Intrimning av Reglerventil OK3

Submodellen Reglerventil OK3 trimmas in f¨or att efterlikna reglerspj¨allets funk- tion i OK3. Koefficienterna f¨or komponenterna ur Thermofluid best¨ams. Dessutom anpassas reglerventilens ¨oppningsgrad efter reglerspj¨allets ¨oppningsgrad i hyttgas- n¨atet.

En differenstrycksgivare anv¨ands f¨or att m¨ata tryckfallet ¨over reglerspj¨allet som funktion av ¨oppningsgraden.Resultatet redovisas i figur 8.12. N¨ar reglerspj¨allet ¨ar helt ¨oppet i OK3 ¨ar tryckfallet 1,43 mbar. Enligt tabell 8.4 kan tryckdifferensen ber¨aknas till 3,6 mbar mellan DO-ventilen vid OK3 och f¨ordelarl˚adan. Tryckfallet ¨over r¨oret och fl¨odesmotst˚andet ber¨aknas till 2,17 mbar. Intrimningen av r¨orets och fl¨odesmotst˚andets koefficienter genomf¨ors p˚a samma s¨att som i kapitel 8.4.1. Koefficienterna och de geometriska parametrarna ¨ar:

8.4 Intrimning av Hyttgasmodell Statisk 65

Tabell 8.10.Resultat fr˚an intrimningen av fl¨odesmotst˚and

Sektion i A P in P ut Massfl¨ode KL hyttgasn¨atet [m2 ] [Pa] [Pa] [kg/s] Gasklocka - 0,7854 105 540 105 475 2,9 12,5 utlopp M4 Fl¨odesl˚adan 2,01 103 685 103 455 56,2 0,775 Snabbst¨angare 1 2 103 390 103 005 56,2 1,282 Snabbst¨angare 2 2 103 005 102 825 56,2 0,597 Br¨annare P4 2 102 825 101 125 56,2 5,63 • KL = 0,56 • L = 25 m • Lutning = -11,5 grader • D = 1,6 m, A = 2,01 m2

Simuleringar av modellen i figur 8.8 visar att reglerventilens diameter begr¨ansar tryckfallets storlek. F¨or att uppn˚a 1,43 mbar i tryckfall samtidigt som reglerventilen ¨ar fullt ¨oppen, m˚aste reglerventilens diameter ¨okas till 1,92 m.

Figur 8.12.Tryckfallet ¨over reglerspj¨allet som funktion av ¨oppningsgraden

SSAB:s regulatorstruktur f¨or reglerspj¨allet anv¨ands i modellen. D¨arf¨or m˚aste re- glerventilens ¨oppningsgrad anpassas efter reglerspj¨allets ¨oppningsgrad i hyttgas- n¨atet. ¨Oppningsgraden anpassas genom att Hyttgasmodell Statisk simuleras. Un- der simuleringen ¨andras reglerventilens ¨oppningsgrad. Simuleringsresultatet redo- visas i figur 8.13.

Tabellen Omv reglerspjall ¨overs¨atter det verkliga reglerspj¨allets ¨oppningsgrad till en ¨oppningsgrad f¨or reglerventilen i modellen. Punkterna i Omv reglerspjall be- st¨ams genom att informationen i figur 8.12 och 8.13 kombineras. I figur 8.12 avl¨ases tryckfallet ¨over reglerspj¨allet vid en viss ¨oppningsgrad. I figur 8.13 avl¨ases den

Figur 8.13.Simulerat tryckfall ¨over reglerventilen som funktion av ¨oppningsgraden

¨

oppningsgrad f¨or reglerventilen i modellen som ger samma tryckfall. F¨orfarandet upprepas f¨or ett flertal ¨oppningsgrader. Resultatet inf¨ors sedan i tabellen.

F¨or att regulatorstrukturen vid SSAB ska kunna anv¨andas i modellen m˚aste st¨alldonens karakt¨aristik skattas. I modellen anv¨ands en fyraparametermodell f¨or st¨alldonets tr¨oghet. ¨Overf¨oringsfunktionen best¨ams genom att ett stegsvarexperi- ment genomf¨ors.

• Reglerspj¨allets insv¨angningstid ¨ar T = 82 s och d¨odtiden ¨ar L = 14 s • _{Reglerspj¨allet har inget statiskt fel}

Anledningen till att reglerspj¨allet har en d¨odtid ¨ar att st¨alldonet ¨ar pneumatiskt drivet. D¨odtiden i st¨alldonet kan inte modelleras i Modelica. Isv¨angningstiden ¨okas d¨arf¨or till 96 s f¨or att modell och verklighet ska ha en god ¨overensst¨ammelse.

¨

Overf¨oringsfunktionen som ber¨aknats redovisas i ekvation 8.1. Stegsvaret f¨or re- glerventilen redovisas i figur 8.14.

G(s) = 1

1 + 33, 87s + 286, 8s2 (8.1)

Kapitel 9

Submodeller

I Hyttgasmodell Statisk har gasklockan, masugnarna, varmapparaterna, facklor och koksverket placerats i submodeller. I detta kapitel beskrivs submodellernas konstruktion och inst¨allning av ing˚aende parametrar.

9.1

Gasklocka

I submodellen f¨or gasklockan best¨ams trycket i reservoaren av den inneslutna gasvolymen. Gasklockans tryck best¨ams av hur m˚anga sektioner som anv¨ands en- ligt kapitel 3.5. Antalet lyfta sektioner styrs av den m¨angd gas som finns i klock- an. Submodellens utseende redovisas i figur 9.1. Trycket i reservoaren regleras genom att derivatan till trycket p˚averkas av en PI- regulator. Insignal till regula- torn ber¨aknas som ˚aterkopplingen mellan b¨orv¨ardet fr˚an tabellen och tryckgivarens utsignal. Utsignal fr˚an submodellen ¨ar fyllnadsgraden i gasklockan som ber¨aknas enligt ekvation 9.1.

K= 100 Vmax

(9.1) Vmax – 25000 m3 ¨ar den maximala volymen i gasklockan

9.1.1

Inst¨allning av parametrar

Trycket i reservoaren ska motsvara gasklockans. I submodellen f¨or gasklockan i figur 9.1 best¨ammer tabellen BV tryck reservoarens tryck. Punkterna i BV tryck ber¨aknas enligt bilaga C. BV tryck redovisas i tabell 9.1. Linj¨ar interpolation sker mellan punkterna i tabellen.

Trycket i gasklockan ¨andras kraftigt d˚a klockan ¨ar full. Gaskompression sker d˚a volymen ej kan ¨oka. Tryck¨okningen ger en momentan h¨ojning av trycket i hyttgasn¨atet.

Figur 9.1.Submodellen ¨over gasklockan

Tabell 9.1.Trycket i gasklockan som funktion av innesluten volym

Innesluten gasvolym, [m3 ] Tryck, [Pa] 0 101 325 6 250 101 399 6 300 104 183 12 500 104 259 12 550 104 864 18 750 104 941 18 800 105 446 25 000 105 552 26 500 110 325

PI- regulatorn som styr trycket i reservoaren st¨alls in f¨or att ge en god f¨oljning av referenssignalen. Parametrarna som anv¨ands ¨ar:

• K = 10

• Ti = 0,1 s

Reservoarens f¨oljning av b¨orv¨ardet simuleras. Simuleringsresultatet redovisas i fig- ur 9.2. F¨oljningen av referenssignalen ¨ar god i figuren.

9.2 Masugn 69

Figur 9.2.Regulatorns f¨oljning av referenssignalen f¨or trycket i gasklockan

9.2

Masugn

Masugnarna ¨ar producenter av hyttgas. I modellen best¨ams m¨angden hyttgas som varje masugn producerar av bl¨asterfl¨odet till masugnen, varmapparaternas konsum- tion samt tillf¨ort r˚amaterial genom materialventilen. Submodellen f¨or masugnen redovisas i figur 9.3.

Figur 9.3.Submodell ¨over masugnen

Submodellen har tv˚a insignaler som kopplas till aktuellt bl¨asterfl¨ode och varmap- paraternas konsumtion av hyttgas. Bl¨asterfl¨odet in i masugnen multipliceras med utbytesfaktorn, som ber¨aknas enligt bilaga C. Fr˚an bl¨asterfl¨odets bidrag av hyttgas subtraheras varmapparaternas konsumtion. Tillf¨orandet av r˚amaterial inf¨ors i mod- ellen som en st¨orning av massfl¨odet. St¨orningen modelleras med en trapetsfunk- tion. Tryckskillnad och massfl¨ode ¨ar kopplade enligt kapitel 4.2.2. Ett alterna- tiv till denna modellering ¨ar att ist¨allet inf¨ora ytterligare en regulator som styr trycket i reservoaren. Detta p˚averkar dock simuleringstiden negativt. F¨oljningen

av fl¨odesb¨orv¨ardet uppn˚as med en PI- regulator.

9.2.1

Inst¨allning av parametrar

De parametrar som best¨ams i submodellen ¨ar den numeriska konstanten f¨or ut- bytesfaktorn samt parametrarna till trapetsfunktionen som beskriver tillf¨orandet av r˚amaterial.

Utbytesfaktorn best¨ams enligt bilaga C. Processv¨ardena f¨or bl¨asterfl¨odet och den ber¨aknade signalen f¨or hyttgasfl¨odet fr˚an masugnen f˚as fr˚an HY-datorn.

• Utbytesfaktorn fr˚an M2 ber¨aknas till 1,47 • Utbytesfaktorn fr˚an M4 ber¨aknas till 1,51

Trapetsfunktionens parametrar anpassas s˚a att tillf¨orandet av r˚amaterial ger up- phov till en trycks¨ankning i hyttgasn¨atet. Trycks¨ankningens storlek ¨ar beroende p˚a var och vilken typ av material som tillf¨ors masugnen. F¨or att unders¨oka tryck- st¨orningens storlek m¨ats materialventilens ¨oppningsgrad och topptrycket vid M4. M¨atningen redovisas i figur 9.4. Motsvarande m¨atningar vid M2 har inte varit m¨ojliga att genomf¨ora under examensarbetet. D¨arf¨or modelleras tillf¨orandet av r˚amaterial vid M2 p˚a samma s¨att som vid M4.

Figur 9.4.Topptryckets variation och materialventilens ¨oppningsgrad vid M4

Modellen f¨or tillf¨orande av r˚amaterial ¨ar oberoende av vilken typ och var materi- alet tillf¨ors. Modellerat tillf¨orande av r˚amaterial vid M4 motsvarar en st¨orning av topptrycket med 5,0 mbar. Trapetsfunktionens parametrar justeras tills trycks¨ank- ningen i Hyttgasmodell Statisk ¨ar 2,4 mbar. Den verkliga st¨orningen i hyttgas- n¨atet ¨ar mindre eftersom gasreningen har en d¨ampande effekt.

Tillf¨orandet av r˚amaterial till M2 ger en mindre st¨orning p˚a trycket i n¨atet ¨an tillf¨orandet av r˚amaterial till M4. D¨arf¨or implementeras st¨orningen till M2 med

9.3 Varmapparater 71

mindre amplitud. Trapetsfunktionernas parametrar redovisas i tabell 9.2

Tabell 9.2.Trapetsfunktionernas parametrar f¨or tillf¨orandet av r˚amaterial till M2 och M4 M2 M4 Tid 1, [s] 26 26 Tid 2, [s] 5 5 Tid 3, [s] 54 54 Tid 4, [s] 267 267 Amplitud, [kg/s] -2 -10

Det simulerade resultatet f¨or tillf¨orandet av r˚amaterial till M4 redovisas i figur 9.5.

Figur 9.5.Simulerad tryck¨andring i modellen vid tillf¨orandet av r˚amaterial till M4

9.3

Varmapparater

Submodellen f¨or varmapparaterna genererar under tiden f¨or uppv¨armning en fl¨odes- sekvens f¨or hyttgasf¨orbrukningen. Fl¨odessekvensen ska ¨overensst¨amma med de verkliga skiftningarna f¨or varmapparaterna som ¨ar kopplade till M2 och M4. Fl¨odes- signalen f˚as som en summa av fyra trapetssignaler. Trapetsfunktionerna anv¨ands eftersom ¨andringen i fl¨ode inte ¨ar momentan i hyttgasn¨atet. Skiftningarna mellan varmapparaterna har en tr¨oghet som ska efterliknas i modellen. Alternativet till att anv¨anda trapetsfunktionerna ¨ar att anv¨anda en l˚angsam regulator vid styrningen av fl¨odet. I de fall d¨ar den l˚angsamma regulatorn har testats blir simuleringstiden l˚ang. Utsignalen fr˚an trapetsfunktionerna kopplas till ett f¨orst¨arkningsblock f¨or att l¨attare kunna styra fl¨odets storlek i simuleringen. Dessutom inf¨ors en switch f¨or att v¨alja om den tidigare beskrivna signalen eller ett konstant v¨arde ska kopplas

till masugnen. Det konstanta v¨ardet anv¨ands vid statiska simuleringar. Submodel- lens konstruktion redovisas i figur 9.6. Varmapparaterna kopplade till M4 och M2 har olika parametrar till trapetsfunktionerna f¨or att beskriva varmapparaternas olika konsumtion av hyttgas. I Hyttgasmodell Statisk finns tv˚a submodeller som ben¨amns V app M 2 och V app M 4.

Figur 9.6.Submodellen f¨or varmapparaterna till M4

9.3.1

Inst¨allning av parametrar

Varmapparaternas konsumtion av hyttgas i submodellen best¨ams utifr˚an m¨at- v¨arden fr˚an HY-datorn. Trapetsfunktionernas parametrar presenteras i tabell 9.3.

9.4

Bl¨asterfl¨ode

Submodellen som beskriver bl¨asterfl¨odet till masugnen ses i figur 9.7. Bl¨asterfl¨odets storlek definieras av rampens parametrar. Omvandling av bl¨asterfl¨odet fr˚an ett volymfl¨ode uttryckt i Nm3

/h till ett massfl¨ode i kg/s g¨ors i modellen.