Proceedings of International Scientific Conference of FME Session 4: Automation Control and Applied Informatics
Paper 50
Nadřazená úroveň řízení ohřívačů větru v TŽ, a. s. ZOGATA, Roman1, MIENKINA, Martin2 & HECZKO, Zdeněk3 1
Ing.,
Třinecký inženýring, a. s., Areál TŽ pod Kanadou, 739 70, Třinec
[email protected] 2
Ing., PhD,
3
Ing.,
www.inzenyr.trz.cz
[email protected]
Třinecké železárny, 739 70, Třinec,
[email protected],
www.trz.cz
Abstrakt: Předložený příspěvek popisuje aktuálně implementovanou nadřazenou úroveň řízení ohřívačů větru (OV) vysoké pece č. 6 v „Třineckých železárnách, a. s.“. V minulém roce proběhla generální oprava vysoké pece č. 6, během které byly modernizovány 2 OV a bylo dodáno zařízení pro zpětné získávání tepla (ZZT). Modernizace zbývajícího OV byla ukončena v srpnu 2000. Během zmíněné generální opravy byla vybudována základní úroveň řízení, která je součástí řídicího systému celé vysoké pece. V současnosti je společností „Třinecký inženýring, a. s.“ vyvíjena nadřazená úroveň řízení OV. K hlavním funkcím systému patří výpočet tepelných bilancí a účinností, optimální řízení baterie OV a diagnostika měřícího systému. Jádrem celého systému je počítač Compaq AlphaServer 4000, na kterém probíhají veškeré výpočty a řídicí algoritmy, a kde jsou uložena veškerá data. Výsledky jsou zobrazovány buď na PC (přístup do databází přes aplikační server) nebo na operátorských stanicích ve velínu VP č. 6. Klíčová slova: vysoká pec, ohřívače větru, účinnost, optimální řízení
1 Řízená soustava Ohřívač větru (OV) je zařízení pro akumulaci tepelné energie a následně její předání vzduchu dmýchanému do vysoké pece - tzv. větru. Pracovní cyklus jednoho OV se sestává z fáze topení a z fáze foukání. Během topení je ve spalovací šachtě spalován topný plyn a takto vzniklé teplo je předáváno mřížoví, t. j. keramické výplni OV (viz obrázek č. 1). Po dostatečném nahřátí OV dochází k reverzaci a do OV je vháněn studený vítr, který je zdrojem kyslíku a z části i energie (10 až 15 %) pro vysokou pec. Předložený příspěvek se zabývá řízením OV vysoké pece č. 6 (VP6), která je vybavena 3 OV (baterie OV) doplněnými o zařízení pro zpětné získávání tepla z odcházejících spalin – tzv. předehřev vzduchu a plynu.
Obrázek č. 1 – Ohřívač větru s vnitřní spalovací šachtou
2 Základní úroveň řízení Základní úroveň řízení OV VP6 zabezpečuje automatickou reverzaci a regulaci následujících veličin: • průtok spalovacího vzduchu • průtok vysokopecního plynu • obsah O2 v odcházejících spalinách • teplota kopule • teplota horkého větru K dalším funkcím patří najížděcí a odstavovací sekvence, hlídání blokovacích podmínek, archivace naměřených hodnot a jejich zobrazení. Základní úroveň řízení byla realizovaná na výpočetních prostředcích fy ABB (PLC AC 410) a styk operátora s procesem umožňují operátorské stanice Hewlett-Packard AS 520. Tento systém byl realizován firmou AUTEL, a.s ve spolupráci s objednatelem - Třineckými železárnami, a. s. a realizátorem celé generální opravy – firmou Třinecký inženýring, a. s.
3 Nadřazená úroveň řízení Na základní úroveň řízení navazuje aktuálně vyvíjená nadřazená úroveň řízení, která bude zajišťovat optimální řízení baterie 3 OV a dále pak bude sloužit k diagnostice stavu OV a měřícího systému. Schéma tohoto systému je uvedeno na obrázku č. 1. Jádrem celého systému je počítač Digital (dnes již Compaq) AlphaServer 4000, který slouží pro ukládání veškerých dat, a na kterém probíhají veškeré řídící algoritmy. Výstupy z nadřazené úrovně řízení jsou předávány základní úrovni řízení ve formě povelů pro reverzaci daného OV a žádané hodnoty průtoku plynu během topení OV. Vypočtené údaje, jako bilance, účinnost atd., lze prohlížet z libovolného PC připojeného do podnikové počítačové sítě. Podmínkou je pouze a definice daného uživatele na aplikačním serveru. Přístup do databáze zprostředkovává již zmíněný aplikační server, na kterém je uložen jak uživatelský software (klient), tak i druhá vrstva (server). Třetí vrstvu tvoří vlastní SQL databáze (Oracle).
SQL databáze
G-COM
ABB AC 410
Hewlett- Packard AS 520 (velín VP 6)
TCP/IP
COMPAQ AlphaServer 4000
Hewlett-Packard AS 520 (velín VP 6)
Aplikační server
PC - technolog PC - údr ba
Obrázek č. 1 – Zjednodušené schéma nadřazené úrovně řízení OV VP6 3.1. Optimalizace Hlavním cílem nadřazené úrovně řízení je optimalizace baterie OV, tedy maximalizace její tepelné účinnosti (1). (1) Q η = ODEBRANÉ QDODANÉ kde je
- tepelná účinnost η QODEBRANÉ - tepelná energie odebraná větrem z baterie OV QDODANÉ
- tepelná energie dodaná do baterie OV
Velice zjednodušeně lze problém optimálního řízení baterie OV přirovnat k následující úloze: mějme děravý kbelík, do kterého pumpujeme vodu a tuto vyléváme do nějaké velké nádoby. Během čerpání dírou odtéká voda a ztráta je tím větší, čím vyšší je hladina v kbelíku (ztráty odcházejícími spalinami a povrchem během topení). Při vylévání vody zase určitý objem rozlijeme (ztráty reverzační a ztráty povrchem během foukání). Ve skutečnosti není kbelík
jenom jeden, ale např. tři, a postupně je vyléváme po předcházejícím naplnění. Cílem optimalizace je určit dobu pumpování vody, tedy výšku hladiny v kbelíku tak, aby poměr objemu vody vylité do sudu k objemu vody načerpané ze studny byl co nejvyšší. Omezující podmínkou je nutnost přerušení čerpání vody, pokud předcházející kbelík je prázdný (nelze dodržet žádanou teplotu horkého větru). Pomineme li jisté nepřesnosti tohoto přirovnání a nesmyslnost takovéhoto počínání, lze takto celkem výstižně celý problém popsat. Tato problematika byla řešena mnohými autory. V našem případě se jedná o úlohu poněkud odlišnou, vzhledem ke zpětnému využití tepla odcházejících spalin pro předehřev plynu i vzduchu. Tato skutečnost způsobuje posun maxima účinnosti, jakožto funkce doby topení, směrem k delším dobám topení, a tím i delšímu foukání ohřívače. Největší tepelné ztráty jsou totiž způsobeny odcházejícími spalinami, jejichž teplota s rostoucí dobou topení narůstá přibližně lineárně. V případě použití zařízení pro ZZT však dochází ke snížení ztráty odcházejícími spalinami, a toto snížení je tím větší, čím je větší účinnost předehřevu vzduchu a plynu. Toto názorně ukazuje vztah (2), který vyjadřuje tepelnou bilanci baterie OV za určité období. (2) QODEBRANÉ = QDODANÉ − QSPALINY − QREVERZACE − QPOVRCH + QPŘEDEHŘEV kde jsou
QSPALINY
- tepelné ztráty odcházejícími spalinami
QREVERZACE - tepelné ztráty během reverzace ohřívače QPOVRCH
- tepelné ztráty povrchem
QPŘEDEHŘEV - teplo předehřátí plynu a vzduchu Tepelnou energii odcházejících spalin lze rozdělit na dvě části (3), jedna je odebraná spalinám a s jistou tepelnou účinnosti je zařízením pro ZZT vrácena do baterie OV, a druhá část odchází do komínu (tzv. komínová ztráta). (3) QSPALINY = ∆QSPALINY + QSP , KOMÍN kde jsou
∆QSPALINY QSP , KOMÍN
- tepelná energie odebraná ze spalin zařízením pro ZZT - tepelná energie odcházející do komínu
Pak lze definovat veličiny účinnost předehřevu (4) a stupeň recyklace tepelné energie spalin (5). Q κ = PŘEDEHŘEV (4) ∆QSPALINY Q ρ = PŘEDEHŘEV (5) QSPALINY kde jsou
κ ρ
účinnost předehřevu stupeň recyklace tepelné energie spalin
Dosazením vztahů (2),(3) a (4) do (1) obdržíme vztah (6) definující účinnost baterie OV.
η = 1−
QSP , KOMÍN + QPOVRCH QDODANÉ
−
QREVERZACE ∆QSPALINY − (1 − κ ) QDODANÉ QDODANÉ
(6)
Vztah (6) je unimodální funkcí doby topení všech OV, a úkolem optimalizace je nalezení jeho maxima. Po dosazení za jednotlivé členy tohoto vztahu lze maximum najít derivací podle
doby topení. Podrobný popis použitého matematického aparátu je nad rámec tohoto článku a navíc je v současnosti „šit na míru“ konkrétní řízené soustavě. 3.2. Diagnostika měřícího systému Kromě optimálního řízení baterie OV je další funkcí nadřazené úrovně řízení modernizovaných OV VP6 diagnostika měřícího systému. Baterie OV je vybavena poměrně rozsáhlým systémem měření teplot, tlaků, průtoků a chemického složení. Některá z těchto měření mají pro správnou funkci tohoto technologického zařízení přímo stěžejní význam, např. průtok vzduchu a plynu pro jednotlivé OV, obsah O2 ve spalinách, teplota horkého větru aj. Nadřazená úroveň řízení není sice vždy schopna určit konkrétní chybné měření, avšak může diagnostikovat skupinu několika měření najednou, a tímto upozornit příslušného pracovníka údržby. Principem této diagnostiky je porovnání teoreticky následujících vypočtených hodnot s hodnotami měřenými: • teoretický vs. měřený obsah O2 ve spalinách – v případě velkého rozdílu nebo dokonce skokové změny lze vyvozovat poruchu jednoho z relevantních měření (složení VP plynu, průtok vzduchu nebo plynu, měření obsahu O2 ve spalinách) nebo stavu OV. • teoretická vs. měřená teplota horkého větru – v tomto případě lze z teploty kopule foukaného OV, průtoku přídavného větru a tepelných ztrát v potrubí určit teoretickou teplotu horkého větru, a tuto porovnávat z hodnotou měřenou. Případný rozdíl signalizuje poruchu termočlánku buď v kopuli OV nebo v horkovětrném potrubí. Dále bude možné zjišťovat technický stav jednotlivých OV (zejména keramické vyzdívky) a zařízení pro ZZT pomocí sledování trendu účinností jednotlivých agregátů.
4 Závěr Bohužel v příspěvku zatím nelze prezentovat dosažené výsledky z výše uvedených důvodu. Při tvorbě systému vycházíme jak z poznatků starých několik desetiletí, tak i z nejmodernějších trendů v oblasti řídicích a informačních systémů reprezentovaných např. třívrstvou architekturou aplikace, použitím SQL databáze atd. Je již notorickou tradicí, že v každé aplikaci energetické optimalizace se zdůrazňují neustále rostoucí ceny energie. V případě vysoké pece, tedy agregátu, který si energií pro vytápění baterie OV (VP plyn) sám vyrábí, se však často pohlíželo na úsporu VP plynu, jako na věc druhořadou, ačkoliv jsou OV největším spotřebičem tepelné energie plynu v celém hutním podniku. V době privatizace Energetiky Třinec, a. s. a tlaku na snižování nákladů se výrazně mění pohled na úsporu relativně nekvalitního paliva, jakým je VP plyn.
5 Literatura RÉDR, M., PŘÍHODA, M., 1991. Základy tepelné techniky. Praha : SNTL, 677 s. BLÁHA, L., DROZD, J., VROŽINA, M., 1975, Řízení baterie ohřívačů větru řídicím počítačem CINTL, P., 1973, Regulace vytápění ohřívačů větru v Nové huti K. G., Hutník, 2/1973 KWAKERNAAK, H., TIJASEN, P., STRIJBOS, R., 1970, Optimalnaja rabota doměnnych vozduchonagrěvatělěj, Černaja metalurgija, 18/1970 GOLDFARB, E., M., LEGAVEC, L., V., 1963, Oprědělěnije optimalnoj častoty pěrěklučenij doměnnych vozduchonagrěvatělěj, Černaja metalurgija, 2/1963 KRONMULLER, H., 1963, Zur Optimierung des Winderhitzbetriebes, Regelungstechnik, 6/1963 MRAJCA, V., ZOGATA, R. 1998. Modernizace řízení ohřívačů větru VP č. 6 v Třineckých železárnách. Hutnické listy, 9/1998
ZOGATA, R., 1998, Statistická predikce doby topení ohřívače větru, semestrální práce k předmětu „Matematická statistika“
