13.2 Автоматическое регулирование температуры в печи

Автоматическое регулирование температурного режима является, как правило, основной задачей системы автоматики металлургической печи. Температурный режим, уровень темпера­туры в печи определяет теплопередачу к металлу и, следовательно, скорость его нагрева, распределение температуры в массе металла, интенсивность окалинообразования, износ кладки печи и другие важнейшие параметры, характеризующие процесс тепловой обра­ботки материала и работу самого агрегата.

Температура в печи определяется интенсивностью подвода и сжигания топлива и в этом смысле она является регулируемым параметром. Однако температура в печи может рассматриваться и как регулирующее воздействие по отношению, например, к тем­пературе металла или температуре кладки.

Узлы регулирования обеспечивают поддержание заданной температуры в рабочем пространстве нагревательных колодцев, методических, колпаковых, башенных и других печей; они стаби­лизируют температуру в камере зажигания агломерационной машины и температуру дутья, подаваемого в доменную печь и др.

Качественное регулирование температуры в рабочем простран­стве печи предполагает выбор представительной точки контроля, правильную установку датчика температуры, правильный выбор типа регулятора и соответствующую настройку его, правильный выбор регулирующего органа.

Датчиками температуры чаще всего являются термопары или пирометры, пределы измерений которых соответствуют значениям контролируемых температур. Термопару или пирометр устана­вливают в своде или стене печи в специальной арматуре; пиро­метр визируют на дно огнеупорного стакана. Термопара или огнеупорный стакан пирометра, погруженные в рабочее про­странство печи, в результате теплообмена с факелом, горячими газами и нагретыми поверхностями кладки и металла приобре­тают температуру, соответствующую некоторой средней темпера­туре в рабочем пространстве или в данной зоне рабочего простран­ства печи.

Тип исполнительного механизма зависит от типа выбранного регулятора (электрический, пневматический, гидравлический) и вида регулирующего органа.

В пламенных печах регулирующими органами, изменяющими расход газообразного или жидкого топлива, обычно являются поворотные заслонки и регулировочные клапаны различных конструкций.

Металлургическая печь с точки зрения динамических свойств по каналу топливо–температура представляет собой весьма инерционный и нестационарный объект.

В определенном режиме работы печи передаточная функция по этому каналу может быть, как правило, представлена выраже­нием вида

.

Таким образом, металлургическая печь аппроксимируется последовательно соединенными апериодическим звеном и звеном чистого запаздывания.

Динамические характеристики объекта регулирования зависят от способа измерения температуры. Можно выделить два основных способа контроля температуры в печи:

1) термопарой или радиационным пирометром, визированным на дно огнеупорного стакана;

2) радиационным пирометром, визированным непосредственно на факел или через факел на стенку печи или металл.

Выбор того или иного способа измерения температуры определяется теплотехническими, метрологическими и конструктивными требованиями.

Чистые запаздывания и постоянные времени в контурах регулирования температуры различных печей могут достигать нескольких минут. Большая инерционность связана с тепловой инерцией как самих печей, так и датчиков температуры, имеющих, как правило, достаточно массивные огнеупорные защитные чехлы.

Количественные характеристики переходных кривых существенно зависят от режима работы печи. Для печей непрерывного действия (методических, проходных, протяжных) статические и динамические характеристики меняются с изменением производительности, т.е. при возмущениях по нагрузке. В печах периодического действия статические и динамические свойства контура регулирования температуры сильно меняются со временем внутри цикла нагрева. В начале нагрева, когда металл и кладка печи имеют сравнительно низкую температуру, их аккумулирующая способность по теплу велика и коэффициент передачи объекта значителен. По мере прогрева металла и кладки их способность поглощать тепло уменьшается и коэффициент передачи объекта падает, так, например, для нагревательных колодцев в начале периода выдержки коэффициент передачи по каналу температура в ячейке–расход топлива составляет 70, а в конце периода 15 град/тыс.м³ газа в час.

Нестационарность статических и динамических характери­стик печей в контуре регулирования температуры требует особого внимания при выборе и настройке регуляторов. В этих контурах применяют регуляторы непрерывного действия, работающие по П, ПИ и ПИД-законам регулирования, а также релейные (двух- и трехпозиционные) и импульсные регуляторы. Хорошее качество регулирования обеспечивается обычно применением регуляторов, работающих по ПИ-закону регулирования, с настройкой степени неравномерности и времени удвоения регулятора по кривой разгона, характерной для преимущественного режима работы печи. Однако в каждом конкретном случае закон регулирования необходимо определять по индивидуальным показателям объекта. Улучшенными динамическими свойствами обладают адаптивные системы с кор­рекцией настроек регулятора при изменении режима работы печи [2,15].