水份儀在高爐噴煤制粉系統(tǒng)的研究與分析

孫利柱

（上海梅山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠(chǎng)，江蘇 南京 210039）

1 引言

寶鋼梅山煉鐵廠(chǎng)4#高爐噴煤制粉系統(tǒng)于2009年5月12日投產(chǎn)。煤粉水份控制是以SWR微波固體水份儀M-Sens為檢測(cè)元件，以此作為溫度閉環(huán)控制條件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)精確控制煤粉水份的目的。PLC控制系統(tǒng)采用美國(guó)AB公司的Control Logix L63系列產(chǎn)品，以燃燒爐溫度調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)煤粉水份的自動(dòng)控制。下面主要針對(duì)整套煤粉水份儀的工作原理及控制理論進(jìn)行研究和分析。

2 研究技術(shù)背景

高爐噴煤是將含水份10%左右、粒度50 mm左右的原煤加入到制粉系統(tǒng)的磨煤機(jī)進(jìn)行研磨、烘干，生成含水份1%～2%的合格煤粉，經(jīng)布袋收塵器收集，通過(guò)布袋收塵器的下灰管加入煤粉倉(cāng)，收集在煤粉倉(cāng)內(nèi)的合格煤粉經(jīng)過(guò)噴吹系統(tǒng)連續(xù)、均勻地噴入高爐風(fēng)口，滿(mǎn)足高爐冶煉的需求；制粉系統(tǒng)生產(chǎn)出來(lái)的合格煤粉是噴吹系統(tǒng)連續(xù)、均勻噴煤的前提，而煤粉的含水高低是煤粉合格的一項(xiàng)重要指標(biāo)，煤粉水份的控制與原煤水份、磨煤機(jī)的出口溫度高低直接相關(guān)，由于原煤水份存在不確定性，只能通過(guò)調(diào)整磨煤機(jī)的出口溫度來(lái)確保煤粉水份合格。磨煤機(jī)出口溫度過(guò)高，不利于制粉系統(tǒng)的安全生產(chǎn)，甚至可能造成火災(zāi)，而溫度過(guò)低會(huì)造成煤粉的水份過(guò)高，這樣既影響噴吹的效果也影響高爐的爐況，所以煤粉的實(shí)際含水量的準(zhǔn)確性和及時(shí)性顯得尤為重要。檢測(cè)煤粉水份的方法有2種：一種是離線(xiàn)檢測(cè)，將制粉系統(tǒng)生產(chǎn)的煤粉取出來(lái)，送化驗(yàn)室進(jìn)行分析，這樣得出的數(shù)值具有滯后性，無(wú)法得出日常生產(chǎn)過(guò)程中煤粉水份實(shí)時(shí)的真實(shí)數(shù)據(jù)，此外送檢后的煤粉外排還存在環(huán)境污染問(wèn)題；另一種是在線(xiàn)儀表檢測(cè)，這樣能夠?qū)崟r(shí)反映煤粉水份的數(shù)據(jù)，通過(guò)及時(shí)調(diào)整制粉系統(tǒng)的工況確保煤粉實(shí)時(shí)水份始終處于合格狀態(tài)。目前物料的在線(xiàn)檢測(cè)儀有中子水份儀、紅外水份儀等；但中子水份儀是采用中子輻射源發(fā)射中子，會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境，尤其會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的操作以及調(diào)試的人員產(chǎn)生一定的傷害；同時(shí)因?yàn)槲锪仙a(chǎn)環(huán)境中含有二氧化碳等氣體介質(zhì)，這些氣體會(huì)吸收紅外線(xiàn)，從而影響紅外水份儀測(cè)量的準(zhǔn)確性。我們采用的是微波水份儀，能夠保證現(xiàn)場(chǎng)人員安全，同時(shí)保證水份數(shù)據(jù)的真實(shí)、可靠，它為制粉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能操作及系統(tǒng)安全生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

3 水份儀系統(tǒng)的組成及工作原理

水份儀的組成如圖1所示，主要由標(biāo)準(zhǔn)安裝法蘭、傳感器MMS（帶3 m連接線(xiàn)）、中央處理單元 MME100、連接傳感器和中央處理單元的MMC-Box接線(xiàn)盒組成，中央處理單元MME100將傳感器MMS檢測(cè)的信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算將煤粉水份以4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)直接送到PLC控制系統(tǒng)的模擬量輸入模塊，通過(guò)PLC對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、顯示。PLC通過(guò)對(duì)干燥爐煤氣調(diào)節(jié)閥的PID調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)磨煤機(jī)出口溫度的控制，從而達(dá)到對(duì)煤粉水份控制的目的。

圖1 水份儀系統(tǒng)的組成圖Fig.1 The composition diagram of water meter system

當(dāng)微波入射到物體表面時(shí)，就會(huì)如圖2所示那樣在物料表面產(chǎn)生散射，由于散射的微波載有關(guān)于反射物體的頻域、時(shí)域、相位以及極化信息。這些信息能夠完整地反映物體的各種特征（顆粒大小、速度、水份、距離等）。微波固體水份測(cè)量?jī)x主要是基于一個(gè)安裝在不銹鋼法蘭外殼里外置的共振器工作原理而設(shè)計(jì)的。通過(guò)共振器在測(cè)量面表面厚度50 mm、直徑100 mm的圓柱形區(qū)域里形成均勻的微波測(cè)量場(chǎng)，當(dāng)物料均勻的經(jīng)過(guò)測(cè)量區(qū)域，會(huì)削弱此測(cè)量場(chǎng)的能量。這樣傳感器就可以給出一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)與物料的多少，以及物料被極化的難易程度成一定的比例關(guān)系，從而可以得到所需要的水份值，它適用于測(cè)量物料表面的活性水份。

圖2 微波的耦合和反射Fig.2 The microwave coupling and reflection

煤粉含水率指水在煤粉兩相混合流體中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，基本理論計(jì)算公式為

式中：ηw為煤粉含水率；mw為煤粉含水質(zhì)量；m0為煤粉質(zhì)量。

實(shí)際計(jì)算公式為

式中：ρw，ρ0分別為純水和純煤粉的密度；分別為純水、純煤粉、煤粉與水混合物復(fù)介電常數(shù)的儲(chǔ)能因子和損耗因子。

測(cè)量傳感器的視窗由一塊陶瓷平面構(gòu)成，為了提高視窗表面的耐磨損和耐壓值還在傳感器的陶瓷表面上安裝1塊厚度不超過(guò)30 mm的塑料材料。工業(yè)級(jí)準(zhǔn)確度±0.1%，采用316L不銹鋼外殼和99.99%高純度Al2O3陶瓷測(cè)量面，防腐耐磨。傳感器和轉(zhuǎn)換器可以采用mod?Bus（通訊總線(xiàn)）進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)字通訊，高可靠性和高抗干擾。轉(zhuǎn)換單元采用32位工業(yè)級(jí)CPU，高速測(cè)量、運(yùn)算，每秒采樣25次水份值對(duì)于在線(xiàn)測(cè)量固體物料的微量水份，可以實(shí)現(xiàn)0.01%～0.05%的固體水份精度測(cè)量。

4 水份儀控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題及解決措施

4.1 存在問(wèn)題

4#高爐噴煤系統(tǒng)投產(chǎn)開(kāi)始階段，水份儀經(jīng)常出現(xiàn)“死機(jī)”的現(xiàn)象，根據(jù)曲線(xiàn)觀(guān)察情況看也有“振蕩”現(xiàn)象的發(fā)生。由于該品牌的水份儀沒(méi)有在噴煤系統(tǒng)使用的相關(guān)業(yè)績(jī)，也沒(méi)有同類(lèi)高爐的使用在線(xiàn)水份儀檢測(cè)煤粉水份的先例，只能靠技術(shù)人員一點(diǎn)點(diǎn)的研究和摸索。

4.2 解決措施

4.2.1 水冷冷卻

經(jīng)過(guò)對(duì)水份儀長(zhǎng)時(shí)間跟蹤觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，煤粉的溫度對(duì)水份儀有較大影響，死機(jī)的原因就是因?yàn)槊悍蹨囟冗^(guò)高，有時(shí)甚至達(dá)到85℃以上，而煤粉水份儀最高能承受的溫度是60℃，超過(guò)后就會(huì)發(fā)生死機(jī)的現(xiàn)象，甚至?xí)斐蓚鞲衅鞯膿p壞，而煤粉的溫度低于75℃是不允許的，所以只能從水份儀的自身來(lái)研究如何冷卻。在工業(yè)企業(yè)中冷卻通常只有2種：一是氮?dú)饫鋮s，二是通水冷卻。噴煤系統(tǒng)使用了大量的氮?dú)?，但是由于水份儀需要在測(cè)量面表面形成厚度50 mm的煤粉才可以正常測(cè)量煤粉水份，如果通過(guò)氮?dú)獯祾呔妥兊煤茈y實(shí)現(xiàn)，同時(shí)氮?dú)獾某杀竞芨摺Ｄ敲粗荒懿捎盟涞姆绞剑鶕?jù)水份儀傳感器的形狀，制作一個(gè)專(zhuān)用的水冷套，將帶冷卻水套的水份儀傳感器安裝在制粉系統(tǒng)布袋收塵器的煤粉管道上，通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)將水份儀數(shù)據(jù)處理單元與水份儀傳感器相連接；冷卻水套的進(jìn)、出口分別安裝冷卻水閥門(mén)，冷卻水箱內(nèi)的冷卻水經(jīng)過(guò)循環(huán)水泵由冷卻水進(jìn)水管道及冷卻水套，再由冷卻水出水管道返回后冷卻水箱中，從而使得水份儀傳感器一直處于冷卻狀態(tài)，冷卻水本身通過(guò)自然冷卻就可以滿(mǎn)足其溫度要求，只要每月補(bǔ)充2 kg水就足夠了，運(yùn)行成本極低，完全避免因煤粉溫度過(guò)高引起水份儀傳感器“死機(jī)”現(xiàn)象發(fā)生。

4.2.2 信號(hào)濾波

由于在噴煤區(qū)域存在著較大的信號(hào)干擾源，9臺(tái)高壓電機(jī)和6臺(tái)變頻器。這對(duì)煤粉水份信號(hào)有較大程度的干擾，盡管已經(jīng)采用了屏蔽電纜和單獨(dú)電纜橋架走線(xiàn)，但是還有信號(hào)振蕩的情況。這是由于電路內(nèi)部的噪聲和外部的干擾信號(hào)導(dǎo)致放大后的信號(hào)中夾雜著其他的信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)淹沒(méi)放大信號(hào)本身，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和應(yīng)用。濾波是從模擬信號(hào)中消除無(wú)用信號(hào)的重要手段。經(jīng)過(guò)幾次摸索，采用兩種方法同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，首先在信號(hào)隔離器上增加0.01 μF電容器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。其次在PLC系統(tǒng)上的水份儀的模擬信號(hào)通道采樣時(shí)間做出修改，由原來(lái)的40 ms改為160 ms，該數(shù)據(jù)是根據(jù)PLC系統(tǒng)的NUT（系統(tǒng)的取樣周期）時(shí)間為5 ms，為了使系統(tǒng)高效匹配，要求每個(gè)通道的取樣時(shí)間是系統(tǒng)NUT時(shí)間的2n的整數(shù)倍計(jì)算出來(lái)。以此來(lái)減少取樣的頻次，進(jìn)而使信號(hào)更加平緩，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的使用要求，更重要的是可以使調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠平穩(wěn)調(diào)節(jié)，而不是使調(diào)節(jié)閥跟著信號(hào)振蕩。通過(guò)這兩種方式濾波前后效果如圖3、圖4所示。

圖3 水份儀未加濾波的趨勢(shì)圖Fig.3 Trend chart of moisture meter without filtering

圖4 水份儀加濾波后的趨勢(shì)圖Fig.4 Trend chart of moisture meter with filtering

5 結(jié)論

水份儀檢測(cè)裝置在噴煤系統(tǒng)投用以來(lái)，其測(cè)量準(zhǔn)確、性能可靠及控制合理的優(yōu)越性已充分顯示，煤粉水份的控制是通過(guò)調(diào)整磨煤機(jī)的出口溫度來(lái)確保煤粉水份合格，有效地保證了煤粉的質(zhì)量，煤粉水份的精確控制是高爐的高煤比煉鐵的必要條件之一，梅鋼4#高爐的煤比水平由2009年的每煉1 t鐵耗煤120.7 kg，提高到2010年的140.2 kg，根據(jù)煤粉與焦炭熱量換算之比大約為0.8∶1，這就相當(dāng)于噸鐵節(jié)約焦炭15.6 kg，很大程度地降低了焦炭的使用量，根據(jù)市場(chǎng)的焦炭和煤的價(jià)格計(jì)算，如果按該水份儀的精確控制貢獻(xiàn)系數(shù)為10%計(jì)算，一年的經(jīng)濟(jì)效益可以達(dá)到150萬(wàn)元。目前對(duì)于系統(tǒng)維護(hù)、檢修、標(biāo)定的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在實(shí)際應(yīng)用者中得到充分的認(rèn)可。

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