автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка и применение для исследования тепловых режимов математической модели процессов сложного теплообмена для условий скоростного нагрева на примере секционной печи



На правах рукописи

МЕДВЕДЕВ Игорь Юрьевич

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ СЛОЖНОГО ТЕПЛООБМЕНА ДЛЯ УСЛОВИЙ СКОРОСТНОГО НАГРЕВА НА ПРИМЕРЕ СЕКЦИОННОЙ ПЕЧИ

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники,

математических методов и математического моделирования в научных исследованиях

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 1997

Работа выполнена в Уральском государственном техническо университете - УПИ.

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники Р<

действительный член АИН РФ, докто технических наук, профессор Лисиенко В.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедр

"Металлургические печи" УГТУ-УПИ Сш рин Н.Л.;

кандидат технических наук, старший научны сотрудник НИИМТ Щербинин В.И.

Ведущая организация - АООТ "Стальпроект", г. Москва.

Защита состоится "26" декабря 1997 года в 15 часов 00 минут на заседани специализированного совета К.063.14.15 по адресу: 6200002, г. Екатеринбур УГТУ-УПИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ - УПИ. Автореферат разослан "_" ноября 1997 г.

Ваши отзывы в одном экземпляре, заверенные гербовой печатью, просьб; высылать по указанному адресу.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

Морозова В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Выпускаемая многими российскими предприятиями металлопродукция находит спрос на отечественном и мировом рынке, однако :ебестоимость этой продукции часто оказывается выше, чем в промышленно эазвитых странах. Кроме того, при выходе на мировой рынок обязательным условием является обеспечение высокого качества выпускаемой продукции, соторое должно тесно увязываться с вопросами экономии энергетических ресурсов и защиты окружающей среды. Вследствие сложности протекающих з энерготехнологических агрегатах процессов получить решение этой задачи збычными, чисто эмпирическими методами не удается. Поэтому важнейшим 1нструментом анализа тепловой работы энерготехнологических установок ;тановится математическое моделирование, особенно в настоящее время, когда нирокое распространение получила вычислительная техника. Особенно 1ктуальной является разработка методов математического моделирования тепловых процессов скоростного нагрева, который в настоящее время находит ¡се большее применение вследствие обеспечения высокой производительности \ резкого уменьшения угара металла. Математическое моделирование тозволяет не только сократить время проектирования таких объектов, но и доставить на модели вычислительные эксперименты, которые практически не логут быть реализованы ни на действующем агрегате, ни на его физической лодели.

Определяющее влияние на показатели работы ряда печей скоростного ¡агрева оказывают совместно протекающие процессы радиационно-сонвективного и кондуктивного (в дальнейшем сложного) теплообмена. Эффективность функционирования таких агрегатов во многом определяется тдежностью и точностью расчетов теплообмена на стадии проектирования и эазработки системы управления их тепловыми режимами. Существующие на :егодня математические модели нагревательных печей ориентированы в >сновном на медленно протекающие процессы и часто не принимают в расчет

продольный перенос тепла излучением. Для печей скоростного нагрев; требуется более уточненный расчет динамических характеристик процессов < учетом разрывности заготовки и гибкого производства (смены сортамента производительности, остановок и пусков печи). При расчете теплопередачи з; счет излучения в прежних моделях рассчитывались фиксированные дл: расчетного участка коэффициенты радиационного обмена, не меняющиеся в< времени, которые определялись для случая полного заполнения расчетной участка металлом, что накладывает ограничение на разрывность заготовки.

Включение модели в контур управления агрегатом является одним и широко применяемых в последнее время методов построения автоматизирован ной системы управления технологическим процессом. Однако создашь эффективной системы управления возможно лишь на основе адекватной модел] процесса, после создания которой можно отказаться от дорогостоящи: экспериментов на реальном объекте, заменив их вычислительными.

Цель работы — разработка динамической математической модели процессо: сложного теплообмена для условий скоростного нагрева металла на пример секционной печи, использование модели для выбора и оптимизацш температурно-тепловых режимов и конструктивных параметров, выработк] на ее основе рекомендаций по совершенствованию алгоритмов управлени секционной печи, а также оценки возможности равномерного нагрева заготово: по длине без использования индукционной установки.

Научная новизна. В соответствии с поставленной целью были впервы получены и выносятся на защиту следующие основные результаты:

- динамическая с высоким пространственным разрешением мультизональ ная математическая модель процессов сложного теплообмена при скоростног газовом нагреве трубных заготовок в секционной печи, учитывающа продольный перенос тепла излучением и подвижную границу нагреваемог материала;

- методика численного расчета нестационарного теплообмена при наличии временных интервалов между отдельными заготовками;

- результаты исследований, отражающие зависимость величины перегрева :онцов заготовок от скорости движения заготовок и интервала между ними;

- апробированные с помощью разработанной модели рекомендации по :овершенствованию алгоритмов управления работой секционной печи.

Практическая ценность диссертации заключается в создании динами-[еской математической модели сопряженных тепловых процессов для условий :коростного нагрева на примере секционной печи газового нагрева трубных :аготовок. Программный комплекс был использован при проектировании 'частка газового нагрева редукционного стана 18-38 Первоуральского ювотрубного завода. Проведенные с помощью модели расчетно-теоретические ^следования позволили определить рациональные режимные параметры печи. 1а базе разработанной модели была апробирована система управления епловыми режимами секционной печи, реализующая предложенный автором :пособ нагрева, обеспечивающий равномерный по длине температурный фофиль заготовок без использования индуктора.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международном :еминаре "Моделирование, современные технологии, экспертные системы и :истемы управления в области тепломассообмена" (г. Екатеринбург, 1996), федставлялись на Всероссийской научно-технической конференции 'Информационные технологии, системы управления и электроника" г.Екатеринбург, 1997).

Публикации. По теме диссертации опубликованы четыре научные работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех лав, заключения, списка используемых источников, приложения. Работа (ыполнена на 179 страницах, содержащих 109 страниц машинописного текста, [8 иллюстраций, 11 таблиц и библиографический список из 86 наименований >абот, приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненных в диссертационное работе исследований, кратко сформулированы цели и задачи исследования.

Первая глава диссертации посвящена анализу особенностей математического моделирования процессов теплообмена для условий скоростногс нагрева металла, конструктивным характеристикам секционных печей режимам работы и особенностям их управления. Здесь же поставлены задача исследования.

Моделирование тепловых процессов, происходящих при скоростное нагреве, связано с решением ряда проблем, касающихся разработке алгоритмического и программного обеспечения. В настоящее время существуем пакет алгоритмов и программ, разработанный в УГТУ—УПИ под руководство;» В.Г. Лисиенко в содружестве с рядом организаций и предприятий i реализующий отдельные стадии вычислительной структуры, включающее моделирование комбинированного теплообмена сложных энерготехноло' гических объектов в рамках многозональной методики. Определенные вопрось по развитию методов расчета комбинированного теплообмена применительнс к реальным энерготехнологическим объектам рассматривались также в работа> Невского A.C., Адрианова В.Н., Арутюнова В.А., Бухмирова В.В., Журавле ва Ю.А., Хоттеля X., Висканты Р. и др.

Разработанные пакеты позволяют рассчитать температурные режимь различных энерготехнологических объектов с достаточной точностью i скоростью, однако уже сегодня появляются задачи, где требуется определенен режима работы агрегата в динамике с учетом ряда особенностей скоростногс нагрева. Одним из характерных примеров является секционная печь реализующая сложный теплообмен, поскольку нагрев металла в Hei осуществляется как за счет излучения, так и за счет конвекции. Друго! особенностью нагрева является значительный перепад между температуро! секции и температурой проходящей через нее заготовки, что позволяет i

высокой скоростью (за 1 - 5 минут) нагреть металл до температуры 1000 -1200 °С и выше. Печи позволяют успешно реализовать режим гибкого производства: быстрый пуск и останов, изменение скорости нагрева и сортамента. Средняя скорость нагрева металла в них составляет 20 °С/с, а плотность теплового потока на металл достигает 200 кВт/м2. Использование такого нагрева значительно уменьшает окалинообразование и обезуглероживание стали, улучшает ее структуру и свойства, повышает пластичность и соответственно облегчает горячую обработку металла давлением, уменьшает расход энергии на деформацию. Применение струйно-факельных горелок в таких печах резко повышает КПД в результате пяти-десятикратного увеличения конвективной теплоотдачи и делает печи наиболее экологически чистыми, поскольку содержание оксидов азота в отходящих газах уменьшается в 2 -3 раза. Однако наряду с бесспорными преимуществами, связанными с малой стоимостью и компактностью, такие печи требуют особого внимания к вопросам управления. Малое время реагирования для оператора обусловливает сложность управления такими высокоскоростными агрегатами, что требует совершенствования системы управления. Кроме того, модели таких высокоскоростных нагреватель-ных агрегатов немногочисленны и, как правило, имеют много упрощающих допущений. Поэтому весьма актуальной задачей является разработка динамических математических моделей процессов теплообмена, протекающих в энерготехнологических агрегатах скоростного нагрева, для детального исследования режимов нагрева металла и выработки принципов управления.

Во второй главе приводится описание динамической математической модели сопряженных процессов теплообмена, протекающих в секционной печи скоростного газового нагрева трубных заготовок, и ее адаптация к реальным условиям. -

Объектом моделирования является секционная газовая печь, осуществляющая предварительный нагрев трубных заготовок от 20 до 750 °С длиной

от 12 до 24 м, наружным диаметром 89 — 114 мм и толщиной стенки 3 — 8 мм Производительность печи до 30 т/ч. Среднее время нагрева составляет 40 I при скорости движения металла в печи 1 м/с. Секционная печь состоит из 21 отапливаемых секций, попарно объединенных в 14 зон управления, и дву: измерительных секций, заполненных воздухом. Секции разделены между собо1 тамбурами с расположенными внутри водоохлаждаемыми роликами. Псч: отапливается природным газом калорийностью 35,6 МДж/м3.

Прогнозирование тепловых режимов подобных энерготехнологически: агрегатов чаще всего основывается на аппроксимации интегральных уравнешп переноса энергии. При этом элементы, полученные в результате дискретизацш области, рассматриваются как конкретные части физической системы, дл. которых формируются условия баланса тепла:

+ +£^.7} +5,- = 0, г - 1,.... к, (1

где Т. - средняя температура зоны j, либо температура в узле контрольного объема_/; Л, А, И — коэффициенты, аппроксимирующие потоки тепла за сче излучения, конвекции и теплопроводности; 5 - источниковые члены, связанны с постановкой граничных условий и внешними источниками тепла; /?, с, V. ■ плотность, теплоемкость и объем контрольных объемов и объемных зон.

В тех областях физической системы, в которых перенос тепла осущест вляется за счет излучения, расчет теплопередачи проводится зональньп методом. Перенос тепла за счет теплопроводности осуществляется методо! конечных разностей, а перенос тепла за счет движения металла и продукто сгорания аппроксимируется разностями против потока с учетом предположени зонального метода о постоянстве температуры дискретного элемента.

При построении моделей таких объектов проблема расчета радиационно конвективного нестационарного нагрева металла в условиях изменяющейс геометрии высокого пространственного разрешения является центральной : способ ее решения определяет полноту и уровень той или иной модели. Задач

заключается в том, что при движении заготовок конечной длины изменяется геометрия рабочего пространства печи, что требует постоянного пересчета коэффициентов радиационного теплообмена, процедура которого достаточно сложна и занимает много времени. Традиционным подходом при моделировании нагревательных печей является разбиение последней на расчетные участки, в пределах которых перенос тепла за счет излучения считается замкнутым. Существующие на сегодня модели задачу с изменяющейся геометрией решают только в плоскопараллельной постановке, не учитывающей продольный перенос тепла излучением, что приводит к получению не соответствующих действительности результатов. Так, для оценки температурного поля вдоль заготовки печь необходимо разбить на большое количество расчетных участков, однако при этом будет невозможно учесть влияние излучения соседних в продольном направлении близко расположенных зон друг на друга. Если же выбрать расчетный участок достаточно длинным для получения усредненной оценки излучения от соседних зон, то будет невозможно определить распределение температур вдоль заготовки. Разрешение этой проблемы возможно в осесимметричной модели, где расчетный участок, замкнутый по излучению, можно выбрать достаточно длинным с мелкой разбивкой на зоны в продольном направлении. Такая модель позволяет не только учесть взаимное влияние соседних зон по излучению, но и с высокой точностью определить температурный профиль вдоль отдельной заготовки.

Получить наиболее полное и точное решение задачи учета продольных составляющих лучистых потоков можно, используя всю печь в качестве единой зональной модели. Для условий нагрева непрерывной заготовки это вполне реально. Однако при моделировании, учитывающем подвижную границу нагреваемого материала, количество конфигураций печи очень велико и расчет теплообмена(излучением в такой системе существенно затруднен, поскольку требуется значительное количество времени и памяти для хранения данных.

В предлагаемой модели расчетный участок представляет собой рабочее пространство двух секций с расположенными внутри двумя роликами, нагреваемую заготовку и первый внутренний слой кладки (рис. 1) . Имеющиеся в печи две измерительные неотапливаемые секции оказывают влияние на теплообмен в соседних с ними секциях. В связи с этим в модель печи вводится два расчетных участка, каждый из которых содержит измерительную секцию, совмещенную с двумя зонами регулирования до измерительной секции и после

нее по ходу движения металла.

_22 21 -20 "19

_26 -25 -24

"23

30 -29 28 "27

-34 -33 ;~32 "31

,-22 Г 21 : 20 "~19

О

а

10

:®0

12

. .3____I_____4 . _ Л\ _ ..5. . „..1........6_____1______7. ... ]____8____

/ 1 ось симметрии

Рис.1. Дискретная модель расчетного участка из двух секций:

1 - 8 - зоны металла, 9-12, 19-34- зоны кладки, 13 - 14 - зоны ролика, 15 - 18 - газовые зоны

Разбиение на зоны в расчетном участке выполнялось следующим образом. В каждой секции и в тамбуре было выделено по одной объемной газовой зоне и одной поверхностной зоне кладки. В радиальном направлении в первом слое кладки было выделено 5 контрольных объемов. При разбиении на зоны металла было выделено по 3 одинаковые зоны в секции и по одно? зоне такого же размера в тамбуре. Каждый ролик в модели был заменен одной поверхностной зоной. Конфигурация секционной печи полностью осесимметричная относительно оси движения металла, за исключением ролика. Для приведения геометрии ролика к единой осесимметричной схеме расчетного участка первый был заменен телом, образованным вращением ромба вокруг оси симметрии. При разбиении на замкнутые по излучению расчетные участки первый тамбур в модели из-за влияния излучения только от одного рабочего пространства секции оказывается в существенно других условиях по отношению ко второму тамбуру. Поэтому в модели половина первого по ходу движения металле

тамбура располагается справа от второй секции. Симметризация влияния излучения на первый тамбур достигается распределением радиационного теплового потока второй секции по двум тамбурам.

В модели использовались следующие граничные условия. Потери тепла через внешний теплоизоляционный слой клада! моделировались тепловым потоком, линейно зависящим от температуры внешней поверхности внутреннего слоя кладки, а потери тепла в ролике учитывались посредством теплового потока, линейно зависящего от температуры поверхности ролика. Температура продуктов сгорания на входе в печь определялась из известных коэффициента избытка воздуха, температуры подогрева воздуха в рекуператоре, теплоты сгорания топлива.

С целью упрощения расчетов, учитывающих изменяющуюся геометрию расчетных участков, матрицы коэффициентов радиационного теплообмена вычислялись только для отобранных 16 типовых конфигураций зональной модели рабочего пространства печи для расчетного учас тка, состоящего из двух секций, и 54 типовых конфигураций для расчетного участка, состоящего из пяти секций. Расчет коэффициентов радиационного теплообмена проводился методом параллельных плоскостей.

Расчет нестационарного теплообмена проводится на эйлеровой сетке. Характерной особенностью перемещения металла по эйлеровой сетке является прерывность. Наличие интервала между отдельными заготовками является причиной того, что в один момент времени в зоне металл присутствует, а в другой момент времени отсутствует. Поэтому в данной модели используется следующий подход.

Временной интервал Ат разбивается на два интервала: Дг; и Дт,. Предполагается, что за время Д г, металл перемещается из одной зоны в другую без взаимодействия с другими зонами модели. За время Л г, металл считается неподвижным в своем новом положении. Здесь происходит нагрев металла за счет излучения и теплоотдачи. Таким образом, задача решается в две стадии:

сначала осуществляется перенос поля температур, имитирующий продвижение трубной заготовки, в соответствии со скоростью движения металла и модельным временем А г, а затем вычисляются новые значения температур зон при неподвижном состоянии металла. При этом, предполагая, что перемещение металла осуществляется за пренебрежимо малое время, получаем конечно-разностное расчетное уравнение, учитывающее динамику нагрева,

тк+1 Тк+У2 N / , ,4 N

+ЗД7Г) + = °> (2)

где к - номер шага по времени, Тк+Ш- температура зоны металла на момент Ат;, присвоенная зоне в результате переноса ноля температур, Тк+Ш - новая температура зоны металла в конце модельного шага А г.

Несмотря на простую реализацию двухстадийного подхода, метод имеет характерную особенность. Поскольку каждая четвертая зона металла расположена в тамбурах печи, то при перемещении металла за Д г на четное количество зон одни участки нагреваемой заготовки постоянно проходили бы через тамбуры, тогда как другие - никогда бы там не оказывались. Для избежания ошибок расчета, связанных с этой особенностью модели, было введено условие обязательного перемещения металла на нечетное количество зон.

Расчет температурных полей в секционной печи выполнялся с помощью глобальной неявной схемы решения уравнения баланса тепла (2). На каждом временном шаге решалась система нелинейных алгебраических уравнений методом Ныотона-Рафсона. Предполагая зависимость коэффициентов уравнения (2) только от температуры дискретного элемента, для которого записывается уравнение баланса тепла, элементы матрицы Якоби, используемой в вычислительном алгоритме, представляются в виде

где 3 - символ Кронекера, т - номер итерации при решении системы нелинейных уравнений.

Плохая обусловленность матрицы /является причиной неустойчивости при решении линейной системы, поэтому эта система линейных алгебраических уравнений решена обобщенным методом минимальных невязок (СМ11Е8) с предобуславливанием 1Ы1.

С помощью программы радиационной гидродинамики, разработанной в НИИМТ, для геометрически эквивалентной модели были рассчитаны тепловые потоки от газовой зоны к кладке и к металлу при сохранении расхода топлива, температуры дыма на выходе из секции, входных - выходных энтальпий и с учетом влияния ролика. На основании полученных данных коэффициенты теплоотдачи конвекцией для разработанной модели были вычислены путем итерации по следующей формуле:

ам=ак+

Вт

где а — коэффициент теплоотдачи конвекцией, 2 рг > 0,с ~ конвективный тепловой поток, падающий на металл или кладку, вычисленный с помощью настоящей модели, Вт; ()'с — конвективный тепловой поток, падающий на поверхность металла или кладки, вычисленный по программе радиационной гидродинамики, Вт; - площадь соответствующей поверхности, м2; Т - температура газовой зоны, К; Т — температура соответствующей поверхности, К; к - номер шага.

При вычислении матрицы коэффициентов радиационного теплообмена была использована девятиполосная модель спектра Лисиенко - Журавлева, в качестве параметров которой были заданы температуры зон, парциальные давления паров воды и углекислого газа и средняя длина луча рабочего пространства печи.

Для определения достоверности расчетов, получаемых при помощи модели, было проведено их сравнение с экспериментальными данными, полученными

НИИМТ во время промышленных исследований действующей секционной печи струйно-факельного нагрева трубной заготовки, установленной в линии стана 20-102 Северского трубного завода. Для вывода о достоверности модели служит хорошее соответствие экспериментальных данных с данными, полученными путем моделирования - расхождение не превышает 10%.

Третья глава посвящена анализу статических и динамических режимов работы проектируемой печи с использованием предложенной модели. Здесь же приводятся рекомендации по совершенствованию алгоритмов управления печью.

Практическая ценность модели заключается в непосредственном использовании ее для расчетов конкретных режимов нагрева металла, определения оптимальных условий работы печи и выработки принципов управления печью. При исследовании работы печи была поставлена задача определения рациональных режимов нагрева заготовок, при этом критерий оптимальности выбирался из следующих соображений. Критическим местом печи является кладка, срок службы которой существенно зависит от се температурного режима и составляет обычно 5-7 лет. Поэтому минимизация тепловой нагрузки на футеровку в рабочем режиме является одной из основных функций, возложенных на систему управления печью. При заданной производительности решение этой задачи сводится к обеспечению равномерной температуры кладки по длине печи. Исследования показали, что характер распределения топлива по зонам управления, а следовательно, и характер распределения температуры футеровки вдоль печи при сохранении суммарного расхода топлива на печь в данном случае очень мало меняют общий КПД печи, а лишь перераспределяют КПД по отдельным зонам управления (рис. 2). Поэтому в качестве основной целевой функции было выбрано отклонение температур кладки отдельных зон управления от средней температуры кладки по длине печи.

кпд, %

45 _

40

35

30

средний КПД печи

10

11 12 13 14

N зоны управления

Кривая

64.8 м3/ч.

100 м3/ч

82.4 м3/ч

100 м3/ч

Вид распределения топлива

,54.5 м3/ч

Температура металла Ти= 1082 К м

на выходе из печи

Максимальная темпе- Ткл= 1576 К ратура кладки

Максимальная темпе- Тр- 1847 К . ратура газовой зоны Средний КПД печи П = 34.45 %

Тм= 1080 К

*кл

= 1535 К

Тг= 1789 К п = 34.40 %

Тм= 1076 К ТКЛ= 1483 К тг= 1716 К Л = 34.19 %

Рис.2. Сравнительная характеристика режимов работы печи при изменении распределения топлива по зонам регулирования

С помощью разработанной модели были просчитаны базовые режимы нагрева труб разного диаметра при различной производительности печи. На рис. 3 в качестве примера представлены результаты моделирования режима нагрева заготовки диаметром 89 мм. Кроме этого были найдены такие статические характеристики печи, как зависимость расхода топлива от производительности печи и температуры нагрева металла, зависимость температуры кладки от производительности печи и температуры металла на выходе из печи и зависимость КПД секционной печи от расхода газа на печь и температуры трубы на выходе из печи.

Использование осесимметричной зональной модели при решении нестационарной задачи с изменяющейся конфигурацией расчетных участков позволяет определить локальные температурные ноля для каждой заготовки. Анализ существующих на сегодня моделей показал, что решение этой задачи для объектов подобного типа до сих пор не было получено. Для определения величины перегрева концов трубных заготовок был выполнен расчет нагрева

Рис.3. Режим нагрева трубы диаметром 1783 89 мм:

1 - металл, 2 - кладка, 1401

3 - газовая зона

1179

(производительность лечи - 32.5 т/ч, максимальная температура кладки -1184 °С, средняя температура кладки- 1170 °С, температура металла на

выходе печи - 700 °С, суммарный

расход газа - 1154 м3/ч)

С, ыУч

575

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 N зоны

управления

заготовок длиной 8,4 м с переменным интервалом между ними и переменной скоростью движения металла. В результате вычислительного эксперимента было установлено, что изменение интервала между заготовками от 0 до 1,4 м при сохранении скорости их движения влечет за собой увеличение перегрева от 0 до 64 °С, тогда как изменение скорости движения металла при сохранении интервала между заготовками практически не оказывает влияния на величину перегрева.

Перегрев концов заготовок, обусловленный повышенной теплоотдачей за счет излучения на торцы от кладки и газовой зоны, обычно устраняется с помощью индуктора, который устанавливается после секционной печи. С точки зрения моделирования процессов теплообмена в секционной печи представляет интерес исследование возможности нагрева металла с равномерным температурным полем вдоль заготовки без использования индуктора. Одним из вариантов решения этой задачи, реализованного в модели, является уменьшение теплоотдачи за счет конвекции при снижении подачи топлива в зонах управления, через которые в данный момент проходят концы заготовок. На рис. 4 изображены поля температур вдоль трубной заготовки, снятые на выходе из печи. Исходя из результатов моделирования были определены характерные моменты переключения расходов топлива в зоне управления при

Т, "С

880 начало

конец

Т,°С,

конец заготовки :реключения (100%)

1 - расстояние датчика от начала зоны управления

4-1 I I Ы II II I II I II I +-М-4-4~

720700 — 0

1.4 2.8 4.2 5.6 7.0 х, м а)

760+

740-

4-М I ! I I I I I I I I I I I I I I I I ! !—г— О 1.4 2.8 4.2 5.6 7.0 х,м

б)

Рис.4. Зависимости распределения температурного поля вдоль длины трубной заготовки от момента переключения расхода топлива (а) и от величины "уменьшенного" расхода топлива (б) (проценты у кривых означают долю от максимального расхода)

прохождении в ней концов заготовок, а также величины требуемых "пониженных" расходов топлива. Использование предложенного принципа управления нагревом металла обеспечивает качественный нагрев заготовок без использования индукционной установки, что позволяет значительно уменьшить капитальные и эксплуатационные затраты при термообработке.

С помощью модели процессов теплообмена была исследована динамика всех технологических режимов работы печи: сушки, прогрева, выхода на рабочий режим, собственно рабочий режим, режим "горячего простоя", режим холостого хода. На основании полученных с помощью модели данных были выработаны основные принципы управления печью в этих режимах. Так, основная сложность при прогреве заключается в обеспечении требуемой скорости нагрева кладки. Расчет показал, что при непрерывной подаче топлива обеспечить требуемую технологией скорость нагрева футеровки (около 1 °С/мин) не представляется возможным. Поэтому при прогреве печи до 600 °С предложен следующий способ подачи топлива, обеспечивающий заданную скорость прогрева футеровки. Пилотная горелка с расходом топлива 0,7 м3/ч работает непрерывно. Подача топлива через основные горелки СФО включается только на определенный интервал времени, в течение которого

осуществляется нагрев футеровки. После достижения температуры футеровки заданного на текущий момент значения уставки (рис. 5) подача топлива через основные горелки отключается. Очередное включение горелок СФО происходит после того, как разница между температурой футеровки н изменяемой во времени уставки достигнет заданного значения. Расход топлива через горелки установлен равным 6,6 м3/ч и был выбран из условия обеспечения устойчивого горения.

Рис.5. Реализация предложенного алгоритма прогрева кладки до 600 °С в начальной (а) и конечной (б) стадиях режима

Согласно техническому заданию на проектирование секционной печи для обеспечения максимальной производительности печи при ограничении нг температуру кладки введена подсистема управления трехступенчатыми клапанами. Такие системы ранее в отечественной практике не использовались Переключения клапанов со второй ступени на третью и обратно должнь обеспечивать равномерную температуру кладки по длине печи для заданногс режима нагрева металла. Первая ступень клапана предназначена для перевод; зоны управления в режим минимального расхода топлива. При отклоненш температуры кладки отдельной зоны управления от средней температурь кладки печи срабатывает клапан этой зоны, в результате чего изменяется расхо; топлива через зону и температура кладки "подтягивается" к средне1 температуре кладки по длине печи. Настройки расходов топлива по ступеняр

клапанов были определены путем аппроксимации распределений топлива, обеспечивающих изотермичность кладки в основных режимах нагрева металла.

Для оценки эффективности работы клапанов и настроек их ступеней была проведена серия расчетов, в которых нестационарная задача запускалась с заведомо наихудшего стационарного режима с линейно уменьшающейся температурой кладки от первых по ходу движения металла зон управления к последним. Перераспределение расходов вычислялось из условия сохранения суммарного расхода газа на печь в целом. В качестве изменяемых входных параметров были приняты величина температурного допуска АТ на отклонение температуры кладки зоны управления от средней температуры и отклонение расходов топлива от базовых значений по ступеням клапанов ДО. В самом худшем из моделируемых вариантов (АТ = 10 °С, АО = 10%) частота переключений клапанов составила 63 раза в час и при увеличении значения температурного допуска в 2 раза (до 20 °С) уменьшилась в 3,5 раза. Увеличение отклонения расходов от установленного базового распределения на каждые 5% приводит к увеличению частоты переключений на 20 %. При проведении вычислительного эксперимента с условиями расчета, соответствующими реальным условиям нагрева заготовки в форсированном режиме, количество переключений для рекомендуемых распределений топлива не превысило 7 переключений за час.

Анализ динамических режимов процессов теплообмена проводился на модели, дополненной математической моделью реальной системы управления печи. Нелинейные характеристики оборудования, в частности расходные характеристики воздушного и газового трактов, были аппроксимированы полиномиальными зависимостями, учитывающими процесс переключения клапанов, что давало существенную нелинейность возмущающих воздействий на модель тепловых процессов со стороны системы управления. Поскольку период дискретизации цифровых регуляторов, управляющих приводами заслонок, намного меньше модельного шага по времени А г, то формирование

управляющего сигнала на привод и его отработка производились многократно в течение Д г в соответствии с данными регулятора. В работе представлены переходные характеристики, полученные при изменении режимов нагрева, по которым определяются настройки регуляторов. В случае использования модели в режиме реального времени эти настройки регуляторов можно будет оперативно изменять при смене режима нагрева.

Управление нагревом в рабочем режиме осуществляется по температуре металла на выходе из печи. При моделировании нагрева заготовки конечной длины возникает проблема определения средней температуры металла, поскольку температуры концов заготовки могут быть выше температуры в ее середине на 70 °С, а в интервалах между заготовками температура металла не определена. Данная задача в модели решена с помощью фильтрации данных и алгоритма усреднения значений по времени измерения и длине заготовки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью диссертационной работы была разработка динамической математической модели тепловых процессов при скоростном нагреве на примере секционной печи, использование модели для выбора и оптимизации температурно-тепловых режимов и конструктивных параметров, выработки на ее основе рекомендаций по совершенствованию алгоритмов управления секционной печи. При достижении поставленной цели получены следующие основные результаты:

1. Разработана динамическая с высоким пространственным разрешением мультизональная математическая модель процессов сложного теплообмена, протекающих в секционной печи скоростного нагрева, учитывающая продольный перенос тепла излучением, подвижную границу нагреваемого материала, что позволяет определить в динамике распределение температур вдоль заготовки.

2. Предложена методика численного расчета нестационарного теплообмена при наличии интервалов между отдельными заготовками, заключающаяся в разбитии временного интервала на две составляющие, в одном из которых происходит мгновенное перемещение его из одной зоны в другую, а в другом -нагрев неподвижного металла. Особенностью реализации метода является обязательное условие перемещения металла на нечетное количество зон.

3. Использование глобальной неявной схемы и современных методов решения систем линейных уравнений с предобуслапливанием позволяет получать стационарные температурные поля секционной печи за несколько секунд и моделировать тепловые режимы печи в реальном масштабе времени с модельным шагом по времени 1 с на компьютере Pentium 133.

4. Апробация разработанной математической модели была проведена на примере работающей в настоящее время секционной печи Северского трубного завода. Сопоставление результатов моделирования и опытных данных показало, что расхождение не превышает 10%.

5. На основе разработанной модели процессов теплообмена в секционной печи проведен анализ базовых рабочих режимов, получены основные статические характеристики: зависимости температуры трубы на выходе из печи, температуры кладки и КПД печи от расхода газа на печь и производительности печи.

6. Исследовано влияние скорости движения металла и интервала между заготовками на величину перепада температуры вдоль заготовки. Численный эксперимент показал, что изменение интервала между заготовками от 0 до 1,4 м при сохранении скорости их движения влечет за собой увеличение перегрева от 0 до 64 °С, тогда как изменение скорости движения металла при сохранении постоянного интервала между заготовками практически не оказывает влияния на величину перегрева.

7. Предложен и апробирован на модели способ нагрева металла, обеспечивающий равномерный температурный профиль заготовки конечной

длины, что исключает необходимость установки индуктора и позволяет значительно снизить капитальные и эксплуатационные затраты на термообработку. Были определены характерные моменты переключения расходов топлива в зоне управления при прохождении в ней концов заготовок, а также величины требуемых "пониженных" расходов топлива.

8. С помощью математической модели тепловых процессов были исследованы динамические режимы работы печи: сушка, прогрев, смена производительности, переход с рабочего режима в режим "горячего простоя" и обратно, при этом элементы системы управления были смоделированы в виде аппроксимированных нелинейных характеристик реального оборудования. На основании результатов моделирования были выданы рекомендации но управлению печью, в частности, предложена методика прогрева печи, основанная на импульсной подаче топлива и обеспечивающая заданные значения скоростей прогрева кладки для каждого температурного диапазона.

9. Выданы рекомендации по настройке рациональных расходов топлива в секционной печи по зонам управления, основанной на аппроксимации распределений топлива, соответствующих основным режимам нагрева трубных заготовок. В результате вычислительного эксперимента установлено, что работа подсистемы управления трехступенчатыми клапанами с предложенными настройками позволяет поддерживать равномерную температуру кладки по длине печи, что обеспечивает высокую производительность печи без нарушения теплового режима.

10. Описанные в данной работе алгоритмы и расчеты реализованы на языке Си в двух операционных системах: MS-DOS и Linux. Удобный графический интерфейс и интерактивный режим работы модели обеспечивает широкие возможности в проведении исследований теплообменных процессов, происходящих в секционной печи скоростного газового нагрева. Высокая скорость расчета, обусловленная применением современных методов расчета, и возможность оперативного изменения параметров режима в нестационарной

постановке задачи делает модель эффективным инструментом при проектировании подобных объектов, определении рациональных технологических режимов и апробации различных вариантов реализации системы управления печыо.

11. Результаты моделирования использованы при проектировании секционной печи редукционно-растяжного стана 18-38 Первоуральского иовотрубного завода для обоснования ее конструкционных и режимных параметров. В частности, определены эффективные режимы пуска печи, нагрева металла, даны рекомендации по работе печи без установки индуктора. Расчетный ожидаемый экономический эффект от этих предложений составляет 600 млн. рублей в год.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Эффективность применения струйно-факельного нагрева в промышленных печах / Лисиенко В.Г., Маликов Г.К., Маликов Ю.К., Медведев И.Ю., Лобанов Д.Л. // Сталь. 1996. № 6. С.45-48.

2. A control system of tube billets' heating in slot furnace / Saplin A.V., Mali-kov Yu.K., Medvedev I. Yu., Lisienko V.G. // Collection of materials of international seminar "Modeling, advanced process technology, expert and control system of heat and mass transfer phenomena" (Russia, 1996). Ekaterinburg, 1996. P.l01-102.

3. Имитационная модель секционной печи скоростного газового нагрева грубных заготовок / Саплин А.В., Маликов Ю.К., Лисиенко В.Г., Медведев И.Ю. '/ Известия вузов. Черная металлургия. 1997. № 2. С. 52 - 57.

4. Разработка системы управления секционной печи скоростного газового игрева трубных заготовок и апробация ее на имитационной модели / Медве-1св И.Ю., Саплин А.В., Маликов Ю.К., Лисиенко В.Г. // Информационные

технологии, системы управления и электроника: Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции (Екатеринбург, 25 апреля 1997г.). Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 1997. С.27.

Подписано в печать 17.11.97 Формат 60x84 1/16

Бумага типографская Плоская печать Усл.п.л. 1,39

Уч.-изд.л. 1,09 Тираж 100 Заказ 224 бесплатно

Издательство УГТУ

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

УМЦ УГТУ-УПИ. 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 17