CN115185227A - 一种炉窑罐体的运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种炉窑罐体的运行控制方法，属于应力监测技术领域。本发明沿炉窑罐体的底板圆周方向设置多个应力检测装置，应力检测装置检测底板的上翘应力，多个应力检测装置检测的数据之和为炉窑罐体的应力量模拟数据，PLC控制系统采集应力检测装置的数据，并根据该数据发出控制信号，控制炉窑罐体的运行。本发明针对现代大型化工业生产直列的炉窑、储液罐、储气柜等装置的高压力、快速度、急流量的工作现状，考虑到直列的炉窑、储液罐、储气柜等刚性设备的壳体，承受设备内各种变化产生的应力，自上而下集中作用于底板，因而实时监测设备底板的应力变化情况，结合建立的设备应力模型，实时掌握设备运行状况。

Description

一种炉窑罐体的运行控制方法

技术领域

本发明涉及炉窑罐体应力监测技术领域，更具体地说，涉及一种炉窑罐体的运行控制方法。

背景技术

随着现代大型化工业生产直列的炉窑、储液罐、储气柜等设备装置越来越大，为了提升效率而强化运行参数，高压力、快速度、急流量工作运行参数不断提升。该类设备工作运行时，载荷、温度、压力等运行参数波动，都会造成设备内各部位的应力随之波动，应力的波动是设备部件疲劳失效的主要原因，更是造成设备突然破损、爆裂的关键。现有技术中通常是被动加大安全系数、增加建设投资、缩短检修周期、频繁加固更换，无法从根本上解决该类难题，设备故障及恶性事故时有发生。

智慧制造不断发展，精准控制运行参数已经能够实现，实时检测设备运行时的应力变化，能够满足超大量程应力波动需求，为智能控制提供实时、准确的应力大数据，且精准调控运行参数、安全控制冲击应力峰值，能够降低设备疲劳负荷、延长设备使用寿命。而现阶段针对大型化工业生产直列的炉窑、储液罐、储气柜等设备内的应力实时监测，尚处于行业内的空白，因此急需应对的应力监测方案。

经检索，中国专利申请号CN202110490654，公开了一种基于超声检测的储罐底板缺陷检测装置及其方法；该申请案包括固定架，固定架上设有检测仪，检测仪上设有检测探头，固定架上设有与储罐相匹配的弧形板，弧形板的两端分别转动连接有若干滚轮，固定架上开设有通孔，通孔内穿设有固定绳，固定绳的一端设有固定片，固定绳的另一端设有调节块，固定片与调节块之间通过连接组件可拆卸连接，调节块上还设有用于对固定绳进行收放线的调节组件，固定绳绷紧绕设在储罐的外缘，若干滚轮被抵紧在固定绳与储罐之间，检测探头倾斜朝向储罐底板方向设置。该申请案可以通过检测探头对储罐底板进行缺陷检测，但无法对底板工作应力实时监测、并在线标定，准确控制调整平稳工作状态下的应力，且难以满足大量程应力检测。

中国专利号ZL2015107624763，公开了一种检测高炉炉底封板应力变化的装置；该申请案包括炉底封板、浇注料和压力感应机构，炉底封板为上翘的高炉炉底封板，浇注料灌注于上翘的炉底封板和高炉耐热基墩之间形成的缝隙内部；压力感应机构包括顶板、压力传感器、预埋锚栓、压板、垫块A和螺帽；预埋锚栓底端插入在高炉炉壳外侧、高炉基础上预留的基础钻孔内，上部穿过压板，并和压板滑动连接；压板底端面的一端压在垫块A，另一端依次压在顶板、压力传感器和炉底封板的上翘端，其上端面通过螺帽和预埋锚栓的顶部螺纹往下旋压。该申请案实现了利用压力感应机构在线连续检测高炉炉底封板压力变化，提供多测量点数据便于对炉底封板压力变化进行分析的目的。但该申请案没有准确描述检测装置检测原理，及采集的检测数据计算公式、标定方法，以及应对现场位置变化的调节措施等，更无智能控制应力波动的对策。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明针对现代大型化工业生产直列的炉窑、储液罐、储气柜等装置的高压力、快速度、急流量的工作现状，提供了一种炉窑罐体的运行控制方法；本发明实时监测大型化工业生产直列的炉窑、储液罐、储气柜等设备底板的应力变化情况，对应力增加趋势进行预判，精准控制设备运行参数，有效控制应力冲击峰值，保障设备安全平稳运行。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种炉窑罐体的运行控制方法，沿炉窑罐体的底板圆周方向设置多个应力检测装置，应力检测装置检测底板的上翘应力，多个应力检测装置检测的数据之和为炉窑罐体的应力量模拟数据，PLC控制系统采集应力检测装置的数据，并根据该数据发出控制信号，控制炉窑罐体的运行。

更进一步地，所述的应力检测装置沿着炉窑罐体的底板圆周方向等间隔设置(4～8)×N组，N＝1，2，3……。

更进一步地，所述的应力检测装置包括应力传感器、固定压紧梁、调整固定螺栓、调整固定螺母、压紧块和支撑块，所述的应力传感器设置在底板上，支撑块设置于炉窑罐体旁侧的基础上，固定压紧梁设置于应力传感器和支撑块上，所述的固定压紧梁上开设有孔，调整固定螺栓一端固定于基础中，并穿过固定压紧梁；所述的调整固定螺母经压紧块调整固定压紧梁的位置；所述的压紧块、支撑块与固定压紧梁接触的一端均设置刀口。

更进一步地，所述的应力检测装置的实际应力模拟数据为F_实＝L₁÷L₂×F_表数值，L₁为应力传感器中轴线到调整固定螺栓中轴线之间的距离，L₂为调整固定螺栓中轴线到支撑块中轴线之间的距离，炉窑罐体的实际应力量模拟数据为F_总＝(F_实1+F_实2+……F_实n)。

更进一步地，所述的炉窑罐体的实际应力量模拟数据F_总的标定过程为：

按照计算炉窑罐体应力的1.3倍数据，调整炉窑罐体稳定运行时系统显示初始值F_总1；当炉窑罐体停机检修时系统显示F_总2；炉窑罐体稳定运行的实际应力模拟数据F_标＝F_{总- 1}F_总2；炉窑罐体再次稳定运行时以F_标数值为系统基准值，重新调整调整固定螺母完成应力模拟数值的标定。

更进一步地，对炉窑罐体的应力进行线性控制，具体包括：

应力监测系统标定后，采集工作应力底值F_底、及工作应力峰值F_峰；

设定阈值F_阈＝(F_峰-F_底)/T÷T1，T为设备动作时间，T1应力采集周期；

每T1秒应力上升值△F＝F_新-F_前；

当△F≤F_阈，炉窑罐体工作设备持续动作；

当△F＞F_阈，炉窑罐体工作设备停止动作，待下一个循环；当再次△F≤F_阈,炉窑罐体工作设备重新恢复动作。

更进一步地，应力峰值安全保护的控制过程为：

当炉窑罐体运行工作状态变化时，设定应力阈值F_阈＝αF_标，α＞1；

当炉窑罐体运行工作状态变化且F_阈≥(1.5～1.9)F_标，发出控制指令，控制炉窑罐体的阀门操作暂停或缓行；

当F_阈≤(1.1～1.4)F_标，发出控制指令，控制炉窑罐体的阀门操作恢复或正常快行；

当F_阈连续3次≥(1.5～1.9)F_标，发出控制指令，紧急关闭阀门、停止操作。

更进一步地，所述的应力传感器采用压力式称重传感器。

更进一步地，同一炉窑罐体沿其底板圆周方向设置的压力式称重传感器为同一型号。

更进一步地，所述的固定压紧梁为平面结构或Z字型结构；炉窑罐体的底板高于或低于基础时，应用Z字型结构固定压紧梁。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种炉窑罐体底板应力实时监测系统，针对现代大型化工业生产直列的炉窑、储液罐、储气柜等装置的高压力、快速度、急流量的工作现状，考虑到直列的炉窑、储液罐、储气柜等刚性设备的壳体，承受设备内各种变化产生的应力，自上而下集中作用于底板，因而实时监测设备底板的应力变化情况，结合建立的设备应力模型，实时掌握设备运行状况；

(2)本发明的一种炉窑罐体底板应力实时监测系统，设置应力检测装置，通过简单的压梁结构，对直列的炉窑、储液罐、储气柜等设备、容器的底板上翘大量程应力变化情况进行检测，弥补了大型化生产设备内部所产生应力的监测空白，为智能控制采集实时、准确的大量程应力数据提供了基础；

(3)本发明的一种炉窑罐体的运行控制方法，结合设备运行的工艺特点，对应力增加趋势进行预判，精准控制设备运行参数，有效控制应力冲击峰值，保障设备安全平稳运行、降低疲劳负荷、延长使用周期、提升使用寿命，实现设备运行本质安全。

附图说明

图1为本发明中应力检测装置的设置示意图；

图2为本发明中炉窑罐体底板应力检测装置的布局示意图；

图3为本发明中炉窑罐体底板实时应力模型示意图；

图4为本发明中炉窑罐体应力检测装置的三种实施方案示意图；

图5为本发明中炉窑罐体应力实时监测系统的示意图；

图6为安全控制数学模型图；

图7为高炉炉底上翘应力趋势变化图；

图8为高炉4个铁口区域炉底上翘应力趋势变化图。

示意图中的标号说明：

1、炉窑罐体；2、底板；3、应力检测装置；31、应力传感器；32、固定压紧梁；33、调整固定螺栓；34、调整固定螺母；35、压紧块；36、支撑块；37、基础。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图2和图5，本实施例的一种炉窑罐体底板应力实时监测系统，包括应力检测装置3和PLC控制系统，所述的应力检测装置3沿着炉窑罐体1的底板2圆周方向设置16个，共分为4组，该应力检测装置3检测底板2的上翘应力，应力检测装置3连接PLC控制系统，将检测数据输送给PLC控制系统。所述的PLC控制系统设置应力检测模块、安保模块、标定模块、线性控制模块，PLC建立线性控制模型，并通过线性控制模块控制炉窑罐体1的运行。

结合图1，所述的应力检测装置3包括应力传感器31、固定压紧梁32、调整固定螺栓33、调整固定螺母34、压紧块35和支撑块36，所述的应力传感器31设置在底板2上，支撑块36设置于炉窑罐体1旁侧的基础37上，固定压紧梁32直接压在应力传感器31和支撑块36上，所述的固定压紧梁32为平面结构，该固定压紧梁32依靠支撑块36保持水平。所述的固定压紧梁32上开设有螺纹孔，调整固定螺栓33一端固定于基础37中，并穿过固定压紧梁32；所述的压紧块35也对应开设有螺纹孔，同时套设在调整固定螺栓33上，调整固定螺母34经压紧块35调整固定压紧梁32的位置。固定压紧梁32依靠调整固定螺栓33保持安装位置均匀分布，依靠调整固定螺母34进行应力调整与标定。压紧块35为应力模拟量的数据计算基准。

值得说明的是，所述的压紧块35、支撑块36与固定压紧梁32接触的一端均设置刀口，此处设计是实现底板2的上翘应力准确测量的关键。

所述的应力传感器31采用压力式称重传感器，压力式称重传感器量程可从1×10³～5×10⁶N，根据设计计算的波动范围合理选取。同一炉窑罐体1沿其底板2圆周方向设置的压力式称重传感器为同一型号。数个传感器之和为炉窑罐体1的应力量模拟数据。

本实施例所述炉窑罐体1在实际应用中可为直列的炉窑、储液罐、储气柜等装置，且该装置需具备底部封板。针对此类现代大型化工业生产用装置的高压力、快速度、急流量的工作现状，考虑到此类刚性设备的壳体，承受设备内各种变化产生的应力，自上而下集中作用于底板，因而本实施例实时监测设备底板的应力变化情况，结合建立的设备应力模型，实时掌握设备运行状况。且本实施例通过简单的压梁结构安装压力式应力传感器，实时监测底板上翘应力，结构简单，实现成本低，具备较高的应用前景。

实施例2

结合图4，本实施例的一种炉窑罐体底板应力实时监测系统，基本同实施例1，其不同之处在于：根据现场情况，在炉窑罐体1的底板2高于或低于基础37时，可将固定压紧梁32设计为Z字型结构，应用该Z字型结构的固定压紧梁32，压紧应力传感器31，实现底板上翘应力的监测。

实施例3

结合图3和图6，本实施例的一种炉窑罐体的运行控制方法，沿炉窑罐体1的底板2圆周方向均匀安装16个应力检测装置3，共分为4组。应力检测装置3检测底板2的上翘应力，16个应力检测装置3检测的数据之和为炉窑罐体1的应力量模拟数据，PLC控制系统采集应力检测装置3的数据，及时准确掌握设备运行状况，结合计算建立设备应力模型，并根据处理结果发出控制信号，控制炉窑罐体1的运行。

所述的应力检测装置3的实际应力模拟数据为F_实＝L₁÷L₂×F_表数值，L₁为应力传感器31中轴线到调整固定螺栓33中轴线之间的距离，L₂为调整固定螺栓33中轴线到支撑块36中轴线之间的距离，炉窑罐体1的实际应力量模拟数据为F_总＝(F_实1+F_实2+……F_实n)。

每个应力传感器31初始显示的数据调整、和每次标定时数据数值相同。数个传感器之和为炉窑罐体1的应力量模拟数据。

在实际应用中，建立炉窑罐体1底板实时应力模型，首先通过现场仪表显示，调整传感器调整固定螺栓33，保证每个传感器数据相同。然后再调整传感器调整固定螺栓33，完成模型初始计算模型数值设定。再通过调整传感器调整固定螺栓33，完成模型标定数值确认。在调整过程中，保证每个应力传感器31，受力均匀，进一步发挥多应力传感器的协同效应。

所述的炉窑罐体1的实际应力量模拟数据F_总的标定过程为：

按计算炉窑罐体1应力的1.3倍数据，调整炉窑罐体1稳定运行时系统显示初始值F_总1；当炉窑罐体1停机检修时系统显示F_总2；炉窑罐体1稳定运行的实际应力模拟数据F_标＝F_总1-F_总2；炉窑罐体1再次稳定运行时以F_标数值为系统基准值，重新调整调整固定螺母34完成应力模拟数值的标定。

本实施例对炉窑罐体1的应力进行线性控制，具体包括：

应力监测系统标定后，采集工作应力底值F_底、及工作应力峰值F_峰；若应力采集周期为5秒，设定阈值F_阈＝(F_峰-F_底)/T÷5，T为设备动作时间。每5秒应力上升值△F＝F_新-F_前；当△F≤F_阈，炉窑罐体1持续动作；当△F＞F_阈，炉窑罐体1停止动作，待下一个循环；当再次△F≤F_阈,炉窑罐体1重新恢复动作。实现炉窑罐体1操作时，应力线性的平稳上升到峰值，降低冲击载荷，减少疲劳损伤。

本实施例的应力峰值安全保护的控制过程为：

当炉窑罐体1运行工作状态变化时，设定应力阈值F_阈＝αF_标，α＞1；当炉窑罐体1运行工作状态变化且F_阈≥(1.5～1.9)F_标，发出控制指令，控制炉窑罐体1的阀门操作暂停或缓行；当F_阈≤(1.1～1.4)F_标，发出控制指令，控制炉窑罐体1的阀门操作恢复或正常快行；

当F_阈连续3次≥(1.5～1.9)F_标，发出控制指令，紧急关闭阀门、停止操作。如此，能够实现实时应力数据监测，精准控制设备运行阀门等操作，保障工作应力峰值安全可控，杜绝事故故障危害。

实施例4

将所述的底板应力实时监测方案应用于大型高炉炉底上翘应力监测实践，在高炉炉底板直径￠18900㎜的外沿，对称安装16个底板上翘应力检测装置，并结合建立的应力实时检测模型，同时对4个铁口区域建立铁口应力实时检测模型，完成调试标定后5年来一直监测炉顶应力变化趋势，及时调整高炉生产工艺参数，保持总应力峰值一直控制在275×10⁶N(设计安全阈值F_阈＝300×10⁶N)以下安全运行，实现了高炉长寿目标。

参考图7，可以结合全年炉底应力曲线变化趋势，及时准确调整炉顶应力、送风压力，原料有害元素的入出平衡等。

结合图8，高炉4个铁口交替休止、工作出铁，导致4个铁口区域炉底上翘应力的不同，结合生产工艺要求，针对应力差异，可及时调整高炉出铁工作制度，保持4个铁口区域炉底上翘应力差在安全范围内运行。

高炉停产检修时随着生产风量的变化，底上翘应力对应发生明显变化，同时也反应出炉缸铁水液面的变化，为适度调整生产工艺参数提供数据信息支撑。

实施例5

将所述的底板应力实时监测方案应用于高炉热风炉场景，高炉热风管系连接四座单列式布置热风炉，完成将均匀稳定1230℃～1250℃、450Kpa压力的热风交替送入高炉生产工作中，每座热风炉从燃烧转让送风时，打开均压阀将炉内压力提升到450Kpa，检测底板应力在16秒时间内，从11×10⁵N突增到87×10⁵N，每5秒增加的冲击应力为25×10⁵N，造成了底板出现疲劳裂纹发生漏风。

通过本实施例的方案，采用应力上升线性控制，同时将均压时间延长到35秒，每5秒增加的冲击应力为10.9×10⁵N，与燃烧时应力波动水平相近。保持了热风炉应力变化平稳的合理水平，炉体系统钢结构的设备运行平稳；设备损坏现象基本消除，设备运行实现了本质安全。

实施例6

将所述的底板应力实时监测方案应用于储存油罐装油操作场景，港口的大型储存油罐高达百米，注满油品油罐底板应力高达炉90×10⁴N，空格油罐底板应力约7×10⁴N左右。

通过智能控制注油操作时，采用应力上升线性控制，有效控制注油速度将单位时间动应力增长控制在5×10⁴N水平，可以进一步保障油罐的安全稳定运行。

实施例7

将所述的底板应力实时监测方案应用于高炉煤气柜进气操作场景，注满煤气底板应力为30×10⁴N，空格油罐底板应力约3×10⁴N。

通过智能均匀分配气柜进气流量，采用应力上升线性控制，有效控制进气流量将单位时间动应力增长控制在1×10⁴N水平，可以进一步保障煤气柜的稳定运行。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种炉窑罐体的运行控制方法，其特征在于：沿炉窑罐体(1)的底板(2)圆周方向设置多个应力检测装置(3)，应力检测装置(3)检测底板(2)的上翘应力，多个应力检测装置(3)检测的数据之和为炉窑罐体(1)的应力量模拟数据，PLC控制系统采集应力检测装置(3)的数据，并根据该数据发出控制信号，控制炉窑罐体(1)的运行。

2.根据权利要求1所述的一种炉窑罐体的运行控制方法，其特征在于：所述的应力检测装置(3)沿着炉窑罐体(1)的底板(2)圆周方向等间隔设置(4～8)×N组，N＝1，2，3……。

3.根据权利要求2所述的一种炉窑罐体的运行控制方法，其特征在于：所述的应力检测装置(3)包括应力传感器(31)、固定压紧梁(32)、调整固定螺栓(33)、调整固定螺母(34)、压紧块(35)和支撑块(36)，所述的应力传感器(31)设置在底板(2)上，支撑块(36)设置于炉窑罐体(1)旁侧的基础(37)上，固定压紧梁(32)设置于应力传感器(31)和支撑块(36)上，所述的固定压紧梁(32)上开设有孔，调整固定螺栓(33)一端固定于基础(37)中，并穿过固定压紧梁(32)；所述的调整固定螺母(34)经压紧块(35)调整固定压紧梁(32)的位置；所述的压紧块(35)、支撑块(36)与固定压紧梁(32)接触的一端均设置刀口。

4.根据权利要求3所述的一种炉窑罐体的运行控制方法，其特征在于：所述的应力检测装置(3)的实际应力模拟数据为F_实＝L₁÷L₂×F_表数值，L₁为应力传感器(31)中轴线到调整固定螺栓(33)中轴线之间的距离，L₂为调整固定螺栓(33)中轴线到支撑块(36)中轴线之间的距离，炉窑罐体(1)的实际应力量模拟数据为F_总＝(F_实1+F_实2+……F_实n)。

5.根据权利要求4所述的一种炉窑罐体的运行控制方法，其特征在于：所述的炉窑罐体(1)的实际应力量模拟数据F_总的标定过程为：

按照计算炉窑罐体(1)应力的1.3倍数据，调整炉窑罐体(1)稳定运行时系统显示初始值F_总1；当炉窑罐体(1)停机检修时系统显示F_总2；炉窑罐体(1)稳定运行的实际应力模拟数据F_标＝F_总-1F_总2；炉窑罐体(1)再次稳定运行时以F_标数值为系统基准值，重新调整调整固定螺母(34)完成应力模拟数值的标定。

6.根据权利要求5所述的一种炉窑罐体的运行控制方法，其特征在于：对炉窑罐体(1)的应力进行线性控制，具体包括：

应力监测系统标定后，采集工作应力底值F_底、及工作应力峰值F_峰；

设定阈值F_阈＝(F_峰-F_底)/T÷T1，T为设备动作时间，T1应力采集周期；

每T1秒应力上升值△F＝F_新-F_前；

当△F≤F_阈，炉窑罐体(1)工作设备持续动作；

当△F＞F_阈，炉窑罐体(1)工作设备停止动作，待下一个循环；当再次△F≤F_阈,炉窑罐体(1)工作设备重新恢复动作。

7.根据权利要求6所述的一种炉窑罐体的运行控制方法，其特征在于：应力峰值安全保护的控制过程为：

当炉窑罐体(1)运行工作状态变化时，设定应力阈值F_阈＝αF_标，α＞1；

当炉窑罐体(1)运行工作状态变化且F_阈≥(1.5～1.9)F_标，发出控制指令，控制炉窑罐体(1)的阀门操作暂停或缓行；

当F_阈≤(1.1～1.4)F_标，发出控制指令，控制炉窑罐体(1)的阀门操作恢复或正常快行；

当F_阈连续3次≥(1.5～1.9)F_标，发出控制指令，紧急关闭阀门、停止操作。

8.根据权利要求3-7任一项所述的一种炉窑罐体的运行控制方法，其特征在于：所述的应力传感器(31)采用压力式称重传感器。

9.根据权利要求8所述的一种炉窑罐体的运行控制方法，其特征在于：同一炉窑罐体(1)沿其底板(2)圆周方向设置的压力式称重传感器为同一型号。

10.根据权利要求9所述的一种炉窑罐体的运行控制方法，其特征在于：所述的固定压紧梁(32)为平面结构或Z字型结构；炉窑罐体(1)的底板(2)高于或低于基础(37)时，应用Z字型结构固定压紧梁(32)。

Images