懸掛缸式麥爾茲石灰窯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

楊 林

（山西太鋼工程技術(shù)有限公司，山西 太原 030009）

在冶金行業(yè)，石灰生產(chǎn)主要有回轉(zhuǎn)窯、麥爾茲窯等。就具體窯型比較，大型回轉(zhuǎn)窯其產(chǎn)品品位高、產(chǎn)能大，但對(duì)使用的煤氣熱值要求較高，生產(chǎn)成本較豎窯約高20%，同時(shí)回轉(zhuǎn)窯占地面積大，其投資也較高；而麥爾茲石灰窯用煤氣熱值要求較回轉(zhuǎn)窯低，同等產(chǎn)能下其占地面積、投資費(fèi)用均比回轉(zhuǎn)窯少，且技術(shù)成熟、先進(jìn)。本文介紹了某鋼廠懸掛缸式麥爾茲石灰窯工藝原理、控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置、軟件的功能及實(shí)現(xiàn)等[1-2]。

1 工藝說明

某鋼廠新建的4座并流蓄熱式麥爾茲雙膛豎窯，其產(chǎn)量為600 t/d，屬于大型石灰窯。窯體主要由通道相連的兩個(gè)窯膛組成，其工藝原理如圖1示意。

圖1 麥爾茲雙膛石灰豎窯工作原理示意圖

麥爾茲并流蓄熱式雙膛石灰窯有兩個(gè)窯膛（1#/2#窯膛），兩個(gè)窯膛交替輪流煅燒和預(yù)熱礦石，兩個(gè)窯膛的煅燒帶底部之間設(shè)有連接通道，每隔大約15 min換向一次。生產(chǎn)時(shí)，兩個(gè)窯膛交替裝入礦石，燃料分別由兩個(gè)窯膛的上方送入，通過設(shè)在預(yù)熱帶頂部的多支噴槍使燃料均勻地分布在整個(gè)窯膛的斷面上，原料礦石得到均勻煅燒。麥爾茲窯使用的是流體燃料，如煤氣、油、煤粉等，在本項(xiàng)目中使用的是焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣的混合煤氣。助燃空氣用大功率風(fēng)機(jī)從豎窯的上部送入，助燃空氣與燃料混合前在預(yù)熱帶先被預(yù)熱，然后煅燒火焰氣流通過煅燒帶與礦石并流，使礦石得到煅燒。煅燒后的廢氣通過連接兩個(gè)窯膛的通道沿著另一個(gè)窯膛的預(yù)熱帶向窯頂排出。經(jīng)過長(zhǎng)過程的并流煅燒，石灰的質(zhì)量非常好，同時(shí)由于兩個(gè)窯膛交替操作，廢氣直接預(yù)熱礦石，熱量得到了充分利用[3-6]。

2 控制系統(tǒng)介紹

2.1 網(wǎng)絡(luò)配置

項(xiàng)目采用了環(huán)網(wǎng)型光學(xué)鏈路的工業(yè)以太網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)提供了針對(duì)制造業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有很高的網(wǎng)絡(luò)安全性、可操作性和時(shí)效性。環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)有冗余性、可靠性等優(yōu)點(diǎn)，環(huán)網(wǎng)上的某一路鏈路斷開，不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。在本項(xiàng)目中，6個(gè)交換機(jī)相互構(gòu)成環(huán)網(wǎng)（如圖2）。

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.2 PLC系統(tǒng)

麥爾茲窯的自動(dòng)化程度很高，在本項(xiàng)目中選用了西門子S7-1500系列PLC產(chǎn)品，該系列為S7-300/400的升級(jí)換代產(chǎn)品，主要用于中、高端工廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)，適合較復(fù)雜的應(yīng)用。S7-1500系統(tǒng)性能卓越，處理速度更快，聯(lián)網(wǎng)能力更強(qiáng)，診斷能力和安全性更好，不僅可節(jié)省成本，提高生產(chǎn)效率，而且安全可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單方便。實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1）上料系統(tǒng)。熱效率很高的石灰窯要求恒定和準(zhǔn)確的處理能力，它由上料和卸料設(shè)備來(lái)保證。上料從裝料平臺(tái)上的稱重料斗開始，經(jīng)過振動(dòng)給料機(jī)將石灰石裝入料斗，卷?yè)P(yáng)機(jī)帶動(dòng)料斗將其送至窯頂?shù)牧蟼}(cāng)中（卷?yè)P(yáng)機(jī)速度由變頻控制，在運(yùn)行過程中可進(jìn)行快慢調(diào)節(jié)），通過控制1#/2#窯膛上溜槽的進(jìn)料翻板閥將石灰石交替裝入1#/2#窯膛。每日的裝料量及次數(shù)按照設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2）卸料系統(tǒng)。1#/2#窯膛冷卻帶下方分別設(shè)置液壓控制的卸料平臺(tái)，平臺(tái)下有一個(gè)接料斗，接收每次煅燒期間卸下的熟石灰，接料斗出口安裝熟石灰出料振動(dòng)給料機(jī)，將經(jīng)過煅燒的熟石灰送至用戶石灰皮帶系統(tǒng)。

3）風(fēng)機(jī)控制。包括助燃空氣風(fēng)機(jī)、冷卻空氣風(fēng)機(jī)、噴槍冷卻空氣風(fēng)機(jī)、懸掛缸冷卻空氣風(fēng)機(jī)的控制。

燃燒控制根據(jù)煤氣量及工藝參數(shù)計(jì)算出要求的總助燃風(fēng)量，減去懸掛缸風(fēng)量和噴槍冷卻風(fēng)量，則為需要的助燃風(fēng)機(jī)風(fēng)量。根據(jù)此計(jì)算結(jié)果確定助燃風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)數(shù)量及轉(zhuǎn)速。

冷卻空氣風(fēng)機(jī)、噴槍冷卻空氣風(fēng)機(jī)、懸掛缸冷卻風(fēng)機(jī)為窯體、噴槍、懸掛缸及石灰產(chǎn)品提供冷風(fēng)降溫，并穩(wěn)定窯內(nèi)壓力。

4）煤氣系統(tǒng)。通過閥門調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒窯膛噴槍的煤氣流量，以保證其均勻進(jìn)入所有的噴槍。從燃燒爐膛到非燃燒窯膛（蓄熱窯膛）的周期性切換，要求對(duì)燃料、助燃空氣和廢氣設(shè)置切換設(shè)備，所有的切換工藝為自動(dòng)控制。

5）廢氣除塵。石灰燒制過程中為防止排出的煙氣對(duì)大氣產(chǎn)生污染，設(shè)置石灰窯除塵系統(tǒng)。利用除塵系統(tǒng)對(duì)煙氣實(shí)施有效過濾，解決生產(chǎn)過程中的空氣污染問題。

6）空氣炮。連接通道處設(shè)置4臺(tái)空氣炮,主要作用是對(duì)通道的積灰進(jìn)行吹掃,保證窯體內(nèi)氣流在通道處的暢通。每個(gè)周期開始后，在設(shè)定時(shí)間運(yùn)行空氣炮，也可以設(shè)置空氣炮不清理的周期數(shù)。

7）液壓?jiǎn)卧４蟛糠盅b料、卸料裝置為液壓控制,液壓系統(tǒng)的小部件便可以產(chǎn)生很大的力，安全、維護(hù)要求低。本項(xiàng)目中每?jī)勺G共用一套液壓?jiǎn)卧刂葡到y(tǒng)的功能包括液壓泵及閥的控制、過濾泵的控制、液壓油冷卻及加熱控制及參數(shù)設(shè)置等。

2.3 上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)軟件選用西門子WINCC7.5。WINCC是基于PC的HMI（人機(jī)界面）系統(tǒng)，適用于對(duì)各種行業(yè)的生產(chǎn)過程、生產(chǎn)工序、機(jī)器設(shè)備和工廠進(jìn)行可視化及操作控制。系統(tǒng)不僅支持單站系統(tǒng)，而且支持帶有冗余服務(wù)器的分布式多站系統(tǒng)以及基于Web的解決方案。在本項(xiàng)目中，為便于開發(fā)和維護(hù)使用的是單站系統(tǒng)。

WINCC實(shí)現(xiàn)的功能：

2.3.1 工藝過程顯示

包括工藝主畫面（如圖3）、廢氣除塵系統(tǒng)、空氣炮、煤氣系統(tǒng)等。畫面展示出整個(gè)石灰窯系統(tǒng)各個(gè)工藝段設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、儀表數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程參數(shù)的設(shè)置值及實(shí)際值顯示。

圖3 系統(tǒng)主畫面

2.3.2 設(shè)備操作

包括設(shè)備的手自動(dòng)狀態(tài)選擇及顯示、設(shè)備故障情況及歷史記錄、設(shè)備的啟停操作等。

2.3.3 儀表數(shù)據(jù)

可進(jìn)行量程上下限、高低報(bào)警值、報(bào)警死區(qū)等參數(shù)的設(shè)置，儀表故障情況及歷史記錄，儀表數(shù)據(jù)的歷史趨勢(shì)顯示等。

2.3.4 趨勢(shì)曲線

將相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)放在同一張趨勢(shì)圖中（如，兩個(gè)窯膛通道溫度曲線、懸掛缸冷卻空氣溫度曲線、窯膛壓力曲線等），便于工藝人員進(jìn)行分析對(duì)比。

2.3.5 報(bào)警記錄

能夠按照每座窯及煤氣系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)域報(bào)警查詢，報(bào)警按照不同嚴(yán)重程度進(jìn)行分類并以顏色區(qū)分，如存在紅色報(bào)警會(huì)引發(fā)控制系統(tǒng)的停窯操作。

2.3.6 統(tǒng)計(jì)報(bào)表

利用WINCC的歸檔功能及VBS腳本實(shí)現(xiàn)，分別記錄四座窯生產(chǎn)情況，所記錄的信息如圖4所示。

圖4 利用用戶歸檔實(shí)現(xiàn)報(bào)表

3 結(jié)語(yǔ)

麥爾茲窯是世界先進(jìn)的石灰窯型之一，工藝技術(shù)成熟，充分利用煤氣熱值，能夠穩(wěn)定生產(chǎn)高品位優(yōu)質(zhì)石灰，符合當(dāng)今冶金行業(yè)節(jié)能環(huán)保的要求。石灰窯控制系統(tǒng)功能全面、可靠，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品穩(wěn)定性，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。