貴冶天然氣高效管控技術研究與應用

曹戰飛

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

發展清潔能源、改善能源結構是我國能源發展的趨勢，清潔生產也逐漸成為關于產品生產過程的一種新的思維方式，社會和經濟效益顯著。

江銅集團貴溪冶煉廠實施天然氣替代現有燃料技術改造項目，在充分發揮自動化裝備水平優勢并應用到生產實踐中，結合生產工藝實際，自主研發設計、應用開發、優化控制程序等技術方面，促進和保證節能減排項目高水準、高指標、高運行率的實現，在節能降耗、綠色環保、技術進步、技術指標創標等方面發揮作用值得推廣借鑒。

2 總體思路

天然氣替代現有燃料技術改造是一個綜合項目，涉及到全廠各生產車間的爐、窯的燃燒控制改造。為了實現安全、穩定、高效、智能的控制要求，從生產經營、環保排放、能源管理等方面需要做好以下幾方面內容。

（1）天然氣屬易燃易爆氣體，危險性高，需設計嚴格確保安全的聯鎖、保護控制方案。

（2）工廠爐、窯種類多，根據設備、操作、應用和控制要求各不相同，開發相應控制系統。

（3）實現跨系統通訊集成、數據融合，將各廠家成套設備自帶的PLC 系統或其它控制系統數據集中采集、實現遠程監控。

（4）自主設計、研發天然氣流量計自校平臺，確保流量計測量精度，為工廠整體的能源管理提供準確的數據支撐。

統籌考慮以上思路，貴冶結合生產實際，制定了從燃燒閥組、控制方案、計量校驗到管控系統融合集成整個流程的系統解決方案，來保障整個爐窯燃燒系統的完整性、安全可靠性。

3 技術方案

3.1 設計適應不同冶金爐窯的燃燒閥組

清潔能源替代改造，其主要設備是燃燒系統，而燃燒系統的關鍵設備是燃燒閥組部分。為了掌握這一核心技術，主要實施了回轉窯等燒嘴閥組的設計研發［1］。如圖1 所示。

圖1 回轉窯燃燒控制閥組流程圖

通過與天然氣燃燒控制閥組行內“遠大、徐控”等設備供應商合作，結合工廠工藝實際需求，制定初步的設計方案。根據設計方案，畫出相關的設計方案圖。研究燃燒閥組控制配置，結構，設備選型依據，給出PI 圖和設備一覽表范本，研究燃燒閥組的控制、聯鎖程序，設計總體程序框圖并完成各分步程序的模塊化。通過裝配、集成，調試以及在線測試，最終投入正常使用［2］。

3.2 自主開發適應不同冶金爐窯的“一鍵式操作法”［3］

通過梳理各冶金爐窯天然氣燃燒系統操作流程，設計開發“一鍵式”操作功能，具體方案如下。

（1）對于燃料類型超過兩種的冶金爐窯，分別編制天然氣及備用燃料的控制程序，通過設計切換開關，操作人員可自如地根據實際燃料類型進行選擇。當使用天然氣時，備用燃料設備的控制、聯鎖、報警信號全部屏蔽，反之亦然。

（2）開發一鍵點火和熄火按鈕，操作人員只需要在DCS 畫面上點擊一下按鈕，天然氣槍和助燃氣槍管路的所有閥門自動打開或關閉。通過預先設定天然氣和助燃氣的比例，助燃氣調節閥自動根據天然氣量進行調節。

（3）針對天然氣的易燃易爆特性，將天然氣槍管路上閥門的位置、反饋、流量、壓力；循環水系統溫度、流量以及煙氣系統的溫度、流量等信號作為聯鎖，一旦閥門的位置反饋不到位，流量、溫度、壓力報警，都將認為點火失敗，立即切斷天然氣，天然氣槍自動撤槍，確保設備的安全。

（4）開發詳盡友好的操作界面如圖2 所示，完善的操作界面是自動化控制中不可或缺的重要部分，為保證操作人員能夠實時掌握當前燃燒系統的工藝參數，及時準確的做出相應判斷，開發了燃燒閥組操作詳盡友好的操作界面，實現了最大程度上的友好人機交互，更加安全和人性化。

3.3 開創了智能MCC 在貴冶的應用

將傳統的硬接線方式改為總線接線通訊方式，實現對電動機的監視、保護、測量和反饋以及電量計量等功能的集中監控：即智能MCC［4］核心就是在低壓開關柜中采用智能保護器和通訊模塊，通過DCS 或PLC 系統+DP 總線或其它總線方式來實現對電動機的保護、監視、測量和控制等功能，其優勢是保護功能全面、可靠、節能；管理信息完整、具有診斷功能；安裝簡單、調試容易；設備容易擴展、維護方便，實現系統的節能和高效率、提高生產的自動化程度。具體方案如下。

通過PLC 系統+DP 總線方式（如圖3 所示），即中央控制的PLC 系統，通過DP 總線與現場MCC 控制室內的智能MCC 設備或智能電力采集儀表連接，構成一個整體DP 網絡結構，現場智能設備作為該網絡中的一個遠程節點，每個智能設備都有一個獨立的節點地址（稱設備號）。

圖2 天然氣一鍵式操作流程界面

圖3 智能MCC 和電力儀表檢測集成系統

圖4 天然氣流量計比對平臺

在該DP 網絡中掛有多臺智能MCC 控制設備，其中每臺MCC 設備包括運行、故障、遠方/本地、過流、啟動/停止以及電量采集等信號；電量采集設備包括三相電流、不平衡電壓、功率因素、功率等多個參數信號的采集監視。

通過PLC 系統編程組態，把現場各智能設備的信號通過DP 總線讀入PLC 系統，或把要實現的控制動作通過DP 總線從PLC 系統寫入現場MCC智能設備中，從而實現對設備的控制和聯鎖保護。

3.4 研發了天然氣流量計校驗平臺［5］

天然氣計量數據的準確性、可靠性，對提高能源、資源利用率，穩定產品質量和降低成本具有重要意義。天然氣流量計送檢定機構校驗存在時間長、影響正常生產、費用高的問題，并且國內天然氣流量檢定機構在對天然氣流量計實體校驗時，是在高壓力（2.5MPa 以上）環境下進行，與我廠天然氣流量計實際使用工況（0.6MPa 以下）相差較大，且等待校驗時間較長、費用高。

貴冶根據工廠天然氣流量計的類型、口徑、測量范圍等技術參數進行比對平臺的設計、搭建，制定安全操作規程，編寫校驗程序，確保比對平臺的安全性、準確性、可靠性，以及拆裝維護方便，開發友好、簡潔DCS 界面如圖4 所示，實現流量計參數在DCS 系統自動形成報表，通過比對標準表流量數據以判定被校表的工作狀況。

該天然氣流量計校驗平臺能在低壓（1MPa 工作壓力以下）、小流量(20 ～3300Nm3/h)工況下，對天然氣流量計進行比對，其控制精度滿足過程控制儀表測量精度要求。

3.5 研發了天然氣計量管理系統［6］

針對各個車間天然氣燃燒系統配套的PLC 控制監視系統，因其相對獨立，操作、監視不方便等情況，充分利用現有DCS 系統裝備水平優勢，以及DCS 系統和PLC 自身的通訊功能，來實現整個系統的整合與集成。不同的DCS 系統其實現的方式和解決的辦法不同，但都需要在DCS 系統中做二次開發和編程組態。其主要解決方案有：

（1）通過Modbus 通訊方式，把第三方天然氣燒嘴PLC 控制設備集成到DCS 控制系統中利用DCS系統強大的通訊和軟件功能，通過Modbus 通訊協議（如圖5 所示）、Profibus DP 協議（如圖6 所示）將第三方設備PLC 系統所需控制和監視對應的I/O 點采集到DCS 系統中，緊密結合工藝，在DCS 系統開發相對應替代現場PLC 集成的操作、控制和監視程序，實現遠程集成操作、監視與控制功能。

圖5 Modbus 通訊解決方案

（2）通過自主創新自動化技術開發、解決了不同品牌DCS、DCS 與PLC 之間的數據集成融合應用，實現了天然氣燃燒系統數據在中央儀表室的監視、操作和控制。運用工廠已有覆蓋生產車間的生產控制網絡、管理網絡和現有ERP、DCS、PI 實時數據庫，開發包含綜合監控、能源實時監控、能源報警管理、能源平衡分析、能耗對標分析、能耗追蹤分析、能源成本分析、生產用能分析、溫室氣體排放分析、能源計劃管理、能源在線優化調度、應急預案管理、重點耗能設備能效分析、能源績效考核等功能的天然氣計量管理系統［4］，如圖7 所示。

圖6 DP 通訊解決方案

圖7 天然氣計量管理系統架構圖

4 實施效果

通過以上技術方案的實施，取得了以下效果。

（1）使操作與控制更加人性化，規范化和精細化，安全聯鎖更加安全、可靠，保證了天然氣的完全燃燒，提高燃燒效率，降低煙氣量，減少碳排放，改善現場作業環境。

（2）提升了自動化水平，不僅縮短了操作時間、提高了操作效率、穩定了工藝生產，優化了生產指標，同時降低了勞動強度、降低了故障率、避免了誤操作。

（3）實現了設備的自動信息采集、遠程控制以及智能診斷功能，為生產過程優化運行、優化控制、優化管理等深層次應用系統提供了可靠實時數據源。

（4）實現了天然氣流量計在實際工況下的比對檢查，保證了天然氣計量的準確，節約流量計校驗費用。

（5）實現了自動采集數據、動態智能分析、實時能源監控以及合理科學制定天然氣供給計劃，減少天然氣的放散和損耗。

5 結束語

目前國內有色冶煉企業自動化水平與電力、石化等行業相比差距較大，雖然在主工藝流程控制上，基本上采用了DCS+PLC 系統，很多只是實現簡單PID 參數控制方式，而在優化控制、企業自動化、信息化建設方面還處在較低的應用水平。貴冶天然氣高效管控技術研究與應用大部分內容為自主開發，提升了企業自動化、信息化研究、應用水平，項目的成功應用可推廣到銅行業企業類型應用環境中，將帶動整個行業的技術進步，進一步為節能減排做出貢獻。