DE1964758B2

DE1964758B2 - Regelverfahren fuer eine metallurgische ofenanlage

Info

Publication number: DE1964758B2
Application number: DE19691964758
Authority: DE
Inventors: Rene Dipl.-Ing. Winterthur Strub (Schweiz)
Original assignee: Brown Boveri-Sulzer Turbomaschinen AG, Zürich (Schweiz)
Priority date: 1969-12-19
Filing date: 1969-12-24
Publication date: 1972-03-30
Also published as: BE760481A; FR2072222A1; CA941743A; DE1964758A1; NL7000918A; GB1325716A; CH517929A; US3747335A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Regelverfahren tür eine metallurgische Ofenanlage zur Erzeugung, ium Schmelzen oder zur thermischen Behandlung von Metallen mit mindestens einem Ofen, in welcher «lic erforderliche Verbrennungsluft aus einer Druckluftleitung dem Ofen zugeführt wird, so daß die Verbrennung unter erhöhtem Druck vor sich ^eht lind die Verbrennungsgase ebenso unter erhöhtem Druck abgeleitet und einer Turbine zugeführt werden. Welche einen Turboverdichter antreibt, der verdichtete Luft in die Druckluftleitung fördert.

Ofenanlagen zur thermischen Erzeugung von Metallen mit mehreren Öfen, denen die Verbrennungsluft ftus einer Driickluftleitung zugeführt wird, sind schon bekannt. In diesen Anlagen werden jedoch die mit einer Leitschaufelverstellung ausgerüsteten Axialverdichter /ur Beschaffung der Druckluft durch Synchronmotoren angetrieben. Da solche Motoren nur mit einer von der Netzfrequenz abhängigen Drehzahl arbeiten, ist für solche Anlagen fine Drehzahlregelung überhaupt nicht möglich. Vielmehr wird Vom Synchronmotor dem Verdichte¹" bei der Synchrontlrehzahl gerade so viel leistung zugeführt. ;ils zur Verdichtung der ihm zugeführten Luftmenge auf den verlangten Enddruck notwendig ist. Ganz andere Regelaufgaben entstehen jedoch, wenn der Verdichter durch eine Turbine angetrieben ist, welcher gerade so viel Druckgas zugeführt wird, als aus dem zugehörigen Ofen anfällt.

Bei Anlagen der letztgenannten Art, bei denen die Verdichter durch Turbinen angetrieben sind, liegt es nahe, die Drehzahl der Turboverdichter durch Beeinflussung des Druckgasstromes zu regeln. Eine solche Regelung könnte aber deshalb nur in beschränktem Maß sich den Eigenheiten des, Ofens anpassen, als sie nur einen Teil des Gases der Tutbinc zuleiten könnte iitid den übrigen Teil als Regclreserve anderswohin abströmen lassen müßte. Daraus ergäbe sich der Nachteil, daß die zur Verfügung stehenden Gase nicht wirtschaftlich genug ausgenutzt würden.

Zur Abhilfe des geschilderten Nachteiles schlägt die Erfindung vor, die aus Turbine und Turboverdichter bestehende Turbogruppe durch Eiiwellnn einer verstellbaren Lei'schaufelanordniing des Verdichters mittels eines Drehzahlreglers zu regeln und den Sollwert dieses Drehzahlreglers in Abhängigkeit vom Druck

ίο der Druckluftleitung einzustellen.

Da dei Druck eier Luft in der Druckluftleitung zugleich auch der Förderdruck des Verdichters der Turbogruppe ist, ist es möglich, den Wirkungsgrad des Verdichters bei Einhaltung der durch die Erfindung vorgeschlagenen Abhängigkeit zwischen, dem Druck in der Druckluftleitung und der Einstellung der Leitschaufelanordnung den Verdichter immer in einem möglichst günstigsten Wirkungsgradbereich arbeiten zu lassen. Zudem ist es nunmehr auch möglich, die Turbine ohne Regelvorrichtung zu betreiben, was bei den stark mit Staub beladenen Abgasen des Ofens für die Turbine eine wesentliche Verminderung der Störanfälligkeit ergibt, l'nd schließlich wird es auch nicht notwendig, einen Teil des Abgases als Regelreserve zur Leistungserhöhung zeitweise unbenutzt abströmen zu lassen.

Eine entsprechend dei Erfindung geregelte Hochofenanlage wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.

F 1 g. 1 zeigt das Schema einer nach der Erfindung geregelten Ofenanlage;

F i g. 2 und 3 stellen V. P-Diagramme dar. aus welchen die Regel vorgänge beim Ü bei gang von einem höheren Gegendruck zu einem niedrigeren erkenntlich sind.

Der Hochofen 1 in F i g. 1 erhält durch die Leitung 2 Verbrennungsluft unter erhöhtem Druck zugeführt. Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase werden mit einem um den Druckverlust im Ofen verminderten.

aber immer ncch beachtlichen Druck durch die Zuführleitung 3 zur Gasturbine 4 geleitet. Es ist bekannt, daß dies.' Hochofenabgase mit einem bedeutenden Anteil von staubförmigen Verunreinigungen aus dem Ofen ankommen und daß sie daher die Gefahr in sieh bergen, in Leitungen und ungünstigen Strömungskrümmungen \blagerungen ,in/iiset/en. die sich in kurzer Betr. >s/eit --.> weit aufbauen, daß Durchgangsquerschnitte störend vermindert und allfällige bewegliche Teile in ihrem Betrieb gehemmt werden Am meisten gefährdet sind dabei Rohrkrümmer und ganz besonders Regelanlagen, z. B. Regelventile der Turbine. Andererseits gelingt ο bei den erhöhten Strömungsgeschwindigkeiten in der Turbine durch geeignete Formgebung der Schaufelung ■' ■ Strömung so einzurichten, daß Ablagerungen üb ,aupt nicht entstehen oder mindestens kleine Ablag rungen sich nicht weiter aufbauen können. Wenn es demnach gelingt, sämtliche wesentlichen Regelapparate aus der Gasströmung der Turbine fernzuhalten, so ist ein ungestörter Betrieb der Turbine trotz des reichen Staubgehaltes des Treibgases gesichert.

Die Turbine 4 treibt über die Kupplung 5 den Turboverdichter 6, der mindestens einen Kranz drehbarer Leitschaufel 7 (von denen nur eine dargestellt ist) besitzt. Der Verdichter saugt durch die Leitung 8 Luft aus der Umgebung an und führt sie in verdichtetem Zustand durch die Förderleitung 9 in eine Druckluftleitung 10, an welcher unter anderem die Leitung 2

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angeschlossen ist, durch welche tier Hochofen mit Stelle niedrigeren Druckes geleitet werden kann. Verhiennungslufi verborgt wird. Es können noch Damit soll verhütet werden, daß durch das schnelle weitere Leitungen an diese Druckluftleitung 10 auge- Abschalten der Turbomaschinenanlage der Betrieh de-, schissen sein, welche noch andere Ofenanlagen mit Hochofens gehört wird.

Verbrennungsluft versorgen. Außerdem wird es in 5 Der dargestellte Verdichter 6 isi als Axialmaschine den meisten Füllen notwendig sein, der Druckluft- gebaut. Eingestellt können Eintrittsleitkränze, /. h. leiiung durch einen gesondert angetriebenen Ver- ein vor der ersten Stufe schon angeordneter Kranz dichter noch die fehlende Luftmenge zuzuführen. oder Kränze zwischen den Stufen oder ein letzter Da. lurch kann in der Druckluftleitung 10 der Druck Kranz hinter der letzten Stufe, werden. Es ist aber ir.iuels Bemessung der zusätzlichen Luftmenge ge- ίο auch möglich. Radialverdichter zu verwenden, bei eignet eingestellt werden. denen dann entsprechende Eintrittsdrallvorrichtungen

Der Drehzahlregler 11, 12, der durch die Turbo- oder Drallvorrichtungen in den Diffuseren Verwenwdl·· angetrieben ist, beeinflußt mittels des Servo- dung finden.

M,.! ti-, 12 den Kranz der einstellbaren Schaufeln 7 so, Die Regelvorgänge lassen sich an Hand der V.P-

da!< zunächst die Drehzahl konstant bleibt. Mit Hilfe 15 Bilder in F i g. 2 und 3 verfolgen. Pl entspricht dem tiiur Sollwerteinstellung 13 kann der einzustellende normalen Förderdruck in der Druckluftleitung 10 S'.1! ι λ crt der Drehzahl nach Maßgabe des Druckes Pl (Fig. 1). Mit A (F i g. 2) ist die Pumpgrenze bei in der Leitung 10 festgesetzt werden. Da in der Lei- verschiedenen Betriebszustand), dargestellt und mit ß tung IO jedoch ein konstanter Druck aufr chterhalten eine Betriebslinie, die zur Verhütung des Eintritts des wii.i. bleibt, solange keine Änderungen dieses kon- 20 Verdichterbetriebs in das Pumpgebiet nie untersta η ten Wertes verursacht werden, auch die Drehzahl schritten werden darf.

auf konstanter Höhe. Bei einem Sinken der Drehzahl Außerdem sind durch die Kurven It* 1. Wl und ΙΓ3

wird die Verdichterleistung durch Beschränkung der in 1- i g. 2 die Gebiete gleicher Wirkungsgrade;, Fördermenge vermindert und bei einem Steigen der (80, 84, 86° '„) für den Betrieb des Verdichters mit der Drehzahl erhöht, wodurch die dem Druck Pl in der 25 Drehzahl /1 beim Förderdruck Pl dargestellt. In F · g. 3 Leitung 10 entsprechende Sollwertdrehzahl wieder sind die entsprechenden Gebiete I₁ (84, 86° ₀) für den hergestellt wird. Betrieb mit der Drehzahl /il und dem Förderdruck PI1

An die Förderleitung 9 des Turboverdichters ^:st durch die Kurven W*l und W*2 erkennbar.
eine Zweigleitung 14 angeschlossen, in welche ein In F i g. 2 und 3 sind weiter Linien N' und ΛΊ' als

Regelorgan 15 eingebaut ist. Die Leitung führt an 30 Parameter für konstante Verdichtungsleistung eingeeine Stelle niedrigeren Druckes, z. B. in eine Ab- tragen. Diese Linien stellen in erster Annäherung leitung, welche zuviel geförderte Luft über Dac'u Hyperbeln dar mit den Koordinatenachsen als abfuhrt. Eingestellt wird das Regelorgan 15 durch Asymptoten.

einen Servo-Motor 16. der seinerseits durch ein Meß- Schließlich sind in den F i g. 2 und 3 weiter noch

gerat 17 gesteuert ist. Das Meßgerät 17 steht unter 35 eingetragen ebenso al? Parameter Linien konstanter dem Einfluß der durch die Leitung 9 zur Leitung 10 σ-Werte. Diese rr-Werte stellen dimensionslose Zahlen strömenden Luftmenge. Das Regelorgan 15 beginnt dar und werden als Drosselzahl bezeichnet. Der zu offnen, wenn die in die Luftleitung 10 strömende geometrische Ort aller Punkte mit gleichem r, bildet Luftmcnge so klein wird, daß der Verdichterbetrieb — entsprechend der Definition des fT-Wertes (/u vgl. sich der Pumpgrenze nähert. Die dadurch entstehende 40 Eckert, Axial- und Radiaikompressoren. 1953, Vermehrung der Luftförderung durch den Verdichter S. 42ff.) - eine Parabel, dere 1 Scheitelpunkt im verhütet den Eintritt des Betriebes in aas Pumpgebiet. Nullpunkt der Koordinaten liegt. Die Wirkungsgrad-Da die Pumpgrenze sich mit Veränderung des Förder- kurven W bei verschiedenen Drehzahlen n werden bei druckes ebenso ändci. wird der Sollwert der Luft- Veränderung des Netzdiuckes Pl. d. h. bei Vermenge, bei welchem ;las Ventil 15 durch den Servo- 45 änderung des den Drehzahlen zugehörigen Förder-Motor 16 geöffnet wird, durch eine Meßvorrichtung 18 druckes des Verdichters den rr-Linien entlang vernach M-.ßgabe des Druckes in der Förderleitung 9 schoben und dabei konform entsprechend der Schar eingestellt. Damit kann erreicht werden, daß in jedem der Ί-Kurven verändert. Zudem liegt im Feld der Betriebspunkt immer so viel Druckluft der Leitung 10 w'nkungsgradkurven die tf-Kurvenschar. welche die zugeführt werden kann, als diese ohne Druckerhöhi ng 50 Werte für die Anstellwinkel der Leitschaufeln zur aufnehmen kann, und nur diejenige l.uftmenge abge- Erreichung der eingetragenen Wirkungsgrade darlassen werden muß. welche notwendig ist. um das stellen.

Pumpen des Verdichter- /ti verhüten. Das Rückschlag- Es mag unterstellt sein, daß der normale Betriebsventil 25 in dei riwdeikiUmg 10 verhindert in solchen zustand be'.η Gegendruck Pl (in der Druckluft-Fällen ein Rückströmen von Luft aus der Luftleitung 55 leitung 10. F i g. 2) und bei der Drehzahl /; im Punkt F 10 gegen den Verdichter 6 oder in die Zweigleitung 14. liegt. Dabei wird dem Verdichter ;ine Leistung Mi

In der Leitung 3 ist ein Schnellschlußorgan 19 von der Turbine zugeführt. Die Leitidraufeln werden eingebaut, welches durch einen Schnellschlußregler 20 von der Regeleinrichtung bei einem Anstellwinkel β beeinflußt ist. Bei Erreichen einer unzulässigen Dreh- gehalten.

zahl wird dieses Schnellschlußorgan geschlossen, so 60 Wenn die Leistung der Turbine abnimmt, z. ti. daß die Drehzahl 1er Turbomaschinenanlage nicht infolge einer Verminderung der Menge oder des durchgehen kann. Außerdem ist vor dem Schnell- Druckes oder der Temperatur der aus dem Hochofen schlußorgan 19 an die Leitung 3 eine Zweigleitung 21 anfallenden Abgase, verursacht die Regelung eine angeschlossen, die vn Durchflußorgan 22 besitzt. Verschiebung des Betriebs vom Punkt F gegen F' Dieses Durchflußorgan ist ebenso durch den Schnell- 65 durch Veränderung des Anstellwinkels vom Wert β schlußregler 20 beeinflußt, so daß beim Abschließen gegen den Wert/9' und darüber hinaus bis höchstens des Schnellschlußorgans 19 die vom Hochofen an- zum Punkt D. Hält bei weiterem Abfall der Turbinenkommende Gasmenge durch die Leitung 21 an eine leistung Jie Tendenz einer Verschiebung des Betriebs

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über den Punkt D der kleinstmöglichen Antriebs- Wirkungsgrad würde von etwa 86.3 ⁿ/₀ auf etwa

leistung hinaus gegen die Pumpgrenze A noch an, so 83,5 ⁰Z₀ fallen. Ebenso wurden auch die anderen

greift der Mengenregler 15 (F i g. 1) ein, um die Luft F-Punkte der f/-Linie den ihnen entsprechenden

durch die Leitung 14 abzuführen. Ein Rückströmen /V-konstantlinien entlang auf das Niveau Pll fallen,

von Luft aus der Druckleitung 10 durch die Leitung 9 5 Damit zusammenhängend wird aber auch der Druck

wird durch das Rückschlagventil verhütet. der Treibgase für die den Verdichter antreibende

Bei einer Vergrößerung der von der Turbine dem Turbine fallen und die Gase in der Turbine nur noch Verdichter zugeleiteten Leistung infolge vermehrter eine Leistung von Wl entwickeln. Damit wandert der Abgasenergie verschiebt sich der Betrieb vom Punkt F Betriebspunkt F'l an die Stelle F'l.
gegen den Punkt F". Durch die Regelvorrichtung io Nun wirkt bei dieser Regelvcrschiebung aber wird dann die Stellung der einstellbaren Laufschaufeln gleichzeitig auch die Sollwerteinstellvorrichtung 13 gegen den Höchstwert des Anstellwinkels/T ver- (F i g. I) mit und senkt die Drehzahl vom Wert /; auf größert. Dadurch wird eine erhöhte Luftmenge in die den Wert η 1. Für diese gesenkte Drehzahl gilt nicht Druckluftleitung 10 geführt und so die gesteigerte mehr das gleiche Wirkungsgradfeld wie das in F i g. 2 Turbinenleistung nutzbar verwertet. Bei weiterer 15 für die Drehzahl η eingezeichnete. Die Wirkungsgrad-Erhöhung der Abgasleistung wäre der Verdichter kurven Wl, Wi in F i g. 2 und auch die Linienschar ausgeregelt, und der Betrieb würde — mit entsprechen- für die ß-Werte werden bei der Drehzahlsenkung der Erhöhung der Drehzahl und des Förderdruckes - konform entlang der rr-konstant Linienschar gesenkt, der eingezeichneten Kurveß" weiter folgen. Der Ver- Sie verändern dabei ihre Form und ihre Lage und dichter würde dann wieder ein kleineres Luftvolumen 20 nehmen die Gestalt Wl*. W2>* in F i g. 3 an. Die — jedoch bei einem erhöhten Druck — fördern und /V-Linienschar und die σ-Linienschar erfahren in so die vermehrte Turbinenleistung absorbieren. Wenn F i g. 3 gegenüber F i g. 2 keine Änderung, und in Ausnahmefällen der Verdichter nicht mehr im- damit verändern auch die Betriebspunkte F', F'l und stände wäre, die ihm angebotene Leistung aufzu- F' 1 gegenüber dem Bild nach F i g. 1 ihre Lage nicht, nehmen, könnte die Drehzahl unzulässig hoch an- 35 Man sieht, daß nun bei der verminderten Drehzahl steigen. Dann würde der Schnellregler 20 in Aktion nl der Verdichterwirkungsgrad infolge der Drehzahltreten und auf alle Fälle so lange das Schnellschluß- änderung durch die Solhverteinstellvorrichtung 13 organ abschließen und das Abströmventil 22 öffnen, (F i g. 1) an eine Stelle innerhalb der Kurve W* 3 zu bis die Grenzdrehzahl wieder unterschritten ist. liegen kommt und damit einen Wert hat. der etwas

Würde z. B. der Gegendruck in der Druckleitung 30 über 86°/„ liegt. Es ergibt sich also, daß durch diese

vom Druck Pl auf den Druck Pll (Fi g. 2) sinken, Drehzahlbeeinfiussung bei Druckabsenkung der Wir-

so würde — zunächst ohne Einwirkung durch die kungsgrad an Stelle von 83,8 °/₀, wie er sich bei un-

Solhverteinstellvorrichtung 13 (Fig. 1) — z.B. der veränderter Drehzahl beim Punkt F' 1 in F i g. 2 er

Betriebspunkt F' der Linie N' = konstant entlang auf gäbe, angehoben werden kann auf den Wert von etwi

das Druckniveau Pll beim Punkt F'l sinken, und der 35 86,1 °/„ beim Punkt F'2 in F i g. 3.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Piiumüinsprüche:

1. Regelverfahren für eine metallurgische Ofenanlage zur Erzeugung, zum Schmelzen oder zur thermischen Behandlung von Metallen mit mindestens einem Ofen, in welcher die erforderliche Verbrennungsluft aus einer DnickluftieiUing dem Ofen zugeführt wird, so daß die Verbrennung unter erhöhtem Druck vor sich geht und die Verbrennungsgase ebenso unter erhöhtem Druck sbgeleitet und einer Turbine zugeführt werden, welche einen Turboverdichter antreibt, der verdichtete Luft in die Druckluftieitung fördert, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Turbine <4) und Turboverdichter (6) bestehende Tiirbogrupne durch Einstellen einer verstellbaren Leitschaufelanordnung (7) des Verdichters (6) mittels eines Drehzahlreglers (H, 12) geregelt wird und daß der Sollwert des Drehzahlreglers in Abhängigkeit vom Druck in der Druckluftleitung (10) eingestellt wird.

2. Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung zur Turbine (4) bei Erreichen einer hochstzulässigen Drehzahl des Turboverdichters (4. 6) geschlossen wird.