一種轉爐煤氣濃度控制風機調速的方法

趙夢光 楊力 雷國鵬

摘 要：鋼鐵冶金行業電氣控制領域，變頻風機應用較廣，為了節約能源，風機速度根據工藝周期持續變化，風機速度調節變得尤為重要。為了提高風機調速控制系統的穩定性能，將濃度控制引入到風機調速的控制中，本文提出了一種轉爐煤氣濃度控制風機調速的方法。首先分析了幾種常規控制方法，解析說明了常規的控制方法穩定性能較差，煤氣濃度控制是基于常規工藝系統補償控制。結果說明了所提出的濃度控制風機轉速的有效性。

關鍵詞：濃度;風機調速;模式

1 緒論

轉爐煤氣干法除塵系統中氣體分析儀是測量煙氣中一氧化碳濃度的設備，一氧化碳濃度關系到煤氣回收的品質及體積。一氧化碳經風機調速實現煤氣回收的過程，風機把吹氧期間產生的煤氣送至煤氣柜，實現二次利用。

現有的轉爐煤氣干法除塵引風機主要采用煙氣流量和爐口微差壓經典PID控制方法。由于轉爐煙氣的波動性大，煙氣量及煙氣成分隨冶煉周期的變化而變化，轉爐微差壓和煙氣流量采樣存在時滯性，時變等復雜非線性特征，且壓力和流量測量所用取樣管道容易堵灰，進而加大測量數值的誤差。大誤差和純滯后導致煙氣流量加爐口微差壓PID控制難以獲得理想的控制效果。

2 風機控制模式綜述

2.1 信號周期控制

轉爐的煉鋼分為爐次準備、兌鐵水、吹煉、測溫取樣、出鋼、濺渣護爐六個工藝階段。氣體分析儀安裝于風機與液壓站之間，氣體分析儀主測一氧化碳和氧氣濃度，一氧化碳濃度為實時采樣，并將實測濃度傳輸至PLC控制系統，由PLC控制系統控制風機調速和煤氣回收。

在不同的轉爐生產階段，PLC控制器根據轉爐的爐次信號傳輸至干法除塵系統，可編程控制器PLC接收指令后立刻執行程序，對風機轉速進行指令給定。轉速隨著轉爐的生產周期進行持續變化。轉爐煤氣濃度PID控制應用于吹煉階段，將吹氧時間劃分為5個時間段，在5個時間段內引風機采用濃度PID的控制方式。轉爐生產各階段風機預先載入的轉速百分比設定值如下：爐次準備階段轉速百分比設定值15%，兌鐵水階段轉速百分比設定值40%;轉爐吹氧冶煉第一階段轉速百分比設定值75%，第二階段轉速百分比設定值70%，第三階段轉速百分比設定值65%，第四階段轉速百分比設定值70%，第五階段轉速百分比設定值75%;測溫取樣和轉爐出鋼階段轉速百分比設定值15%;轉爐濺渣護爐階段轉速百分比設定值50%。

2.2 爐口微差壓PID控制

爐口微差壓PID[1]是在轉爐煙道口增加微差壓變送器，實時測量爐口的差壓制，爐口微正壓時，風機的轉速為生產冶煉最合適的模式。但是爐口煙氣量巨大，粉塵多容易造成取壓管的堵塞，使壓力較難測量，所以按照此模式的風機調速不太準確。

2.3 煤氣濃度控制

煤氣濃度控制[2]即一氧化碳濃度控制，濃度PID控制方式應用于轉爐吹氧階段，將吹氧時間劃分為5個時間段。設置吹氧啟動時間為第一階段，吹氧啟動時間根據一氧化碳濃度大于2%設置，一氧化碳濃度偏差0.5%，即一氧化碳濃度在1.5%至2.5%之間，設置此階段風機轉速上限和下限值，以此限定風機調速范圍，當一氧化碳濃度大于1.5%時且進入第一時間段，風機根據濃度PID控制器調速。第二階段設置為吹氧后40至70秒，一氧化碳濃度大于8%設置，一氧化碳濃度偏差2%，即一氧化碳濃度在6%至10%之間，設置此階段風機轉速上限和下限值，以此限定風機調速范圍，當一氧化碳濃度大于6%時且進入第二時間段，風機根據濃度PID控制器調速。第三階段設置為吹氧后70至300秒，一氧化碳濃度大于15%設置，一氧化碳濃度偏差3%，即一氧化碳濃度在12%至18%之間，設置此階段風機轉速上限和下限值，以此限定風機調速范圍，當一氧化碳濃度大于12%時且進入第三時間段，風機根據濃度PID控制器調速。第四階段設置為吹氧后300至580秒，一氧化碳濃度大于23%設置，一氧化碳濃度偏差5%，即一氧化碳濃度在18%至28%之間，設置此階段風機轉速上限和下限值，以此限定風機調速范圍，當一氧化碳濃度大于18%時且進入第四時間段，風機根據濃度PID控制器調速。第五階段設置為吹氧時間大于580秒，一氧化碳濃度大于28%設置，一氧化碳濃度偏差5%，即一氧化碳濃度在23%至33%之間，設置此階段風機轉速上限和下限值，以此限定風機調速范圍，當一氧化碳濃度大于23%時且進入第五時間段，風機根據濃度PID控制器調速。濃度PID控制器將煤氣濃度輸入PID控制器，再用煤氣濃度PID控制器的輸出值來控制引風機變頻器的轉速。

3 控制算法分析

一氧化碳濃度測量精準，保證風機隨濃度波動而超前平穩反應，煤氣回收響應速度快，風機轉速對比現有方法提前升速，如圖1所示。CO回收體積對比現有方法CO回收量較高，如圖2所示。

4 實驗總結

一氧化碳分析儀采用激光后散射方式測量實時煤氣濃度，且增加采樣與吹掃裝置，解決了測量的誤差及堵管現象，提高測量數據的精準性，對濃度PID控制器的超前調節和快速穩定具有重要作用。一氧化碳濃度采用分段分時的控制方式，確保風機平滑過渡并提升煤氣回收量，柳鋼轉爐一次干法除塵系統應用濃度PID控制調速時，爐前運行平穩，煤氣回收響應速度快，煤氣柜入口檢測儀反饋數值優良，煤氣品質及回收量有較大提高。

轉爐煤氣濃度PID控制風機調速的方法，解決了變頻風機的滯后性和煤氣回收遲緩及煤氣回收量小的問題。提高變頻風機的響應速度和穩定性，增加煤氣回收品質及回收比例。

參考文獻：

[1]王雪飛.新型風機中調速電機的控制策略研究[D].北京交通大學，2013.

[2]文志勇，謝宏，何怡剛.工業過程控制算法設計與仿真[J].計算機仿真，2010，27（4）：133-137.