熱風(fēng)爐充壓控制裝置與方法研究

魏金輝

(承德鋼鐵集團(tuán)有限公司自動(dòng)化中心，河北 承德 067102)

熱風(fēng)爐是煉鐵生產(chǎn)的重要設(shè)備，充壓過程是指熱風(fēng)爐燃燒過程中，熱風(fēng)閥和冷風(fēng)閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，熱風(fēng)爐內(nèi)煙氣壓力在10kPa以下，遠(yuǎn)低于熱風(fēng)爐送風(fēng)系統(tǒng)壓力，閥板兩側(cè)承受很大壓差，熱風(fēng)爐由燃燒過程切換到送風(fēng)過程，必須從冷風(fēng)總管向熱風(fēng)爐內(nèi)充入冷風(fēng)，以均衡閥板兩側(cè)壓差，才能順利開啟閥門。充壓過程靠充壓閥完成，接自充壓冷風(fēng)管道。充壓閥為電動(dòng)或液動(dòng)切斷閥，充壓閥僅有全開或全關(guān)兩個(gè)閥位，熱風(fēng)爐充壓時(shí)，高爐入爐風(fēng)量突然減少，引起高爐內(nèi)壓力波動(dòng)，這種現(xiàn)象隨著熱風(fēng)爐每次換爐充壓呈周期性出現(xiàn)，對(duì)高爐操作不利。雖然有的充壓閥靠閥門定位器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)粗略的手動(dòng)開度控制，但也無法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)充壓的精確控制。充壓控制基本依靠操作人員經(jīng)驗(yàn)手工操作，充壓閥基本處于全開狀態(tài)，由于操作員控制水平參差不齊，造成高爐爐頂壓力參數(shù)不穩(wěn)定，使高爐爐頂壓力產(chǎn)生巨大的波動(dòng)，影響高爐爐況的穩(wěn)定，這種情況至今沒有得到有效解決，對(duì)高爐的穩(wěn)定生產(chǎn)非常不利。

筆者設(shè)計(jì)了一種熱風(fēng)爐充壓控制裝置，該裝置可以使高爐熱風(fēng)爐在充壓過程中處于全自動(dòng)控制狀態(tài)，減少充壓過程對(duì)高爐爐頂壓力的影響。

筆者設(shè)計(jì)的熱風(fēng)爐充壓控制裝置框圖如圖1所示，裝置由充壓冷風(fēng)管道、充壓閥(ZDRHO)、壓力檢測(cè)元件(EJA530A)、輸入模件(FM148A)、輸出模件(FM151A)、電源模件(FM910)、CPU控制器件(FM801)、接口模件(DFE530TXK和DES-1008)、總線底板模件(FM300)和顯示器件(IPC-510)構(gòu)成。其中：輸入模件、輸出模件、電源模件、CPU控制器件、接口模件、總線底板模件和顯示器件均為PLC或DCS系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)硬件。另外還包括限幅控制單元、充壓時(shí)間設(shè)定單元、設(shè)定曲線生成單元和軟伺服控制單元，軟件單元安裝在PLC或DCS系統(tǒng)的CPU控制器件上。

圖1 熱風(fēng)爐充壓控制裝置框圖

充壓冷風(fēng)管道的一端連接冷風(fēng)總管，另一端與熱風(fēng)爐連接，充壓冷風(fēng)管道上安裝充壓閥，充壓閥由開關(guān)切斷閥改為調(diào)節(jié)切斷閥，充壓閥的閥位反饋信號(hào)與輸入模件連接，充壓閥的控制信號(hào)與輸出模件連接。在冷風(fēng)總管上安裝壓力檢測(cè)元件，壓力檢測(cè)元件的電信號(hào)與輸入模件連接，用于自動(dòng)充壓時(shí)的壓力控制，冷風(fēng)總管壓力可以代表高爐爐頂壓力，充壓時(shí)若冷風(fēng)總管壓力穩(wěn)定，即可保證高爐爐頂壓力穩(wěn)定。

輸入模件、輸出模件、電源模件、CPU控制器件和接口模件通過總線底板模件連接并安裝在總線底板模件上，電源模件提供工作電源。CPU控制器件是充壓裝置的控制核心，通過CPU控制器件控制限幅控制單元、充壓時(shí)間設(shè)定單元、設(shè)定曲線生成單元和軟伺服控制單元，通過輸出模件實(shí)現(xiàn)對(duì)充壓閥的自動(dòng)控制。限幅控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)充壓閥的安全控制，避免在自動(dòng)狀態(tài)下充壓對(duì)高爐爐頂壓力的影響；充壓時(shí)間設(shè)定單元用于根據(jù)熱風(fēng)爐大小和工藝操作制度來實(shí)現(xiàn)調(diào)整自動(dòng)充壓時(shí)間的設(shè)定功能；設(shè)定曲線生成單元用于產(chǎn)生充壓閥的時(shí)間與閥位開度曲線。

設(shè)定曲線生成單元與軟伺服控制單元連接，開度曲線作為軟伺服控制單元的閥位設(shè)定值，實(shí)際閥位反饋值作為軟伺服控制單元的測(cè)量值，軟伺服控制單元將充壓閥閥位自動(dòng)按設(shè)定曲線工作，對(duì)充壓進(jìn)行自動(dòng)控制并保持充壓期間高爐爐頂壓力穩(wěn)定的功能。

接口模件與顯示器件連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，用于實(shí)現(xiàn)操作和監(jiān)視功能。接口模件可以是工業(yè)交換機(jī)、以太網(wǎng)模板或現(xiàn)場(chǎng)總線等。顯示器件可為工業(yè)計(jì)算機(jī)或工業(yè)觸摸屏等。

2 熱風(fēng)爐充壓控制方法

2.1 限幅控制單元設(shè)定

利用顯示器件，輸入冷風(fēng)總管壓力波動(dòng)允許上下限值(-100～100kPa可設(shè))，輸入充壓閥閥位開度允許上限值(上限值為0%～100%可設(shè)，下限值為0，即全關(guān))。

2.2 充壓時(shí)間設(shè)定單元設(shè)定

利用顯示器件，輸入熱風(fēng)爐的自動(dòng)充壓時(shí)間(0～120min可設(shè))。

2.3 設(shè)定曲線生成單元生成設(shè)定曲線

利用顯示器件，輸入折點(diǎn)個(gè)數(shù)(1～50可設(shè))。時(shí)間數(shù)值：第1折點(diǎn)t1(0～120min可設(shè))、第2折點(diǎn)t2(0～120min可設(shè))，以此類推最多可到t50。對(duì)應(yīng)的充壓閥閥位值：第1折點(diǎn)v1(0%～100%可設(shè))、第2折點(diǎn)v2(0%～100%可設(shè))，以此類推最多可到最多可到v50。這樣可以產(chǎn)生0A-AB-BC-CD…的50段閥位值設(shè)定曲線。

2.4 軟伺服控制單元對(duì)充壓閥進(jìn)行自動(dòng)控制

設(shè)定曲線生成單元與軟伺服控制單元連接，閥位值設(shè)定曲線作為軟伺服控制單元的設(shè)定值，實(shí)際充壓閥閥位作為軟伺服控制單元的測(cè)量值。充壓結(jié)束后，充壓閥自動(dòng)關(guān)閉。

3 熱風(fēng)爐充壓控制方法實(shí)例

熱風(fēng)爐充壓控制裝置的閥位設(shè)定曲線如圖2所示(為4段折線)。

圖2 熱風(fēng)爐充壓控制裝置的閥位設(shè)定曲線

限幅控制單元設(shè)定：利用顯示器件輸入冷風(fēng)總管壓力波動(dòng)允許上下限值(-5～5kPa)；輸入充壓閥閥位開度允許上限值為40%，下限值為0(即全關(guān))。

充壓時(shí)間單元設(shè)定：利用顯示器件輸入熱風(fēng)爐自動(dòng)充壓時(shí)間35min。

曲線單元生成設(shè)定：利用顯示器件輸入折點(diǎn)個(gè)數(shù)為4個(gè)。時(shí)間數(shù)值：第1折點(diǎn)t1=1min，第2折點(diǎn)t2=5min，第3折點(diǎn)t3=8min，第4折點(diǎn)t4=35min。對(duì)應(yīng)的充壓閥閥位值：第1折點(diǎn)v1=15%，第2折點(diǎn)v2=18%，第3折點(diǎn)v3=25%，第4折點(diǎn)v4=35%，這樣可以產(chǎn)生0A-AB-BC-CD的閥位值4段設(shè)定曲線。

軟伺服控制單元對(duì)充壓閥進(jìn)行自動(dòng)控制：設(shè)定曲線生成單元與軟伺服控制單元連接，閥位值設(shè)定曲線作為軟伺服控制單元的設(shè)定值，實(shí)際充壓閥閥位作為軟伺服控制單元的測(cè)量值，軟伺服控制單元自動(dòng)將充壓閥閥位按設(shè)定曲線工作。

充壓結(jié)束后，充壓閥自動(dòng)關(guān)閉(即閥位為0)。

通過以上控制方法實(shí)現(xiàn)了充壓閥的全自動(dòng)控制，高爐爐頂壓力波動(dòng)控制在-5～5kPa的范圍內(nèi)，未采用該方法時(shí)，充壓時(shí)爐壓波動(dòng)達(dá)到-30～10kPa，效果顯著。

4 結(jié)束語

筆者將充壓閥由開關(guān)切斷閥改為調(diào)節(jié)切斷閥，克服了以往充壓閥充壓時(shí)僅能全開的弊端，通過壓力檢測(cè)元件和CPU控制器件對(duì)充壓冷風(fēng)管道的壓力進(jìn)行檢測(cè)，通過CPU控制器件和多種軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)充壓閥的充壓時(shí)間、閥位開度及限制幅度等進(jìn)行全自動(dòng)充壓控制，按照預(yù)先設(shè)定好的閥位曲線進(jìn)行充壓作業(yè)，能夠?qū)犸L(fēng)爐進(jìn)行平穩(wěn)充壓，減少充壓過程對(duì)高爐爐頂壓力的影響，有利于高爐爐況的穩(wěn)定。本方法已在多座熱風(fēng)爐上使用，效果良好，解決了長(zhǎng)期困擾高爐的熱風(fēng)爐充壓造成的高爐爐頂不穩(wěn)定的問題，保證了高爐生產(chǎn)的順利進(jìn)行，帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。