动态配水（通用4篇）
动态配水 篇1
在连铸生产中, 二冷配水与铸坯质量密切相关。如果二冷配水不当, 各段冷却不均匀, 造成铸坯表面反复回温, 将在铸坯内部产生热应力, 导致中间裂纹和皮下裂纹。如果冷却强度不足, 表面温度过高, 凝固坯壳不足以抵抗钢水静压力的作用将会造成较大的鼓肚变形, 加剧中心线宏观偏析, 影响铸坯内在质量。如果冷却强度太大, 在矫直点铸坯表面温度低于900℃, 正好处于钢的裂纹敏感区, 铸坯将在矫直力作用下形成表面裂纹[1]。酒钢薄板坯连铸于2006年投产, 设计年生产碳钢薄板200万t, 整条生产线由德国SMS-DEMAG公司设计和供货。
1 冷却区及控制回路分布
钢水在结晶器内通过一次冷却过程仅凝固了20%, 还有80%尚未凝固, 中心仍是高温钢水, 为了使铸坯继续凝固, 从结晶器出口到扇形段尾部设置一个喷水冷却区, 即二次冷却区, 其功能是将雾化的水直接喷射到高温铸坏的表面上, 加速热量的传递, 使铸坯迅速凝固。
酒钢薄板坯连铸整个二冷区域共分6个冷却喷淋区, 14个控制回路, 分布如图1。
2 二冷配水方式简介
二冷配水主要有手动方式、静态查表式配水控制方式、基于模型的动态配水方式。
手动配水方式主要是依赖操作员的现场经验, 通过基础自动化系统, 手动给定调节阀一个阀位进行水量调节, 通常在设备调试时使用, 生产中基本不用。
静态查表配水方式是根据特定的钢种选择合适的冷却曲线, 将存储在一级计算机中的水量表中的设定值经过参数修正后, 下达给控制系统执行, 通过调节阀进行水量调节。
动态配水模型 (DSC) 方式是一种温度模型, 仿真浇铸过程中的热量活动, 通过有关过程参数的改变, 动态地计算温度场分布、坯壳厚度和板坯凝固长度, 使二冷区域的铸坯凝固长度或表面温度接近设定值, 并由此计算出二冷水配水量。计算后的二冷水设定值传给二级计算机, 由二级下达给一级控制系统, 再由调节阀进行水量调节。这种配水方式也是薄板坯连铸主要应用方式。流程如图2所示: 图中CCC为连铸控制计算机, DSC为动态配水模型计算机, BA为基础自动化系统。
3 动态配水方式 (DSC)
3.1 动态配水的运行模式
动态配水的运行模式主要分为离线运行模式、在线监视模式和在线运行模式三种。其中在线运行模式又分为通过控制铸坯凝固长度计算水量和通过控制铸坯表面温度计算水量两种方式。在离线运行模式, 可以输入各种过程参数, 不依赖工厂的情况去计算水量, 计算结果只作为一种参考或作为事故分析的手段。而在线监视模式仅仅是在线计算配水量但实际不起作用, 只是与水表中的设定值可以进行对比。
3.2 动态配水的关键参数
动态配水模型DSC程序运行时需要输入的关键数据分以下几类:
A) 工厂设计参数。这是与工厂设计相关的数据, 对一个工厂来说是不变的, 如扇形段长度、辊道尺寸和间距等参数。这些数据保存在“project.dat”文件中。
B) 结晶器参数。主要包括结晶器的外形宽度、厚度、不同区域的热传导系数等参数。当浇铸时由二级计算机通过它发送给DSC程序。传送给冷却水热量, 结晶器铜板的热传导率和从结晶器到板坯的热传送都要被考虑进去。在检修时, 结晶器表面要被打磨, 厚度就会减小, 因此, 要将厚度作为一个过程参数来对待, 生产过程中应及时更新此值。
C) 浇铸粉剂参数。浇铸粉剂是影响板坯和结晶器之间热传送的主要因素, 不同的粉剂有不同的传热系数。因此, 当一种新的粉剂使用时, 首先要将粉剂系数也被计算出来。
D) 材料数据。用于温度计算的不同钢水等级的热量性能, 如金属固相线温度、液相线温度、热焓、辐射系数、热传导率等。
E) 过程数据。这些数据在浇铸过程中会改变, 如中包钢水温度、实际拉速、结晶器冷却水出入口温度、二冷水入口温度、板坯厚度 (包括设定厚度和动态轻压下后的厚度) 等。
F) 测量数据。与过程数据相似, 但不由操作员提供, 通常不直接改变浇铸过程, 如摆剪前高温计或结晶器的热电偶测得的温度。
G) 缺省数据。DSC程序需要内部设定一些数据, 如元素数量、内部数据的更新时间等, 另外还有一些用到的没有其它输入途径的缺省设定值, 这些数据很少改变, 如板坯到周围环境的传热系数等。
3.3 动态配水的编程
系统通过运行“dsc.exe”程序来计算动态配水的水量, 结果以图表的形式在屏幕上显示或打印。在线运行计算时有一个独立的程序“menue.exe”服务于它, 此帮助程序可以做控制设置, 并且可以选择想看的各种图表。另外两个帮助程序用于对测量数据的修正计算。DSC程序的主要部分包括计算温度分布和对二冷区域冷却水的控制, 程序开始后, 读取缺省值和工厂设定值。当过程数据改变后, 所有的传热系数在计算中也将更新。
程序开始后, 当初始化完成时, 温度计算用循环方式开始, 在线模式时, 需要先进行时间同步, 如果数据有效, 过程参数将被读取和检查。在浇铸过程中, 过程数据一旦改变, 立即被考虑进去, 温度、壳厚和凝固长度将被重新计算, 图表也将刷新。当控制激活时, 二冷区域冷却水的水量将被计算出来, 在线修正时必须要有温度测量才能做。
4 二冷水配水量的范围限制策略
二冷配水时, 无论是根据基础自动化查表运行, 还是运行DSC程序进行动态配水, 都不能超过系统允许的水量范围, 对每一个控制环来说, 都有最高水量和最低水量的限制, 最高水量由水泵的最大出力限制, 最低水量由清洁用喷淋最低压力限制, 当计算出的水量若小于系统要求的最小水量, 则按照最小水量配水, 而计算出的水量若大于系统要求的最大水量, 则按照最大水量配水。
5 结论
酒钢薄板坯连铸连轧投产两年来, 运行情况良好, 采用二冷动态配水技术, 铸坯质量合格率保持在较高水平, 基本满足了生产要求。由于外方对动态配水模型进行技术保密, 关键计算公式不开放, 只能通过对其输入输出参数的变化引起的配水效果进行摸索, 在运行中才能不断优化。个人认为在生产中最好能充分考虑资料中推荐的保护渣粉剂因素、检修后结晶器铜板厚度变化等因素给二冷配水带来的水量设定值的变化, 可使配水更加精细化。
参考文献
[1]白居冰, 钱亮.最小二乘优化方法在板坯二冷配水中的应用[M].
[2]薄板坯连铸电气功能说明书[Z].
动态配水 篇2
在连铸生产中,二冷配水控制是影响铸坯质量的重要因素。目前主要的二冷配水在线控制方法大体可以分为两种。 (1)基于拉速的二冷水控制:根据离线计算的不同稳态拉速时各段水量近似拟合成的一次或二次曲线,控制器按照检测的拉速信号,对流量阀开度进行PID调节。这是目前国内运用最为普遍的方法。但是由于拉速突然变化时,铸坯表面温度波动较大,近来有研究将“坯龄”或虚拟拉速作为参数输入[1,2,3]。(2)基于传热方程的二冷水动态控制:计算机根据铸坯传热模型每隔一段时间计算一次铸坯表面温度,并且与目标温度比较,决定各段水量。国内引进较多的有德国西门子VAI的DYNACS系统和意大利达涅利的ELTM系统等。随着智能控制方法的发展,国内外一些研究者正在探讨将诸如自适应控制、模糊专家系统和神经元网络等方法应用于连铸生产[4,5]。
某钢厂连铸生产线二冷控制系统为引进的国外先进技术,在进行提高拉速、增加二冷配水段等技术改造时,无法继续使用原控制模型。因此,需要自主开发新的二冷动态配水模型,用于改造后的生产。北京科技大学机电系于2007年开发板坯连铸二冷段动态配水模型。仿真和实验结果表明模型对表面温度控制的效果优于在线温度推算模型。
1 连铸过程传热数学模型
1.1 凝固传热数学模型
铸坯凝固过程具有时变性和非线性特性,过程本身和执行机构有较大的滞后,工艺参数存在扰动且测量传感器常受噪声影响,这些都决定了连铸过程的复杂性。在建立数学模型时首先要规定基本的假设。如设钢液初始温度和冷却水温恒定;凝固潜热、导热系数和比热容等的简化处理;忽略拉坯方向和铸坯与辊子之间传热等。如果以板坯厚度方向为x方向,宽度方向为y方向,可以建立板坯凝固传热的二维控制方程为[6]:
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式中,ρ为密度;c为比热容;T为铸坯温度;t为时间;λ为导热系数;L为潜热。
对于上述偏微分方程无法求出解析解,一般采用差分法编程,联立各工段边界条件求出数值解。由于计算时间较长,多用于铸坯凝固的离线模拟和工艺参数优化等方面。在实际应用时,还需要实验手段对模型的正确性进行验证。
1.2 在线温度推算模型
在线控制时,为满足实时计算的要求,要将凝固传热模型进一步简化。通常将铸流分成垂直拉坯方向的许多切片,切片在结晶器中“生成”,并随着铸流移动,冷淋区结束时从内存中删除。切片内的温度分布,按照简化模型反复进行更新运算。
一般将铸流按性状分成固相区、糊状区和液相区,分别计算每一切片的温度分布[7]。本文将固相区接近表面处单独计算,以减少表面处温度的近似误差,如图1所示。各区内温度分布与厚度方向坐标的函数关系定义如下:
上述式中,Tl为钢的液相线温度;a0,a1,a2,b0,b1,b2,c0,c1,c2,l1为待定系数;d1,d2,d3,d4分别为近表面固相区、内部固相区、糊状区、液相区的厚度。
将式(1)的一维形式在各区内积分,考虑各区边界条件及凝固潜热,可得到只含时间导数的常微分方程组。当板坯凝固过程中只存在固相区、糊状区或只存在固相区时,方程组退化。结合传热过程边界条件,方程组总有确定的唯一解。用追赶法求解方程组,再利用隐式欧拉法求解得到下一时刻的待定系数,如此循环,可求出铸坯从结晶器弯月面到铸坯完全凝固整个过程的温度分布和坯壳厚度。
目前先进的板坯配水控制方法就是在温度推算基础上,将各个冷却段的计算温度和目标表面温度相比较,根据温差计算调整后的冷却水量,并进行控制。与水量-拉速曲线配水相比,属于有反馈的动态配水;但随着铸坯的前进,水量调整后的冷却对象已经变化,所以对连铸中开始和结束阶段以及连铸中拉速急剧变化的情况不能准确控制,铸坯表面温度与目标温度有较大的差距。
1.3 冷却段表面温度预测模型
上述方法虽然能够在线计算铸坯温度的分布,但由于在铸流长度内大量的切片模型被反复存取计算,因此,只能用于根据实际的喷水水量推算温度,无法达到由目标温度逆向求解水量或用作预测模型进行水量控制的目的。本研究在凝固传热模型基础上,推导出按照不同段的平均温度与水量关系的模型。
将坐标系置于喷水段上,可以建立二冷区第i段的能量平衡方程式:
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式中,mi为第i段铸坯质量;Ti-1(t),Ti(t)分别为第i-1,第i段表面温度;L,H分别为铸坯宽度和厚度;v(t)为拉速;li为第i段长度;hi(t)为第i段综合换热系数;Tw为冷却水温度。
把mi,c,ρ,Tw作为常数,将式(3)两边对时间求导后,可得到近似的差分方程形式:
其中,
上述式中,Δv(k)为k时刻速度变化量;Δhi(k)为第i段k时刻水量变化计算的换热系数变化量;Δt为时间变化量。
式(4)为按时间层计算表面温度的方程。结合综合传热系数与水量关系,可以得到由目标表面温度计算水量的隐式表达式。在线应用时可以利用神经网络对其进行模拟,其表达式可写为:
式中,Qi(k)为第i段k时刻设定水量;Tg(i-1)(k+1),Tgi(k+1)分别为第i-1,第i段目标表面温度。
2 二冷配水控制系统设计
2.1 控制系统的组成
二冷动态控制系统的组成如图2所示。其中温度推算模型根据现场实际的浇铸条件,按照1.2节方法计算内存中各切片截面的温度分布。动态配水模型根据段中铸坯的状态参数和目标温度计算水量设定的目标值。
2.2 自适应控制模型
自适应控制模型由分段预测表面温度模型和神经网络输出水量模型组成(见图3)。表面温度的预测按照式(4)直接计算,水量计算的隐式方程由RBF神经网络模型辨识。
S—计算误差
神经网络模型通过在线调整权重使预测表面温度逼近目标表面温度。网络的初始权值由凝固传热模型计算的静态拉速-水量结果训练得到,即按表面的预测温度等于目标温度时的情形输出水量。当在计算间隔时间内网络无法达到收敛时,重新设定为初始权值,此时就相当于静态拉速-水量配水控制。
2.3 目标温度设定
在符合冶金约束条件的范围内,温度不是唯一的,但利用凝固传热数学离线优化计算后,确定拉速下目标温度和相应的设定水量固定。所以在拉速稳定时,不同控制方法的控制结果相同。
每个二冷段采用同一个流量阀控制,水量无法按段内切片表面推算温度分别调节,所以只能选取一个控制温度。实际计算时取各段入口、出口和中点的平均值作为控制温度。
3 动态配水模型的分析与评价
本文所研究的某钢厂弧形板坯连铸机半径为为8 m,冶金长度24.9 m,二冷区分为7段。原控制系统引进国外软件,二冷采用温度推算反馈配水模型;新模型采用自适应神经网络控制。两种模型控制的目标温度基于相同的传热模型计算结果,所以在拉速相同且稳定时,输出结果相同。
3.1 模型的仿真结果
由于现场设备条件和工序流程的限制,许多参数的变化难以控制,因此很难得到同等条件下不同控制方法的对比效果。而采用仿真方式可以使对结果的讨论更为直观。正常生产中受设备条件限制,配水和拉速都有一定的变动范围限制,仿真过程中设定同样的取值范围。以浇铸钢种为Q235B,截面尺寸为1.4 m×0.2 m的板坯为研究对象,选取二冷区第5段进行仿真,不考虑入口温度受之前冷却控制波动的影响,同时设定冷却水温度、钢成分及各相下的物性参数的输入不随温度和时间变化。表1为上段和本段的目标表面温度,其中拉速过低时,由于水量有最小值限定,无法达到优化值。图4为输入拉速在设定范围内的变化取值。在线温度推算模型利用编程实现,控制系统利用Simulink建模。仿真后,得到的传热系数与段平均温度结果如图5和图6所示。
图5为采用推算温度反馈控制时的结果。当拉速变化时,模型根据当前铸坯温度与目标温度差值计算下一时刻铸坯水量(传热系数),调整量存在滞后,使得铸坯温度出现波动。尤其在目标温度下降时,这种波动更为明显。
℃
图6为采用自适应神经网络控制时的结果。当拉速变化时,模型输入包括上一时刻段平均温度、入口温度和实际水量以及当前的段目标温度及入口温度,并通过参考预测模型输出调整神经网络权重后的计算水量(传热系数),补偿了这种滞后,波动很不明显。即使在目标温度变化时,也只有温度平均引起的滞后,调整时间大为缩短。
3.2 模型实验结果
在距结晶器液面8 m处加装红外测温仪,对第5段铸坯宽度中心表面温度进行实时测量,由于铸坯表面存在冷却水膜、蒸汽和氧化铁皮等影响,其测量值波动较大。从在线数据库中连续抽取1 000条实际生产样本,样本中记录着每块板坯(长度约2.5 m)从炼钢到切割全过程的数据,对于多次测量的参数,取其特征值(均值、极值等)简要记录。各板坯经过第5段时拉速、水量和表面温度如图7所示,其它参数略。
图中测量温度为每块板坯经过测温仪时数次测量的平均值,波动依然较为明显。但其静态统计结果与计算温度比较时,平均误差近似为0,标准偏差不超过±5 ℃。虽然在拉速或水量异常变动时,能够看到与目标温度的明显偏差,但其范围一般不超过4块板坯。说明模型能较好地将表面温度控制在目标温度附近,能够满足连铸生产中的需要。
4 结束语
在凝固传热数学模型基础上,建立了可以用于在线计算的铸坯温度推算模型和分段表面温度预测模型。在二冷配水的动态控制时,利用分段推导的表面温度预测模型的反复计算在线调整神经网络的权重进而调整冷却水量,在原理上更优于直接按照模型推算温度与目标温度误差的控制方式;并且用仿真的方法对比了两种控制在波动范围和调整时间上的差别。
参考文献
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同心可调配水器的应用 篇3
随着油田注水开发的不断深入, 大斜度井、深井、多层小卡距井逐年增多, 分注井数、分注级数、测调工作量逐年增大, 对分注工艺测试效率和监测注入参数提出更高的要求, 目前油田注水开发中主要是应用偏心配水器来完成分层配注的需要。但是偏心配水器在油田实际应用过程中暴露出很多难以解决的问题。例如:井深、井斜、沾污结垢严重以及层间干扰严重等等井况时, 往往很难真正实现精细化分层配水需要。为此, 各地油田也在偏心配水工艺和配水方法上也进行了多年的研究和改进, 但是收效甚微。
为了可以在井下各种复杂环境下可靠而简单的实现精细化分层配水需要, 卫二区引进了全新的水井分层配水技术:同心可调配水器。彻底解决了原有偏心配水技术固有的缺点, 可以适应各种井下复杂井况。
2 工作原理及应用
工作原理:当需要对目标层注水调节时, 首先系统将测调仪下放至到要注水的目标层上方10米处, 通过箱子上开臂按钮或者软件的开臂按钮打开调节臂, 开臂到位后井下仪自动停止, 并给上位机开臂到位状态信息。上位机软件显示开臂到位。下放仪器, 完成调节臂与井下的同心配水器的对接。对接后上位机软件状态显示对接成功。此时开收臂按钮不起作用。控制箱上的正负调按钮和上位机软件的正负调按键可以进行配水器的开度调节。进行流量调节时, 上位机软件实时测量温度压力和流量, 并且显示可调水嘴的开度变化。开度的变化步长为3%。调节流量至要求的值或者要求的开度值可利用停止按钮停止本层的流量调节。此时可上提仪器, 使仪器脱离对接状态。然后利用控制箱上的收臂按钮或者上位机软件上的收臂按键收回调节臂, 调节臂收臂到位后井下仪自动停止收臂动作并给上位机发送收臂到位的状态信息, 上位机软件显示收臂到位。此层的注水调节完成后。这时可对另一目标层进行调节。
配水器水嘴一体化设计, 调节过程需要与对应测调仪实现联动调节。为测调仪器调节过程与配水器内部结构对应的位置关系。测调仪定位爪打开后坐在配水器本体定位台上;防转爪卡在配水器本体防转槽内;调节爪卡在活动水嘴对应调节槽内带动其转动, 进而实现开度大小调节、关死等状态;活动水嘴完全打开与关死后有对应脱开机构, 防止卡死。
3 现场应用情况
截止2013年12月份, 在我区共现场实施了同心可调配水工艺管柱2井次 (卫247井、卫150井) 。目前这两口井测试调配后, 注水正常。
4 经济效益分析
(1) 投入:2013年共实施同心可调配水工艺管柱2口井, 一套同心可调配水器价位20000元, 卫247井3套, 卫150井2套, 2口井5套, 5×20000=100000元。
(2) 产出。
①避免因测试遇阻及测试仪器落井导致上作业2井次, 一口换封井作业费用约8万元。
共减少作业费用:2井次×8万元/井次=160000元。
②由于偏心配水管柱测试频繁, 按一口两级三段井的测试次数为3次, 一次测试费用每次3000元, 一口井3×3000=9000元。
共计:2井次×9000元/井次=18000元。
合计创效:160000+18000=178000元。
投入产出比为:100000元∶178000元=1∶1.78。
5 结论
通过同心可调配水器的应用表明了在大斜度井中测调易对接、测调效率高等优势, 较好地解决了大斜度井和深井分注测调难度大等问题, 使测试调配技术进一步简便化、快捷化、准确化、智能化, 满足油田精细分层注水的需要。
参考文献
分层注水定量配水工艺技术的应用 篇4
关键词：分层注水,定量配水,工艺技术
分层注水指的是:在注水井中下一个封隔器 (packer:具有弹性的密封元件, 并借此封闭和隔断井下各种尺寸的“管柱”与“井眼”之间以及管柱之间环形空间, 并将层面隔绝, 用来控制注入液、保护套管的井下工具) , 把差异较大的油层有效的分离, 再用配水器 (Water distribution device:对油层进行分层定量注水的井下工具, 它与水井封隔器配套使用。常见的配水器主要有:665偏心配水器、KL-4in偏心配水器、DQB0641桥式空心配水器和一次分三层配水器四种类型) , 进行分层配水, 使高渗透层的注水量得到有效的控制, 中低层渗透油层的注水量得到加强, 使得各类油层都能够发挥其作用。
1 差压式定量堵塞器的结构和原理
1) 差压式定量堵塞器的结构。DL-1井下偏心定量堵塞器如图所示:
它是由阀体、喷嘴、阀芯、弹簧等主要结构组成, 差压式定量堵塞器的外形和尺寸都和普通的堵塞器相同。它的工作原理是:在注水时由滤罩、喷嘴, 在经过偏心配水器工作筒上的注水小孔注入相应的配水段。
2) 定量配水器的工作原理以及技术指标。定量配水器的工作原理以P1和P2分别表示注水压力和喷嘴内腔压力, P3为出口压力, 也就是地层压力, △P1为P1和P2压力差。当P1大于P2时, 注水经过喷口小孔进入喷嘴内腔, 再经过喷嘴和阀芯之间的环形空间流入地层。当△P1增加的瞬间, △P1增加, 流量上升, 这是作用在阀芯另一端的P2也同时增加, 推动阀芯向喷嘴靠近, 间隙减小, 导致流量下降, 使得△P1减少到开始时候的数值来维持流量的恒定。定量配水器的技术指标是:额定流量10 m/d~130m/d、流量精度3%~8%、最大工作压差35MPa、最小工作压差3MPa、连续工作时间6个月~12个月。
2 地面定量配水技术
针对各种原因所不能进行正常分层注水的部分注水井的分注问题, 自行设计研制了地面自动恒流装置。
用它和定量堵塞器进行配套使用, 能够向地面有效的进行定量注水。这个装置有效的解决了以下几个问题:一是解决了油套定量分注的问题, 使得由于各种原因不能实现井下分注的注水井进行了地面分注;二是解决了串联注水井分水的问题, 实现了注水井口分水的控制和有效的管理;三是解决了地面阀门的损耗问题, 由于地面分注, 减少阀门控制波动较大的注水水量。
3 井下定量配水技术的应用
现场应用的时候, 只需要根据配注的要求, 相应的投入该应用水量的堵塞器, 并与原有的偏心配水器共同作用, 就可以实现对地层的定量配水, 有效的改善了地层吸水的状况, 减缓了层与层间的突出矛盾。下图是应用定量配水器前后的测试图:
4 分层注水定量配水工艺技术的有效应用
分层注水的技术有效的解决了注水井的诸多问题, 对不能进行井下分注的注水井实现了地面分层注水, 有效的解决了串联注水井分水的问题, 满足了效率高成本低的要求, 节约了大量的资金, 而且解决了地面阀门经常损坏的问题, 进过分层定量注水, 减少了阀门控制水量的应用。并伴随着科技的发展, 定量喷嘴有的开始采用陶瓷作为材料, 从而延长其使用的寿命, 一次下井就能够保持一年的使用功效, 有效的保证了定量注水的有效期。
5 结论
通过近年来的分层注水定量配水技术的试验应用, 已经逐渐的解决了分层注水工艺技术方面的很多难以解决的问题, 并保持了注水量的相对稳定, 提高了单层注水的使用效率, 取得了很好的经济效益。
针对目前的油田开发技术和现实情况, 应该进一步的推广分注的工艺技术, 强化分层注水, 有效的开展高压分注配套相关工具的研制, 加强套管的保护作用, 提高使用的长久性。分层注水定量配水技术在我国还不是十分的完善, 我们需要在今后时期做更加深入的研究和探讨。
参考文献
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