無組織管理控制系統(tǒng)在鋼鐵廠的應(yīng)用

摘要：PLC自動化控制技術(shù)的的應(yīng)用可以減少人工操作和人為干預(yù)的誤差，提高了生產(chǎn)效率和安全性，同時也節(jié)約了能源，降低了生產(chǎn)成本。在鋼鐵廠這樣的大型工業(yè)生產(chǎn)過程中，管網(wǎng)的監(jiān)測和控制具有很高的重要性。本系統(tǒng)應(yīng)用西門子博圖控制器和Wincc數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測管網(wǎng)壓力、差壓及溫度，隨時觀察管網(wǎng)的運(yùn)行情況，通過PLC控制及時調(diào)節(jié)監(jiān)測點(diǎn)的閥門開度達(dá)到風(fēng)量控制目的，利用Wincc上位機(jī)組態(tài)軟件數(shù)據(jù)存儲和畫面監(jiān)視，從而能夠最大限度地有效改善鋼鐵廠揚(yáng)塵、積塵的問題。

關(guān)鍵詞：PLC；實(shí)時監(jiān)測；風(fēng)量控制；Wincc

鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵排放會對設(shè)備產(chǎn)生侵蝕，減少設(shè)備使用壽命，同時也會對人體健康造成危害。隨著我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，鋼鐵企業(yè)對廠區(qū)粉塵的處理標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)一步提升，如何高效穩(wěn)定地處理封閉廠房的粉塵顯得尤其重要。對鋼鐵企業(yè)超低排放的過程中進(jìn)行無組織排放管理控制，可以提高治理的綜合性，同時可以保障人員的生命健康安全。本文通過對鋼鐵廠無組織管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制，在作業(yè)區(qū)域選擇最優(yōu)方式除塵，以期為鋼鐵廠的封閉廠房超低排放提供幫助。

一、無組織管理系統(tǒng)難點(diǎn)

隨著燃煤電廠污染控制成效的顯現(xiàn)，鋼鐵行業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的同時，成了我國工業(yè)部門目前最大的污染物排放來源。由于其生產(chǎn)工藝流程節(jié)點(diǎn)都有不同程度的無組織排放，并呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)和治理難點(diǎn)。一是散料堆場大而多，形成大規(guī)模的無組織面源揚(yáng)塵排放。二是受其復(fù)雜的生產(chǎn)工藝影響，工藝流程中冶煉和煉焦等環(huán)節(jié)都伴生有一定的VOCs排放，不同的污染物成分混合在一起，形成了成分復(fù)雜的鋼鐵和焦化行業(yè)無組織排放污染物；單一的治理措施不能解決無組織粉塵排放的問題，需要運(yùn)用綜合治理手段，針對不同的成分進(jìn)行治理。三是鋼鐵生產(chǎn)各工藝流程中煉焦、燒結(jié)、球團(tuán)、煉鐵、煉鋼等環(huán)節(jié)都有大量的礦石、輔料以及燃料的投入使用，針對這些散料的裝卸、存儲、破碎、篩分、轉(zhuǎn)運(yùn)、投料等操作都會帶來大量的粒徑不均的無組織粉塵排放，有些排放因其特殊性，難以有效控制和治理。四是鋼鐵廠無組織排放主要集中在地面和室內(nèi)，排放后易形成低空污染物聚集區(qū)，不易擴(kuò)散，如果不及時治理，對廠區(qū)正常生產(chǎn)和周邊環(huán)境造成較大影響。

從上面無組織排放熱點(diǎn)和難點(diǎn)不難看出，企業(yè)無組織排放的治理難點(diǎn)主要體現(xiàn)在排放的預(yù)警和監(jiān)管、治理措施復(fù)雜、治理工作管理復(fù)雜等幾個方面。要想有效解決，必須建立有效的排放過程監(jiān)控、精準(zhǔn)分析排放污染物、因地制宜的治理措施以及有效的排放監(jiān)管等，這就要求企業(yè)應(yīng)該建立無組織管控治排放平臺，運(yùn)用科學(xué)合理的無組織排放治理手段，才能有效解決無組織排放難題。

二、無組織管理系統(tǒng)策略

在進(jìn)行超低排放改造無組織排放控制的過程中，應(yīng)形成一個完整的治理閉環(huán)證據(jù)鏈，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、污染與治理同步運(yùn)轉(zhuǎn)。同時，相應(yīng)的治理記錄及視頻也應(yīng)上傳到管控制一體化平臺，以便后期核查。這個系統(tǒng)可以完全取代傳統(tǒng)靠人工去啟停的控制模式，不再需要專人負(fù)責(zé)治理設(shè)施的控制工作，使得整個料場的生產(chǎn)與環(huán)保實(shí)現(xiàn)常態(tài)化。通過精準(zhǔn)的識別與抑塵治理，避免設(shè)備常開，影響后續(xù)生產(chǎn)工序等問題。

基于此，首先應(yīng)在源頭上對無組織排放進(jìn)行梳理，優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程，減少作業(yè)工序，另外應(yīng)減少排放的強(qiáng)度和排放數(shù)量。在此基礎(chǔ)上，集中管控平臺對廠內(nèi)有組織、無組織排放源清單中所有監(jiān)測、治理設(shè)備進(jìn)行集中管控，并記錄各無組織排放源點(diǎn)相關(guān)生產(chǎn)設(shè)施運(yùn)行狀況、收塵、抑塵、清洗等治理設(shè)施運(yùn)行數(shù)據(jù)、顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)。最后利用大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，挖掘分析各無組織排放的過程數(shù)據(jù)，通過關(guān)聯(lián)分析、溯源分析、預(yù)警分析、智能控制等，實(shí)現(xiàn)對無組織排放的精細(xì)化管控和“有組織化”集中管控。

三、無組織管理控制系統(tǒng)

（一）監(jiān)測點(diǎn)的布置選擇

由于鋼鐵廠工況復(fù)雜，沿途管道錯綜復(fù)雜，既有方管還有圓管，而且管道與管道之間可能還存在變徑，監(jiān)測點(diǎn)的選擇顯得尤其重要。監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)的布置應(yīng)遵循代表性、可比性、整體性、前瞻性和穩(wěn)定性等原則。應(yīng)盡可能地安裝在溫差變化較小的地方，同時要避免振動和沖擊，盡量遠(yuǎn)離潮濕、高溫、有腐蝕性和強(qiáng)磁場干擾的地方[1]。

為了提高測量的準(zhǔn)確度和可靠性，壓力測點(diǎn)不能處于彎曲、三通還有交叉等容易造成渦流的地方，測口要遠(yuǎn)離容易造成堵塞的位置。通過合理的選擇和布置監(jiān)測點(diǎn)，才能夠更好地監(jiān)測和控制鋼鐵廠的生產(chǎn)過程，從而更好地保護(hù)環(huán)境和人民的健康。

（二）風(fēng)量風(fēng)速的計算

根據(jù)壓力、差壓以及環(huán)境溫度等這些參數(shù)，正常情況下，一般將各測點(diǎn)的一定時間內(nèi)的移動平均值當(dāng)作平均均值。當(dāng)各測點(diǎn)數(shù)據(jù)變化較大時，按均方根計算壓力的平均值[2]。然后根據(jù)壓力損失計算風(fēng)速風(fēng)量值。具體方法如下：

已知直管兩點(diǎn)間距離為ΔL，兩點(diǎn)間的壓力差為ΔP，管徑D，求管道的風(fēng)速V。

采用直管的壓力損失計算公式和直管阻力系數(shù)計算公式來推導(dǎo)。

直管壓差計算公式：

（1）

直管阻力系數(shù)計算公式：

（2）

Re是雷諾數(shù)：

（3）

式中，λ為直管阻力系數(shù)，ρ為空氣密度，ε為管道壁面粗糙度（值1.5×10-4m），μ為空氣黏度系數(shù)（1.8×10-4m），公式中所有單位為國際單位。

ρ溫的溫度補(bǔ)償公式為：

（4）

式中P為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325Kpa，P實(shí)際為實(shí)際壓力，T為絕對溫度（單位為開爾文）。

μ的溫度補(bǔ)償公式為：

（5）

選擇采取迭代法來計算風(fēng)速，程序思路是先定義一個最大風(fēng)速Vmax和最小風(fēng)速Vmin，預(yù)測風(fēng)速為V0，

將V0代入壓差計算公式中得出ΔP計，與實(shí)測壓差

ΔP測對比，若ΔP測＞ΔP，說明預(yù)測的風(fēng)速V0比實(shí)際風(fēng)速小，于是用二分法將V0與Vmax的中間值賦予V0，即V0=（V0+Vmax）/2，再迭代回上一步計算；反之，若ΔP測＜ΔP，則說明預(yù)測的風(fēng)速V0比實(shí)際風(fēng)速大，將V0與Vmin的中間值賦予V0，即V0=（V0+Vmin）/2，再迭代回上一步計算。直至|（ΔP測＞ΔP）/ΔP測 |≤0.01時結(jié)束迭代，輸出V0值作為該方法計算得出的直管風(fēng)速。流程圖如下：

最后根據(jù)求出來的風(fēng)速跟管道截面積相乘，即可得出真實(shí)的風(fēng)量。

（三）風(fēng)量動態(tài)調(diào)節(jié)

各區(qū)域現(xiàn)場操作箱應(yīng)配有各閥門的開關(guān)控制按鈕和是否允許該區(qū)域工作的狀態(tài)指示燈，同時在揚(yáng)塵場所應(yīng)配有攝像監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)監(jiān)測現(xiàn)場的粉塵揚(yáng)塵情況，當(dāng)PLC監(jiān)測到某一區(qū)域揚(yáng)塵嚴(yán)重時，由PLC根據(jù)開啟閥門要求的區(qū)域組合確定當(dāng)前工況處于何種工況模式，并控制閥門開關(guān)。當(dāng)選定某一種工況后，再根據(jù)此工況下的調(diào)節(jié)閥限制閥門的開度從而控制系統(tǒng)風(fēng)量。調(diào)節(jié)控制邏輯具體方法如下：

參數(shù)設(shè)定：開度設(shè)定A、調(diào)節(jié)頻率B、風(fēng)量偏差系數(shù)C、調(diào)節(jié)時間間隔T；

采集數(shù)據(jù)：每隔2秒的風(fēng)量FL1，F(xiàn)L2，F(xiàn)L3，F(xiàn)L4， FL5，利用移動平均法求10秒內(nèi)的平均風(fēng)量值FL0 =（FL1+FL2+FL3+FL4+FL5）÷5；

平均風(fēng)量FL0和偏差系數(shù)C的乘積作為調(diào)節(jié)偏差量E；

當(dāng)風(fēng)量設(shè)定值與風(fēng)量反饋的差值FLsub=A-FL0的絕對值大于調(diào)節(jié)偏差量E，開始進(jìn)行頻率調(diào)整；

在滿足4的基礎(chǔ)上每間隔時間T執(zhí)行一次判斷，當(dāng)FLsub＜0時，則A=A+B，當(dāng)FLsub≥0，則A=A-B。

四、無組織管理監(jiān)測系統(tǒng)

本文將博圖控制器所需要的各種標(biāo)簽信息整理出來，導(dǎo)入到Wincc的數(shù)據(jù)庫中，Wincc則通過通信驅(qū)動接口讀取控制器的數(shù)據(jù)并存儲記錄信息。此外Wincc豐富的圖形控制和畫面制作工具，開發(fā)人員不需要掌握太多編程語言就可以完成一個具有動畫效果、數(shù)據(jù)記錄存儲和網(wǎng)絡(luò)功能的工程。本系統(tǒng)中，當(dāng)采用風(fēng)量動態(tài)控制調(diào)節(jié)風(fēng)閥時，畫面反映的風(fēng)量實(shí)時值穩(wěn)定，當(dāng)其他區(qū)域的調(diào)節(jié)閥動作時，能按照設(shè)定的風(fēng)量自我調(diào)節(jié)，達(dá)到有效收塵目的。

五、結(jié)束語

鋼鐵行業(yè)高污染、能耗高一直是困擾企業(yè)發(fā)展的主要問題。企業(yè)在進(jìn)行改造的過程中，只有做好超低排放控制才能做到最大化的減排，采用無組織管理控制系統(tǒng)能夠通過實(shí)時采集風(fēng)管電壓、差壓、溫度等參數(shù)，確定實(shí)際的風(fēng)量風(fēng)速，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的平衡控制，使系統(tǒng)在最適合的風(fēng)量下達(dá)到除塵、吸塵效果，保證系統(tǒng)安全、節(jié)能、穩(wěn)定地工作。

作者單位：陳曉川 福建龍凈環(huán)保股份有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]林祖根，賈波，卿兆波，等. 基于并聯(lián)管道的流量檢測試驗(yàn)研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2022，18（5）：96-102.

[2]馬珊珊. 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立[D].東華大學(xué)，2014.