DE2006697A1

DE2006697A1 - Vorrichtung zur Regelung des Gehalts eines ersten Fluidums an einem zweiten Fluidum

Info

Publication number: DE2006697A1
Application number: DE19702006697
Authority: DE
Inventors: Tomohisa Kawasaki; Nagano Yoshihiko Yokohama; Yamaguchi Kenichi Kawasaki; Kanagawa Yamamoto (Japan). M G05d 13-62
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1969-02-15
Filing date: 1970-02-13
Publication date: 1970-12-23
Also published as: JPS4841519B1; GB1254083A; FR2035409A5; SU389664A3; US3628555A; BE745980A

Description

Nippon "Kbkan Kabushiki Kaisha . J J₁ fgfo, $70

Tokio, Japan

Vorrichtung zur Regelung des Gehalts eines ersten Pluidums an einem zweiten Pluidum

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des Gehalts an einem zweiten Pluidum, das in einem ersten ■' Fluidum enthalten ist. Wenn das erste Fluidum A das zweite ÜPluidum B enthält und sich der Gehalt an letzterem allmäh-' lieh ändert, ist es häufig wünschenswert, Fluidum B zuzufügen, um seinen Mengenanteil auf einem vorbestimmten konstanten Wert zu halten. In diesem Fall variiert häufig die Strömungs- bzw, Durchsatzmenge des ersten IPluidums A und ist es außerdem häufig erforderlich, den Mengenanteil an zweitem ITuidum B zu variieren. Bei Verwendung einer Regelvorrichtung hoher Ansprechempfindlichkeit zur Regelung der Strömungs- bzw. Durchsatzmengen beider Pluiden A und B ohne Zeitverzug wäre es selbst dann, wenn sich die Strömungsmenge des Jluidums A oder der gewünschte Gehalt an ffluidum B ändert, möglich, den Gehalt bzw, Mengenanteil an Fluidum B auf dem gewünschten Wert zu halten und eine ausreichende Menge an £luidum B zuzugeben, um· die Abweichung seines Mengenanteils vom vorbestimmten Wert bei allmählicher Änderung dieses Mengenanteils auf ein Mindestmaß herabzudrükken. Die den Mengenanteil an lluidum B feststellende Meßvorrichtung besitzt jedoch im allgemeinen einen unvermeidlichen Zeitverzug, der zu einem "Pendeln" der Regelung führt.

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Unter Heranziehung eines Hochofens als Beispiel entspricht das Fluidum A. den dem Hochofen eingespeisten Wind» während das Fluidum B dem Feuchtigkeitsgehalt der Atmosphärenluft und dem dem Wind zugesetzten Wasserdampf entspricht.

In einem solchen Fall ist es erforderlich, eine Regelvor« richtung vorzusehen, welche den Feuchtigkeitsgehalt des Winds auf einem gewünschten bzw. Sollwert zu halten vermag, und zwar ohne Übergangs-Erhöhung oder -Verminderung des "<■ Feuchtigkeitsgehalts, wenn sich der Feuchtigkeitsgehalt der %, Atmosphärenluft ändert oder der gewünschte Feuchtigkeitsgehalt absichtlich geändert wird.

Bisher ist zur Regelung des Feuchtigkeitsgehalts des Hochofenwinds eine sogenannte Dampfmengen-Direktregelanlage (steam quantity direct oontrol system) verwendet worden, bei welcher ein Teil der Luft abgenommen bzw. abgezweigt und über eine Leitung einem thermostatischen Behälter mit einem Lithiumchlorid-Taupunkthygrometer zugeführt wird, um die Luftfeuchtigkeit in Form einer dem Taupunkt entsprechenden Spannung zu bestimmen, d.h. g(H₂O) / IT nr(Luft), wobei der Unterschied zwischen dieser Spannung und einer dem gewünschten Feuchtigkeitsgehalt des dem Hochofenwinds " entsprechenden Bezugsspannung zur Regelung der dem Wind zuzugebenden Dampfmenge herangezogen wird. Eine andere Vorrichtung ist die Dampfmengen-Kaskadenregelanlage, bei wel-· eher der vorgenannte Spannungsunterschied zur Einstellung . eines Dampfmengen-Einstellmeesers auf eine gewünschte Dampfmenge herangezogen wird«

Der Lithiumohlorid-Taupunkthygrometer spricht jedoch sehr langsam an und benötigt häufig etwa 10 Minuten bis zur Lieferung eines stabilen Ausgangssignals_t Infolgedessen führt

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bei einer solchen Dampfmengen-Direktregelanlage ein plötzlicher Abfall der Luftmenge zu einer Dampf-Überschußmenge, wodurch der Feuchtigkeitsgehalt des Hochofenwinds anomal erhöht wird. Da sich jedoch der durch den Lithiumchlorid-Taupunkthygrometer bestimmte scheinbare Feuchtigkeitsgehalt nicht so schnell ändert, ist es unmöglich, den Feuchtigkeitsgehalt auf dem Sollwert zu halten. Wenn sich die Windmenge schnell erhöht, ist dagegen die umgekehrte Erscheinung zu beobachten.

Wenn der Sollwert des Feuchtigkeitsgehalts im Wind schnell erhöht wird, während sich der duroh den Taupunkthygrometer festgestellte Feuchtigkeitsgehalt bei schneller Erhöhung der Dampf-Durohsatzmenge allmählich dem modifizierten oder erhöhten Sollwert annähert, wird eine tibermäßige Dampfmenge zugeführt, so daß sich ein Ubereehuß-Dampfgehalt ergibt. Eine schnelle Herabsetzung des gewünschten Feuchtigkeitsgehalts führt zum umgekehrten Ergebnis.

Bei der Dampfmengen-Kaskadenregelanlage wird dagegen bei der Bestimmung der Sollmenge an Dampf auf der Grundlage der Abweichung des Luft-Feuchtigkeitsgehalts die Abweichung Proportionier-, Integrier- und Differenzier-Vorgängen (PID-Vorgängen) unterworfen, um eine anomale Erhöhung oder Verminderung des Feuchtigkeitsgehalts zu vermeiden. Streng genommen ist es jedoch erforderlich, diesen Vorgang in Abhängigkeit von der Windmenge, dem Feuchtigkeitsgehalt des Winds und der darin enthaltenen Dampfmenge zu modifizieren, so da£ eine perfekte Regelung außerordentlich schwierig zu erreichen ist.

Aufgabe der Erfindung ist mithin in erster Linie die Schaffung einer neuartigen Regelanlage, welche den 3-ehalt eines ersten Fluidums an einem zweiten Fluidum auf einem vcroe-

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&4D OfUSiNAL-

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stimmten Sollwert zu halten vermag, wenn sich der Gehalt bzw, Mengenanteil des zweiten Fluidums allmählich ändert und wenn der Sollwert absichtlich variiert wird.

Eine apeziellere Aufgabe der Erfindung "bezweckt die Schaffung einer Regelvorrichtung, welche den Feuchtigkeitsgehalt des Hochofenwinds auf einem vorbestimmten Sollwert zu halten vermag, wenn sioh der Feuchtigkeitsgehalt der Atmoephärenluft oder die Wind-Durchsatzmenge ändert oder der Sollwert des Feuchtigkeitsgehalts des Winds variiert wird.

Nooh ein anderes Erfindungsziel betrifft die Schaffung einer verbesserten Regelvorrichtung, die frei ist vom Einfluß der unvermeidlichen Verzögerung bzw. Verzugszeit im Anspreohverhalten eines herkömmlichen Feuchtigkeitsdetektors, wie eines Lithiumohlorid-Taupunkthygrometers.

Allgemein gesagt» wird bei der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung für den Fall, daß die Wind-Durchsatzmenge oder der Sollwert des Feuchtigkeitsgehalts des Winds geändert wird, die zu erhöhende oder au verringernde Dampfmenge zur direktea Regelung der dem Wind zuzusetzenden Dampfmenge durch einen Rechner berechnet, während bei allmählicher Änderung des Feuchtigkeitsgehalts der Atmosphärenluft die zuzugebende Dampfaenge durch ein herkömmliches Taupunkthygrometer berichtigt wird.

Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung zur Aufrechterhaltung eines vorbestimmten Werts des Gehalts eines ersten Fluidums an einem zweiten Fluidum besteht aus einer Einrichtung zur Feststellung der Durchsatzmenge des Gemisches aus dem ersten und zweiten Fluidum zwecks Erzeugung einer die Durchaatzmenge des Gemisches dax-e teil enden Spannung,

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einer Einrichtung zur Feststellung des Gehalts an dem zweiten Fluidum im Gemisch zur Erzeugung einer zweiten, diesen Gehalt darstellenden Spannung, einer Einrichtung zur Erzeugung einer dritten, den Bezugswert dieses Gehalts darstellenden Spannung, einer Torratsquelle für das zweite Fluidum und einem auf die drei Spannungen ansprechenden elektroni- j sehen Rechner zur Regelung der dem Gemisch von der Vorrats— quelle aus zuzuführenden Menge des zweiten Fluidums in Abhängigkeit von einer vorbestimmten, noch zu "beschreibenden , Gleichung. · - ·|

Für den Fall der Regelung des Feuchtigkeitsgehalts des Hochofenwinds stellt das erste Fluidum die Atmosphärenluft und das zweite Fluidum die in der Atmosphärenluft enthaltene Feuchtigkeit oder den in den Wind einzuführenden Dampf dar. Die Erfindung ist jedoch auch auf andere Anwendungsfälle anwendbar, beispielsweise auf die Regelung der Zusammensetzung eines Gemisches aus verschiedenen Gasen oder auf die Steuerung des pH-Werts von Flüssigkeiten,

Iin folgenden ist die Erfindung in einen bevorzugten Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: '

Fig. 1 eine schematisohe Darstellung einer Ausführungsform einer Regelvorrichtung mit den Merkmalen der Erfin* dung in Anwendung auf die Regelung des Feuchtigkeitsgehalts von Hoohofenwind und

Fig. 2 und 3 eine Reihe von Diagrammen zum Vergleioh der Genauigkeit des Feuchtigkeitsgehalts des Winds durch Regelung mittels der eifLndungsgemäßen Regelvorrichtung gegenüber einer herkömmlichen Regelan-

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lage, wobei Jig. 2 einen Fall veranschaulicht, in welchem der Luftdurchsatz von 3200 auf 2800 Hm /min geändert wird, während gemäß Tig· 3 der Soll* bsw, Bezugswert des Feuchtigkeitsgehalts dee Winds von 34- auf 29 g/Hm⁵ geändert wird,

Gemäß ?ig, 1 wird Luft einem nicht gesondert dargestellten Hochofen mittels eines Gebläses 1 über eine Leitung 2 zugeführt. Die Strömungs- bzw. Duroh&atzmenge an Hochofenwind wird duroh eine in der Leitung 2 vorgesehene Meßblende 3 festgestellt bzw» abgegriffen und als elektrisches bzw. Spannungssignal über einen Windmengen-Geber 4 einem Rechner 5 eingespeist. Ein Teil der in der Leitung 2 strömenden Luft wird über eine Zweigleitung 6 einem LÄiium-Taupunkthygrometer 7 zugeführt, um eine dem Taupunkt entsprechende Spannung zu erzeugen, die über einen Wandler 8 dem Rechner 5 eingespeist wird. Außerdem wird dem Rechner ein den gewünschten Feuchtigkeitsgehalt angebendes Bezugssignal eingespeist. Bei einer Änderung der Durchsatzmenge oder des gewünschten Feuchtigkeitsgehalts berechnet der Rechner die zu erhöhende oder zu verringernde Dampfmenge und speist das Ergebnis einer Aufzeichnungs-Regelvorrichtung 9 (FRO) für den Dampfstrom ein, um die von einer Dampf-Torratsquelle über ein Regelventil 10 in die Leitung 2 einzuführende Dampf menge zu regeln· Die zugelassene Dampfmenge wird über eine Messblende 12 in der Leitung 11 und einen Durchsatz-Geber 13 zur Aufzeiohnuiigs-ILegärvorrichtung 9 zurückgekoppelt·

Erfindungsgemäß ist die Regelvorrichtung so aufgebaut, daß sie den Sollwert des Dampfstroms nach folgender Gleichung bestimmt und regelt:

S-S₁ . -^T + -^Sy(M - M J + K .-^T(M - M_T) .... (1) -1 γ-1 ₁₀b -1 ₁₀ö I

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% ι

In dieser Formel bedeuten*

S die erforderliche Dampfmenge in t/Std.j

S_-1 die erforderliche Dampfmenge, durch vorherige Berechnung bestimmt, d.h. durch vorherige Abfragung des Rechners· Die Bereohnungs- oder Abfragezeitspanne beträgt eine Hinute;

V Luft-Durchsatamenge in Hm⁵/min$

V_-1 die Luft-Durchsatzmenge zum Zeitpunkt der vorherigen Abfragung, in Nm⁵/mini

M den Sollwert bzw« Bezugswert des Feuchtigkeltsigehalts des Blaswinds, in g/Nm j

M_-1 den Sollwert des Feuchtigkeitsgehalts des Winds zum Zeitpunkt der vorangehenden Abfragung, in

K₁ die durch den Lithlumohlorid-Taupünkthygrometer bestimmte relative Feuchtigkeit des Winds $

K den Koeffizienten der Ansprechempfindliehkeit der Dampf korrektur ρ ausgedrückt als 0ί1(!Κ^0_?05·

In Gleichung (1) bedeutet der erste Ausdruck S * · —τ die

bei Änderung der Windmenge proportional zur Luftmenge zu ändernde Dampf-iflenge_s Der zweite Ausdruck £™rV(M - M ^)

bedeutet die überschttssige oder fehlende Dampfmenge bei Änderung des Soll- bzw. Bezugswerts des Feuchtigkeitsgehalts des Winds, während der dritte Ausdruck die Dampfmenge entsprechend dem Unterschied zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt M₁ des Winds nach Bestimmung durch den Hygj»- meter und dem Sollwert des Feuchtigkeitsgehalts angibt.

Infolge der unvermeidliclien Zeitverzögerung bei der Feststellung der Feuchtigkeitsmenge M₃. ist es nicht möglich,

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die Durchsatzmenge an Dampf durch den Ausdruck -^-V (M - M_T)

1O^Ö ^x zu regeln, indem die Dampfmenge durch 1/10 dieses Ausdruoks

' (d.h. K a 0,1) geregelt wird; wenn sich der Feuchtigkeitsgehalt des Winds nur sehr wenig ändert, beispielsweise um weniger als 10 g/Nrn , ist die Regelung«unmittelbar nach dem Auftreten einer derart kleinen Änderung praktisch unwirksam, so daß eine Abweichung vom Sollwert des Feuchtigkeitsgehalts infolge einer allmählichen großen Änderung, wie z.B. einer

! Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit der Atmosphärenluft, ' vermieden werden kann.

Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung verbessert die Genauigkeit der Regelung des Feuchtigkeitsgehalts des Blaswinds auf ^ die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Weise. In diesen Figuren zeigen die ausgezogenen Linien die mittels eines Strömungsmessers und eines Hygrometers bei einem bisher verwen-J deten Dampf-Kaskadenregelsystem gemessenen Mengen an Luft, Dampf und Feuchtigkeitsgehalt, die strichpunktierten Linien den Feuchtigkeitsgehalt des Winds durch Berechnung naoh Dampf- und Luftmenge ebenfalls beim herkömmlichen Dampf-Kaskadenregelsystem und die gestrichelten Linien die gemessene Daapfmenge und den naoh dem Dampfdurchsatz berechneten Feuchtigkeitsgehalt bei der erfindungegemäßen Vorrichtung.

j Wie aue den Fig. 2 und 3 deutlich hervorgeht, können mit der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung selbst dann anomale Bedingungen des Hochofens, wie Schlupf oder Hängen, vermieden

j werden, wenn die Luftmenge oder der Sollwert des Feuchtigkeitsgehalts des Winds geändert wird, da Bich der_:feuchtigkeitsgehalt nicht anomal erhöht oder verringert, wie dies bisher der Fall warj auf diese Weise können die hierdurch hervorgerufenen Produktionsverluste gesenkt v/erden. Die erfindungsgemäß erreichten Vorteile werden noch dadurch verstärkt, daß die Änderung der Windmenge jedesmal dann auf-

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tritt, wenn der Betrieb der für den Hochofen benutzten Winderhitzer umgeschaltet wird, da die Änderung des Sollwerts des Feuchtigkeitsgehalts durch Anwendung der Rechner-Regelung häufiger bewirkt wird.

Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit der Regelung des Feuchtigkeitsgehalts von Hochofenwind beschrieben ist, läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Regelung des Bestandteilverhältnisses eines Misohfluidums auch auf folgende Fälle anwenden:

1. Kalorimetrische Regelung eines Mischgases,

In einer Stahlerzeugungsanlage ist es üblich, ein in einem Koksofen zu verbrennendes Gas durch Vermischen von Hochofengas, das billig ist und niedrigen Heizwert besitzt, mit Koksofengas herzustellen, das ziemlich teuer ist und hohen Heizwert besitzt, um auf diese Weise ein Misohgas des gewünschten Heizwerts zu erhalten. Obgleich in solchen Fällen das Verhältnis zwischen Hochofengas und Koksofengas geregelt wurde, wenn sich der erforderliche Heizwert änderte, ist das Ansprechverhalten des Kalorimeters langsam» Die erfindungsgemäße Rechner-Regelanlage ist in diesem Fall wirkungsvoll, ·

2, Regelung des pH-Werts von Beizabflüssen,

Die verbrauchte Beizflüssigkeit aus der Flaohatahlherstellung wird üblicherweise nach Neutralisieren mit Kalkwasser abgeleitet, doch ändern sioh Konzentration und Menge des Abflusses von Zeit zu Zeit. Infolgedessen ändert sioh die Menge des verwendeten Kalkwassers entsprechend. Da außerdem der Neutralisationsbehälter ein beträchtliches Fae-

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sungsvermögen besitzt, ist die Messung des pH-Werts nach dem Neutralisieren von einem beträchtlichen Zeitverzug begleitet.

Obgleich der Sollwert des pH-Werts nach dem Neutralisieren konstant ist, variieren die Menge des Abflusses sowie ihr pH-Wert in beträchtlichem Maß· Die erfindungsgemäße Rechne r-Regelanlage kann auf diesem Fachgebiet mit Vorteil eingesetzt werden.

Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt und beschrieben 1st, sind dem Fachmann selbstverständlich zahlreiche Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß der Rahmen und der Grundgedanke der Erfindung verlassen werden.

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Claims

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gat e η t a η a ρ r Ü c h e

Vorrichtung zur Regelung dee Gehalte eines ersten Fluidums an einem zweiten Fluidum durch Regelung der Menge des dem ersten Fluidum zugesetzten zweiten Fluidums, dadurch gekennzeichnet, daß «ine Einrichtung (3) zur Feststellung der Strömungen bzw, Durchsatzmenge des Gemisches aus erstem und zweitem Fluidum zur Erzeugung einer die Durchsatzmenge dieses Gemisches darstellenden Spannung, eine Einrichtung (7) zur Feststellung des Gehalts an zweitem Fluidum im Gemisch zur Erzeugung einer zweiten, diesen Gehalt angebenden Spannung, eine Einrichtung zur Erzeugung einer dritten, einen Bezugswert des Gehalte darstellenden Spannung, eine Vorratsquelle (11) für das zweite Fluidum und ein auf die drei genannten Spannungen ansprechender elektronischer Rechner (5) zur Regelung der Menge des von der Vorrate- - quelle- aus dem Gemisch zuzugebenden zweiten Fluidums vorgesehen sind und daß der Rechner die Menge an zuzugebendem zweiten Fluidum entsprechend der Gleichung

S = S₁ . ψ!- + -2gv(M -M)₊K. SH-T(M - M_T) ~^Λ ^v-1 iO^b ·"* 10^{b x}

regelt, in welcher S die Durchsatzmenge an zuzugebendem zweiten Fluidum in t/Std«, S_-1 die durch vorangehende Berechnung durch den Rechner bestimmte Durchsatzmenge des zuzugebenden zweiten Fluidums, V die Durchsatzmenge des ersten Fluidums in Nur/min, V_-1 die durch vorangehende Berechnung bestimmte Durchsatzmenge an erstem Fluidum in lim /min, M den Bezugswert des Gehalte an zweitem Fluidum im ersten Fluidum in g/Nm', M .. den

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durch vorangehende Berechnung bestimmten Bezugswert

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des Gehalts an zweitem Fluidum im ersten Pluidum in g/Nm , M₁ den durch ein herkömmliches Meßgerät gemessenen Relativgehalt des zweiten Fluidums im ersten Fluidum und K den Koeffizient der Gehalt-Ansprechempfindlichkeit bedeuten,
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (7) zur Feststellung dee Anteils des zweiten Fluidums im Gemisch ein Lithiumchlorid-Taupunkthygrometer langsamen Ansprechverhaltens ist.
3. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zur Regelung des Feuchtigkeitsgehalts von Hochofenwind, wobei dae erste Fluidum die Atmosphärenluft und das zweite Fluidum der Feuchtigkeits- bzw. Wasserdampfgehalt ist.

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