噴煤車(chē)間全自動(dòng)制粉智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

明名　羅自貴　張建海　胡曉明　錢(qián)洪亮　樊希安

摘 要：當(dāng)前國(guó)內(nèi)外高爐制粉控制還停留在人工操作控制形式，分析了人工操作制粉控制系統(tǒng)的弊端并提出相應(yīng)解決方案，對(duì)現(xiàn)有控制系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)制粉智能控制系統(tǒng)并進(jìn)行應(yīng)用示范。應(yīng)用結(jié)果表明，制粉生產(chǎn)更加標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化和智能化，有效規(guī)避了安全風(fēng)險(xiǎn)，并達(dá)到降本增效目的，智能高產(chǎn)模式下的平均單產(chǎn)達(dá)到55.18 t/h，噸煤成本降至32.33元，與人工手動(dòng)穩(wěn)產(chǎn)模式相比，產(chǎn)量上升9.90%，成本降低7.52%。

關(guān)鍵詞：噴煤車(chē)間；制粉系統(tǒng)；人工操作；智能控制；能耗

DESIGN AND APPLICATION OF FULLY AUTOMATIC PULVERIZING INTELLIGENT CONTROL SYSTEM IN COAL INJECTION WORKSHOP

Ming Ming Luo Zigui Zhang Jianhai Hu Xiaoming Qian Hongliang Fan Xian

（1. Lianfeng Steel （Zhangjiagang） Co.， Ltd.? ? Zhangjiagang? ? 215628， China;

2. Jiangsu Yonggang Group Co.， Ltd.? ? Zhangjiagang? ? ?215628， China; 3. State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy， Wuhan University of Science and Technology? ? Wuhan? ? 430081， China）

Abstract：At present， the control of coal powder production for blast furnace at home and abroad is still in the form of manual operation control. The drawbacks of pulverizing control system controlled by manual operation were analyzed and the corresponding solutions were proposed in this paper. Then the present control system was upgraded. A fully automatic pulverizing intelligent control system is designed and demonstrated. The application results showed that the coal powder production is more standardized， automated， and intelligent. The safety risks were effectively avoided， and the goal of cost reduction and efficiency increase were achieved. For the intelligent high-yield mode， the average unit yield reached 55.18 t/h and the cost per ton of coal decreased to 32.33 yuan. Compared with the manual stable production mode， the output of the coal powder was increased by 9.90% and the cost was decreased by 7.52%.

Key words： coal injection workshop; pulverizing system; manual operation; intelligent; energy consumption

0? ? 序? ? 言

我國(guó)是鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，鋼產(chǎn)量逐年增長(zhǎng)，燃料和原料消耗巨大，造成高爐生產(chǎn)所需的冶金焦炭?jī)r(jià)格不斷上漲，但其質(zhì)量難以保證，造成高爐生產(chǎn)效益偏低[1-2]。此外，用于生產(chǎn)冶金焦炭的煉焦煤原料因長(zhǎng)期開(kāi)采而面臨資源短缺等問(wèn)題[3]。

高爐煤粉制噴技術(shù)是煉鐵界迅速發(fā)展的一項(xiàng)重大技術(shù)，其目的是以價(jià)格低廉的煤粉替代昂貴且質(zhì)量不高的冶金焦炭，從而降低生產(chǎn)成本，提高高爐生產(chǎn)效益，有效緩解了煉焦煤資源與社會(huì)需求之間的矛盾，可以達(dá)到合理利用資源、節(jié)約能源的效果[4-5]。然而，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外高爐制粉控制在操作上，還停留在依靠人工操作控制形式[6]。煙煤在煤粉制備過(guò)程中存在著火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)，且制粉控制系統(tǒng)復(fù)雜，生產(chǎn)過(guò)程中崗位工人必須密切關(guān)注系統(tǒng)參數(shù)變化，嚴(yán)格控制磨機(jī)進(jìn)出口溫度、氧含量等參數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)對(duì)溫度、氧含量超過(guò)上限設(shè)置聯(lián)鎖保護(hù)措施，保證安全生產(chǎn)，而人工操作由于個(gè)體差異，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備利用率不足、產(chǎn)能波動(dòng)大、能耗高、對(duì)故障和參數(shù)變化反應(yīng)速度慢甚至引發(fā)安全事故等，因此，人工操作很大程度上制約了制粉產(chǎn)能提高，同時(shí)存在成本高和安全隱患等問(wèn)題，亟需對(duì)現(xiàn)有制粉控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，而智能控制是替代人工操作的必然發(fā)展趨勢(shì)，有利于提高噴煤車(chē)間制粉效率，降低生產(chǎn)成本，規(guī)避人工操作差異化帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，為實(shí)現(xiàn)高爐高噴煤、超高噴煤和降低鐵水成本提供堅(jiān)強(qiáng)后盾[7-8]。

本文對(duì)現(xiàn)有人工操作制粉控制系統(tǒng)的弊端進(jìn)行具體分析并提出解決方案，隨后對(duì)制粉控制系統(tǒng)進(jìn)行整體升級(jí)改造設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)制粉的全自動(dòng)智能化控制，最后投入使用，分析其應(yīng)用效果，對(duì)噴煤車(chē)間制粉控制系統(tǒng)的優(yōu)化具有借鑒和指導(dǎo)意義。

1? ? 人工操作制粉控制系統(tǒng)的弊端分析與解決方案

1.1? ? 操作非標(biāo)準(zhǔn)化

當(dāng)前人工造作由于個(gè)體差異，難以形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的崗位操作，同一崗位上的操作因人而異，可能造成難以預(yù)料的后果。針對(duì)此問(wèn)題，擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自動(dòng)檢查判斷設(shè)備、儀表狀態(tài)，啟動(dòng)的準(zhǔn)備條件、停止的符合條件、運(yùn)行中參數(shù)的高位報(bào)警狀態(tài)及各調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)狀態(tài)保持在工藝應(yīng)用設(shè)定范圍，符合安全生產(chǎn)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

1.2? ? 產(chǎn)能波動(dòng)大，能耗高

操作人員對(duì)工藝技術(shù)理解、認(rèn)知、掌握程度不一，造成設(shè)備產(chǎn)能波動(dòng)大，能耗高。針對(duì)此問(wèn)題，擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)完成自動(dòng)啟停運(yùn)行，按照標(biāo)準(zhǔn)操作控制程序，并依據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施設(shè)備判斷，參數(shù)的判斷、附屬設(shè)備狀態(tài)的判斷、外界氣體及物料應(yīng)用條件的判斷自動(dòng)完成原煤倉(cāng)、煙氣爐、磨煤機(jī)、布袋、煤粉倉(cāng)和主排風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的自主判斷匹配運(yùn)行控制。

1.3? ? 設(shè)備利用率不足

部分操作人員思想偏保守，同時(shí)面對(duì)設(shè)備的大量參數(shù)，難以判斷設(shè)備運(yùn)行的上下限，造成設(shè)備利用率不足，產(chǎn)能難以提升。針對(duì)此問(wèn)題，擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)完成連續(xù)生產(chǎn)智能控制，通過(guò)原煤的化驗(yàn)成分可選擇穩(wěn)產(chǎn)模式和高產(chǎn)模式在正常生產(chǎn)過(guò)程中，系統(tǒng)自主判斷煤粉倉(cāng)位及運(yùn)行時(shí)間段，智能控制系統(tǒng)自學(xué)習(xí)、自循環(huán)、自適應(yīng)，參數(shù)不斷的迭代實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)，保持相對(duì)最經(jīng)濟(jì)、最穩(wěn)定、最安全狀態(tài)有序生產(chǎn)模式，并保持合理的煤粉倉(cāng)位。

1.4? ? 安全生產(chǎn)事故

操作人員工作強(qiáng)度大，易疏忽發(fā)生安全生產(chǎn)事故。針對(duì)此問(wèn)題，擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)完成緊急停機(jī)控制，當(dāng)系統(tǒng)工藝控制參數(shù)達(dá)到高位報(bào)警時(shí)或運(yùn)行設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)判斷并報(bào)警，系統(tǒng)會(huì)對(duì)應(yīng)不同的子系統(tǒng)啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的故障停機(jī)模式程序自動(dòng)應(yīng)對(duì)并降低運(yùn)行負(fù)荷，氧含量超標(biāo)或設(shè)備故障使生產(chǎn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，將按照緊急停機(jī)流程，自動(dòng)完成整個(gè)制粉系統(tǒng)停機(jī)。

1.5? ? 故障應(yīng)對(duì)不及時(shí)

人工操作過(guò)程中對(duì)故障及參數(shù)變化反應(yīng)速度慢，無(wú)法做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)應(yīng)對(duì)，后果難以預(yù)料。針對(duì)此問(wèn)題，擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)大數(shù)據(jù)分析及系統(tǒng)參數(shù)串級(jí)完成連鎖安全保護(hù)控制，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備從溫度、振動(dòng)、壓力、流量、氧含量、一氧化碳含量等建立數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行參數(shù)，分級(jí)進(jìn)行安全聯(lián)鎖報(bào)警及應(yīng)對(duì)，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，為解決上述問(wèn)題，亟需對(duì)現(xiàn)有制粉控制系統(tǒng)進(jìn)行全面改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)其全自動(dòng)化智能控制，以期提高噴煤車(chē)間制粉效率，并保障安全生產(chǎn)。

2? ? 全自動(dòng)制粉智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

本研究基于聯(lián)峰鋼鐵（張家港）有限公司的四期噴煤車(chē)間的制粉設(shè)備及控制系統(tǒng)，型號(hào)為江蘇大峘集團(tuán)生產(chǎn)的EM110型磨機(jī)，設(shè)計(jì)能力50 t/h。制粉系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，包括五個(gè)子系統(tǒng)：煙氣系統(tǒng)、給煤系統(tǒng)、磨機(jī)系統(tǒng)、收粉系統(tǒng)和主排系統(tǒng)，系統(tǒng)含有若干檢測(cè)點(diǎn)（溫度、壓力、流量、振動(dòng)等），控制閥門(mén)眾多，煤品多樣，可磨指數(shù)不穩(wěn)定，水分含量不同，管道復(fù)雜，安全要求極高，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行難度大。現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造設(shè)計(jì)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)程及邏輯數(shù)學(xué)模型+大數(shù)據(jù)分析+智能算法+閉環(huán)控制等，實(shí)現(xiàn)各閥門(mén)開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)、電機(jī)、電氣、儀表檢測(cè)等實(shí)時(shí)檢測(cè)、控制、報(bào)警、連鎖安全智能高效的運(yùn)行。

首先，需要對(duì)全自動(dòng)制粉系統(tǒng)控制流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示，基于制粉的主流程，對(duì)各流程的關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)實(shí)施監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，例如廢氣風(fēng)量調(diào)節(jié)、氧含量/一氧化碳含量/溫度/壓力監(jiān)測(cè)、原煤給煤控制、脈沖吹掃/壓差控制等。

其次，完成全自動(dòng)制粉智能控制系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示，對(duì)五個(gè)子系統(tǒng)的溫度、壓力、流量、氧含量、倉(cāng)位等各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、治理，通過(guò)OPC讀寫(xiě)PLC指令，優(yōu)化現(xiàn)有PLC控制程序，建立全自動(dòng)制粉邏輯平臺(tái)和自學(xué)習(xí)智能算法模型，控制系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)一鍵制粉、自動(dòng)啟/停機(jī)、故障急停、智能調(diào)節(jié)等功能。

再次，結(jié)合上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行設(shè)備改造和軟件配置，設(shè)備改造主要包括原人工操作的制粉控制系統(tǒng)的加裝部分和檢測(cè)和控制不準(zhǔn)的改造部件，如加裝潤(rùn)滑油站冷卻水快速切斷閥、煙氣爐廢氣流量計(jì)和更換煤氣流量計(jì)、粉塵檢測(cè)儀和給煤機(jī)等。軟件配置包括智能運(yùn)行控制模型、空燃比尋優(yōu)模型、壓差控煤模型、智能控煤模型、智能提產(chǎn)模型、安全三級(jí)預(yù)警避險(xiǎn)停機(jī)模型、給煤系統(tǒng)控制模型、煙氣系統(tǒng)模型、磨機(jī)系統(tǒng)模型、收粉系統(tǒng)模型、主排系統(tǒng)模型和各安全參數(shù)監(jiān)控模型、3D可視操作系統(tǒng)、智能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、L2級(jí)控制系統(tǒng)。

最后，啟動(dòng)全自動(dòng)制粉智能控制系統(tǒng)，進(jìn)行應(yīng)用示范。

3? ? 全自動(dòng)制粉智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用示范

相較于原有的人工手動(dòng)操作控制，全自動(dòng)制粉智能控制系統(tǒng)投入使用后，在操作標(biāo)準(zhǔn)化、安全、環(huán)保、智能、降耗、提產(chǎn)、順行、3D可視、數(shù)據(jù)管理平臺(tái)等方面具有顯著改善效果，具體如下：

1）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、智能化操作：手動(dòng)和自動(dòng)無(wú)擾切換，系統(tǒng)在手動(dòng)過(guò)程中會(huì)將手動(dòng)操作實(shí)時(shí)記錄并同步，在自動(dòng)控制和手動(dòng)控制間可自由切換，不會(huì)出現(xiàn)切換造成的大波動(dòng)；把復(fù)雜的制粉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，自動(dòng)優(yōu)化控制參數(shù)，空燃比尋優(yōu)、智能控溫、智能控煤、穩(wěn)產(chǎn)模式和高產(chǎn)模式可自由切換系統(tǒng)運(yùn)行更高效穩(wěn)定，減少波動(dòng)頻率，縮小波動(dòng)值。在人工控制操作過(guò)程中，對(duì)于短時(shí)間的停產(chǎn)（如2～3 h內(nèi)），整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備人工控制時(shí)，由于啟停麻煩不會(huì)全部停止，設(shè)備空轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)相關(guān)能源介質(zhì)也會(huì)運(yùn)行，造成不必要的浪費(fèi)，在自動(dòng)控制中不會(huì)存在。系統(tǒng)會(huì)按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開(kāi)啟停全部相關(guān)設(shè)備與介質(zhì)控制。

2）有效規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化崗位人員配置：智能控制系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程集中控制的優(yōu)勢(shì)，滿足了國(guó)家安全規(guī)定，一級(jí)防火、防爆單位、區(qū)域內(nèi)不定崗的要求；一線操作工人工作內(nèi)容變?yōu)樘厥馇闆r下報(bào)警處理，可一人多用化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，增加工作收益，系統(tǒng)預(yù)警分為三級(jí)預(yù)警提示，當(dāng)達(dá)到最高級(jí)別預(yù)警，系統(tǒng)將保障設(shè)備的安全狀況下進(jìn)行對(duì)象系統(tǒng)內(nèi)的故障進(jìn)行避險(xiǎn)停機(jī)，以保障企業(yè)的財(cái)產(chǎn)免受損失。

3）達(dá)到降本增效目的：智能控制系統(tǒng)可在夜間谷電價(jià)時(shí)間進(jìn)行滿負(fù)荷生產(chǎn)，在白天峰電價(jià)時(shí)間段有意識(shí)地停機(jī)進(jìn)行設(shè)備保養(yǎng)、維護(hù)，充分利用峰平谷電價(jià)錯(cuò)峰生產(chǎn)，有效降低了用電成本；制粉工藝參數(shù)的優(yōu)化，系統(tǒng)會(huì)對(duì)生產(chǎn)工藝大數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過(guò)智能分析后將最優(yōu)參數(shù)反饋給系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不斷迭代、良性循環(huán)，并可對(duì)各個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行控制整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)閉環(huán)運(yùn)行。

參數(shù)發(fā)揮了設(shè)備的最大生產(chǎn)能力，產(chǎn)量顯著提升，且不需要增加固定投資，具體效果如表1所示。

智能控制系統(tǒng)試用期間，智能穩(wěn)產(chǎn)模式下，單臺(tái)磨煤機(jī)平均單產(chǎn)52.91 t/h，電單耗24.57 kWh/噸煤，煤氣單耗119.15 m³/噸煤，氮?dú)鈫魏?6.90 m³/噸煤，噸煤成本33.32元，與人工手動(dòng)穩(wěn)產(chǎn)模式相比，產(chǎn)量上升5.38%，電、煤氣、氮?dú)鈫魏姆謩e降低9.03%、2.28%、0.02%，同時(shí)成本降低5.69%；值得提出的是，智能控制系統(tǒng)可充分利用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能擴(kuò)大化，達(dá)到進(jìn)一步降本增效的效果，如智能高產(chǎn)模式下的平均單產(chǎn)達(dá)到55.18 t/h，噸煤成本降至32.33元，與人工手動(dòng)穩(wěn)產(chǎn)模式相比，產(chǎn)量上升9.90%，成本降低7.52%。

4? ? 結(jié)? ? 論

本文分析了人工操作制粉控制系統(tǒng)的弊端并提出解決方案，在此基礎(chǔ)上對(duì)制粉控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造設(shè)計(jì)，并將其進(jìn)行試用。結(jié)果表明，相較于人工手動(dòng)操作控制，全自動(dòng)制粉智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)制粉生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化和智能化，在保障安全穩(wěn)定生產(chǎn)的同時(shí)，顯著提升制粉效率和降低制粉生產(chǎn)綜合成本，上述結(jié)果對(duì)噴煤車(chē)間制粉控制系統(tǒng)的優(yōu)化具有良好的借鑒和指導(dǎo)意義，有助于鋼鐵行業(yè)的智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

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