高爐噴吹系統(tǒng)自動控制研究與應(yīng)用

李輝

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古包頭014014）

1 引言

社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的加快使得鋼鐵企業(yè)的競爭越來越激烈，提高生產(chǎn)作業(yè)率、降低企業(yè)成本、提高控制系統(tǒng)的自動化水平已經(jīng)成為各個企業(yè)的必然選擇。目前，我國不少鋼鐵企業(yè)都在開展適應(yīng)性改造，如此才能提高企業(yè)競爭力，而本文將重點(diǎn)闡釋的高爐噴吹系統(tǒng)就是改革內(nèi)容之一。從高爐風(fēng)口向爐內(nèi)直接噴吹出磨細(xì)的無煙煤粉、煙煤粉或兩者的混合物代替了部分焦炭所提供的熱量和還原劑[1]，進(jìn)而可達(dá)到節(jié)約企業(yè)生產(chǎn)成本的目的，而高爐噴煤自動控制系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及節(jié)能降耗的完成與其自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用密切相關(guān)。

2 高爐噴煤系統(tǒng)簡介

高爐噴煤系統(tǒng)包括原煤儲運(yùn)、制粉、噴吹和供氣等工藝環(huán)節(jié)，具體構(gòu)成如下[2]：

①原煤儲運(yùn)系統(tǒng)：原煤儲運(yùn)系統(tǒng)包括煤場，永磁除鐵器，M1、M2、M3皮帶輸送機(jī)與寬帶給料機(jī)等。

②制粉系統(tǒng)：制粉系統(tǒng)主要有煙氣爐、磨煤機(jī)、給煤機(jī)、布袋收粉器、木屑分離器、高溫風(fēng)機(jī)、密封風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)、主引風(fēng)機(jī)、設(shè)備相關(guān)閥門以及防爆抑爆與檢測控制設(shè)備。具體工序則有干燥與研磨、收粉與除塵等。

③噴吹系統(tǒng)：噴吹系統(tǒng)通常是先在噴吹罐組內(nèi)充以高壓氮?dú)猓俳?jīng)過混合器引入高壓氮?dú)夂髮⒚悍蹏娙敫郀t，其主要有并列式噴吹罐、種閥、硫化裝置等組成。

④供氣系統(tǒng)：噴吹系統(tǒng)的運(yùn)行及整個噴煤系統(tǒng)的安全與供氣系統(tǒng)密切相關(guān)，其主要有高低壓氮?dú)夂脱鯕饨M成。

3 高爐噴吹系統(tǒng)自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)綜述

高爐噴吹系統(tǒng)主要由上位機(jī)、PLC和現(xiàn)場控制的各控制單元組成，上位機(jī)可同時完成制粉和噴吹工藝，該單元安裝有兩臺計(jì)算機(jī)，可對系統(tǒng)的運(yùn)行狀況、制煤工藝的執(zhí)行情況以及故障燈進(jìn)行有效的監(jiān)控，兩臺計(jì)算機(jī)可相互備份。系統(tǒng)各個部分的數(shù)據(jù)傳輸與共享均通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)發(fā)出停機(jī)指令后，處于工作狀態(tài)的系統(tǒng)就會每隔一段設(shè)定時間停止一個機(jī)組，直至停止最后一個機(jī)組。觸發(fā)報(bào)警指令后，上位機(jī)會立刻彈出報(bào)警提示界面并要求停車，如果這一信號未得到反應(yīng)，系統(tǒng)就會自動運(yùn)行技術(shù)人員事前設(shè)定的工藝要求，確保系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。

3.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)由遠(yuǎn)程控制模塊、PLC和上位機(jī)計(jì)算機(jī)通過PORFIBUS-DP連接，遠(yuǎn)程控制模塊組從站之間的數(shù)據(jù)交換采用周期I/O模式，也就是采用主從式數(shù)據(jù)交換方式周期地將數(shù)據(jù)從從站發(fā)回主站，主站經(jīng)過計(jì)算后再將響應(yīng)傳回從站，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸[3]。在系統(tǒng)各個部分的PLC運(yùn)算周期內(nèi)，主站CPU與接口模塊之間的數(shù)據(jù)交換主要是通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線完成，而從站的數(shù)據(jù)交換則通過布爾處理器與通信處理器。

3.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在PLC程序設(shè)計(jì)上，通常設(shè)有5個FC塊和1個OB塊，OB塊是主程序塊，是執(zhí)行程序的入口，而5個FC塊則主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)工作。當(dāng)選擇自動時，系統(tǒng)會自動執(zhí)行FC13（制粉過程的自動控制程序）和FC14（噴吹過程自動控制程序）[4]；當(dāng)選擇手動時，技術(shù)人員可根據(jù)實(shí)際的工藝流程在上位機(jī)執(zhí)行操作，同時運(yùn)用FC11（制粉過程手動控制程序）與FC12（系統(tǒng)整體手動和自動調(diào)節(jié)）。高爐噴吹過程實(shí)質(zhì)上包含泄壓、加料、加壓以及噴吹四個過程，值得注意的是在不同動作條件下不同的閥應(yīng)處于不同的開閉狀態(tài)下。

3.4 畫面功能

高爐噴吹系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)監(jiān)控和自動控制所有設(shè)備時采用WINCC畫面監(jiān)控軟件和STEP7編程軟件，不僅具備自動采集/處理工藝數(shù)據(jù)、自動/手動啟停、自動調(diào)節(jié)PID回路的功能，還具備顯示工藝畫面動態(tài)、緊急停噴報(bào)警以及顯示歷史和實(shí)時趨勢記錄等功能。下面將簡單介紹該系統(tǒng)的畫面功能。

①主畫面：高爐噴吹系統(tǒng)的高爐煤氣、熱風(fēng)廢氣、中低壓氮?dú)獾臏囟取毫εc流量等數(shù)據(jù)均通過主畫面顯示，以及噴吹系統(tǒng)的相關(guān)流程也通過主畫面進(jìn)行監(jiān)測。主畫面設(shè)計(jì)包含各類型設(shè)備和閥門控制按鈕以及手自動等各個畫面間相互切換的按鈕。原煤倉料位過高或過低的情況下，主畫面均會通過閃爍的方式進(jìn)行實(shí)時報(bào)警。技術(shù)人員還可通過畫面完成自動調(diào)節(jié)與軟手動調(diào)節(jié)以及各個閥門的開啟及操作等工作。

②監(jiān)控畫面：監(jiān)控畫面的主要功能是顯示噴吹系統(tǒng)的溫度、壓力和流量分布狀況，同時還負(fù)責(zé)完成各個閥門的啟停與狀態(tài)監(jiān)視。

4 高爐噴吹系統(tǒng)自動控制的實(shí)際應(yīng)用

4.1 煤粉預(yù)熱噴吹

常規(guī)煤粉噴吹法所產(chǎn)生的噴吹量較低，煤粉的燃盡率也不高，而煤粉預(yù)熱噴吹法則在降低焦比、提升企業(yè)效益方面具有更大的優(yōu)勢。煤粉經(jīng)過預(yù)熱后可提前熱解，之后再進(jìn)行噴吹有利于其燃燒氣化，同時還可促進(jìn)熱風(fēng)溫度的提升以及煤粉在回旋區(qū)停留時間的延長。煤粉預(yù)熱噴吹模式下，煤粉的燃燒區(qū)域可得到遷移，其燃盡率自然可得到提高。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，預(yù)熱溫度每提高50℃，煤粉的燃盡率平均就會提高2%[5]。

4.2 自動倒罐作業(yè)

目前不少高爐噴吹系統(tǒng)都采用了并列乃至三列的罐噴煤裝置，以并列罐噴煤的自動倒罐作業(yè)為例，兩個噴吹罐并列置于一個煤粉倉下，一個罐噴吹時，另一個罐卸壓裝煤后沖壓進(jìn)入備用狀態(tài)，當(dāng)噴吹罐噴完并完成卸壓、裝煤、充壓與均壓等一系列操作后，備用罐開始進(jìn)行噴吹。自動倒罐作業(yè)可實(shí)現(xiàn)煤粉的連續(xù)噴吹，降低了手動操作中較易出現(xiàn)的空煤和重煤問題的發(fā)生幾率，操作人員勞動強(qiáng)度過大、誤操作等問題也可避免。為防止因煤粉層被擊穿而造成向高爐空吹，一般應(yīng)在噴吹罐內(nèi)保留總煤粉的10%左右的煤粉量。不管系統(tǒng)處于何種狀態(tài)，一旦壓力過低或過高，系統(tǒng)將自動關(guān)閉所有下煤閥和補(bǔ)壓閥，同時還將彈出窗口進(jìn)行聲光報(bào)警。如果相關(guān)閥門出現(xiàn)了故障，操作人員可視實(shí)際情況對系統(tǒng)進(jìn)行人工干預(yù)，可直接跳過此步后繼續(xù)作業(yè)，也可按下噴吹停止按鈕，停止自動倒罐作業(yè)，轉(zhuǎn)入手動倒罐作業(yè)。

4.3 自動調(diào)節(jié)回路

高爐噴吹系統(tǒng)分為內(nèi)、外兩環(huán)，內(nèi)環(huán)為噴吹罐罐內(nèi)壓力自動調(diào)節(jié)回路，外環(huán)則為噴吹速度自動調(diào)節(jié)回路。由于自動調(diào)節(jié)回路系統(tǒng)會受到煤粉品種、濕度、溫度等因素的影響，因此系統(tǒng)無法一直保持理想的且均勻的噴吹狀態(tài)。針對這一問題，技術(shù)人員需頻繁調(diào)節(jié)回路，且應(yīng)選擇合適的時間間隔來輸出調(diào)節(jié)信號，以防頻繁的手動操作對調(diào)節(jié)效果的影響。延期發(fā)生爐高爐煤氣、空氣流量均采用單回路閉環(huán)調(diào)節(jié)，自動調(diào)節(jié)程序則采用周期運(yùn)行的服務(wù)方式。

5 結(jié)語

高爐噴吹系統(tǒng)增加了自動控制的集成程度，實(shí)現(xiàn)了煤粉預(yù)熱噴吹、自動倒罐作業(yè)與自動調(diào)節(jié)回路，可有效降低對原料的要求，進(jìn)而可降低企業(yè)生產(chǎn)成本，而且便于及時發(fā)現(xiàn)并消除隱患。