Способ управления процессом графитации Советский патент 1987 года по МПК C01B31/04 F27D19/00 

1 .

Изобретение относится к способа управления тепловым объектами, может быть применено для управления электрическим режимом в электричес

производстве при управлении процессом графитации в электрических печах сопротивления прямого нагрева и является усовершенствованием способа по авт.св. № 806600.

Цель изобретения - повьшение качестве графитируемой продукции.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - графики измерения напряжения, мощности,количества электроэнергии во времени; на фиг. 3 - заданный и-реальный графики подъема мощности; на фиг. 4 - заданный и реальный графики изменения расхода электроэнергии.

Устройство для реализации предлагаемого способа состоит из датчика 1 подводимого напряжения, датчика 2 количества электроэнергии с начала процесса и датчика 3 количества электроэнергии за интервал, задатчи- ка 4 количества электроэнергии за интервал, задатчика 5 приращений за

ГО

f5

Если напряжение не превышает пре дельно допустимую величину, измеряю периодически через интервалы времен количество израсходованной за интер вал электроэнергии и сравнивают его с заданным соответственн графику мощности количеством электр энергии за интервал. Причем заданное соответственно графику .мощ ности количество израсходованной электроэнергии за каждьй i-й времен ной интервал находят по формуле

зал, Q:

Т,

(1)

20

25

где Т - продолжительность временног

интервала;

- значение заданной мощности соответственно графику мощности в начале i-ro интерва

ла;

РК;значение заданной мощности соответственно графику мощности в конце i-Toro времен ного интервала.

Исходя из разности величин корре

интервал, устройства 6 сравнения вы- тируют заданное количество электрочислительного устройства 7, устройст- энергии для последующего интер в а. ва 8 управления задатчиком количества энергии за интервал, переключателя 9

ЗС1Д с

Скорректированную величину Q-,

дл

последующего (i+1)-ro временного ин тервала находят как разность между

заданного приращения расхода за интервал, устройства 10 управления ис- 35 заданным значением количества электроэнергии для последующего ()-ro интервала соответственно графику мощности Qi4i и разностью между фак(и по ) у Тсоторого две уставки вели- тическим значением количества электчин - предельно допустимого U

предельно опасного U

полнительным механизмом 11 и устройства 12 сравнения подводимого напряжения (Upoi.) с предельно допустимым

пр

и

40

пр

Юл )( t

роэнергин Q Т и скорректированным заданным значением количества электроэнергии в измеряемый момент времени

Способ осуществляют следующим образом.

Устанавливают экспериментально временной график мощности, подводимой к печи, в основе которого лежит получение изделий высокого качества,большой выход годной продукции и относительно невысокие удельные расходы электроэнергии. Непрерывно измеряют качество израсходованной электроэнергии с начала процесса и за каждый интервал и подводимое к печи напряжение.

Напряжение сравнивают с предельно допустимей величиной, а количество электроэнергии - с заданными знача

ниями соответственно графику, вводимой мощности.

Если напряжение не превышает предельно допустимую величину, измеряют периодически через интервалы времени количество израсходованной за интервал электроэнергии и сравнивают его с заданным соответственно графику мощности количеством электроэнергии за интервал. Причем заданное соответственно графику .мощности количество израсходованной электроэнергии за каждьй i-й временной интервал находят по формуле

зал, Q:

Т,

(1)

где Т - продолжительность временного

интервала;

- значение заданной мощности соответственно графику мощности в начале i-ro интервала;

РК;значение заданной мощности соответственно графику мощности в конце i-Toro временного интервала.

Исходя из разности величин коррекуют заданное количество электроргии для последующего интер в а.

тируют заданное количество электроэнергии для последующего интер в а.

ЗС1Д с

Скорректированную величину Q-,

для

последующего (i+1)-ro временного интервала находят как разность между

ическим значением количества элект

Юл )( t

роэнергин Q Т и скорректированным заданным значением количества электроэнергии в измеряемый момент времени

э.д«

,.cK I -30 /„ТСРКГ ад.ск

Q:. 1 + 1

(

50

Затем для обеспечения подводимого к печи в течение последующего временного интервала количества электроэнергии, равного скорректированному значению Q f., изменяют величину напряжения, подводимого к печи, по формуле

55

&U

пол

У1РАдТ.ТГ--1

4,с,Л,с. iJjiii.

.C1 fl4ClA ;( 1

+ 0.

3

гдейи од - величина, на которую нео

QT ч VI

ходимо изменить подводимое к печи напряжение U

заданное значение расход

за i-й интервал; заданное значение расход за (1+1)-й интервал.

Таким образом, временный график подъема мощности соблюдается в предлах зоны нечувствительности.

Перечисленные операции выпoлняюt до тех пор, пока подводимое к печи напряжение не превышает предельно допустимое, после чего измеряют и сравнивают с заданным () приращения количества электроэнергии з i-й интервал (ДО ) . При условии bQ U Q , уменьшают напряжение, подводимое к печи, по формуле

-УцоА. 2

(1

. Qr.i.)

i

(4)

.где uU величина, на которую необходимо снизить подводимое к печи напряжение; U - разность между фактическим и заданным приращениями за интервал.

Если при превьшении предельно допустимого напряжения измеренное фактическое приращение расхода электроэнергии отстает от заданного графиком программы (uQ & Q ), корректируют заданный график программы на оставшийся период технологического процесса в сторону снижения расхода электроэнергии на постоянную величину d, равную измеренному отставанию расхода электроэнергии за текущий инf QV

тервал QP с заданным по программе приращения , который стано

вится заданием на (1+1)-й интервал

(Qr.: Qr -Qr )

Таким образом, в конце каждого последующего интервала корректируют заданный график программы в сторону снижения расхода за интервал на величину d; пока существует ограничение по напряжению, а фактическое приращение расхода электроэнергии за интервал отстает от заданного. Эти кор- ректировки заданного графика программы приводят к параллельному смещению его вниз. Величина (итоговая этого смещения) определяется как сумма эле

каждом интерва

O

5

0

5

ле тервалов

и„„. и и

.

nof, тервала

ПР

где п - число ин- в которых , при

в конце очередного инзаданное скорректированное количество расхода электроэнергии на последующие интервалы определяется по формуле (2), а подводимое к печи напряжение - по формуле (3),

Вывод формул (1) и (2) поясняется фиг. 2, где представлены кривая а заданного подъема мощности в i-м и (i+1)-M интервалах и кривая 5 заданных расходов электроэнергии в этих же интервалах. Ступеньки на границах интервалов соответствуют приращениям расхода электроэнергии на очередной интервал. Ордината точек А, А (кривая S ) соответствует числовой величине заданного расхода электроэнергии на i-й интервал (Q. ) и равна

Г

площади, ограниченной участком Р„, и Р,.; кривой а и осью времени, т.е.

Q ° определяется по формуле (1).

Ордината точки В (кривая S ) соответствует фактическому расходу электроэнергии за i-й интервал, точки С, с - заданному расходу на (i+1)-й ин0 тервал (Q . ), точка D - скорректированному заданному расходу на (i+ . + 1)-й интервал () , ордината которой определяется по формуле (2). Формулы (3) и (4) выводятся следую5 Щим образом.

В силу инерционности печи графита- ции и малой длительности интервала относительно длительности всей ком-

пании Т

100

можно считать.

что сопротивление керна печи в двух соседних интервалах не отличаются друг от друга. В этом случае расходы электроэнергии за текутций и последу- ющий интервалы можно вьфазить формулами

Отсюда

QT« Уле..С; Й °- - АУлгА.)

iР

(5) , (6)

активное сопротивление керна печи, в котором вьзделяется тепловая энергия.

UU

(и

под

.

- UU

под

(7;

), -2U

пo

под

ьи

(U„o)

под (8)

можно исключить из этого выражения значение () как незначительную величину, на три порядка меньшую величину, посколько на практике 0,05 и„оА.

Подставляя выражения (8) и (7)

2d.

, iOA.CK

.

под 2 ли под

из которых можно вычислить

.СК

(1- SJ

2 такт

J

-).

или для удобства решения в вычислительном устройстве, выразив величину

Факт

через

Q 1+)

Q:

ioA

получают математическое выражение для определения величины изменения напряжения, необходимого для обеспечения подвода к печи в течение последующего (i+1)-ro временного интервала количества электроэнергии, равного скорректированному значению

.СК .

Ui

WA.CK

UnpA- ..

&U

под

(1,од .ад.«

X 14-1 и-1

QT

(4) выводится из условий ,зад

Т Q

(9)

()i . X Q ; -+ U , (10)

гдеШпод приращение напряжения, обусловившего появление превышения фактического приращения расхода за интервал относительно заданногоЬРазделив вьфажения и преобразовав (9) и (10), получают формулу (4).

На реальном объекте способ осуществляется следующим образом.,

Б печь графитации загружают заготовки электродов диаметром 300 мм.

3120746

Заготовки пересыпают по всему объему печи электропроводящим материалом. Общая загрузка около 70 т.

Согласно графика для заданной заг- «; рузки начальная мощность устанавливается 1500 кВт, приращения мощности в первой, второй и третьей температурных зонах задаются соответственно по 300, 500 и 2000 . 10 Общий расход электроэнергии на кампанию задается 300000 кВт-ч, по трем зонам (нарастающим итогом) 23000, 107000, и 300000 кВт.ч. Плановая продолжительность графитации 48 ч. 5 Предельно допустимое напряжение в короткой сети трансформатор - печь 300 В.

Длительность интервала 15 мин. При такой длительности интервала прираще- 20 ния расходов электроэнергии за интервал, соответствующие заданным часовым

приращениям мощности, составляют соответственно для первой, второй и третьей зон соответственно 1-85, 312,5

25 и 300 кВт-ч.

С начала кампании в течение 8,35ч (длительность первой зоны) процесс проходит с нарастанием мощности до АООО кВт по алгоритму без ограничи30 вающего параметра. Измеряют и сравнивают расходы электроэнергии за интервалы заданные с началом процесса.

Измеренное напряжение сравнивают с предельно допустимым. Исходя из разности сравниваемых величин расхода электроэнергии за интервал корректируют задание на очередной интервал и в зависимости от него изменяют подводимое к печи напряжение.

Через 4 ч с начала второй зоны (12,35 ч с начала кампании) в результате непрерывного подъема подводимого к печи напряжения (увеличения факти- чески вводимой мощности) напряжение, измеренное в конце интервала, превышает 300 В, в результате чего дальнейший подъем мощности увеличением напряжения не реализуется, так как в противном случае бьш бы пробой изоляции. Управление процессом осуществляют путем определения фактического приращения и сравнения его с заданным за интервал. Величина измеренного приращения устанавливается меньше заданной. Так как фактическое приращение расхода электроэнергии за интервал равно 100-кВт-ч вместо заданного 125 кВт Ч, на величину отставания при

71

ращения от заданного (25 кВт ч) смещают график программы вниз. Операци- онно это осуществляется следующим образом. Задание расхода на следующий интервал определяется как сумма измеренного фактического расхода в текущем интервале плюс заданное прог раммо й приращение за интервал. Поскольку фактические приращения расходов за интервал в течение 24-х интервалов (6 ч) меньше заданного на 25-55 кВт.ч, фактический расход электроэнергии за интервал отстает от заданного на 800 , т.е. составляет 3700 кВт-ч вместо заданного 4500 кВт.ч начальным графиком программы. По мощности это составляет отставание на 5200 кВт-ч.

Через 6 ч после появления ограничивающего параметра сопротивление печи снижается настолько, что при .этом предельно допустимом значении напряжения приращение за интервал оказывается больше заданного программой для второй зоны. Напряжение в печи уменьшается. После снижения его до 295 В последующий интервал (задание скорректированного расхода за интервал) определяют по формуле (2). Количество электричества, израсходованного на данньм момент времени, с начала кампании 90000 кВт-ч, что соответствует второй температурной зоне, в которой приращение & Q,,, 31,25 кВт«ч. Изменение величины заданного приращения за интервал осуществляют после того, как израсходуют (с начала кампании) 107000 , что означает переход в очередную (третью) температурную зону. Так как в дальнейшем сопротивление керна печи продолжает интенсивно снижаться, дальнейшее управление сводится к подражанию заданных расходов электроэнергии за интервалы по алгоритму, предшествовавшему появление ограничивающего параметра.

Фактическое время графитации составляет 50 ч, что на 2 ч больше заданного. Реальный график процесса после 18,.35 ч с начала кампании сдвинут, паралледьно заданному, с соблюдением заданных температурых градиентов. Этот процесс графически представлен на фиг. 3, где показаны заданный (кривая ) технологом и реальный (кривая I) графики подъема мощностей в печи графитации.

120748

На фиг. 4 представлен график (кривая q ) изменения расхода электроэнергии, заданный технологом, в соответствии с графиком подъема мощное5 ти и реальный график (кривая е ) на участке с ограничением по напряжению. В этих интервалах постоянные сдвиги программы d,, d определяют как разницу между заданным приращением за

О интервал и фактическим

d, -AQT- ;

f5

d, AQ - .Qr. .

в конце (i+3)-ro интервала измеренТб tt

ное значение UО .,, оказывается боль

.зол ч-з

ше uQ , поэтому подводимое напряжение для последующего (i+4)-ro интервала снижают в соответствии с формулой (4) в случае наличия ограничения по напряжению.

Если к этому моменту по каким-то причинам напряжение равно или меньше предельно допустимого, для последующего интервала изменение напряжения осуществляют по формулам (2) и (3). Вид скорректированных в интервалах (i+1)-ro и (i+2)-ro графиков программы показан пунктиром в виде ломанных смещенных ступенек (кривая о ) и сплошных..

Скорректированный график програм- мы (кривая ж ) является в дальнейшем на весь оставшийся период процесса новым программным заданием, сдвинутым относительно первоначального (кривая а ) на общую постоянную величину отставания процесса потребления электроэнергии, равную сумме измеренных отставаний расходов за интервалы (i+1) и (1+2)-й, т.е. dog d,+ d. Устройство работает следующим образом.

Перед началом работы в вычислительное устройство 7 и 2 общего расхода электроэнергии с начала процесса вводится программа, содержащая заданный график мощности (расход электроэнергии за интервал) и алгоритм необходимых вычислений. Подвод заданной мощности в печь (расхода за интервал) осуществляется поддержанием при помощи исполнительного механизма 11 соответствующего значения напряжения U(p), начиная с на- чальной точки А заданного графика подъема мощности (фиг. 4).- Датчик 1

измеряет подводимое к печи напряжение, датчики 2 и 3 регистрир тат коли чество израсходованной энергии с начала процесса и за интервал соответственно „ Сигнал с датчика 2 в соответствии с введенным программой значениями расходов на зону и кампанию электроэнергии с начала процесса пос тупает в вычислительное устройство 7 определяя тем самым границы температурных зон процесса графитации и заданные значения приращений расходов за интервал по участкам. Сигнал с датчика 3, соответствукзщий фактическому значению количества электрознер гии в интервале, поступает в устройство 6 сравнения, В моменты времени, соответствующие границам временных интервалов, сигнал заданного приращения расхода электроэнергии за интервал датчика 5 через переключатель 9 поступает на вход задатчика 4,j где суммируясь с очередным значением задания расхода за предьщущ й (1-1)-й интервал формирует сигнал заданного значения расхода электроэнергии на текущий (i-mih) интервал. Сигнал с выхода задатчика 4 поступает на устройство 6 сравнения, которое выдает сигнал, пропорциональньй разности сравниваемых наклопленных за текущий интервал величин фактического расхода электроэнергии и за;данного. а также определяется соотношение текущего и заданного приращений расходов электроэнергии за интервалы. Эти сигналы с выхода устройства 6 сравнения пос- тупают на вычислительное устройство 7,, на другие входы которого подаются сигналы с выхода датчика 1 подводимого напряжения н устройства 12 сравнения подводимого напряжения с предельно допустимым,

В соответствии с заданным графиком мощности (расход за интефвалы) и алгоритмами необходимых вычислений вычислительное устройство 7 определяет величину Q по формуле (2) и величину изменения ЛИпод напряжения, подаваемого на печь;, по формуле (3) .

Сигнал с вычислительного устройства 7, пропорциональный величине изменения напряжения s поступает на устройство 10 управления исполнительным механизмом 11 который изменяет подводимое к печи напряжение, а следовательно5 мощность и расход за интервал.

12074 о

Вычислительным устройством 7 вырабатывается также сигнал пропорциональный скорректированному значению количества электроэнергии в конце 5 последующего временного интервала который поступает на устройство 8 управления, устанавливающее задатчик 4 количества электроэнергии в соответствующее положение. После выпол- Ш нения операций сравнения, вычисления и выработки команды управления, на границе начала следующего интервала 3, измеряющий текущий расход, сбрасывается в исходное (нулевое)

15 состояниеJ а задание на очередной интервал вводится - ступенькой в виде прибавления заданного приращения ( через переключатель 9 в счетчик задатчика 4, хранящий информацию о за- 20 данном расходе на предьщущий интер- : вал,

Поэтому график заданных расходов электроэнергии (фиг,. 2) представлен Б виде точек, ординаты которых выра25 жают числовые дискретные значения заданных расходов абсциссы этих точек определяются конечными границами интервалов (i-1), i и ()-и.

30 Траектория изменения заданных ве- пичин расходов показана (фиг. 2) в виде ступенчатой линии с быстрыми скачкообразньЕ И переходами ..(за 0,1 с) на границах интервалов в новое значе35 ние задания для последующего интер- вала. На фиг. 2 изображен график те- K ST4ero значения на величину Vnot, процессе выработки в устройстве управляющего воздействия, В i-м интер 0 вале текущий расход . . Qiaa интервал превьппает заданный Q , по- согласно формз ле (3) вычислительное устройство 7 вырабатывает сигнал на снискание напряжения нА ве45 личину а и.

Устройство так работает до тех пор, пока с С1эавнивающего устройства 12.не поступит сигнал о превьшении напряжения предельно допустимо- 50 го Uqp в вычислительное устройство 7, Если это превышение достигается в конце интервала к сохраняется до конца, вычислительное устройство 7 с момента появления сигнала с датчи55 ка 2 меняет алгоритм работы следующим образом.

С зычисли ельного устройства 7 скгнаот через устройство 8 управления устанавливает переключатешь 9 з поло1113

жение, блокирующее ввод задания с устройства 5. С устройства 6 по пер- Йому выходу в вычислительное устрой- ;Ство 7 поступает сигнал, характеризующий соотношение текущего приращеcpaitt Бал

ния С заданным. Если uQ . bQ ; , с вычислительного устройства на устройство управления 10 поступает сигнал на уменьшение напряжения по формуле (4). Если же t. с второго выхода устройства 6 сравнения в вычислительное устройство 7 поступает сигнал, переключающий работу вычислительного устройства. Последнее из устройства 6 через устройство 8 пропускает импульсы превышения фактического расхода за интервал относительно зафиксированного в задатчике 4 значения заданного расхода на завершенный интервал, т.е. с момента равенства значений фактического расхода (число в датчике 3) числу в задатчике 4, дальнейшее увеличение значения числа в датчик 3 через устройства 6-8 поступает на задатчик 4 в виде текущего приращения. Иначе говоря, в датчике 3 и задатчике 4 числа синхронно увеличиваются на величину текущего приращения,определяв- мого в устройстве 6.Этот процесс синхронного увеличения значения задания в задатчике 4 по фактическому превьше- нию расходов за интервал продолжается в каждом интервале до тех пор, .пока не возникает условие л , это значит, что в конце каждого интервала график задания- расходов на следующий интервал смещается вниз относительно предыдущего (экстраполированного на все последующие интервалы) на величину р - Л Это видно на фиг. 4, из которой следует, что

- Q

- Л Pi 4-1

uQ - bQ,4,

Это условие определяется устройством 6 сравнения, на один вход которого поступает сигнал заданного приращения расхода за интервал с задатчика

ФОКТ

5. С момента превышения хотя бы на один импульс значения синхронное увеличение задания в задатчике 4 прекращается, а вычислительное устройство по команде с первого выхода устройства 6 переключает через устройство 10 управления исполнительный механизм 11 в направлении сниже412

ния напряжения. Последнее снижается,, после чего снимается с входа вычислительного устройства 7 сигнал ограничивающего фактора, т.е. на выходе

устройства 12 сравнения исчезает сигнал, характеризовавший равенство Unoj .

Вычислительное устройство 7 переключается в режим заданного программой управления, так как переключает устройство 8, через который снимается запрет в переключателе 9. Через этот блок переключения заданных приращений в конце текущего интервала

вводится в задатчик 4 расхода электроэнергии заданное приращение лQ на задатчике 5. Последний формирует задание с учетом величины общего расхода электроэнергии, измеренного в

начале кампании датчиком 2. В этом блоке программой ранее введены граничные значения расходов электроэнергии зон.

Дальнейшее управление идет по заданной программе, как до появления ограничивающего параметра. Если же по какой-либо причине подводимое напряжение к печи превышает значение предельно опасного напряжения , на

втором выходе устройства 12 сравнения появляется сигнал, воздействукнций через устройство 1CV управления на исполнительный механизм 11 в направлении снижения напряжения до соотнощения и под 5 Unp

В дальнейшем работа устройства аналогична описанному при появлении ограничения U „од пр

Формула изобретения

Способ управления процессом гра- фитации по авт.св. № 806600, отличающийся тем, что, с целью

повышения качества графитируемой продукции, непрерьшно измеряют ток или напряжение печи, сравнивают их с предельно допустимыми по технологии значениями, при достижении током или

напряжением своего предельного значения ограничивают тактовое увеличение , напряжения на следующий интервал времени, при последующем снижении тока или напряжения печи ниже предельного

значения в конце такта осуществляют тактовое увеличение подводимой мощности на заданную по программе величину.

фиг. 1

Изобретение касается управления процессом графитации преимущественно в электрических печах прямого нагрева. Цель изобретения - повьшение качества графитируемой продукции. Существо изобретения заключается в том, что непрерывно сравнивают ток или напряжение печи, сравнивают их с пре- дельно допустимыми значениями тока или напряжения. При достижении одним из параметров своего заданного эна- чения ограничивают тактовое приращение напряжения на следующий интервал времени. При дальнейшей работе печи в случае снижения тока или напряжения печи ниже предельного значения в конце такта осуществляют тактовое увеличение подводимой мощности на заданную по программе величину. 4 ил. со ND О 4 N)

Фи9.:5

ФмЛ