京唐熱軋2 250 mm加熱爐煙氣余熱回收控制系統(tǒng)

高 亮，江 波，陳迪安，陳國海，謝 俊，吳小冬

（1.北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京 100043；2.北京市冶金三維仿真設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，北京 100043）

首鋼京唐公司積極落實(shí)“碳中和、碳達(dá)峰”國家戰(zhàn)略，進(jìn)一步探究現(xiàn)有產(chǎn)線節(jié)能、減排的措施，研究決策在京唐公司2250熱軋產(chǎn)線加熱爐原有的排煙系統(tǒng)中增設(shè)余熱鍋爐系統(tǒng)，進(jìn)一步回收煙氣余熱，實(shí)現(xiàn)加熱爐煙氣余熱的梯級(jí)利用，盡可能降低綜合排煙溫度。在增設(shè)余熱鍋爐系統(tǒng)的同時(shí)，將原來的部分煙道重新設(shè)計(jì)改造，改善煙道密封性，減少冷空氣吸入，更加充分地利用煙氣余熱。

本文主要討論了在加熱爐原有排煙系統(tǒng)增設(shè)余熱回收后，當(dāng)煙氣量負(fù)荷劇烈變化時(shí)，對(duì)原有加熱爐汽化系統(tǒng)及爐膛壓力控制系統(tǒng)的影響規(guī)律，進(jìn)而確定最優(yōu)自動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)解決方案。

1 控制系統(tǒng)概述

加熱爐燃燒系統(tǒng)、順序控制、汽化系統(tǒng)分別采用一套獨(dú)立的西門子S7-400控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置有ET200遠(yuǎn)程I/O柜。上位機(jī)組態(tài)軟件為WinCC7.3，由一臺(tái)工程師站及3臺(tái)操作員站組成?？刂凭W(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)，預(yù)留與軋線及連鑄通訊接口。本次改造在原有控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，重新組態(tài)編程，優(yōu)化控制程序。系統(tǒng)配置如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)配置示意圖

2 汽化控制系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 主要改造內(nèi)容

煙氣余熱回收系統(tǒng)由汽包、循環(huán)泵組及蒸發(fā)器組成。汽包利用原加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)汽包。原有循環(huán)泵能力不夠，全部更換。正常工作時(shí)電動(dòng)熱水循環(huán)泵一臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)備用。在停電時(shí)，應(yīng)急柴油機(jī)熱水循環(huán)泵將在10 s內(nèi)啟動(dòng)，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

余熱鍋爐系統(tǒng)與汽化冷卻系統(tǒng)共用一個(gè)汽包，對(duì)原汽化冷卻上升管道進(jìn)行改造，原10個(gè)上升管回路，其中4個(gè)活動(dòng)梁冷卻回路仍然保持單上升回汽包，6個(gè)固定梁回路每3個(gè)回路接至一個(gè)過渡集箱后分兩個(gè)支路連接汽包上升管口，剩余兩個(gè)汽包管口留給余熱鍋爐系統(tǒng)蒸發(fā)器循環(huán)水回水使用。

汽化系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O柜新增模擬量輸入模塊，接入蒸發(fā)器循環(huán)回路流量信號(hào)、汽化系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥輸出信號(hào)及循環(huán)泵出口電動(dòng)閥開關(guān)信號(hào)。由于現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備運(yùn)行已經(jīng)接近13年，汽化系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥老化、調(diào)節(jié)能力及響應(yīng)速度均很差，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。此次改造更換調(diào)節(jié)閥包括：循環(huán)水泵出口電動(dòng)閥、汽包補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥、汽包主蒸汽調(diào)節(jié)閥、汽包放散閥、除氧器壓力調(diào)節(jié)閥、除氧器溫度調(diào)節(jié)閥及除氧器補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥。所有調(diào)節(jié)閥要求先按工藝操作參數(shù)由廠家重新計(jì)算流通能力，再確定最終管徑，選用先進(jìn)可靠的進(jìn)口品牌；更換流量、壓力檢測(cè)點(diǎn)引壓管（帶保溫）；更換變送器保溫箱；增加除氧器、汽包現(xiàn)場(chǎng)液位檢測(cè)系統(tǒng)。

2.2 汽包水位控制

汽包水位是生產(chǎn)過程中的主要工藝指標(biāo)，同時(shí)也是保證汽化系統(tǒng)安全運(yùn)行的主要條件。原有汽包水位控制系統(tǒng)主要由給水泵出口汽包補(bǔ)水閥和汽包液位組成，當(dāng)液位降低時(shí)，汽包補(bǔ)水閥開大補(bǔ)水，液位升高時(shí)，關(guān)閉汽包補(bǔ)水閥。這種單沖量控制，在熱負(fù)荷變化不大時(shí)，可以把水位控制得很穩(wěn)定。

當(dāng)新增加兩個(gè)循環(huán)回路后，煙氣量急劇變化時(shí)，產(chǎn)汽量波動(dòng)較大，汽包液位穩(wěn)定性差，會(huì)出現(xiàn)“假水位”。此時(shí)單沖量PID調(diào)節(jié)器根據(jù)“假水位”進(jìn)行計(jì)算控制輸出，造成汽包補(bǔ)水閥錯(cuò)誤地執(zhí)行調(diào)節(jié)，這種情況很容易造成汽包真實(shí)水位極低或者極高。如果汽包真實(shí)水位極低，首先會(huì)影響加熱爐水梁冷卻循環(huán)回路，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成水梁和蒸發(fā)器燒壞。其次會(huì)造成汽包壓力瞬間升高，最后會(huì)發(fā)生安全閥起跳或者爆炸等危險(xiǎn)情況。汽包真實(shí)水位極高，會(huì)造成汽包上部空間減少，影響汽水分離，蒸汽會(huì)帶水，降低蒸汽外送量及蒸汽品質(zhì)。

為了克服蒸汽負(fù)荷量增加造成“假水位”的現(xiàn)象，優(yōu)化程序改用三沖量液位控制系統(tǒng)，以汽包液位為主調(diào)節(jié)參數(shù)，同時(shí)引入蒸汽流量和給水流量。圖2所示的三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，假設(shè)煙氣量突然增加，產(chǎn)氣量瞬間增大。此時(shí)汽包給水量根據(jù)蒸汽量瞬間增大，經(jīng)加法器計(jì)算汽包補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥開度變大，汽包補(bǔ)水量增加；假設(shè)煙氣量突然減小，產(chǎn)氣量瞬間減小。此時(shí)汽包給水量根據(jù)蒸汽量瞬間減少，經(jīng)加法器計(jì)算汽包補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥開度變小，汽包補(bǔ)水量減少。

圖2 三沖量控制流程圖

通過分析對(duì)比，三沖量控制系統(tǒng)有效地抵消了負(fù)荷變化對(duì)液位的影響，提高了汽包補(bǔ)水閥的響應(yīng)速度。圖3為液位控制在±100 mm的趨勢(shì)圖。

圖3 汽包液位趨勢(shì)圖

2.3 汽包壓力控制

為了保證汽包蒸汽系統(tǒng)的穩(wěn)定，對(duì)汽包蒸汽回路采用雙閥控制策略。主蒸汽管線以汽包壓力值作為被控參數(shù)，通過調(diào)整主蒸汽閥開度大小，達(dá)到調(diào)節(jié)汽包壓力的目的。當(dāng)主蒸汽開度達(dá)到90%以上仍無法控制汽包壓力或者汽包壓力達(dá)到1.2 MPa時(shí)，蒸汽放散閥聯(lián)鎖慢慢打開，對(duì)空放散。

2.4 除氧器壓力和溫度控制

除氧器壓力采用單回路控制，以除氧器蒸汽閥調(diào)節(jié)為主，優(yōu)化PID參數(shù)保證除氧器壓力控制在20 kPa。除氧器溫度采用單回路控制，以除氧器溫度調(diào)節(jié)閥為主調(diào)節(jié)，保證水溫104℃達(dá)到最佳的除氧器效果。

2.5 除氧器液位控制

除氧器液位以除氧器補(bǔ)水閥為主調(diào)節(jié)，引入汽包補(bǔ)水量前饋控制，當(dāng)汽包補(bǔ)水量增加時(shí)，除氧器補(bǔ)水量跟隨增加，當(dāng)汽包補(bǔ)水量減少時(shí)，除氧器補(bǔ)水量跟隨減少，始終保證除氧器水位維持在中心液位+150 mm。

3 爐膛壓力控制系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 主要改造內(nèi)容

原煙道系統(tǒng)設(shè)備中的稀釋風(fēng)機(jī)及空氣換熱器全部利舊；煤氣換熱器重新設(shè)計(jì)制作更換，接口及安裝位置不變；煙道閘板重新設(shè)計(jì)制作，采用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并且安裝位置需要根據(jù)新設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整；煤氣換熱器后新增一套蒸發(fā)器；原水平煙道（空氣換熱器前）利舊，但是煙道頂部砌磚部分進(jìn)行噴涂密封；原水平煙道（煤氣換熱器后）鋼結(jié)構(gòu)部分利舊改造，耐材全部重新更換，底部采用砌筑保溫磚和耐火磚，頂部和側(cè)墻采用輕質(zhì)噴涂的結(jié)構(gòu)形式；混凝土內(nèi)部煙道全部重新設(shè)計(jì)制作，采用矩形鋼結(jié)構(gòu)+輕質(zhì)噴涂料的結(jié)構(gòu)形式，增大煙道截面，減少阻力，便于施工。改造后的煙道全面滿足絕熱及密封的性能要求。

3.2 爐膛壓力控制

燃燒系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O柜備用模擬量輸入模塊，接入煙道閘板電動(dòng)執(zhí)行器開關(guān)輸入輸出信號(hào)、蒸發(fā)器前、后壓力信號(hào)和蒸發(fā)器后溫度信號(hào)。原有煙道執(zhí)行器為電-液形式，由于設(shè)備老化開關(guān)速度慢，現(xiàn)改為電動(dòng)執(zhí)行器。

煙道增加蒸發(fā)器后，爐膛壓力波動(dòng)幅度很大，嚴(yán)重時(shí)波動(dòng)幅度可達(dá)±100 Pa。經(jīng)過疊加煤氣熱值、煤氣壓力、煙氣量、煙道閘板開度及爐膛壓力歷史曲線分析，其主要原因?yàn)椋?/p>

（1）煙道增加蒸發(fā)器后，煙囪抽力減小，當(dāng)煤氣熱值或者煤氣總管壓力波動(dòng)時(shí)，板坯種類變化負(fù)荷瞬間增大或者減少時(shí)，均會(huì)對(duì)爐膛壓力造成極大或者極小值的波動(dòng)，導(dǎo)致煙道閘板開度會(huì)在最大值和最小值之間頻繁調(diào)節(jié)。原有控制為單回路PID調(diào)節(jié)，爐膛壓力檢測(cè)值波動(dòng)頻繁，易產(chǎn)生振蕩，難以在短時(shí)間內(nèi)有效地控制，需要較長時(shí)間才能穩(wěn)定下來，因此要求對(duì)煙道閘板進(jìn)行精確控制。

（2）煙道閘板執(zhí)行器更換為電動(dòng)執(zhí)行器后，經(jīng)測(cè)試煙道閘板全開或者全關(guān)一次行程的時(shí)間為90 s。當(dāng)爐膛壓力升高，PID調(diào)節(jié)器輸出增大開度時(shí)，煙道閘板無法快速響應(yīng)打開調(diào)節(jié)，造成爐膛壓力持續(xù)升高；當(dāng)爐膛壓力降低，PID調(diào)節(jié)器輸出減小開度時(shí)，煙道閘板無法快速響應(yīng)關(guān)閉調(diào)節(jié)，造成爐膛壓力持續(xù)降低。

（3）爐膛壓力檢測(cè)點(diǎn)安裝在均熱段爐膛側(cè)部，目前均熱段采用脈沖燃燒+雙交叉限幅燃燒控制方式。當(dāng)爐內(nèi)鋼坯通過步進(jìn)梁運(yùn)送到達(dá)均熱段時(shí)，二級(jí)模型計(jì)算鋼坯溫度未達(dá)到目標(biāo)設(shè)定溫度，此時(shí)需要急劇升溫，段管空煤氣流量調(diào)節(jié)閥瞬間開大，脈沖燃燒燒嘴全部投用；當(dāng)鋼坯溫度超過二級(jí)目標(biāo)溫度時(shí)，要急劇降溫，段管空煤氣流量調(diào)節(jié)閥瞬間關(guān)小，脈沖燒嘴部分投用。這種情況會(huì)造成均熱段爐內(nèi)氣氛不穩(wěn)，爐膛壓力上下波動(dòng)較大，煙道閘板也會(huì)根據(jù)此時(shí)的爐膛壓力頻繁調(diào)節(jié)，很難穩(wěn)定下來。

解決方案：①對(duì)爐膛壓力的檢測(cè)值進(jìn)行物理濾波，避免PID調(diào)節(jié)器爐膛壓力過程值大幅度波動(dòng)，同時(shí)優(yōu)化調(diào)整PID控制參數(shù)，減少對(duì)煙道閘板調(diào)節(jié)頻率。②通過調(diào)整煙道閘板電動(dòng)執(zhí)行器速度參數(shù)，將煙道閘板全開或者全關(guān)一次行程時(shí)間調(diào)整為70 s。保證煙道閘板精確控制及時(shí)響應(yīng)PID調(diào)節(jié)器輸出。③對(duì)均熱段二級(jí)目標(biāo)爐溫設(shè)定值進(jìn)行限幅，設(shè)定溫度按5℃小幅度增加或者減少，避免均熱段空煤氣流量調(diào)節(jié)閥瞬間開得過大或過小。經(jīng)過反復(fù)摸索調(diào)試參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了爐膛壓力波動(dòng)±10 Pa。爐膛壓力控制流程及變化趨勢(shì)如圖4、圖5所示。

圖4 爐膛壓力控制流程示意圖

圖5 爐膛壓力趨勢(shì)圖

4 結(jié)語

通過對(duì)余熱回收自動(dòng)控制系統(tǒng)投用后兩個(gè)月的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤分析，爐膛壓力、汽化冷卻系統(tǒng)控制運(yùn)行可靠。改造前NOx煙囪環(huán)保監(jiān)測(cè)數(shù)值時(shí)常超過100 mg/m3（煙氣中O2含量8%）報(bào)警值，需要操作人員頻繁手動(dòng)干預(yù)調(diào)節(jié)，改造后爐膛壓力控制在微正壓，減少了煙道內(nèi)吸冷風(fēng)，NOx穩(wěn)定在80 mg/m3（煙氣中O2含量8%）以下。整個(gè)控制系統(tǒng)操作方便，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)控制且運(yùn)行參數(shù)達(dá)到了改造設(shè)計(jì)要求。