自動控制技術(shù)在高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)中的應用

黃海榮

（蘭州工業(yè)學院，甘肅蘭州，730050）

0 引言

高爐煤氣形成于鋼鐵的冶煉過程，一般作為二次能源應用在企業(yè)中。因為高爐煤氣中蘊含大量粉塵，所以需要在處理后再投入使用[1]。高爐煤氣的處理與應用問題，一直困擾著鋼鐵行業(yè)，其凈化后的充分利用可在一定程度上有效實現(xiàn)節(jié)能減排的環(huán)保理念[2]。高爐煤氣的常用除塵方法為濕法除塵，是通過水洗實現(xiàn)粉塵的清潔，該方法在使用過程中具有的缺點包括：浪費水資源，清潔時會形成大量污水并且較難處理；污水中蘊含的重金屬等污染物質(zhì)嚴重超標；煤氣中水汽較多，熱值低，導致燃燒的溫度與效率下降等[3]?；谠撉闆r，高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)應時而生。

高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)有效應用了節(jié)能與環(huán)保的理念，通過其綜合應用可收獲極大的經(jīng)濟、環(huán)保效益[4]。高爐煤氣具有含塵量大、溫度高與波動幅度大等特征，要求凈化處理后的含塵量須低于3mg/m3，當前市面上還未研究出一個成熟的干法除塵控制方法，所以，高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的控制是一個具有挑戰(zhàn)性的問題[5]。

本文研究自動控制技術(shù)在高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)中的應用，將自動控制技術(shù)與高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)相結(jié)合，設計了獨特的過濾反吹動作控制程序，應用效果較好。

1 高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的相關(guān)概述

■1.1 高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

■1.2 高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)工藝流程

高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的工藝流程為：高爐煤氣輸入高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)后，匯 聚于進氣總管內(nèi)，利用所有支管傳送至系統(tǒng)的筒體進行凈化處理，通過出氣總管將完成凈化的凈煤氣輸入凈煤氣管道，最后經(jīng)調(diào)壓閥或TRT（高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置）傳送凈煤氣至凈煤氣管網(wǎng)[6]。其中，煤氣溫度的升、降通過高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)中設置的冷熱交換器控制。該系統(tǒng)主要應用了全干法除塵，具有較為明顯的綜合效益，但是在實現(xiàn)大量煤氣瞬間控溫方面存在較高難度，若出現(xiàn)燃燒等意外情況，不僅會在經(jīng)濟上造成損失，還會導致高爐的工作無法運轉(zhuǎn)[7]。為了從根源上遏制這一問題，需要對高爐煤氣的溫度進行可靠且穩(wěn)定的控制。由于高爐工作過程中不僅存在煤氣溫度較高的現(xiàn)象，還存在溫度較低的情況，所以要求高爐煤氣溫度的控制包括升、降兩種方法。

圖1 高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)工藝流程

■1.3 高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)對煤氣溫度的要求

以確保高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的正常運行為目的，提出控制煤氣溫度。當輸入高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的煤氣溫度區(qū)間為[110℃,250℃]時，其濾袋的全壽命周期能夠被延長，若溫度超過區(qū)間值，則會發(fā)生濾袋被燒毀的情況，若溫度低于區(qū)間值，此時煤氣內(nèi)的水汽被凝結(jié)，則會發(fā)生糊袋的情況。由此可見，高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的煤氣溫度控制具有十分重要的意義重要。

2 基于自動控制技術(shù)的高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)

基于自動控制技術(shù)的高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)主要包括控制模塊與網(wǎng)絡模塊兩部分，其中，控制模塊由人機接口、基礎自動化模塊、現(xiàn)場控制模塊以及電氣控制模塊構(gòu)成，網(wǎng)絡模塊由兩層通訊網(wǎng)絡構(gòu)成。

■2.1 控制模塊

高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的控制模塊可實現(xiàn)各種功能控制，具體如圖2 所示。

圖2 高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)控制

其中，人機接口主要布設在除塵主控室，其集合了數(shù)個工作站，可實現(xiàn)高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的所有人機接口功能，具體包括設備狀態(tài)等各種參數(shù)的設置與調(diào)整。在基礎自動化模塊中，應用STEP7 編程的PLC 控制器，其能夠按照實際工作完成各類型組態(tài)。通過人機接口可有效幫助PLC實現(xiàn)與上位機及其他PLC 的信息交流，具有較高的魯棒性及安全性。電氣控制模塊涵蓋了配電設施、電氣系統(tǒng)以及鍵盤電路等，可實現(xiàn)所有電氣傳動的控制。其中，鍵盤電路選用獨立式鍵盤，設置升溫鍵、降溫鍵2 個按鍵，I/O 的進出方式為復用，具體見圖3。

圖3 鍵盤電路

■2.2 通信網(wǎng)絡

第一層：通過工業(yè)以太網(wǎng)了解人機接口和PLC，主要的交互內(nèi)容包括：通過人機接口將設置的參數(shù)與相關(guān)操作命令輸送至PLC；將PLC 采集的設備狀態(tài)等參數(shù)以及故障信號傳輸至人機接口；不同PLC 的信息交互。

第二層：將Zigbee 通信網(wǎng)絡應用在不同PLC 與其遠程I/O 站之間，通過PLC 將所設定的參數(shù)及控制命令發(fā)送至不同的傳動模塊，同時采集不同傳動模塊的狀態(tài)發(fā)送至人機接口。

3 自動控制技術(shù)在高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)中的應用

■3.1 自動控制技術(shù)的主要控制功能

（1）噴吹自動控制。（2）卸灰自動控制。（3）管道閥門控制。（4）溫度、壓力及粉塵濃度等數(shù)據(jù)采集。（5）報警和保護。

■3.2 自動控制技術(shù)的概述

高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)采用PLC控制器完成自動控制，PLC 通過中央處理單元控制運作，受高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)程序的管理運行，其基本組成見圖4。

圖4 PLC 的基本組成

PLC 通過分析高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的煤氣溫度情況為其編寫程序，通過其中央處理器CPU 存儲編寫的程序與相關(guān)控制設置，并基于所編寫的程序處理存儲的信息。高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的上位機通過輸入接口下發(fā)工作指令，經(jīng)由CPU 處理后通過輸出接口反饋輸出的工作指令信號至上位機，實現(xiàn)工作指令。其中，PLC 能夠在運行時經(jīng)由擴展接口獲取擴展信號，經(jīng)由外部設備接口獲取其他PLC 等設備的信號。

■3.3 PLC 控制算法

PLC 的控制程序編寫通過模糊PID 算法實現(xiàn)（算法的具體結(jié)構(gòu)見圖5），通過該算法編寫的控制程序可有效控制高爐煤氣溫度的靜耦合，并且算法具有較強的自適應性，可有效去除煤氣溫度的動耦合。

圖5 模糊PID 算法結(jié)構(gòu)

應用模糊PID 算法編寫的PlC 控制器，能夠在高爐煤氣溫度偏差過大、過小時，對其響應速度予以提升，還能夠在溫度偏差過小時浸入穩(wěn)態(tài)，變更為PID 控制，消除靜差，增加控制精度。

離散處理PID 內(nèi)的積分、微分項，得到離散PID 的公式為：

由于高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)響應速度的增加和超調(diào)量的減少存在沖突，采用PID 可有效消除二者之間的動耦合。

4 實驗分析

實驗選用爐容為3600m3，箱體數(shù)量為15、規(guī)格為DN6000，灰倉數(shù)量為2 個，以雙排形式布設的高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)，將文章研究的自動控制技術(shù)應用在該系統(tǒng)中，并將該系統(tǒng)在某企業(yè)應用一段時間，驗證其性能。

為驗證實驗高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的高爐煤氣溫度控制功能，設定40℃為高爐煤氣溫度閾值，分析自動控制技術(shù)應用后的高爐煤氣溫度變化情況，具體如圖6 所示。

通過圖6 結(jié)果顯示，跟隨工作時間的延長，高爐煤氣溫度逐漸上升，在5s 時突破閾值達到約55℃，此時該系統(tǒng)應用自動控制技術(shù)展開溫度控制，令高爐煤氣溫度在5s 之后逐漸降低至平穩(wěn)狀態(tài)，說明應用自動控制技術(shù)的高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)具有較好的溫度控制功能，驗證了應用后的優(yōu)勢。

為驗證應用自動控制技術(shù)的高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)具有較好的溫度控制功能，現(xiàn)將高爐煤氣溫度設定為20℃，應用自動控制技術(shù)的高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)高爐煤氣溫度自動控制，實時監(jiān)測其高爐煤氣溫度變化過程，結(jié)果見圖7。

圖7 高爐煤氣溫度波動情況

其中，A、В、C 區(qū)分別表示模擬擾動下高爐煤氣溫度超值波動的、自動控制響應以及控制下高爐煤氣溫度接近平穩(wěn)的三個階段。通過圖7 可以看出，在20℃的溫度設定值下進行模擬擾動，高爐煤氣溫度存在超值波動，高爐煤氣溫度出現(xiàn)超值波動的最大幅度為28℃，是溫度設定值的9%，應用自動控制技術(shù)的高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)在2：00 時開始自動控制，在5min 的控制響應時間后將高爐煤氣溫度波動控制在3℃范圍內(nèi)。應用自動控制技術(shù)的高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的高爐煤氣溫度不再產(chǎn)生超值波動，溫度波動區(qū)間較小，溫度變化較為穩(wěn)定，且控制的誤差、時滯較小。

研究應用自動控制技術(shù)的高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)在設定溫度為3℃時的高爐煤氣溫度階躍響應曲線，其結(jié)果如圖8 所示。

圖8 高爐煤氣溫度階躍響應曲線

分析圖8 可以看出，應用自動控制技術(shù)的高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的高爐煤氣溫度能夠從初始點0 快速到達設定值3℃，只在前4s 產(chǎn)生波動，在4s 之后平穩(wěn)保持在設定壓力上，同時工作點附近不存在穩(wěn)態(tài)誤差。驗證了應用自動控制技術(shù)的高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的高爐煤氣溫度的控制響應時間短、自動控制精度高。

5 結(jié)論

應用了自動控制技術(shù)的高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)可有效實現(xiàn)節(jié)能減排的環(huán)保理念，設備建造成本低的同時工作效率提升，可廣泛應用在化工行業(yè)的含塵氣體凈化回收中，具備高效、可靠、操作便捷等優(yōu)點。將其應用在實際中可取得極佳的煤氣處理效果，并且通過粉塵物料的回收為企業(yè)帶來了較好的經(jīng)濟效益。隨著自動化控制技術(shù)與除塵設備的不斷優(yōu)化，高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的使用效果將會更佳。