轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐汽包水位優(yōu)化自動(dòng)控制系統(tǒng)

李宏林

（山東魯冶瑞寶電氣自動(dòng)化有限公司，山東 濟(jì)南250100）

1 前言

轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐是煉鋼關(guān)鍵設(shè)備之一，在整個(gè)煉鋼生產(chǎn)過程中起著舉足輕重的作用。鍋爐給水傳統(tǒng)控制一般設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥采用二沖量、三沖量連續(xù)調(diào)節(jié)控制，但轉(zhuǎn)爐冶煉過程周期性變化，使得蒸汽流量不穩(wěn)定，汽包水位頻繁波動(dòng)，連續(xù)調(diào)節(jié)控制給水調(diào)節(jié)閥會(huì)頻繁動(dòng)作，閥門前后背壓大，調(diào)節(jié)精度及使用壽命受到很大影響，很難投入自動(dòng)運(yùn)行。為了解決這個(gè)問題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)水采用汽包給水管切斷閥電磁閥、汽包出水安全放水管電動(dòng)閥，構(gòu)成開關(guān)型選擇控制系統(tǒng)與汽包給水泵變頻調(diào)節(jié)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)汽包水位全過程自動(dòng)控制。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)及控制方式

2.1 大型轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐系統(tǒng)熱負(fù)荷變化特點(diǎn)

轉(zhuǎn)爐每爐煉鋼周期36～40 min，吹氧時(shí)間段在煉鋼的中期，時(shí)間約16～20 min，在吹煉期間余熱鍋爐熱負(fù)荷陡然增加，產(chǎn)氣量迅速增加，吹煉期平均小時(shí)產(chǎn)汽量73.4 t/h，冶煉周期平均產(chǎn)汽量29 t/h，吹氧完成后，余熱鍋爐熱負(fù)荷會(huì)急速降低，下個(gè)吹煉周期循環(huán)往復(fù)。因此，跟隨轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)每爐周期性冶煉的工藝特點(diǎn)，余熱鍋爐的熱負(fù)荷、熱強(qiáng)度、反應(yīng)劇烈度也呈周期性變化，并直接反應(yīng)到汽包水位的頻繁波動(dòng)上。

汽包水位變化的特點(diǎn)：汽包水位成周期性，波動(dòng)范圍大，速度較快，穩(wěn)定性差。余熱鍋爐熱負(fù)荷隨冶煉過程周期性波動(dòng)，變化幅值較大，汽包水位相應(yīng)劇烈周期性變化，特別是吹煉初始階段汽包水位上升速度很快。汽包水位大幅波動(dòng)容易造成“虛假水位”現(xiàn)象，這是因?yàn)樨?fù)荷增加時(shí)，汽包壓力下降，汽包里水的沸點(diǎn)溫度降低，沸騰會(huì)突然劇烈，產(chǎn)生大量氣泡，造成水位提高。

汽包水位對余熱鍋爐安全運(yùn)行至關(guān)重要，水位過高使得汽水分離裝置的正常工況被破壞，嚴(yán)重情況可能導(dǎo)致蒸汽帶水量增加，在管壁上的結(jié)垢增加及蒸汽質(zhì)量下降；水位過低，水循環(huán)被破壞，容易導(dǎo)致水冷壁破裂，情況嚴(yán)重時(shí)甚至造成干鍋，破壞汽包，因此有可能造成重大事故的汽包水位過高過低都應(yīng)通過合理控制優(yōu)化規(guī)避。汽包水位優(yōu)化控制系統(tǒng)，就是通過合理的優(yōu)化控制和算法維持系統(tǒng)內(nèi)汽包產(chǎn)生的蒸汽量與給水流量平衡。以汽包水位作為水量平衡控制指標(biāo)，并通過調(diào)整進(jìn)水達(dá)到汽包進(jìn)出水量平衡，將汽包水位盡量維持在汽包中位線左右，保證生產(chǎn)的安全運(yùn)行。

根據(jù)當(dāng)前汽包檢測實(shí)際水位，根據(jù)汽包熱負(fù)荷變化確定的不同工況下汽包水位動(dòng)態(tài)設(shè)定值，采用變量檢測冗余技術(shù)、開關(guān)型選擇控制技術(shù)及變頻選擇控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽包水位全自動(dòng)控制，以最優(yōu)化方法調(diào)整水位，以達(dá)到既節(jié)約能源，又滿足生產(chǎn)要求的目標(biāo)，是控制系統(tǒng)的內(nèi)容。汽包水位控制工藝流程如圖1所示。

圖1 汽包水位工藝控制流程

2.2 控制方式

本控制系統(tǒng)的目的在于提供一種基于選擇性控制的汽包水位自動(dòng)控制優(yōu)化方法，即：根據(jù)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的要求，余熱鍋爐工況，總結(jié)最優(yōu)化的水位調(diào)整設(shè)定值，使用最低的能耗，提供滿足生產(chǎn)要求的汽包水位目標(biāo)值，達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定、節(jié)能降耗的目的。它由汽包水位一級信號檢測數(shù)據(jù)采集冗余系統(tǒng)、給水排水閥開關(guān)型選擇聯(lián)鎖控制系統(tǒng)、供水泵變頻選擇控制系統(tǒng)、報(bào)警聯(lián)鎖系統(tǒng)組成。

（1）一級信號檢測數(shù)據(jù)采集冗余系統(tǒng)。由于汽包水位的波動(dòng)性及虛假水位現(xiàn)象，為了提高檢測的準(zhǔn)確性，汽包左右各設(shè)計(jì)一個(gè)水位測量點(diǎn)，建立檢測冗余系統(tǒng)。其特點(diǎn)為：多個(gè)檢測變量共用一個(gè)控制器，選擇器位于控制器之前，對變送器的輸出信號進(jìn)行選擇或運(yùn)算處理，一是防止儀表故障造成事故，對同一檢測點(diǎn)多位置多儀表測量；其二通過運(yùn)算對數(shù)據(jù)濾波、平均處理等措施減小檢測誤差及數(shù)據(jù)波動(dòng)的影響提高可靠性。其檢測控制原理圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集冗余系統(tǒng)檢測控制原理

（2）給水排水閥開關(guān)型選擇聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。在一個(gè)轉(zhuǎn)爐冶煉周期中，汽包水位的變化可分為3個(gè)時(shí)期：前燒期、吹煉中期、后燒期。在前燒期隨著爐氣量的迅速增加，各水冷管的過熱度很大，伴隨著氣泡不斷產(chǎn)生，汽包空泡率增加，汽水容積增加，汽包水位升高，蒸汽流量大幅增加；吹煉中期，吹氧量不斷增強(qiáng)，蒸汽量增加快速，水中含氣率急劇升高，上升管內(nèi)為汽水混合物，當(dāng)水容積增加量與蒸汽外排量平衡時(shí)，汽包水位停止上升，這時(shí)蒸汽外排量開始增大，汽包水位緩慢降低；吹煉后燒期和吹氧結(jié)束，系統(tǒng)內(nèi)溫度迅速降低，水的含汽率迅速降低，汽包水位隨之迅速降低。汽包給水管切斷閥電磁閥及汽包出水安全放水管電動(dòng)閥開關(guān)型選擇控制，就是將汽包水位連續(xù)變量根據(jù)冶煉周期合理的劃分若干區(qū)段，與工藝結(jié)合摸索出汽包水位多個(gè)限值，只要不超出該限值，就能保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行。正常情況下按照影響生產(chǎn)主控變量汽包水位進(jìn)行連續(xù)控制。一旦主控變量達(dá)到需要開關(guān)極限值，為防止事故發(fā)生，選擇性控制系統(tǒng)通過選擇器切斷連續(xù)控制，而將給水管切斷閥、出水安全放水管電動(dòng)閥迅速打開或關(guān)閉，直到汽包水位回到限值以內(nèi)，重新恢復(fù)到連續(xù)調(diào)節(jié)。

（3）給水泵變頻選擇控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，給水是間斷性的，由于煉鋼的間斷性，給水泵要頻繁啟停，影響泵的使用壽命，對電網(wǎng)沖擊頻繁。如果不停泵，水流量回流到除氧水箱，又會(huì)能源浪費(fèi)。為了解決這一問題，設(shè)計(jì)給水泵變頻控制模塊對鍋爐供水泵變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)汽包水位連續(xù)控制。控制器與變頻器通訊連接，變頻調(diào)速采用兩種控制方式，一種是根據(jù)吹氧期停氧期汽包供水流量設(shè)定目標(biāo)值，采取PID調(diào)節(jié)連續(xù)調(diào)節(jié)供水流量，從而控制汽包水位；另一種是自動(dòng)頻率設(shè)定調(diào)節(jié)，對供水泵進(jìn)行頻率與供水能力性能測試，計(jì)算出實(shí)際生產(chǎn)過程汽包水位、吹氧時(shí)間與變頻器頻率對應(yīng)關(guān)系，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)算自動(dòng)給出頻率設(shè)定，對汽包水位連續(xù)控制。兩種方式在人機(jī)接口系統(tǒng)設(shè)置選擇界面，由工藝操作人員根據(jù)生產(chǎn)情況適當(dāng)選擇。目前自動(dòng)工況下采用自動(dòng)頻率設(shè)定調(diào)節(jié)較多，水位控制效果較好。變頻器與PLC間采用ControlNet網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信號傳輸及控制信號下發(fā)，節(jié)約施工費(fèi)用及工程量。汽包水位自動(dòng)控制優(yōu)化系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 汽包液位自動(dòng)控制優(yōu)化系統(tǒng)簡圖

3 系統(tǒng)功能實(shí)施

3.1 系統(tǒng)分步實(shí)施

本系統(tǒng)涉及一種基于選擇性控制的汽包水位自動(dòng)控制優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)汽包水位全自動(dòng)控制，系統(tǒng)具體功能實(shí)施主要分為三部分，按以下幾部進(jìn)行：

（1）工控?cái)?shù)據(jù)冗余檢測。設(shè)置兩個(gè)水位信號測量差壓變送器，差壓4～20 mA信號直接進(jìn)入PLC，轉(zhuǎn)換為水位高度工程量用于顯示計(jì)算。①信號檢測：左、右測量點(diǎn)設(shè)計(jì)在不同機(jī)架，不同模塊輸入，以提高檢測的硬件冗錯(cuò)性能。②手動(dòng)選擇方式：操作員通過HMI強(qiáng)制手動(dòng)選擇左或右測量點(diǎn)作為控制用輸入。③自動(dòng)選擇方式：先將左右水位測量值引入加法器求和，再經(jīng)過除法器運(yùn)算求出平均值，作為水位控制用最終輸入?？刂朴脺y量點(diǎn)的選擇由操作員在HMI上選擇以提高水位檢測的軟件冗錯(cuò)性能。

（2）給水排水閥開關(guān)型選擇聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。汽包的啟動(dòng)水位（H）定在-1000～-300 mm（汽包中心線為0水位）。①氧氣切斷閥開到位，自動(dòng)吹氧期時(shí)，給水閥常開；-350 mm＜H＜+200 mm，給水閥開，排水閥關(guān)；H≤+300 mm，給水閥開，排水閥關(guān)；H≥+350 mm，給水閥開，排水閥開。②氧氣切斷閥關(guān)到位，停止吹氧時(shí)：H≤-300 mm，排水閥關(guān)，給水閥開；-300 mm≤H≤-100 mm，排水閥關(guān)，給水閥關(guān)；H≥100 mm，排水閥開，給水閥關(guān)。

（3）給水泵變頻選擇控制系統(tǒng)。共設(shè)計(jì)2臺鍋爐給水泵，分別配置變頻調(diào)速系統(tǒng)，對汽包水位連續(xù)控制。①給水泵變頻控制根據(jù)供水流量PID調(diào)節(jié)。根據(jù)吹氧期及非吹氧期三點(diǎn)設(shè)定流量值對應(yīng)的頻率設(shè)定值發(fā)送到給水泵變頻裝置，調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)汽包連續(xù)供水調(diào)節(jié)。②給水泵變頻控制自動(dòng)頻率設(shè)定調(diào)節(jié)。吹氧期（氧氣閥門開時(shí)），吹氧期根據(jù)汽包水位及吹氧周期自動(dòng)調(diào)節(jié)給水。非吹氧期根據(jù)汽包水位PID連續(xù)調(diào)節(jié)給水泵速度，從而調(diào)節(jié)汽包補(bǔ)水量，保證汽包水位在+100～-200 mm正常范圍內(nèi)。根據(jù)水位PID調(diào)節(jié)，自動(dòng)設(shè)定變頻器頻率。

3.2 完善的報(bào)警聯(lián)鎖功能

水位值及其聯(lián)鎖報(bào)警信息在上位機(jī)顯示并聲光報(bào)警。汽包水位H≥+600 mm，高水位報(bào)警。汽包水位H≤-700 mm，低水位一次報(bào)警；汽包水位H≤-800 mm，低水位二次報(bào)警，氧槍傾動(dòng)PLC通過通訊接收報(bào)警聯(lián)鎖信號，提氧槍。-10～-300 mm為汽包啟動(dòng)水位（汽包中心線為0），為許可下氧槍位。汽包水位≥-350 mm時(shí)，氧槍傾動(dòng)系統(tǒng)通訊接收聯(lián)鎖信號，允許下氧槍。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)提供一種基于選擇性控制的汽包水位自動(dòng)控制優(yōu)化系統(tǒng)，將工控網(wǎng)絡(luò)通訊、控制軟件接口、工控?cái)?shù)據(jù)冗余檢測、開關(guān)量選擇控制等技術(shù)及變頻選擇控制技術(shù)集成一體，針對當(dāng)前汽包水位，結(jié)合轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)情況，總結(jié)得出以最短的時(shí)間、最低的消耗為目標(biāo)的最佳汽包水位動(dòng)態(tài)設(shè)定值控制閥門及供水泵變頻裝置，通過進(jìn)一步優(yōu)化汽包水位控制策略，使水位控制在工藝要求的合理范圍內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到回收蒸汽、節(jié)能降耗、安全運(yùn)行的目的。在煉鋼廠210 t轉(zhuǎn)爐爐在線投入應(yīng)用，并經(jīng)過驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期的效果，成功實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能。