天鐵高爐噴煤清堵自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張金鐘（天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司煉鐵廠，河北涉縣 056404）

天鐵高爐噴煤清堵自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張金鐘（天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司煉鐵廠，河北涉縣 056404）

為了防止噴煤槍堵塞造成的煤粉噴吹不均勻等問題的產(chǎn)生，設(shè)計(jì)了噴煤槍全自動在線監(jiān)測和吹堵系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)功能和原理，對該系統(tǒng)程序中的煤粉堵塞監(jiān)測和自動吹堵功能塊進(jìn)行了分析。通過對運(yùn)行情況的調(diào)查證實(shí)，該系統(tǒng)在生產(chǎn)運(yùn)行中的在線監(jiān)控，使操作員能及時(shí)清除煤槍堵塞現(xiàn)象，穩(wěn)定了爐況，節(jié)能降耗效果和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

高爐 噴煤 堵塞 清理 傳感器 控制

1 引言

高爐生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定的重要前提是提高和改善爐內(nèi)氣體的動力學(xué)條件。高爐的爐料結(jié)構(gòu)和煤氣分布，均受煤粉在爐內(nèi)的燃燒噴吹情況和各噴吹支管噴煤量多少的影響，即：高爐的噴煤操作直接影響到爐內(nèi)氣體運(yùn)動特性的變化，特別是在大煤量噴吹時(shí)，這種變化還可能危害到高爐的穩(wěn)定順行。高爐工藝要求噴吹到高爐風(fēng)口的煤粉流速穩(wěn)定，各風(fēng)口噴吹煤量均勻。從整體上來看，噴吹煤粉的多少直接影響高爐的爐溫走向，如果突然把噴吹煤粉量增加到很高，有可能造成燃燒不完全，惡化料柱透氣性。若各個(gè)風(fēng)口之間的噴吹量差異太多，可能導(dǎo)致高爐圓周方向工作不夠均勻，長期下去，將造成高爐爐況失常等。因此，煤槍的堵塞直接影響到煤粉的噴吹均勻度和噴吹量大小，進(jìn)而波及到高爐爐況，使噸鐵成本提高，工人勞動量增加。鑒于此，我們設(shè)計(jì)并使用了這套噴煤槍的全自動在線監(jiān)測和吹堵系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的功能和原理

2.1 系統(tǒng)的功能

為滿足高爐生產(chǎn)的工藝要求，方便噴煤工的使用和維護(hù)，我們充分利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，改造后系統(tǒng)的主要功能如下：

（1）在線實(shí)時(shí)檢測煤槍中的流量；

（2）準(zhǔn)確判斷煤槍是否有堵塞趨勢，并能及時(shí)處理未完全堵塞的煤槍；

（3）具備人機(jī)對話功能，人機(jī)對話要能夠修改流量的上下限值，自動和手動切換，手動操作煤閥和氣閥，自動吹堵次數(shù)等。

2.2 流程簡述

在煤粉支管安裝一支微波傳感器，在線監(jiān)測煤粉流動情況并將監(jiān)測信號（即煤粉濃度）經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)絇LC。當(dāng)系統(tǒng)處于自動狀態(tài)時(shí)，若某一煤管具有堵管趨勢（即煤管濃度達(dá)到某一設(shè)定值），PLC下達(dá)指令通過繼電器驅(qū)動關(guān)閉煤閥，打開氣閥吹通煤管，吹通后恢復(fù)正常噴吹操作，同時(shí)將信息傳輸?shù)焦芾頇C(jī)上。操作者可以根據(jù)生產(chǎn)需要自行設(shè)置煤粉濃度的上下限值，也可以在管理機(jī)上手動操作閥門。見圖1。

2.3 主要設(shè)備的工作原理

2.3.1 傳感器

它基于微波多普勒原理。噴煤支管中流動著煤粉和壓縮空氣的混合物，傳感器主要檢測煤粉的濃度。傳感器傳送低功率微波并接收物體反射回的能量，微波反射頻率與發(fā)射頻率產(chǎn)生頻差，從而在輸出端產(chǎn)生一低頻交流電壓，即微波傳感器檢測到運(yùn)動介質(zhì)的數(shù)量和流速（即煤粉濃度和流速）。被檢測的介質(zhì)數(shù)量（即煤粉濃度）與反射波幅度成正比例關(guān)系。煤粉來時(shí)、經(jīng)過、遠(yuǎn)離微波源的反射波頻率變化可反映管道內(nèi)的流體的速度變化，對應(yīng)輸出4～20 mA的電流信號，4 mA表示濃度為零，20 mA表示濃度最大值。

2.3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的設(shè)備。它將傳感器傳來的4～20 mA的電流信號轉(zhuǎn)換為PLC可以接收的數(shù)字信號。

2.3.3 PLC

PLC是系統(tǒng)的核心，采用數(shù)字量輸入模板接收煤粉濃度信號和各個(gè)閥門的開關(guān)信號，判斷煤槍堵塞情況。通過數(shù)字量輸出模板發(fā)送指令，驅(qū)動氣閥和煤閥的開關(guān)動作，向管理機(jī)提供閥門開關(guān)和煤粉流通信號，以供操作人員參考，接收管理機(jī)遠(yuǎn)程控制等。

2.3.4 繼電器

繼電器實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。由PLC發(fā)出輸出信號，驅(qū)動氣閥和煤閥的電磁閥開關(guān)閥門。

2.3.5 上位機(jī)

上位機(jī)通過轉(zhuǎn)換器RS232轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)接器和PLC連接，一方面接收現(xiàn)場煤粉流動和各個(gè)閥門開關(guān)信號，另一方面統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)形成報(bào)表，還能在特殊情況下手動遠(yuǎn)程控制閥門的開關(guān)。

2.4 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)的配置分兩部分：外圍設(shè)備和PLC硬件配置。

外圍設(shè)備包括：傳感器、氣動閥（煤閥、氣閥）、接近開關(guān)：煤閥、氣閥、繼電器等。

PLC硬件配置包括：系統(tǒng)由兩套設(shè)備組成，包括CPU模板LM3109、數(shù)字輸入模板LM3212、數(shù)字輸出模板LM3223、轉(zhuǎn)換器RS232轉(zhuǎn)RS485。

3 主要的程序設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的基本任務(wù)是實(shí)時(shí)監(jiān)測支管堵塞情況并實(shí)現(xiàn)自動吹堵功能。

3.1 煤粉堵塞檢測

以一個(gè)支管為例，該支管假定為DATA1。

3.1.1 功能塊說明

LE為小于，GE為大于等于，OR為或關(guān)系，AND是與關(guān)系。

3.1.2 程序解釋

DATA1為某一支管的煤粉流量百分?jǐn)?shù)，當(dāng)其值小于下限（BELOW_LIMIT）或者大于上限(PREVIOUS_LIMIT）,并且任意抽取的5個(gè)支管(DATA2、DATA6、DATA8、DATA10、DATA13）的煤粉流量有一個(gè)大于正常值（MAIN_LIMIT）時(shí),即可以認(rèn)定為系統(tǒng)沒有停煤，DATA1輸出堵塞信號（CONDITION OPERAATE1）見圖2。

3.2 自動吹堵

3.2.1 主要功能塊說明

TON為定時(shí)器，CTU為計(jì)數(shù)器。

3.2.2 程序解釋

（1）當(dāng)堵塞趨勢信號（CONDITION）到，并且滿足不超時(shí)（STOP_OVERTIME）、系統(tǒng)不報(bào)警（ALARM_OVERTIME）、支管煤閥（ALARM_M9）和氣閥（ALARM_Q9）都不報(bào)警等條件，延時(shí)后關(guān)煤閥（M_G）。

（2）關(guān)煤閥延時(shí)1 s后開氣閥（Q_K）。

（3）氣閥打開后延時(shí)5 s后停止，并給暫停信號（PULSE）一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)。

（4）再次掃描程序看是否堵塞，若堵塞再重復(fù)以上動作。

（5）開關(guān)6次后暫停信號（PULSE）到。

（6）暫停信號（PULSE）到后煤閥開（M_K）、氣閥關(guān)（Q_G）、中斷計(jì)時(shí)器復(fù)位（C_R_P）、停超時(shí)信號（STOP_OVERTIME）到，見圖3。

4 系統(tǒng)的安全處理

系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮周全，程序較為嚴(yán)謹(jǐn)，有針對性地做了很多細(xì)節(jié)處理來防止因外部因素引起的判斷誤差，以滿足生產(chǎn)實(shí)際需要，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全運(yùn)行。

4.1 判斷堵塞和停煤

根據(jù)生產(chǎn)需要，有時(shí)候需要停煤。這時(shí)候支管無煤，和堵塞情況相似。這就要判斷到底是堵塞還是停煤，以便做出正確的處理。程序選擇的是隨機(jī)抽取5個(gè)支管并判斷其堵塞情況，若有一個(gè)支管有煤則可以認(rèn)定為沒有停煤；否則，判斷為支管堵塞。

4.2 防止微波工作異常出現(xiàn)誤判斷

為防止支管上的微波出現(xiàn)異常錯誤，在確定正常工作的時(shí)候，程序也加入了同判斷堵塞和停煤一樣的條件，就是隨機(jī)抽取5個(gè)支管并判斷其堵塞情況，若5個(gè)支管全不正常，即使該支管流向現(xiàn)實(shí)正常也認(rèn)定為該支管不堵塞或停煤。這樣可以防止這個(gè)支管上的微波工作異常而被程序誤判斷為支管工作正常。

4.3 系統(tǒng)的初始狀態(tài)和恢復(fù)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)氣動閥門的開關(guān)狀態(tài)如下：煤閥失電開，氣閥失電關(guān)。也就是說，當(dāng)突然停電，程序恢復(fù)初始狀態(tài)，這時(shí)候煤閥全開，氣閥全關(guān)，不影響正常噴煤。

5 運(yùn)行效果

高爐噴煤清堵自動化控制系統(tǒng)自投運(yùn)以來，有效地解決了煤槍堵塞而沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題，因噴吹不均勻而導(dǎo)致的爐溫波動和爐況失常的問題，實(shí)現(xiàn)了高爐各風(fēng)口穩(wěn)定均勻噴吹，促進(jìn)了高爐穩(wěn)定順行，提高了鐵水產(chǎn)量，降低了能源消耗。

2010年，六高爐煤比指標(biāo)由系統(tǒng)投入前的105 kg/t的水平，提高到了140 kg/t以上。2011年，月煤比提高到了150 kg/t以上，日煤比最高達(dá)到170 kg/t。根據(jù)煉鐵經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，1 kg煤粉熱值可以取代0.8 kg焦炭，則2010年在該噴煤清堵自動控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，煤比提高了25 kg/t，可降低焦比20 kg/t。六高爐月產(chǎn)量18萬t以上，則每月多噴吹價(jià)格較低的煤粉取代價(jià)格昂貴的焦炭而節(jié)約資金在200萬元以上，僅多噴煤少耗焦炭一項(xiàng)，年節(jié)約資金就達(dá)2 000萬元以上，是目前鋼鐵行業(yè)高成本運(yùn)行的市場形勢下，實(shí)現(xiàn)降低煉鐵生產(chǎn)制造成本的重要環(huán)節(jié)。

6 結(jié)束語

通過噴煤清堵自動控制系統(tǒng)程序的運(yùn)行，方便了噴煤工的維護(hù)和操作，使崗位操作人員更加直觀地觀看畫面操作，及時(shí)清除了煤槍堵塞現(xiàn)象，促進(jìn)了高爐穩(wěn)定順行和高產(chǎn)低耗，提高了煤比，降低了焦比，從而有效降低了噸鐵成本。同時(shí)，減少了操作工的勞動強(qiáng)度，提高了設(shè)備的自動化控制水平，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1]馬愛琴，王愛國.高爐噴煤工藝及自動化控制系統(tǒng)[J].山西冶金，2004（3）：38-39，63.

[2]金艷娟.高爐噴煤技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[3]周傳典.高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

Design of Automatic Control System of Coal Injection Clogging Purging of Tiantie BF

Zhang Jinzhong

The author designed fully automatic online monitoring and clogging purging system for coal injection gun to prevent uneven injection caused by clogging.The function and principle of the system is introduced and clogging monitoring and auto clogging purging function blocks in the program are analyzed.Investigation on running proved that the online monitoring of the system in production enabled the operator to timely remove gun clogging and stabilize furnace conditions with remarkable effect of energy saving,consumption reduction and economic benefit.

BF,coal injection,clogging,removal,sensor,control

（收稿 2011－03－17責(zé)編趙實(shí)鳴）

張金鐘，2002年畢業(yè)于天津工業(yè)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與多媒體軟件設(shè)計(jì)專業(yè)，2005年畢業(yè)于天津理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)在天津天鐵冶金集團(tuán)煉鐵廠從事計(jì)算機(jī)及自動化控制工作。