石灰石控制系統在SHELL煤氣化中的應用及改造

張 茜，倪 彬，任洪起

（天津堿廠煤化工事業部，天津 300452）

天津堿廠煤氣化項目采用SHELL干粉煤加壓技術，單爐日投煤量2 000t。原料煤經破機磨成煤粉（90%＜100μm），由高壓氮氣送到氣化爐煤燒嘴，與氧氣及蒸汽在氣化爐高溫加壓條件下發生碳的氧化及各種轉化反應。

在磨煤系統中石灰石的添加是一項重要的工序。原料煤中加入適量的石灰石可以降低其灰熔點，以利于氣化爐的液態排渣。因此，石灰石的按比例定量添加在保證上述反應過程穩定性上至關重要。在天津堿廠煤氣化裝置生產過程中，由于石灰石添加量不穩定導致石灰石系統頻繁跳車，不能按正確的比例與稱重給煤機的給煤量添加到磨煤機中，進而導致氣化爐堵渣而數次停車，嚴重影響煤氣化裝置生產的穩定性和經濟性。

1 石灰石系統介紹

1.1 石灰石系統簡介

石灰石系統中來自石灰石儲倉V－1103的石灰石粉進入石灰石計量倉（03V－1104A／B），經計量與原料煤輸送量按一定比例（比值可由DCS手動設定）由石灰石螺旋輸送機（位號：03X－1107A／B）送入石灰石旋轉給料機（位號：03X－1108A／B），再經石灰石噴射器（位號：03X－1109A／B）采用氣力輸送方式用氮氣將石灰石粉輸送至磨煤機。其中石灰石計量倉（位號：03V－1104A／B）及石灰石螺旋輸送機（位號：03X－1107A／B）組成一套失重秤系統，用于石灰石的計量和輸送，是整個石灰石計量輸送系統的核心。該工藝過程如圖1所示。

石灰石系統根據稱重給煤機的流量按照人工設定的比例（或串級控制），均勻準確地向磨煤機輸送石灰石粉，因此精確的計量給料，準確控制用于氣力輸送氮氣的壓力和流量，并能使計量給料系統和氣力輸送系統互不影響，是該系統能達到上述功能要求的關鍵技術設計和工程設施要點。

1.2 石灰石控制系統

石灰石的控制系統由西門子PLC控制系統和EMC的ModWeigh變重秤系統組成。德國西門子（SIEMENS）公司生產的可編程序控制器在我國的應用相當廣泛，在冶金、化工、印刷生產線等領域都有應用。西門子（SIEMENS）公司的PLC產品包括LOGO、S7－200、S7－300、S7－400、工業網絡、HMI人機界面、工業軟件等。西門子S7系列PLC體積小、速 度快、標準化，具有網絡通信能力，功能更強，可靠性更高。

石灰石系統采用西門子高性能S7－300系列PLC的可編程控制器。S7－300是模塊化小型PLC系統，能滿足中等性能要求的應用。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合構成不同要求的系統。S7－300PLC采用模塊化結構，具備高速（0.6～0.1μs）的指令運算速度；用浮點數運算比較有效地實現了更為復雜的算術運算；一個帶標準用戶接口的軟件工具方便用戶給所有模塊進行參數賦值；方便的人機界面服務已經集成在S7－300操作系統內，人機對話的編程要求大大減少。S7－300操作系統自動地處理數據的傳送；CPU的智能化的診斷系統連續監控系統的功能是否正常、記錄錯誤和特殊系統事件（例如：超時，模塊更換，等等）；具備強大的通信功能，S7－300PLC可通過編程軟件Step7的用戶界面提供通信組態功能，這使得組態非常容易、簡單。

圖1 石灰石系統工藝流程圖

EMC具有獨立自主品牌“莫得威”系列工業用連續稱重系統。其系列產品秉承模塊系統設計理念，應用數字技術，為用戶提供高精確度，低成本，且簡單易用的工業稱重解決方案。“莫得威”數字稱重控制儀采用先進的按鍵控制標定技術，與傳統秤體標定方法相比更簡單，準確，并可以與多達10個稱重傳感器進行連接。控制儀結合了高穩定性，高精確度的特性為一體，系統總體精確度高于0.01%。

1.3 控制過程

首先當系統運行時，螺旋轉動，物料從計量倉中排出。稱重儀表不停地動態檢測計量倉中物料的重量，通過采集單位時間中的重量的減少量即得實際給料量，與設定的給料量進行對比得到誤差值，再通過自適應閉環控制算法變頻調整給料電機的轉速，這樣始終使給料流量保持與設定值相對穩定一致。當計量倉中物料重量達到稱重儀表的重量下限設定值時，稱重儀表發出自動補料信號，通知上儲料倉快速補料，其間，螺旋的轉速固定在一個轉速，不做調整。當計量倉中物料重量達到稱重儀表的重量上限設定值時，關閉補料信號，重新恢復調節控制。

該控制系統具備遠程聯鎖開／停車功能和就地開／停車功能，并設置遠程／就地選擇開關（且能輸出其狀態）。當轉換開關切換到就地時，遠程操作無效；當轉換開關切換到遠程時，就地可以緊急停車。能夠輸出相應的運行信號、報警信號和并滿足就地控制的所有要求。

2 石灰石系統運行狀況及問題分析

石灰石系統在天津堿廠煤氣化裝置試車過程中總體運行平穩，基本能夠滿足正常生產的需要。石灰石不能以稱重給煤機的給煤量按正確的比例添加到磨煤機中，煤粉灰熔點不均勻的問題逐漸暴露出來。

石灰石系統緊急停車的主要問題來自于稱重儀表計算的流量值不準確。該流量值在系統穩定進料的過程中出現大幅度波動，且長時間低于最小值，ModWeigh變重秤系統會輸出故障信號。該故障信號進入PLC可編程邏輯控制器中，程序的聯鎖保護系統會引起石灰石系統的跳車，進而導致磨煤機緊急跳車。

3 石灰石系統的改造

石灰石流量的不穩定和嚴重失真對煤氣化裝置的穩定運行造成了很大的負面影響。石灰石流量是根據單位時間中的重量的減少量而計算得來。由于石灰石系統流量計算是通過ModWeigh變重秤系統高度集成的控制器計算得來，流量信號的可處理性和校驗性較差。針對這一問題，我廠儀表技術人員對石灰石稱重儀表系統進行了一系列的改進。

3.1 修正流量計算

將計量倉的稱重信號引入DCS顯示，使中控室能看到計量倉的實時重量值。由于該設備運行環境惡劣，外部因素對稱重值有一定的影響。通過霍尼韋爾的DCS系統首先對有毛刺的重量信號進行濾波處理，然后再計算單位時間內重量的減少量，從而得到實時流量F＝ΔW／ΔT。該流量值在計量倉正常下料期間為石灰石的瞬時流量。但是在計量倉補料期間，由于重量值會增加，所以實時流量為負值。針對補料期間出現的這一情況，對流量計算做了進一步修正。當ΔW＜0時，將流量值給一個固定值。同時，變重秤系統輸出的故障信號加1min的延時跳車，避免假信號引起的誤跳車。此種方法可估算出瞬時流量，較于變重秤系統計算的流量值明顯趨于穩定，而且能基本滿足工藝生產要求。

3.2 采用微波固體流量測量儀

隨著煤氣化裝置的高負荷、長周期穩定運行，對裝置的自動化程度和精細化管理的要求也越來越高，這就要求對石灰石的計量和穩定有了更高的要求。由稱重信號通過DCS計算出來的瞬時流量已經不能滿足生產的要求，經研究決定我廠2＃爐使用SWR生產的SolidFlow微波固體流量測量儀。它由傳感器和中央處理單元兩部分組成。

SolidFlow微波固體流量測量儀的傳感器采用先進的微波技術，專門適用于金屬管道內固體物料流量的測量。通過傳感器和管道之間電磁場的耦合，產生一個測量場。測量場的微波能量被固體顆粒反射回來并被傳感器接收，中央處理單元對這些信號的頻率和振幅進行處理。傳感器的功能就像顆粒累計器，記錄每單位時間內流動的物料顆粒數量。根據多普勒原理，僅流動的顆粒能被測量，堆積的顆粒不被測量。

經過標定，SWR流量計在實際工況中的歷史曲線如圖2所示，其中平穩的曲線是SWR流量計的歷史趨勢。

圖2 微波固體流量測量儀與稱重計算測量值的歷史曲線

為了驗證我廠2＃爐使用的SolidFlow微波固體流量測量儀的數據是否準確，利用DCS系統的累計模塊對該流量值進行累計。經計算，在計量倉一個補料周期內，稱重值的減少量與微波固體測量累計值是相同的，這說明改造后的石灰石流量信號能夠準確、穩定的反映出實際流量，可利用該流量值進行與給煤量的比例控制。

4 總 結

經過一段時間的投用和觀察證明，改造后的石灰石系統具有運行穩定、精確度高、可靠性強等優點。改造效果良好，徹底改變了石灰石系統頻繁故障，影響磨煤機及煤氣化系統正常穩定運行的不良工況。并且能夠滿足給煤量與石灰石量通過人工設定比例進行調節控制，使工藝人員進一步對石灰石的配比進行精確控制，達到促使煤氣化裝置降低消耗，提高效益，長周期穩定運行的目的。