Технико-коммерческое предложение по применению АСУ ТП тушения кокса в УСТК с адаптивным управлением производительностью дымососов на основе частотного регулирования

Целью технико-коммерческого предложения по автоматизации являются: снижение угара кокса в камерах УСТК на 0,15-0,2%, т.е. доведения его до нормы за счет эффективного управления технологическим процессом тушения; экономия потребляемой электроэнергии электродвигателями типа ДА3013-676МУ и ВАО2 355М6 дымососов благодаря оптимизации энергопотребления по технологии; а также анализ работы УСТК в реальном времени, улучшение эксплуатационного и сервисного обслуживания и продление срока службы двигателей дымососов.

На крупных металлургических предприятиях производство чугуна исчисляется в очень больших объемах. Себестоимость произведенного чугуна, в основном, определяется стоимостью использованного при этом доменного кокса. По европейски нормам на тонну чугуна обычно берется расход 320 кг кокса. Реально в России эта цифра “плавает” на уровне 412 – 600 кг (на ОАО “ХХХ” — 412 кг). Это объясняется тем, что общепризнанный и широко распространенный метод в Европе и Азии — “пылеугольное дутье” из-за высокой стоимости природного газа теряет свою актуальность. (Конгресс доменщиков 2002 г).

Известно, что качество кокса определяется не только свойствами исходного сырья (угля), но и технологией его производства, поэтому одним из главных направлений повышения качества является совершенствование процесса его тушения. При этом основными составляющими снижения себестоимости производимого кокса являются:

• снижение потерь, происходящих в процессе угара кокса;
• снижение затрат электроэнергии;
• повышение производительности УСТК.

С целью совершенствования процессов тушения кокса, были обследованы режимы работы УСТК№5 и УСТК№6:

По нормам при тушении кокса только в одной камере за один час из 52 тонн производимого продукта сгорает 360 кг кокса, что составляет 0,7%. Реально сгорает значительно больше. На различных объектах, где установлены УСТК, угар кокса достигает 1,2% и более, на ОАО”ХХХ” эта цифра официально зафиксирована 0,9%. Выход за пределы нормы объясняется обычно разгерметизацией камеры, в результате чего из-за поступающего кислорода в камеру кокс начинает гореть. Однако основной причиной угара кокса в большинстве случаев является слабая автоматизация УСТК в целом. Из-за нечеткой согласованности работы затворов в момент загрузки и выгрузки, не гибкой работы дымососов, а так же грубой оценки и грубого управления ходом технологического процесса тушения кокса увеличиваются поступления кислорода и время тушения, в результате чего кокса сгорает больше (около 470 кг.).

Исходя из средних показателей производительности УСТК по комбинату “ХХХ” за год в одной камере сгорает сверх планируемых потерь более 530 тонн кокса.

Под гибкой работой дымососа понимается плавное и своевременное изменение давления под сводом камеры. Наблюдения за ходом тушения кокса показали сильные колебания давления под сводом в момент загрузки и разгрузки. В этот момент в основном, происходит разгерметизация замкнутого контура, где идет инертный газ и забор воздуха. Таким образом, для уменьшения всоса в момент загрузки и разгрузки, необходимо снижать производительность дымососа до 20%, но в тоже время избегать выброса отравляющих газов. Все это влияет на угар кокса. Немаловажным фактором, влияющим на угар кокса, является увеличение времени на тушение. Вызвано это тем, что газоанализаторы работают не всегда корректно (со слов операторов), поэтому время на тушение кокса берется с запасом до 4 часов, что бы избежать опасных ситуаций с взрывоопасным газом и лучше охладить кокс. Увеличение времени охлаждения увеличивает время контакта воздуха с одной и той же партией кокса.

По установленной АСУ ТП на УСТК

Все УСТК имеют SCADы пакета Wоnderware и оборудованы контроллерами КР-300. Данное оснащение позволило частично автоматизировать технологический процесс тушения кокса УСТК:

• поддержание давления под сводом за счет регулировки клапаном на выходе дымососа;
• поддержание температуры перед котлом утилизатором за счет изменения производительности насоса с помощью уменьшения поперечного сечения трубы заслонкой.

Как показало обследование, “оболочка” SCADы, разработанная фирмой “ХХХ” г. ХХХ, сделана под пользователя, удобна в эксплуатации и имеет значительный запас по развитию АСУ ТП, чего нельзя сказать о возможностях заложенных в саму систему контроллеров на базе КР300.

Необходимо отметить, что задача, поставленная перед существующей системой — снижение угара кокса, решена только частично и грубо и не дает нужного эффекта. Управление процессом тушения кокса ведется через заслонку, имеющую всего два положения, причем отрегулированную на конкретную производительность и перестраиваемую только механическим путем.

Ввиду того, что ход камер УСТК в силу своей индивидуальности разный, как и производительность, которая меняется в ходе тушения и зависит от заказа на производство, необходимо вести каждую камеру по тушению кокса отдельно с учетом текущей загрузки. Заложенная система на базе КР300 этого сделать не может.

Важно отметить, что изначально в установленной системе в принципе не рассматриваются камера и котел-утилизатор как единое целое, так как эти два узла относятся в организационном плане соответственно к КХП и ТСЦ. Этот недостаток вносит существенные ограничения в технологические возможности поставленной системы.

Для того чтобы данная система отрабатывала весь комплекс задач, нужна полная обвязка УСТК:

• котлов утилизаторов;
• анализаторов газов;
• узлов загрузки и разгрузки камер с привязкой к конвейерам;
• дымососов, насосов и т.д.

(перечислены пункты, которые не охвачены существующей системой).

Это позволит создать интеллектуальную систему, которая самостоятельно будет диагностировать работу УСТК, определять ее КПД по выходу пара и температуре на входе котла и, следовательно, определять физическое состояние оборудования, и более того, вести технологию: рассчитывать и подсказывать оператору действия по тушению кокса любой из работающих камер независимо от их производительности, что немаловажно в будущем при наращивании производства.

Такой подход позволит уменьшить угар кокса при тушении не только за счет отслеживания хода каждой камеры в отдельности, но и выбора работы на самых экономичных камерах.

Для объективной оценки работы поставленной системы на базе КР300 фирмой “ГИПРОКОКС” г. Харьков необходимо знать принцип работы УСТК в целом.

Принцип работы установки:

Одна УСТК состоит из 5-6 камер. Производительность каждой камеры может меняться от 5 тонн потушенного кокса в час (3 выгрузки в час) до 52 тонн в час (30 выгрузок в час по порциям 1,6 – 1,8 тонны).

Горячий кокс с температурой 900 градусов по 16-18 тонн до трех раз в час загружается в каждую камеру и в течение двух часов остужается (тушится) до 200 градусов без доступа кислорода (воздуха). После чего, по мере готовности по температуре, отгружается на конвейер. Вместе с тем каждая камера имеет охлаждающий контур с мощным дымососом и котлом–утилизатором. При этом горячий инертный газ, разогретый коксом, с температурой до 800 градусов от свода камеры попадает в котел-утилизатор, где охлаждается до 200 градусов за счет испарения подаваемой воды, проходит через дымосос и охлажденный поступает в нижнюю часть камеры. Таким образом охлаждается (тушится) кокс. Процесс тушения с точки зрения технологии сложен тем, что:

• При тушении выделяется взрывчатый газ и необходимо отслеживать его концентрации, а также минимизировать кислород в камере с целью снижения угара кокса;
• Температура газа в камере и перед котлом-утилизатором должна контролироваться и не превышать 800 градусов;
• Необходимо держать определенное давление под сводом, с целью уменьшения выбросов отравляющих газов при загрузке и уменьшать всос воздуха, что влияет на угар кокса;
• Нужно следить за температурой отгружаемого кокса, чтобы не повредить ленты конвейеров;
• Должен производится отсос отравляющих газов с конвейеров у выходных горловин камер в момент выгрузки;
• Системно должны отслеживаться отгрузки кокса с камер на конвейер по времени и соблюдаться режимы работы затворов при погрузке и разгрузке;
• Процесс должен быть управляемым и, более того, иметь блокировки при аварийной работе и т.д.

Недостатки поставленной системы фирмы “ГИПРОКОКС” г. Харьков.

1. Система закрыта по доступу в плане программирования, сложна для среднего уровня программиста (Процесс программирования процессора Intel 386 существенно труднее и отличен от программирования на классических промышленных контроллерах типа “ХХХ”) и поэтому не имеет перспектив в наращивании и эксплуатации, а так же развития функций в уже существующих узлах;
2. Система работает грубо (скачками), по двум положениям, как по давлению, так и по температуре;
3. Система может вести производительность всех камер только одновременно и усреднёно;
4. Система изначально настраивается на какую-то среднюю производительность, путем механического изменения заслонкой поперечного сечения трубы дымососа;
5. В системе не заложен (отсутствует в физическом и программном смысле) анализ хода УСТК;
6. В системе присутствует субъективный фактор по управлению тушением кокса УСТК, который значительно возрастает при наращивании производительности;
7. Отсутствует в системе комплексный подход к сбережению не только кокса, но и потребляемой энергии УСТК;
8. Система не охватывает котел утилизатор (температуру и производительность пара), газовый анализатор, распределение отгрузки на конвейер, высоковольтный дымосос, дымососы конвейеров и насос подпитки воды.

Исходя из вышеизложенного, предлагается АСУ ТП на УСТК, которая лишена этих недостатков и решает весь комплекс задач, перечисленных выше, при эксплуатации и обслуживании УСТК № 5 и 6.

Предлагаемая система может быть реализована совместно с существующей, поэтапно, и рассматривается, как две подсистемы: АСУ ТП и комплекс электроприводов.

Необходимо отметить, что эффективность внедрения возможна только при комплексном подходе как по технологии, так и по энергосбережению (АСУ ТП, электропривод).

Проведение технико-экономического обоснования по электроприводу

По дымососу с высоковольтным двигателем ДА3013-6766МУ мощность 630 кВт.

По отчетам за 20ХХ год средняя производительность одной камеры УСТК составляет 30 тонн в час, что соответствует 17 выгрузкам в час. Приблизительно из шести камер УСТК в год работает только четыре.

Дымосос постоянно работает из расчёта максимальной производительности (на 52 тонны кокса), а уменьшение воздушного потока осуществляется за счёт настройки поворотной заслонки и управлением ею “открыть-закрыть”.

Двигатель дымососа питается от сети напряжением 3 кВ, имея при этом ток 100 А (направляющий аппарат отрегулирован на данную производительность).

Мощность двигателя, которая требуется для обеспечения производительности 1 камеры УСТК (30-40 тонн кокса в час) составляет:

$$P_{\mathrm{дв.max}}=\frac{\sqrt{3}\cdot U\cdot I\cdot \mathrm{cos\varphi }}{{\eta }_{\mathrm{дв}}}=\frac{1.73\cdot 3000\cdot 100\cdot 0.8}{0.9}=\mathrm{461880\; Вт}\approx \mathrm{462\; кВт}$$

Можно подсчитать, какая мощность двигателя дымососа необходима для обеспечения средней производительности:

$$P_{\mathrm{дв.ср.}}=462\cdot 30/52=\mathrm{266\; кВт}$$

Следовательно, можно сказать, что мгновенная мощность равная 196 кВт

$$P_{\mathrm{T1}}=P_{\mathrm{дв.\; max}}—P_{\mathrm{дв.\; ср.}}=462—266=\mathrm{196\; кВт}$$

теряется в среднем при таком способе управления.

Не трудно предположить, что потери в электродвигателе будут расти, если динамика производительности будет увеличиваться. Отпадает необходимость в подгонке поперечного сечения трубы заслонкой. Требуется только открывать и закрывать, поскольку при максимальной производительности камеры необходима полная мощность двигателя.

Также необходимо учитывать немаловажную особенность работы дымососов в УСТК, а именно, при загрузке в камеру кокса и выгрузке кокса из камеры производительность дымососов необходимо снижать до 20% производительности, т.е.:

$$P_{\mathrm{дв.2}}=\mathrm{0,2}\cdot 462=\mathrm{92\; кВт}$$

Это делается для того, чтобы избежать значительных выбросов вредной смеси при загрузке кокса и уменьшить всос в камеру воздуха.

Одна загрузка или выгрузка происходит в течении 40 секунд. И для средней производительности камеры УСТК (17-18 загрузок-выгрузок в час) время работы дымососа в режиме 20% производительности составляет:

50*18=900 секунд в час т.е. 25% от своего рабочего времени, где к 40 сек. дополняются 10 секунд на торможение и разгон двигателя.

Теряемая мощность в этом случае составит:

$$P_{\mathrm{T2}}=(P_{\mathrm{дв.max}}—P_{\mathrm{дв.2}})\cdot 0.25=(462—92)\cdot 0.25=\mathrm{92.5\; кВт}$$

Суммарные потери на электроэнергии будут составлять:

$$P_T=P_{\mathrm{T1}}+P_{\mathrm{T2}}=196+92.5=\mathrm{288.5\; кВт}$$

При условиях, что 1 кВт/ч для промышленных предприятий равен 8 руб., а количество рабочих часов в году — 8760, годовые потери по электроэнергии составят:

288,5*8*8760=20 218 080 руб. в год

Потери электроэнергии на 6 камерах УСТК будут равны:

20 218 080 руб.*6 =121 308 480 руб. в год

Для избегания такой не экономичной эксплуатации и повышения надежности работы ды-мососов, предлагается использовать частотно-регулируемые привода для изменения частоты вра-щения двигателей дымососов в зависимости от задания.

Применение ЧРП на дымососах позволит:

1. Использовать автоматическое регулирование частотой вращения электродвигателя по обрат-ной связи от датчика практически любого технологического параметра или по заданию оператора.
2. Стабилизировать и регулировать производительность дымососов в ручном режиме.
3. Выключать электродвигатель в случае: его длительной перегрузки по времени, короткого за-мыкания, обрыва фазы, утечки тока или перенапряжения.
4. Обеспечить бесконтактный и плавный пуск электродвигателя дымососа.
5. Увеличить межремонтный ресурс установки (износ подшипников, обмоток двигателя, авто-матических выключателей, лопаток, сальников) за счет снижения числа оборотов, прогрева обмоток, плавного запуска и останова.
6. Выбрать экономичный режим работы электродвигателя дымососа.

В соответствии с методическими материалами, выпущенными по АО «ВНИИЭ» и приня-тых РАО «ЕЭС России» и АОэнерго, коэффициент ресурсосбережения при использовании ча-стотно-регулируемых приводов принят равным половине коэффициента энергосбережения.

Таким образом, экономия ресурсов при использовании ЧРП составит:

121 308 480 руб./2=60 054 240 руб. в год

В итоге суммарная экономия при применении 6 (шести) ЧРП на УСТК составит:

121 308 480 руб. + 60 054 240 руб. = 181 962 720 руб. в год.

Экономический эффект по ресурсосбережению при использовании ЧРП на УСТК.

В соответствии с методическими материалами, выпущенными по АО «ВНИИЭ» и приня-тых РАО «ЕЭС России» и АОэнерго, коэффициент ресурсосбережения при использовании ча-стотно-регулируемых приводов принят равным половине коэффициента энергосбережения, то есть:

181 962 720 руб. *0,5 = 90 981360 руб. в год.

Итого в сумме по энерго- и ресурсосбережению:

181 962 720 руб. + 90 981360 руб. = 272 944 080 руб.

Предлагается высоковольтный частотно-регулируемый привод шкафного исполнения.

1. Стоимость предложения.

Наименование товара	Ед. изм	Кол-во	Цена за ед. без НДС, руб.	Стоимость без НДС, руб.
Частотно-регулируемый преобразователь, 3 кВ  630 кВт	шт	6	18 000 000	108 000 000
Шкаф электромонтажный  2200Х1200Х800, IP23	шт	12	450 000	5 400 000
Блок управления с ПО	шт	6	400 000	2 400 000
Высоковольтный вакуумный контактор	шт	12	200 000	2 400 000
Итого без НДС: 118 200 000 руб.

Преобразователь выбран на максимальную потребность по производительности, которая возможна в данном технологическом цикле.

В предложение включены байпасные контакторы для обеспечения возможности переклю-чения двигателей на прямую в сеть, в случае выхода из строя ЧРП.

2. Проектирование и монтаж составят до 30% от стоимости оборудования и будут равняться:

118 200 000 руб.*30% = 35 460 000 руб.

3. Условия оплаты:
4. Срок поставки:
5. Срок гарантии:
Итого по затратам: 118 200 000 руб. + 35 460 000 руб. = 153 660 000 руб.

ВЫВОД: Эффект от внедрения по сэкономленному электричеству и ресурсу сбережения 272 944 080 руб. в год. Соотношение затрат к эффективности 153 660 000 руб./272 944 080 руб. равно 0,56. Это 7 месяцев. Данное предложение требует внедрения. Если взять кредит на реализа-цию за полтора года и при учёте, что готов проект и предложение будет реализовано за 7-8 меся-цев, данный проект “отбивается” за полтора года без потерь перед банком.

Окупаемость поставляемого оборудования вместе с работами составит 1 год и 6 месяцев.

По дымососам на конвейерах УСТК

Для забора отравляющих газов при разгрузке камер УСТК, на каждой используются 2 дымо-соса (2 в резерве) – из расчёта 1 дымосос на 3 камеры. Дымососы работают от двигателей, мощно-стью по 250 кВт. Двигатели питаются напряжением 400В, при этом ток первого двигателя со-ставляет 300А, а второго 350А.

Дымососы работают постоянно, хотя основная вентиляция требуется в момент, когда откры-ты выгрузные затворы.

Поэтому предлагается применение частотно-регулируемых преобразователей для изменения скорости вращения вентиляционных дымососов в зависимости от потребности в вентиляции.

Двигатель 1 работает с мощностью:

$$P_{\mathrm{дв.1}}=\frac{\sqrt{3}\cdot U\cdot I\cdot \mathrm{cos\varphi }}{{\eta }_{\mathrm{дв}}}=\frac{1.73\cdot 400\cdot 300\cdot 0.8}{0.9}=\mathrm{184752\; Вт}\approx \mathrm{185\; кВт}$$

Двигатель 2 работает с мощностью:

$$P_{\mathrm{дв.max}}=\frac{\sqrt{3}\cdot U\cdot I\cdot \mathrm{cos\varphi }}{{\eta }_{\mathrm{дв}}}=\frac{1.73\cdot 400\cdot 350\cdot 0.8}{0.9}=\mathrm{215544\; Вт}\approx \mathrm{216\; кВт}$$

Реально (по статистике) в работе находятся 4 камеры УСТК из 6, т.е. один вентиляционный дымосос работает не на 3 камеры, а на 2 – следовательно, требуется только 67% от максимальной мощности. Из этой мощности требуется только 25%, так как средняя производительность 1 каме-ры УСТК составляет 17-18 выгрузок в час по 50 секунд каждая выгрузка (см. объяснение выше).

Для первого двигателя требуемая мощность составляет: 185*0,25*0,67=31 кВт, а для второго 216*0,25*0,67=36 кВт.

При условии, что 1 кВт/ч для промышленных предприятий стоит 8 руб., а количество рабо-чих часов в году — 8760, годовые потери на этих дымососах средств на потребляемую электро-энергию составит:

Для 1-го двигателя: (185-31)*8*8760=10 792 320 руб. в год.

Для 2-го двигателя: (216-36)*8*8760=12 614 400 руб. в год.

Или суммарно: 10 792 320 +12 614 400 =23 406 720 руб. в год.

При использовании ЧРП экономия ресурсов (ремонты механики и электрооборудования) равна: 23 406 720 /2=7 802 240 руб. в год.

Итого экономия по электроэнергии и по ресурсам при использовании ЧРП на двигателях вентиляционной системы УСТК: 23 406 720 +7 802 240 = 31 208 960 руб. в год.

1. Стоимость предложения.

Наименование товара	Ед. изм	Кол-во	Цена за ед. без НДС, руб.	Стоимость без НДС, руб.
Частотно-регулируемый преобразователь 250 кВт 400В, IP00	шт	2	700 000	1 400 000
Шкаф электромонтажный  2200Х1200Х800, IP23	шт	2	500 000	1 000 000
Реактор входной	шт	2	200 000	400 000
Реактор выходной	шт	2	150 000	300 000
Блок управления	шт	2	450 000	900 000
Автоматический выключатель 3P 400 A	шт	4	90 000	360 000
3-полюсный контактор 420 А  (АС3) встроенный доп. Контакт 1но+1нз, Uупр.=220-230 В (АС)	шт	4	400 000	1 600 000
Итого без НДС: 5 960 000 руб.

Частотно-регулируемый преобразователь выбран на мощность двигателей.

В предложение включены байпасные контакторы для обеспечения возможности переклю-чения двигателей непосредственно в сеть, в случае выхода из строя ЧРП.

Окупаемость поставляемого оборудования, составит 6 месяцев.

2. Проектирование и монтаж составят около 30% и будет равняться:

5 960 000 руб.*30% = 1 788 000 руб.

3. Условия оплаты:
4. Срок поставки:
5. Срок гарантии:

ВЫВОД: Затраты на внедрение 5 960 000 руб. +1 788 000 руб. = 7 748 000 руб. в год.

Эффект от внедрения по сэкономленному электричеству и ресурсу сбережения 31 208 960 руб. в год. Соотношение затрат к эффективности 7 748 000 руб. / 31 208 960 руб. равно 0,25. Это 3 месяца. Данное предложение требует внедрения. Если взять кредит на реализацию за год и при учёте, что готов проект и предложение будет реализовано за 6 месяцев, данный проект “отбивает-ся” за год без потерь перед банком.

Проведение технико-экономического обоснования по применению АСУ ТП в технологическом процессе тушения кокса УСТК

Использование АСУ ТП тушения кокса в УСТК в комплексе с электроприводами, позволит снизить угар кокса на 0,15-0,2%, что дает экономический эффект по сохранению кокса от угара порядка 530 тонн с одной камеры и 3180 тонн кокса с УСТК в год (6 камер).

Учитывая стоимость угля на рынке 8000 р за тонну, экономия денежных средств составит около 25,4 млн. руб. в год.