Sterowanie mieszanką gazową w hutach
| TechnikaEmitowanie do atmosfery gazów będących produktem ubocznym w hutach żelaza i stali nie tylko zanieczyszcza środowisko, ale jest również marnotrawstwem energii.
Dlatego też coraz więcej zakładów wykorzystuje mieszankę tych gazów jako paliwo do pieców. Problemem jest jednak uzyskiwanie mieszanki o odpowiednich właściwościach.
Niestabilne ciepło spalania
Jednym ze wskaźników jakości mieszanki gazowej jest wartość jej ciepła spalania. Gazy z niestabilnymi wartościami ciepła spalania mogą powodować poważne problemy związane z przegrzewaniem lub niedogrzaniem. Nawet w normalnych warunkach operacyjnych ilość dostarczanego gazu i zapotrzebowanie nań mogą zmieniać się w sposób losowy. Większe urządzenia, takie jak piece hutnicze czy grzewcze mogą się okresowo załączać i wyłączać, powodując przy tym duże zakłócenia w przepływie gazu, jego ciśnieniu i cieple spalania. Ciepło to można wprawdzie kontrolować za pomocą bezpośrednich analizatorów, ale ze względu na wysokie koszty i problemy z ich utrzymaniem, rozwiązanie to stosuje się raczej rzadko.
W uproszczonym systemie mieszania gazów, mieszanka uzyskiwana jest z gazu koksowniczego i hutniczego. Bezpośredni analizator mierzy wartość ciepła spalania. Jednak ze względu na opisane powyżej niedogodności związane z jego stosowaniem, jest on włączany tylko okresowo.
Procedury operacyjne
W trosce o bezpieczeństwo, maksymalizację wykorzystania energii oraz o środowisko, w procesie mieszania, należy przestrzegać pewnych zasad. Po pierwsze powinno się używać tak dużo gazu koksowniczego, jak to tylko możliwe, gdyż wartość jego ciepła spalania jest pięć razy wyższa niż w przypadku gazu hutniczego, z którym jest mieszany. W normalnych warunkach nie ma potrzeby sterowania jego przepływem. Po drugie gazy należy mieszać w ten sposób, aby uzyskać stabilną wartość ciepła spalania.
Ponadto trzeba pamiętać, że piec koksowniczy i hutniczy pracują w dynamicznym środowisku produkcyjnym, w związku z czym ilość gazu, który produkują, może ulegać znacznym zmianom. Gdy ciśnienie gazu koksowniczego jest zbyt wysokie, zawór przepływu gazu hutniczego musi zostać zamknięty, aby zapobiec dostaniu się tego pierwszego gazu do obszaru z gazem o niskim ciśnieniu. Mogłoby to doprowadzić do wypadku. Z drugiej strony, gdy ciśnienie jest zbyt niskie, należy szerzej otworzyć zawór przepływu gazu hutniczego w celu zapewnienia wystarczającej ilości mieszanki dla dalszych procesów.
W przypadku tradycyjnego sterowania ręcznego, operator w celu maksymalizacji ilości stosowanego gazu koksowniczego pozostawia zawór przepływu tego gazu szeroko otwarty. Następnie ręcznie ustawia zawory kontroli ciśnienia obu gazów, a na końcu, również ręcznie, ustawia zawór hutniczy. Podczas ostatniej z tych operacji kieruje się głównie wyczuciem i doświadczeniem oraz wynikami pomiarowymi z bezpośredniego analizatora wartości grzewczej.
Niestety w związku z różnego rodzaju zakłóceniami, częstymi zmianami w ilości dostarczanego gazu oraz zapotrzebowania na niego, a także nieliniowością oraz pętlami przepływu, tradycyjne systemy sterowania charakteryzują się słabą stałością wartości grzewczej uzyskiwanej mieszanki.
Case study: Huta Ling YuanNa zastosowanie technologii MFA w procesie mieszania gazów po raz pierwszy zdecydowano się w chińskiej hucie żelaza i stali Ling Yuan. Wykorzystano w niej do monitoringu i optymalizacji rozproszony system sterowania oraz oprogramowanie CyboCon MFA. Godne podkreślenia jest to, że do regulacji, monitoringu i optymalizacji wystarczył pakiet oprogramowania zainstalowany na komputerze klasy PC, który pracował pod kontrolą systemu Windows 2000 i był podłączony do rozproszonego systemu sterowania przez interfejs OPC. Specjalny sterownik przepływu gazu koksowniczego zapewniał ochronę przed wprowadzeniem nadmiernej ilości mieszanki. W normalnych warunkach, podobnie jak w systemach tradycyjnych, odpowiedni zawór jest szeroko otwarty. Gdy zapotrzebowanie na gaz spada poniżej pewnego poziomu, zawór ten jest przymykany w celu ograniczenia przepływu. Pozwala to systemowi na pracę w granicach bezpieczeństwa. Inny sterownik kontroluje ciśnienie gazu hutniczego oraz pełni rolę sterownika pomocniczego dla pętli wartości grzewczej. Utrzymywanie ciśnienia gazu w zdefiniowanym zakresie pracy zwiększa stabilność i sterowalność pętli wartości grzewczej. Za pomocą jeszcze innego sterownika kontrolowane są fluktuacje ciśnienia gazu koksowniczego. Rozwiązanie wdrożone przez pekiński oddział CyboSoft sprawdziło się w praktyce wykazując nawet przy dużych zakłóceniach z pieców koksowniczych i hutniczych. System w praktyce pozwolił na utrzymywanie wartości grzewczej w przedziale +/-100kcal/Nm3. Ponadto zapewnił wyższą jakość produktu, zwiększone bezpieczeństwo w zakładzie oraz wpłynął korzystnie na efektywność i elastyczność produkcji. |
Czujniki programowe
Problem automatycznego pomiaru i kontroli wartości grzewczej uzyskiwanej mieszkanki we wszelkich warunkach operacyjnych doczekał się w końcu rozwiązania. Firma CyboSoft opracowała algorytm, który pozwala na bezpośrednie obliczanie wartości grzewczej przy użyciu czujników programowych. W trybie automatycznym, czujnik umożliwia systemowi na pracę ciągłą – tj. 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodni i bez konieczności wykorzystywania bezpośredniego analizatora. Ten ostatni używany jest jedynie do kontroli i kalibracji obliczonej wartości.
MFA zamiast PID
Omawiane rozwiązanie wykorzystuje stworzoną i opatentowaną przez CyberSoft technologię bezmodelowych sterowników adaptacyjnych – MFA (model-free adaptive). Mają one szereg przewag nad nadal dominującymi w procesach przemysłowych, liczącymi sobie już ponad pół wieku, sterownikami PID. Zastosowanie MFA w warunkach oscylacji pozwala na szybką stabilizację systemu. Sterowniki te są w stanie poprawić sytuację, w której znajduje się system w sposób szybszy i lepszy niż PID. Lepsza kontrola oznacza zwiększoną stabilność procesu, wyższą efektywność produkcyjną i zysk, a także mniejsze straty surowca i energii.
MFA pozwala na sterowanie skomplikowanymi systemami bez konieczności stosowania ich modeli. Nie jest potrzebna dokładna znajomość procesu i jego dynamiki a priori, co często jest bardzo trudne, o ile w ogóle możliwe, do osiągnięcia, ze względu na dużą dynamikę i stopień złożoności wielu operacji przemysłowych. MFA dobrze sprawdza się w przypadku procesów nieliniowych, a także takich, na które wpływ ma wiele zmiennych lub w których występują duże opóźnienia. Ponieważ MFA nie wymaga przeprowadzania fazy treningowej, można go uruchomić w dowolnym momencie, natychmiast przejmując kontrolę nad procesem. Inną zaletą tego rozwiązania, jest fakt że po zainstalowaniu nie ma potrzeby dopasowywać ustawień sterownika.
Budowa MFA
MFA składa się z dynamicznego bloku liniowego, który pełni rolę sterownika ze sprzężeniem zwrotnym. Blok dynamiczny stanowi pewien system wejścia/wyjścia. Celem sterowania jest uzyskanie takiej wartości na wyjściu, żeby zminimalizować błąd między wartością zadaną i mierzoną zmiennej procesowej.
Blok dynamiczny zawiera zbiór współczynników wagowych oznaczanych jako wij oraz hi, których wartości można zmieniać w zależności od potrzeb w celu regulacji nieliniowych funkcji bloku. Uczący się algorytm aktualizujący wartości współczynników wagowych ma również na celu minimalizację błędu, między wartością zadaną a mierzoną zmiennej procesową. Wynika z tego, że adaptacja współczynników wagowych może pomóc sterownikowi w minimalizacji błędu.
Sterownik MFA pamięta część danych procesowych, dostarczając w ten sposób cennych informacji o dynamice procesu. Dla porównania, cyfrowa wersja sterownika PID pamięta tylko aktualną i dwie poprzednie próbki.
Nie tylko huta
Na zakończenie warto wspomnieć, że technologia MFA ma dosyć szerokie zastosowanie – znacznie szersze niż do regulowania składem mieszanki hutach. Z CyfoSoft współpracują firmy takie, jak Siemens, National Instruments czy Sixnet. Wiele wskazuje na to, że ich liczba będzie się zwiększać.
Marek Krajewski
