Digital Twin: Secundaire Afzuiging Oxystaal Fabriek 2

In dit artikel wordt een samenvatting gegeven van het maken van een Digital Twin voor de Secundaire Afzuiging in de Oxystaal Fabriek 2, bij TATA. Hierin wordt de modelvorming besproken, het doorrekenen van verschillende scenarios waarmee de afzuigcapaciteit verhoogd zou kunnen worden, en de resultaten van deze doorrekeningen. Mede dankzij dit rapport heeft TATA besloten om niet verder te investeren in de Secundaire Afzuiging, maar om over te gaan op de bouw van de Tertiare Afzuiging, welk in 2023 in gebruik genomen is. Dankzij de doorrekening in dit rapport heeft TATA veel kosten kunnen besparen door niet over te gaan op ’trial-and-error’

1. Achtergrond

Bij TATA wordt er in de Oxystaalfabriek vloeibaar ruwijzer omgezet in staal. Een belangrijke stap hierin is het vermengen van schroot met vloeibaar ruwijzer. Tijdens het kiepen van het ruwijzer in de converter onstaan stof en rookgassen als gevolg van een reactie tussen het ruwijzer en het schroot. Deze worden afgezogen door de primaire en secundaire afzuiging, zie ook Figuur 1.

Omdat TATA de wens heeft om deze afzuiging te verbeteren, heeft TATA aan Dotx Control Solutions gevraagd een model te maken van de secundaire afzuiging, om te bepalen of er bottle-necks aanwezig zijn en/of met welke ingrepen ze de afzuiging konden verhogen, en zoja, met hoeveel.

Figuur 1: Schematische weergave van de afzuiging in het converterproces

1.1 Scenarios

In een eerste overleg tussen TATA en Dotx Control Solutions is bepaald dat de volgende modificaties aan de afzuiging het meest kansrijk leken:

  1. Verbetering van de regeling welk de ventilatoren aanstuurt.
  2. Verkleinen van de waaiers van de ventilatoren.
    • Deze waren ontworpen voor een onrealistische afzuigcapaciteit. Door ze te verkleinen bestaat het vermoeden dat ze op een efficienter werkpunt komen, waardoor de capaciteit toe kan nemen.
  3. Optimalisatie van de aanzuigleiding
  4. Toepassing van frequentiedrives.
    • Momenteel word de aansturing van de ventilatoren gedaan door ze te ‘smoren’
  5. Installatie van extra filtercompartimenten.
    • Om de systeemweerstand te verlagen. Momenteel is de verschildruk over de filters vaak de limiet waarop geregeld wordt.
  6. Installatie van een warmtebuffer
    • De afgezogen rookgassen mogen een maximale temperatuur hebben voordat het het filter in gaat. Als deze temperatuur te hoog is, wordt er een ‘koude lucht klep’ geopend, die valse lucht aanzuigt om de temperatuur van de rookgassen te verlagen. De warmtebuffer moet ervoor zorgen dat de rookgastemperatuur constanter blijft (‘peak-shaving’)
  7. Installatie van grotere afzuig-motoren

Omdat er in het proces in totaal 3 converters zijn waar afgezogen wordt, met in totaal 9 afzuiglocaties, en meer dan 200 verschillende combinaties van klepstanden op deze afzuiglocaties, is de afzuiging, maar ook de ‘bottle-neck’ sterk varierend. Daarom is ervoor gekozen om de afzuiging gedurende een heel jaar te gebruiken voor de modellering en de evaluatie van de verbeteringen.

2. Voorbeeld Modelvorming

Een schematische weergave van het volledige afzuig-proces is weergegeven in Figuur 1.

Figuur 1: Schematische weergave van het afzuigprocess.

2.1 Drukvallen

Voor het berekenen van de drukvallen is afzuigleiding gediscretiseerd in 14 segmenten. Voor elk van deze segmenten is de volgende formule gebruikt om de drukval te berekenen:

 \Delta p = \frac{1}{2} \sum^{i=1}_{i=14}( K_{fric} + K_{minor}) \rho_i V_i^2

Waarbij:

 \Delta p \quad = Drukverlies over een weerstand [N/m2]
 K_{fric}    \tab = Verliesfactor als gevolg van buiswrijving
 K_{minor} = Verliesfactor als gevolg van kleppen, bochten, vernauwingen. Zie [1]
 \rho = Gasdichtheid [kg/m3]
 V  = Snelheid van het gas [m/s]

Omdat de dichtheid niet constant (temperatuur- en drukafhankelijk) is geldt:

 \rho_i = \frac{p_i}{RT_i}

Waar:

 R  = Gasconstante voor rookgas [J/(kg·K)]
 T  = Temperatuur [K]

2.2 Leidingen

De verliesfactor als gevolg van buiswrijving kan als volgt berekend worden:

 K_{fric,i} = \frac{f L_i}{D_{H,i}}

Waarbij:

 L  = Buislengte [m]
 D_h = Hydraulische diameter.
 f(\epsilon, D_H, Re)  = Moody’s friction factor [m]
 Re  = Reynoldsgetal.
 \epsilon = Leiding ruwheid [m]

2.3 Ventilatoren

De ventilatoren zijn gemodelleerd met behulp van hun fan-curve waarop het volgende model gefit is:

\Delta P = -1.4Q^2 + 0.2Q + 175 [mBar]
P_{shaft} = -(36Q^2 + 150 Q + 356)\cdot 1e3 [kW]
 \eta = \frac{Q\cdot \Delta P}{P_{shaft}}\cdot 100 [%]

Waarin:
Q = Flow door de ventilator.
 \eta = Efficienty van de ventilator [%]

Vervolgens kan het effect van een diameter of toerental verandering gemodelleerd worden met de fan affinity laws, zie [1].

2.4 Dralls

De dralls zijn gemodelleerd als een weerstand die in serie staat met de ventilatoren. De formule en de constanten zijn gefit op basis van de historische dataset en informatie van de leverancier:

 \Delta p_{drall} = -K_{drall}(\alpha)Q^2 [mBar]

 K_{drall}(\alpha) = \frac{1200}{ (90-\alpha)^1.7 } + 0.7

Waarbij  \alpha de hoek van de drall is in [deg.]


3. Warmteoverdrachten

3.1 Leidingen

De warmteoverdracht als gevolg van convectie met de leidingen kan als volgt gemodelleerd worden (per sectie), zie [2]:

 \dot{Q}_i = hA_i(T_{leiding,i}(t) - T_{gas,in,i}(t) )

Waar:

 \dot{Q}_i = De warmteoverdracht tussen de leiding en het gas voor sectie i [J/s]
h = Warmteoverdracht coefficient [W/m2K].
 T_{leiding} = Temperatuur van de leiding [K]
 T_{gas,in} = Temperatuur van het instromende gas. [K]

Vervolgens kan de temperatuur van het gas aan het eind van de leiding  T_{gas,uit} bepaald worden met:

 T_{gas, uit,i} = T_{gas, in, i} - \frac{\dot{Q}_i}{\dot{m}c_{p,lucht}}

Waar:
 c_{p,lucht} = Warmtecapaciteit van lucht [J/KgK]
 \dot{m} = Massaflow van de lucht [kg/s]

De opwarming van de leiding kan dan ook worden berekend worden met:

 \frac{dT_{leiding,i}}{dt} = \frac{\dot{Q}_i}{m_i c_{p,staal}}

Waar:

 m_i = Massa van de leiding [kg]
 c_{p,staal} = Warmtecapaciteit van staal [J/KgK].

4. Modelverificatie

In dit hoofdstuk tonen we een verificatie van de modelering. Hiervoor is een gedeelte van de data gebruikt, waarin verschillende procescondities te zien zijn. De inputs voor dit model waren enkel de gemeten ‘drall’ hoeken, en de gemeten temperatuur ter plaatste van de inzuiging. Aan dit figuur is te zien dat, bijvoorbeeld de Mass Flow erg goed overeenkomt tussen het model en de werkelijkheid. Ook de temperatuur ter hoogte van het filter wordt er goed ingeschat. Dit bewijst dat ons model, de Digital Twin, met hoge nauwkeurigheid kan voorspellen wat er in werkelijkheid gebeurt. Dit stelt ons in staat om verandering te simuleren, zoals een extra filter, of extra motorvermogen. De resultaten hiervan zijn in het volgende hoofdstuk te zien.

5. Resultaten

In onderstaande tabel zijn de resultaten te zien van de voorgestelde modificaties. Met modificatie ‘R’ is te zien dat het debiet tijdens een ruwijzer inzet (het meest kritische moment) met 55% kan toenemen, indien een combinatie gemaakt wordt van modificaties 3-6. Ondanks de toename van 55% aan afzuigcapaciteit is, door de sterk verhoogde efficienty het stroomverbruik ook verlaagd.

Resultaten van modificaties en combinaties daarvan. Een positief percentage betekend een verhoging t.o.v. modificatie A.

6. Referenties

[1]: Fluid Mechanics 6th edition, Frank .M. White

[2]: Basic Heat & Mass Transfer 2nd edition, A.F. Mills

Disclaimer

De getallen die gegeven zijn, voor formules en resultaten zijn fictief en dienen enkel ter indicatie.

Plaats een reactie

nl_NLDutch