高爐噴煤自動化控制系統研究與應用

王淑妍

（山東省萊蕪鋼鐵集團有限公司自動化部，山東 萊蕪 271104）

1 概述

江蘇某鋼廠高爐工程噴煤是2×1080m3高爐工程的一個子項目，為提高鐵產量、節焦降耗而開發的一個項目。在傳統的生產過程中，對高爐的噴吹的是粒狀的煤，噴吹效果差，而且對煤質的要求比較高。在該工程中，實現了對煤粉的噴吹，大大節約了原料的成本，并且實現了各個系統的連鎖控制，噴吹過程中罐壓、噴吹量的PID調節，也大大節約了人力，實現了完全的自動控制。

1.1 煙氣爐系統

系統為制粉系統提供干燥原煤和輸送煤粉的干燥氣，干燥氣為熱風爐廢氣與煙氣爐煙氣的混合氣體，主要采用熱風爐廢氣，不足熱量由煙氣爐煙氣補充。為了保證磨煤系統所需的一次風量31000-53800Nm3/h，入口溫度180-250℃的混合干燥氣。熱風爐廢氣與煙氣爐煙氣混合后，經一臺高溫風機吸送至磨煤機用以干燥原煤和輸送煤粉。為了保證磨煤系統所需的一定溫度、一定流量的一次混合干燥氣，必須實現干燥氣流量和溫度的動態調節，使出口溫度處于規定值內，并通過磨煤機出口溫度變化情況進一步控制和調節磨煤機入口的熱風爐廢氣調節閥的開度。

1.2 制粉系統

制粉系統主要包括給煤機系統、磨煤機系統、稀油站系統、布袋收塵器系統、主引風機系統、螺旋輸送機系統。其中給煤機可以從上位機控制，也可以從設備帶來的PC控制。

1.3 噴吹系統

噴吹系統主要是及時向高爐輸送煤粉，每座高爐都設計有兩個噴吹罐，細煤粉利用自重從煤粉倉落到噴吹罐中，并用氮氣充壓。當一個噴吹罐裝滿煤粉并充壓到壓力設定值后，即準備噴煤（作為待用罐）；當另一個正在噴吹的噴吹罐（操作罐）一旦噴空時，待用罐就與煤粉輸送管道接通，在一個短暫的過渡時間后，噴空的操作罐開始卸壓，裝煤粉和再充壓的另一個循環。通過程序控制實現了自動倒罐的過程，補壓自動控制，補氣自動控制，自動噴吹控制，空壓包氮壓包自動壓力控制，高溫時自動充氮降溫，故障時可實現安全聯鎖保護。

2 系統配置

該控制系統采用WINCC畫面監控軟件和STEP7編程軟件對所有設備進行計算機監控和自動控制，主要實現了生產工藝設備的自動/手動啟停及聯鎖保護、工藝數據的自動采集和處理、PID回路的自動調節、工藝畫面動態顯示、歷史和實時趨勢顯示紀錄、緊急停噴報警等功能。該系統由煙氣爐、原煤儲運、制粉、噴吹四部分組成，其中原煤儲運、煙氣爐、制粉有一套PLC系統，AB罐噴吹一套單獨的PLC系統。該工程采用西門子系列可編程控制器，西門子系統是具有快速處理能力的專用計算機系統，是模塊化、可擴展的體系結構，是用于工業和制造過程實時控制，具有體積小、內存大、處理速度快、組態靈活和便利用戶支持的特點，在支持新技術的同時，提高了性能價格比。運用STEP7軟件對PLC系統組態編程，STEP7即可以進行復雜的儀控，又可以進行常規的電氣控制。

每個控制系統通過以太網進行數據傳輸和現場設備的控制。共設在同一個個控制室，兩臺上位機，各上位機之間通過交換機互聯，其中由于原煤儲運控制室距另外的控制室較遠，為確保數據傳輸的準確性，兩臺交換機通過光纖介質互聯，其他上位機及PLC之間通過雙絞線互聯。高壓變頻監控站通過MB+網控制變頻器的頻率。該網絡結構有兩種方式可以為將來與高爐聯網做準備，一是交換機預留光纖口，通過光纖與高爐進行數據通訊；一是通過CPU上的MB+口進行數據通訊，為以后的高爐聯網打下堅實的基礎，實現數據的透明化，具有不肯比擬的優越性。

3 控制策略

3.1 安全性

由于煤粉是易燃易爆物品，因而在煤粉的生產、運輸、噴吹的整個過程中，都要保證各環節的安全可靠性。主要是在全過程監測、控制煤粉的溫度和粉塵中氧含量，在開、停機時進行消防充氮。

3.2 參數控制強調重點

從經濟性和實用性出發，參數量控制只要抓住幾個關鍵點即可。一是控制磨煤機的給煤量和入磨一次風量使風煤比協調，二是根據高爐生產要求控制噴吹率。

3.3 邏輯聯鎖簡繁適度

若邏輯聯鎖比較復雜的話，實際運行中因電氣接點的故障而影響系統自動運行的概率增大，尤其是因瞬間干擾而停機。因此要根據實際情況使邏輯聯鎖能簡而不繁。

3.4 注意系統的易操作性和易維護性

制粉和噴吹的操作分別在各自的操作站上進行，操作畫面豐富、易操作，對引起停機的故障進行跟蹤記憶，在畫面上顯示，以便迅速排查處理。

4 控制調節

4.1 過程參數的調節

圖1 自動程序框圖

生產過程中重要的參數均能隨時進行調節，通過PID回路控制，使之維持在設定值左右，所有的PID回路都可以進行PV跟蹤，無擾動切換。所有進行監視和調節的參數，我們均可在工藝畫面中顯示出來，使操作人員易于觀察和調節。調節回路有三種工作方式：自動，半自動，手動。自動：由PLC自動調節閥門開度。半自動：由操作人員直接在畫面上調節閥門開度。手動：由操作人員用手操器操作閥門開度，畫面上跟蹤此閥門開度

4.2 噴吹罐罐壓自動調節

為了保證噴吹量的穩定，須保持噴吹罐內壓力的穩定。通過調節補壓調節閥的開度可保持罐壓在設定值。該調節可完全由PLC根據設定值，反饋值進行PID運算后輸出調節值。

4.3 噴吹量自動控制

在一定的噴吹壓力下穩定流化氮氣量，壓縮空氣補氣量的變化改變輸煤阻力和固氣比，此功能只需人工設定噴吹率設定值和罐壓，噴吹率調節是通過調節補氣調節閥來調節，補氣調節閥根據采樣數據，將設定噴吹率與實際噴吹率相比較，當設定值〉實際值時，將閥位開大，當設定值〈實際值時，將閥位開小。為了提高噴吹率，在工藝上采用了流化罐裝置，這對于控制噴吹率是有幫助的。自動控制程序框圖如圖1。

4.4 自動倒罐

為保障高爐噴吹制粉的連續進行，每座高爐用兩個噴吹罐，當一個罐噴吹制粉時，另一個罐做準備工作待用，兩罐的工作轉換自動進行。

5 生產后的效果

該系統已經進行了近一年的使用，降低了對原料的要求，從而降低了生產的成本。在生產過程中增加了自動控制的集成程度，實現了自動加壓、卸壓、噴吹和倒罐的控制，提高了該生產階段產品的配比精度，達到了預期的效果。

[1]張曉東.《冶金自動化》[N]，2002（01）.