«Разработка автоматизированной системы управления процессом

закалки спиральношовных труб»

1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Трубы с определенным интервалом (0,5м.) поступают в печь закалки,

где проходят через все секции постепенно нагреваясь до температуры 940-

980 градусов (температура нагрева зависит от химического состава металла),

и поступают в спрейер, где охлаждаясь приобретают нужные характеристики

прочности металла.

Возможный диаметр труб, проходящих через печь закалки от 530 до

1420 мм, а длина труб не более 10÷12 м.

При

поступлении

в

термоотдел

трубы

сортируются

на

несколько

типоразмеров, их сортировка производится на накопительных шлепперах.

Все

трубы,

предназначенные

для

термообработки

п о с л е

предварительного

и

рентгенотелевизионного

контроля

направляются

на

решетки перекладывателя термоотдела, где производится распределение труб

по назначению.

Трубы не требующие ремонта, направляются на приемный рольганг

термоотдела.

Трубы,

подлежащие

ремонту

внутреннего

или

наружного

сварных

швов, с решетки перекладывателя подаются на соответствующие рольганги и

по ним направляются на участки ремонта.

Закаливаются трубы в закалочной печи с последующим охлаждением в

спрейере.

После

полного

выхода

из

закалочной

печи

трубы

с

помощью

подъемного рольганга и передаточного шлеппера поступают на загрузочное

устройство отпускной печи.

1.1 Описание закалочной печи

Закалочная печь состоит из 14 секций, между которыми установлены

транспортирующие

устройства

–

диски

(кольца).

В

оборудование

печи

входят:

газовоздухопроводы,

система

боровов,

шиберы,

дутьевые

вентиляторы, механизация загрузки и выгрузки труб, щит контроля теплового

режима и управления им.

По подаче топлива на печь она разделена на 7 зон, по технологическому

режиму на 2 зоны: зону нагрева 1-12 секции и зону выравнивания 13-14

секции (отсчет зон ведется со стороны загрузки).

Рисунок 1 – Функциональная схема автоматизации процесса нагрева

труб первой секции.

Функциональная схема всех секций идентична первой секции.

1.1.1 Характеристика секции:

Длина секции 2500мм

Диаметр секции 2088мм

Толщина кладки 600 мм

Количество горелок 8шт

Производительность горелок 40÷60 нм3/час в зоне нагрева

20÷40 нм3/час в зоне выравнивания

1.2 Нагрев трубы в закалочной печи.

Температура под закалку (для труб по ТУ 14-3-954-80 из стали марки К

52).

Не допускаются отдельные отклонения температуры по зонам печи,

сверх установленных. Колебания температуры, показываемые приборами при

разрывах

между

трубами,

при

определении

температуры

трубы

не

учитывается.

Регистрация температуры нагрева труб в закалочной печи производится

при помощи самопишущих приборов.

Температура

печи

в

каждой

зоне

регулирования

устанавливается

дистанционными датчиками. Необходимый расход газа и соотношение “Газ-

Воздух”,

а

также

температура

печи

на

каждом

участке

регулирования

поддерживается автоматически (разрешается регулировка температуры печей

в ручном режиме). Давление во всех зона печи должно быть отрицательным.

Контролируется

температура

дыма

перед

рекуператором

и

трубок

рекуператора по показаниям самопишущих приборов-потенциометров.

2. Определение ОПЭ и цели управления.

Показателями эффективности процесса являются:

а) температура трубы на входе в печь;

б) производительность печи;

в) энергетические затраты на процесс нагрева трубы.

Целью

управления

процессом

является

поддержание

температуры

трубы на выходе из печи; при оптимальной производительности печи; при

минимальных энергетических затратах на нагревание трубы; при условии,

что процесс будет безаварийным, безопасным и непрерывным.

3.

Выбор

регулируемых

параметров

и

каналов

внесения

регулирующих воздействие.

Рассматривается

возможность

регулирования

температуры

труб

на

выходе из печи 1.

Средства

автоматизации

для

регулирования

температуры

есть,

в

качестве канала внесения регулирующего воздействия выбрана линия подачи

газа в печь и линия подачи труб. Выбирается одноконтурная замкнутая САР

температуры труб на выходе из печи 1 путём изменения подачи газа. Выбор

канала внесения регулирующего воздействия основан на следующих фактах:

а) при регулировании скорости подачи труб производительность печи 1

не будет величиной постоянной;

б) изменение скорости подачи труб недопустимо, т. к. это будет влиять

на следующие этапы обработки – вызывать изменение нагрузки следующего

аппарата.

Данная САР температуры может не обеспечить требуемого качества

регулирования, т. к. объект обладает запаздыванием.

Печь является объектом статическим с самовыравниванием. Наличие

запаздывания

сказывается

отрицательно

на

качестве

регулирования.

Для

повышения качества регулирования температуры труб на выходе из печи 1

необходимо провести анализ возмущающих воздействий и, по возможности,

устранить их до объекта.

Риунок

2

–

Функциональная

схема

одноконтурной

системы

регулирования температуры

При изменениях расхода газа и его калорийности в печь поступает

возмущение. Возмущения по каналу изменения расхода газа можно устранить

до объекта, использую одноконтурную разомкнутую САР расхода газа. Эта

система сделает расход газа постоянным, но на все остальные возмущения

реагировать не будет. Поэтому двухконтурная САР расхода газа с коррекцией

по

температуре

труб

на

выходе

из

печи

1

обеспечивает

лучшее

регулирование.

Регулятор

температуры

труб

будет

реагировать

на

все

остальные возмущения как внутренние, так и внешние, в том числе и на

изменение калорийности газа и корректировать задание регулятору расхода

газа. Но на изменение калорийности газа регулятор температуры начального

продукта на выходе из печи будет реагировать с большим запаздыванием.

Если при изменении калорийности газа в печь будут поступать большие

возмущения,

то

выбранная

двухконтурная

САР

не

сможет

обеспечить

требуемое

качество

регулирования.

Необходимо

выбрать

такую

систему,

которая

бы

на

изменение

калорийности

реагировала

с

минимальным

запаздыванием.

Рисунок 3 – Функциональная схема двухконтурной САР расхода газа с

коррекцией по температуре труб на выходе из печи 1

Такой САР является САР температуры печи 1 путём изменения притока

газа с коррекцией по температуре труб на выходе из печи 1. Регулятор

температуры с запаздыванием будет реагировать на изменение расхода и

калорийность

газа

и

совсем

не

будет

реагировать

на

возмущения,

поступающие по линии подачи труб и внутренние возмущения. На все эти

возмущения будет реагировать регулятор температуры труб на выходе из

печи, и корректировать задание регулятору температуры печи 1.

Работать

такая

система

будет

следующим

образом:

предположим,

увеличился приток газа, увеличится температура в топке, сработает регулятор

температуры, что приведет к уменьшению притока газа.

Уменьшение притока будет происходить до тех пор, пока температура

не станет равна заданному значению. Если при этом повышается начальная

температура труб, то повышается и температура на выходе из печи, и с

некоторым

запаздыванием

сработает

регулятор

температуры

и

подкорректирует задание регулятору температуры печи 1, что приведёт к ещё

большему уменьшению притока газа в топку. Уменьшение будет происходить

до тех пор, пока температура в печи 1 не станет равна требуемому значению.

Итак, выбирается САР температуры печи 1, путём изменения притока

газа с коррекцией по температуре труб на выходе из печи 1 (регулятор

температуры в печи 1 – вспомогательный, регулятор температуры труб на

выходе из печи 1 – главный) для обеспечения ОПЭ – температуры начального

продукта на выходе из печи.

Вторым требованием к процессу является обеспечение оптимальной

производительности печи. С этой целью необходимо сделать постоянной

скорость подачи труб. Это делается с помощью одноконтурной разомкнутой

САР скорости подачи труб.

Но,

если

трубы

поступают

из

предыдущего

процесса,

то

производительность печи 1 определяется производительностью предыдущих

аппаратов и, кроме того, в последующий процесс вносить возмущения также

нежелательно.

Если с изменением скорости подачи труб возмущения не велики, то

выбранная 2-х контурная САР температуры труб на выходе из печи обеспечит

требуемое качество. Если же изменения скорости подачи труб носят частый и

резкий характер, то для повышения качества регулирования нужно выбрать

следующие

САР

с

наименьшим

запаздыванием,

реагирующие

на

эти

возмущения:

1 вариант: САР соотношения скорости подачи труб и расхода газа

путём

изменения

расхода

газа

с

коррекцией

по

температуре

начального

продукта на выходе из печи;

2 вариант: САР температуры печи1 путем изменения расхода газа с

коррекцией по суммарному сигналу: скорости подачи труб и температуре

труб на выходе из печи 1.

Первый

вариант

можно

считать

оптимальным

в

том

случае,

когда

основные возмущения поступают при изменении расхода газа и скорости

подачи труб.

Работать

такая

система

будет

следующим

образом:

когда

увеличивается расход газа, срабатывает регулятор соотношения и снижается

приток газа до тех пор, пока не будет восстановлено заданное соотношение

расходов.

Если

возрастает

скорость

подачи

труб,

то

срабатывает

регулятор

соотношения

и

возрастает

приток

газа

до

восстановления

заданного

соотношения расходов.

Рисунок 4 –

Функциональная схема двухконтурной САР скорости

подачи труб с коррекцией по температуре труб на выходе из печи 1

Если

возрастает

начальная

температура

труб.

Это

приведёт

к

возрастанию

температуры

из

печи,

сработает

регулятор

температуры

и

уменьшит задание регулятору соотношения расходов, а тот, в свою очередь,

уменьшит приток газа до тех пор, пока соотношение расходов не станет

равно.

Вывод:

там,

где

при

изменении

газа

в

печь

поступают

большие

возмущения лучше использовать второй вариант.

Такая система будет работать следующим образом.

Регулятор температуры в печи 1 с минимальным запаздыванием будет

реагировать на возмущения, поступающие в печь при изменении скорости

подачи и расхода газа.

Если увеличить скорость подачи, то на вход регулятора температуры

печи

1

поступит

сигнал,

пропорциональный

скорости

подачи.

Регулятор

сработает и увеличится приток газа, ещё до того, как изменится температура

труб на выходе из печи 1. На все остальные возмущения будет реагировать

регулятор

температуры

на

выходе

из

печи

1

и

в

случае

необходимости

корректировать задание регулятору температуры в печи 1.

Для

обеспечения

четвертого

показателя

эффективности

процесса

с

целью

уменьшения

энергетических

затрат

на

процесс

нагревания

труб

необходимо

регулировать

соотношение

расходов

газа

и

воздуха

путем

изменения притока воздуха в печь 1, т. к. уменьшение притока воздуха будет

приводить к неполноте сгорания топлива, а увеличение притока воздуха - к

увеличению потери тепла с дымовыми газами.

Если печь 1 работает на различных видах топлива, то лучше выбрать

САР соотношения расходов газа и воздуха путем изменения притока воздуха

с коррекцией по содержанию кислорода в дымовых газах.

Для

обеспечения

эффективной

и

безопасной

работы

топки

печи

необходимо

регулировать

разрежение

в

топке

путем

изменения

расхода

дымовых

газов.

Если

снижается

разряжение,

ухудшается

вытяжка,

тогда

часть

дымовых

газов

проникает

в

производственное

помещение.

Это

ухудшает процесс горения и содержание несгоревшего топлива в дымовых

газах

увеличивается.

Возникает

ситуация

отравления

обслуживающего

персонала угарным газом.

Для обеспечения второго показателя эффективности при разработке

системы

автоматического

регулирования

температуры

труб

на

выходе

из

индукционной

печи

необходимо

поддерживать

температуру

в

заданном

диапазоне с коррекцией по скорости подачи труб на вход индукционной печи.

Предложенная САР температуры обеспечит требуемую температуру труб и

их равномерный прогрев.