高爐噴吹系統(tǒng)自動(dòng)控制研究與應(yīng)用

李輝

【摘 要】近些年，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)能日益增大，優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源卻日漸匱乏。高爐噴吹系統(tǒng)應(yīng)用噴吹煤粉代替部分焦炭，進(jìn)而可達(dá)到緩解煉焦煤供不應(yīng)求的情況，同時(shí)也可有效節(jié)約煤炭能源。隨著高爐噴吹關(guān)鍵技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，其在鋼鐵冶煉工藝中的地位越來(lái)越高。論文以高爐噴吹系統(tǒng)中的自動(dòng)控制為研究對(duì)象，簡(jiǎn)要分析了其噴煤工藝與自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并探究了其實(shí)際應(yīng)用，以期為相關(guān)技術(shù)人員提供參考。

【Abstract】In recent years， China's iron and steel production capacity is increasing， but high quality coking coal resources are increasingly scarce. The blast furnace injection system uses pulverized coal instead of some coke， which can reduce the supply of coking coal and save coal energy effectively. With the continuous progress and improvement of the key technology of blast furnace blowing， its position in steel smelting process is becoming higher and higher. Taking the automatic control of blast furnace injection system as the research object， this paper briefly analyzes the design of its coal injection process and automatic control system， and explores its practical application， so as to provide reference for the relevant technical personnel.

【關(guān)鍵詞】高爐噴吹系統(tǒng)；自動(dòng)控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；應(yīng)用

【Keywords】blast furnace blowing system； automatic control； system design； application

【中圖分類(lèi)號(hào)】TP273 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）04-0156-02

1 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的加快使得鋼鐵企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)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(dòng)化水平已經(jīng)成為各個(gè)企業(yè)的必然選擇。目前，我國(guó)不少鋼鐵企業(yè)都在開(kāi)展適應(yīng)性改造，如此才能提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)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(wú)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(dòng)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(dòng)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(jiǎn)介

高爐噴煤系統(tǒng)包括原煤儲(chǔ)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(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)：原煤儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)包括煤場(chǎng)，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(mén)以及防爆抑爆與檢測(cè)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)?，再?jīng)過(guò)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(gè)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(chǎng)控制的各控制單元組成，上位機(jī)可同時(shí)完成制粉和噴吹工藝，該單元安裝有兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，可對(duì)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(tái)計(jì)算機(jī)可相互備份。系統(tǒng)各個(gè)部分的數(shù)據(jù)傳輸與共享均通過(guò)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(huì)每隔一段設(shè)定時(shí)間停止一個(gè)機(jī)組，直至停止最后一個(gè)機(jī)組。觸發(fā)報(bào)警指令后，上位機(jī)會(huì)立刻彈出報(bào)警提示界面并要求停車(chē)，如果這一信號(hào)未得到反應(yīng)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)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(guò)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(guò)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(gè)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(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線完成，而從站的數(shù)據(jù)交換則通過(guò)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(gè)FC塊和1個(gè)OB塊，OB塊是主程序塊，是執(zhí)行程序的入口，而5個(gè)FC塊則主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)工作。當(dāng)選擇自動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行FC13（制粉過(guò)程的自動(dòng)控制程序）和FC14（噴吹過(guò)程自動(dòng)控制程序）[4]；當(dāng)選擇手動(dòng)時(shí)，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(shí)運(yùn)用FC11（制粉過(guò)程手動(dòng)控制程序）與FC12（系統(tǒng)整體手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)）。高爐噴吹過(guò)程實(shí)質(zhì)上包含泄壓、加料、加壓以及噴吹四個(gè)過(guò)程，值得注意的是在不同動(dòng)作條件下不同的閥應(yīng)處于不同的開(kāi)閉狀態(tài)下。

3.4 畫(huà)面功能

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

①主畫(huà)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?、壓力與流量等數(shù)據(jù)均通過(guò)主畫(huà)面顯示，以及噴吹系統(tǒng)的相關(guān)流程也通過(guò)主畫(huà)面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主畫(huà)面設(shè)計(jì)包含各類(lèi)型設(shè)備和閥門(mén)控制按鈕以及手自動(dòng)等各個(gè)畫(huà)面間相互切換的按鈕。原煤倉(cāng)料位過(guò)高或過(guò)低的情況下，主畫(huà)面均會(huì)通過(guò)閃爍的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。技術(shù)人員還可通過(guò)畫(huà)面完成自動(dòng)調(diào)節(jié)與軟手動(dòng)調(diào)節(jié)以及各個(gè)閥門(mén)的開(kāi)啟及操作等工作。

②監(jiān)控畫(huà)面：監(jiān)控畫(huà)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(shí)還負(fù)責(zé)完成各個(gè)閥門(mén)的啟停與狀態(tài)監(jiān)視。

4 高爐噴吹系統(tǒng)自動(dòng)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(shì)。煤粉經(jīng)過(guò)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(shí)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(shí)間的延長(zhǎng)。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(huì)提高2%[5]。

4.2 自動(dòng)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(dòng)倒罐作業(yè)為例，兩個(gè)噴吹罐并列置于一個(gè)煤粉倉(cāng)下，一個(gè)罐噴吹時(shí)，另一個(gè)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(kāi)始進(jìn)行噴吹。自動(dòng)倒罐作業(yè)可實(shí)現(xiàn)煤粉的連續(xù)噴吹，降低了手動(dòng)操作中較易出現(xiàn)的空煤和重煤?jiǎn)栴}的發(fā)生幾率，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大、誤操作等問(wèn)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(guò)低或過(guò)高，系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉所有下煤閥和補(bǔ)壓閥，同時(shí)還將彈出窗口進(jìn)行聲光報(bào)警。如果相關(guān)閥門(mén)出現(xiàn)了故障，操作人員可視實(shí)際情況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行人工干預(yù)，可直接跳過(guò)此步后繼續(xù)作業(yè)，也可按下噴吹停止按鈕，停止自動(dòng)倒罐作業(yè)，轉(zhuǎn)入手動(dòng)倒罐作業(yè)。

4.3 自動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)回路，外環(huán)則為噴吹速度自動(dòng)調(diào)節(jié)回路。由于自動(dòng)調(diào)節(jié)回路系統(tǒng)會(huì)受到煤粉品種、濕度、溫度等因素的影響，因此系統(tǒng)無(wú)法一直保持理想的且均勻的噴吹狀態(tài)。針對(duì)這一問(wèn)題，技術(shù)人員需頻繁調(diào)節(jié)回路，且應(yīng)選擇合適的時(shí)間間隔來(lái)輸出調(diào)節(jié)信號(hào)，以防頻繁的手動(dòng)操作對(duì)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(dòng)調(diào)節(jié)程序則采用周期運(yùn)行的服務(wù)方式。

5 結(jié)語(yǔ)

高爐噴吹系統(tǒng)增加了自動(dòng)控制的集成程度，實(shí)現(xiàn)了煤粉預(yù)熱噴吹、自動(dòng)倒罐作業(yè)與自動(dòng)調(diào)節(jié)回路，可有效降低對(duì)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(shí)發(fā)現(xiàn)并消除隱患。

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