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摘要：介紹了2200m3高爐噴煤工藝及其相應PLC控制系統，包括系統的結構、控制策略以及對控制功能的研究分析。針對原來老系統中存在的問題采取了新的控制方式，從而提高了噴煤系統的自動控制水平。
關鍵詞：高爐噴煤；制粉系統；噴煤系統；噴吹速率

Abstract: The paper introduces the technics of 2200m3 blast furnace's coal spray and its PLC control system. It consists of the structure of system, control tactics, and analysis of control function. By adopting some new control techniques in the previous control system, the automatic control ability of the coal spray system is greatly improved.
Key words: Coal spray of blast furnace; Pulverized-coal system; Coal spray
system; Rate of injecting

1  引言

    在高爐噴煤中，必需保證連續安全可靠噴吹，才能有效降低煉鐵成本。因此，在保證控制安全可靠的前提下，實現連續自動噴吹，是噴煤自動控制設計者主要考慮的問題。噴煤改造前漣源鋼鐵集團有限公司（以下簡稱漣鋼）2200m3高爐一直由噴煤車間老噴煤系統的5#，6#噴吹系列向高爐噴煤，控制系統基本上是在畫面上進行手動操作，需要頻繁地進行手動倒罐操作，噴吹效率低；不能根據設定噴吹率自動調節罐壓及補氣流量以基本穩定的噴吹率向高爐噴煤，噴吹率波動很大。另外，噴吹率最大只能到20t/h左右，以高爐正常時日產量5500t鐵水計算，煤比約為80kg/t鐵水，使得高爐焦比居高不下，極大地制約了煉鐵生產成本的下降，大高爐生產的規模效應難以顯示。因此，2003年底開始對2200m3高爐噴煤進行了改造。

2  控制系統概況

    如圖1所示，制粉系統和噴吹系統是互相獨立的兩個系統，它們各自通過自己的操作站來控制，并不因為其中某一個系統停產引起另外一個系統停產。同時，兩個操作站又可互為備用，防止其中一臺操作站死機引起生產中斷或生產事故。高爐主控室操作站是用來監視風口堵塞情況。整個工藝流程系統采用西門子公司的S7-400系列PLC實現自動化控制，監控軟件采用WinCC 6.0。另外所有系統均聯結于同一工業以太網上，數據可以互相傳遞，便于操作、監控。

 
圖1  控制系統示意圖

3  控制策略

3.1  安全性
    由于煤粉是易燃易爆物品，因而在煤粉生產、輸送、噴吹的整個過程中，都要保證各環節的安全可靠性。主要是在全過程監測、控制煤粉的溫度和粉塵中的氧含量，在開、停機時進行消防充氮。對重要的檢測信號進行報警或者自動停產處理，保證設備的安全性。
3.2  邏輯聯鎖簡繁適度
    在生產過程中若邏輯聯鎖比較繁雜的話，實際運行中因電氣接點的故障而影響系統自動運行的概率增大，尤其是因瞬間干擾而停機。因此根據實際情況盡量使邏輯聯鎖簡單。
3.3  參量控制強調重點
    從經濟性和實用性出發，參量控制只要抓住幾個關鍵點即可。一是控制磨煤機的給煤量，對磨煤機出口、布袋氧含量超標報警、停機；二是根據高爐生產要求控制噴吹速率和故障報警、急停。
3.4  系統的易操作性和易維護性
    制粉和噴吹的操作分別在各自的操作站上進行，兩個操作站又可互為備用。操作畫面豐富、簡潔，易操作，對引起停機的故障進行跟蹤記憶。在畫面上用綠色、紅色、閃爍的黃色分別表示正常、故障、正在動作等，以便控制和迅速排查處理。

4  制粉系統控制

4.1  風機、中速磨的控制
    對中速磨煤機和主引風機兩臺高壓設備的操作仍執行送牌確認送電操作制度，采取"手動啟、自動停"的控制方法。就是說，計算機檢測中速磨煤機和主引風機的開車條件，若開車條件滿足，使高壓操作回路的合閘聯鎖接點閉合，同時發出允許合閘信號指示，提示操作人員送牌聯絡、合閘開機，正常或故障停機由計算機執行。
4.2  安全保護
    由于煤粉易燃易爆，在整個生產過程中始終是保護的重點，為此采取兩項措施：一是充氮保護，開車前對磨煤機、布袋除塵器充氮5分鐘，以降低其內部氧含量，停機時充氮使機內溫度迅速降低；二是溫度控制，當磨煤機出口溫度大于120℃時，全線停機并立即充氮。
4.3  中速磨的溫度控制
    磨煤機風粉分離器內的溫度是一重要參數，若溫度偏低原煤不能有效烘干，影響出粉，若溫度太高就有火災的危險。理論上要將溫度控制在80～120℃，實際生產時，將溫度控制在90～100℃范圍內，以95℃作為溫度控制點。進入磨煤機的干燥熱風由煙氣爐產生的煙氣和熱風爐的廢氣混合而成，當廢氣溫度相對穩定時，以煙氣爐熱風調節閥為控制對象，利用PLC中的PID2功能塊實現回路控制。

5  噴吹系統控制

    針對老噴吹系統中暴露的問題，新的噴煤控制系統增加和完善了以下控制過程：① 噴吹罐壓力調節；② 自動倒罐；③ 噴吹率的自動控制；④ 傳輸空氣流量控制；⑤ 分配器噴槍的堵塞檢測和自動吹掃控制。

5.1  噴吹罐壓力調節
    噴吹罐壓力調節包括恒壓控制和罐壓調節兩個內容。恒壓控制是在一定時間段內，為了維持煤粉噴吹速度相對穩定，需保持噴吹罐壓力的恒定，及時對噴吹罐進行氮氣充壓。罐壓調節是根據高爐爐況，需及時準確地調整煤粉噴吹量，這就需要調節噴吹罐的壓力。需加大噴吹量時，進行增壓調節，在HMI操作畫面上調大罐壓設定值，即自動打開充壓閥，直到達到設定罐壓。減小噴吹量時，進行減壓操作，在HMI畫面上調小罐壓設定值，即自動打開卸壓閥，直到達到設定罐壓。
5.2  自動倒罐
    為保障向高爐噴吹煤粉的連續進行，每座高爐用兩個噴吹罐，當一個罐子噴吹煤粉時，另一個罐子做準備工作，直到滿足噴吹條件后處于待用狀態，當噴吹的罐子煤粉噴吹完時，自動轉換到待用罐，從而實現自動倒罐。具體情況如下：
    每個罐子根據噴吹系統各個閥門的開關狀態分為放散、裝粉、充壓、保持、噴吹等五個階段，如圖2所示。正常噴吹時，剛剛噴吹完的罐子，發送一個"噴吹完成"信號給待用罐子，待用罐子接收到該信號后打開或者關閉相應的閥門使其處于噴吹狀態，然后送一個"已噴吹"信號給空罐，空罐按照放散、裝粉、充壓、保持等順序完成整個裝粉步驟，然后處于待噴吹狀態，當另一個罐噴吹完成后，該罐子自動噴吹，兩個罐子依此進行自動倒罐。在生產過程中，閥門的到位信號是非常重要的，如果到位信號不來，會使系統停頓不前，從而影響到整個系統的自動執行。但如果閥門動作正常，只是限位有故障，這時可以用模擬信號代替，從而保證不影響生產，系統仍可自動執行。是否用模擬信號代替由操作人員根據現場實際情況進行選擇。圖3是單個罐順序控制框圖，放散、裝粉、充壓、保持、噴吹等五個階段都是由計算機根據相應的條件自動判斷，其中"罐裝滿否"與"罐壓OK"這兩個判斷條件，操作人員可通過HMI操作畫面進行修改，其它條件由工藝人員確認后，由軟件開發人員進行修改，不允許操作人員修改。

 
圖2  噴吹系統的階段
 
圖3  順序控制框圖

5.3  噴吹率的自動控制
    噴吹量的控制是整個系統最關鍵的部分，它通過實時的檢測煤粉的噴吹率，與根據高爐實際產量設定的噴吹量比較進而穩定并調節罐壓和傳輸空氣流量來穩定和保證噴吹量的。它的實現是在串級PID調節的基礎上增加相關算法而實現的，噴吹量的PID調節為前級，其輸出作為后級罐壓PID的設定。噴吹過程中如果熱風壓力或罐壓波動過大，超出了設定的范圍，控制系統除了會調節穩壓調節閥外還會自動開關快速充壓閥和放散閥進行快速壓力調節。其中噴吹量的計算是這個部分的關鍵，它的準確與否直接影響著噴吹量控制的穩定與精度。
    噴吹率的計算為：dW/dt =（前次重量－現在重量）/取樣時間
    為了更準確，還需按罐壓P進行補償，則補償后噴吹率X=dW/dt*(K*P+1)  （K為經驗系數）
    計算得到實際噴吹量作為噴吹量PID的輸入。
    噴吹量控制的系統框圖如圖4所示。圖中PT4201為420罐罐壓，PT5003為熱風壓力，△P為差壓。圖中PID控制有三種操作方式，手動，半自動，全自動。手動為直接設定PID的輸出百分值，半自動為人為設定此PID的設定值，全自動為程序動態給定設定值。
            

  
圖4  噴吹量控制的系統框圖

    為了在倒罐過程中避免由于實際噴吹量的突變使得罐壓突變，采取了將前級PID的設定噴吹量鉗制跟隨實際噴吹量從而使前級PID輸出在20秒內保持不變的方式來實現的，實際證明這種方式可以很好地防止倒罐引起的波動。
5.4 傳輸空氣流量控制
    傳輸空氣流量的控制也是很重要的一個部分，這是由于傳輸空氣流量的大小在噴吹量一定時直接決定了噴吹的濃稀相度，它與噴吹量的控制是直接相關的。在設定噴吹量時，將噴吹量以及噴吹濃稀相度等級設定以后，將噴吹量控制的前級PID的輸出值結合相度等級選擇，即LESS（少量）、MORE（多量）、HIGH（大量）、VERY HIGH（超大量）經過一個三次擬和函數G(X)=A*X3+B*X2+C*X+D計算后作為傳輸空氣流量PID的設定值，實際上此時的傳輸空氣流量也一定了。
    等級不同G(X)參數的選取稍有不同。
5.5  分配器噴槍的堵塞檢測及自動吹掃控制
    分配器是噴吹系統的最后一關，它的任務是將從混合器來的煤粉進行重新分配，均勻地將煤粉噴進高爐燃燒。漣鋼2 200m3高爐有28個風口，故在分配器煤粉被均勻的分配給了28支噴槍。在噴吹過程中會有噴槍堵塞的情況，如果不快速的使噴槍暢通，不僅會影響高爐燃燒分布，而且會燒槍，這時就靠噴槍堵塞檢測裝置檢測每支槍的堵塞情況，然后由控制系統控制相應槍的閥門進行吹掃。每支槍都有一個噴吹閥，一個吹掃閥。正常時吹掃閥關閉，噴吹閥打開。故障時，噴吹閥關閉，吹掃閥打開。切換時，打開的閥先關閉，到位后再打開另一個關閉的閥。為了能靈活的進行自動手動選擇以及吹掃周期選擇，在HMI上設一噴槍系統吹掃周期時間間隔輸入窗口和每個風口吹掃時間輸入窗口以及在每個風口設一個自動/手動按鈕。系統依次從1＃~28＃風口開始檢測，如果某一個風口在自動狀態，則控制相應風口噴吹閥關閉，吹掃閥打開，吹掃設定的吹掃時間后，判斷下一個風口是否在自動，如果是則吹掃，不是則跳過，如果閥故障也跳過此風口，整個系統吹掃完一次之后，間隔設定的吹掃周期時間間隔后繼續從1#風口開始判斷吹掃。在吹掃中，如果某一風口堵塞檢測信號到達，則立即吹掃次風口，其他風口吹掃順序不變。
    在投入自動以前，曾經發生過幾起燒槍事故，投入自動后至今效果顯著，沒有發生過燒槍事故。

6 結論

    這套控制系統于2004年5月8日正式制粉，2004年5月13日正式向高爐噴吹，一次試車成功，投入運行半年以來系統穩定可靠，操作方便，已部分實現了自動，現在正常噴煤量約為35t/h，最高可達到45t/h左右，噴吹量基本達到了130kg/t鐵以上，能基本滿足大高爐需求。隨著控制參數的不斷摸索其余自動逐步投入運行以后，這套控制系統具備噴煤能力達到200kg/t鐵以上。

參考文獻:
[1] 王國雄,王鐵,沈峰滿,楊佳龍. 現代高爐粉煤噴吹[M]. 冶金工業出版社.
[2] 楊天鈞,蒼大強,丁玉龍.高爐富氧煤粉噴吹[M]. 冶金工業出版社.