производительности, степени использования газа, склонности металлизованных окатышей к вторичному окислению и их прочности. Однако, она ограничивается свойствами применяемых окисленных окатышей, в частности потому, что при некоторой температуре, специфической для данного вида окатышей, они спекаются в конгломерат, а в крайнем случае даже сплавляются. Допустимым верхним пределом температуры восстановления следует считать такую температуру, при которой появляются первые спекшиеся конгломераты металлизованных окатышей.

Температуру восстановительного газа регулируют путем ответвления от конвертированного газа, имеющего температуру ~ 900°С, части потока, охлаждения его до температуры насыщения вспрыскиванием воды и последующего подмешивания холодного газа к горячему с целью охлаждения его до требуемого температурного уровня. Величину охлаждаемого потока конвертированного газа регулируют при помощи заслонки после испарительного охладителя в зависимости от заданной температуры зоны восстановления.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11