轉爐干法除塵噴射水及氣體控制模型優化

陳世亮

（河鋼宣鋼二鋼軋廠，河北 宣化 075100）

轉爐干法除塵系統是一種采用先機技術對凈化轉爐煉鋼產生的一次煙氣并進行回收的大型設備集合體，具有很高的除塵效果，在節約水電方面等有著明顯優勢。干法除塵系統由煤氣降溫的蒸發冷卻器，除塵主體的靜電除塵器，ID風機以及輔助設施切換站等系統組成，其中蒸發冷卻器系統位于汽化冷卻尾部煙道和靜電除塵器之間，起到煙氣降溫的作用，滿足靜電除塵器煙氣溫度需求，其工作狀態直接決定了轉爐生產能否順利進行。蒸發冷卻器的控制核心是對出口溫度的控制，如果出口煙氣溫度高，煙氣粉塵進入電場后電阻比大，不利于電場的靜電除塵效果。如溫度過低，蒸發冷卻器內煙氣含水量大，容易造成濕底和筒體結垢的現象，造成粗輸灰系統的鏈式輸灰機故障率增大，增加維護量，影響轉爐生產，且低溫煙氣進入電場，可能會在電場內部產生結露現象，造成高壓爬電，影響除塵效果，嚴重時，腐蝕陰極線，使電場無法正常工作，損傷電場壽命。

1 蒸發冷卻器噴射氮氣控制模式優化

一次除塵的蒸發冷卻器系統采用氮氣來霧化水實現對轉爐煙氣的降溫的目的，噴射氮氣的控制模式分為吹煉模式和非吹煉模式，其中吹煉階段為吹氧至出鋼階段，非吹煉模式為濺渣護爐階段。吹煉模式，一旦有吹氧信號出現噴射氮氣切斷閥就打開，當噴射水閥關閉，且EC出口溫度下降至240℃時，氮氣切斷閥自動關閥。隨著工藝改進和冶煉節奏的加快，導致了轉爐吹氧結束至出鋼階段的時間大大縮短，同時廠房密閉，氣溫上升等原因，EC出口溫度在出鋼信號到來前，仍未能下降至設定溫度，無法滿足氮氣噴射自動關閥條件，導致吹煉階段自動關閥不能有效的觸發，將持續至濺渣護爐結束后方可關閉閥門，造成氮氣的極大浪費。

針對出現的吹煉結束后噴射氮氣閥門不關閉的情況，對噴射氮氣的控制模式進行了優化改進。

1）原有控制模式中吹氧階段信號為吹氧時置1，出鋼信號到來時置0，由于可能出現在出鋼信號到來時，EC出口溫度未下降至設定關閥溫度，而吹氧階段信號已經為0，因此吹煉階段模式下自動關閥條件不滿足，不能發出關閥命令，噴射氮氣切斷閥一直常開，一直延續到非吹煉模式，最后由非吹煉模式發出的關閥命令才關閉，期間造成大量氮氣浪費。因此經過仔細分析，現將吹煉階段模式自動關閥條件中的吹氧階段信號替換成氧氣閥門關閉信號。

2）為了保證程序的安全和可靠性將原程序中吹煉模式下的自動開閥和關閥條件改為脈沖觸發性。

3）對氮氣流量采集信號加入趨勢畫面，可以實時了解氮氣流量的使用情況，對比工況信號可以及時發現問題，預防事故的發生。后期使用效果，噴射氮氣切斷閥在吹煉結束后，可以按照預定的控制模式進行開、關閥動作，有效節約了氮氣，整個冷卻系統的運行效果良好。

2 蒸發冷卻器噴射水控制模型優化

2.1 噴射水控制模型算法

本系統的控制對象是150 t轉爐干法除塵的蒸發冷卻器出口溫度，出口溫度必須保證在工藝要求范圍內，并最大可能的保證溫度的均勻性，減少筒體結垢等不良現象。溫度控制系統是一個大慣性，純滯后，很難確定精確數學模型的控制系統。因此單一的控制算法很難達到理想的控制目標，往往采用多種控制算法，互相補充，才能達到滿意的使用效果。

蒸發冷卻器實質上采用的是熱交換的原理，噴射氮氣與水蒸發吸收的熱量等于降溫后煙氣釋放的熱量。根據熱平衡原理可以推算出理論上的噴水量，公式如下：

式中：W為噴水量，kg/h；Qn.dry為干煙氣量，m3/h；△T=T入口-T出口設定，K；CP為煙氣比熱容，kJ/m3·K。

當△T≤200 K時，CP=1.433；當△T≤400 K時，CP=1.476；當△T≤600 K時，CP=1.512；當△T＞600 K時，CP=1.545；r為水的汽化潛熱=2 500，kJ/Kg。

由于煙氣溫度控制的特殊型和轉爐生產工藝的復雜工況，導致進入蒸發冷卻器內的煙氣溫度，在吹煉時會迅速爬升，在吹煉結束以后煙氣迅速下降，溫差跨度很大，因此單純依靠理論上的算法并不能滿足工藝要求，所以本冷卻系統采用了算法和PID控制相耦合的串級PID控制系統，同時設計了專家經驗接口，使得理論算法和專家經驗能夠很好地協同控制，對蒸發冷卻器出口煙氣溫度達到精確控制（見圖1）。

圖1 串級PID系統示意圖

主PID的輸入信號采用冷卻器煙氣出口溫度，主PID的給定值使用蒸發冷卻器的煙氣出口溫度的設定值，其輸出值作為噴射水調節閥的給定流量，并作為副PID的設定流量。副PID的輸入信號采用實際檢測到的流量，其給定值使用主PID的輸出，其輸出則傳遞給噴射水調節閥，從而保證合適的噴水流量在蒸發冷卻器里起到冷卻作用。

使用串級PID系統模型可以基本實現蒸發冷卻器出口溫度的控制，但是當EC出口煙氣溫度和設定溫度相近時，噴射水量仍然會出現劇烈變化，造成超調量增大，對溫度調控造成不利影響。所以需要設計溫度PID死區值的動態調節模型，根據蒸發冷卻器出口煙氣溫度增量和設定值與實測值間的差值，來計算死區值。實現當溫度在小范圍波動時，PID輸出保持不變，屏蔽超調大的情況。

因為溫度變化速度較慢，因此每1 s采集一次EC出口溫度，并將該溫度放入一個堆棧數據區，計算該數據區前3 s內采集溫度平均值和后3 s內采集溫度平均值在，這兩個平均值的差值為出口溫度的變化增量。

2.2 溫度自動控制實現過程

轉爐冶煉過程中產生的高溫煙氣首先由汽化冷卻煙道進行初步降溫，隨后進入蒸發冷卻器的煙氣溫度大約在700～900℃之間。然后通過噴射水霧進行蒸發吸熱的方法對煙氣進行再一次降溫。經過蒸發冷卻器后的煙氣通過煙氣管道進入靜電除塵器。根據本次改造后的煙道要求，蒸發冷卻器的出口溫度設置值初步設定為250℃。

原控制模式在吹煉初期因為煙氣量不穩定，轉爐反應不穩定等原因，根據經驗值給定固定配水量，在120 s后投入溫度和根據熱力學公式計算值相結合的串級PID模型自動計算噴水量，原控制模式基本可以滿足EC出口設定溫度在330～350℃的工藝要求，不能滿足當前的工藝需求。

現根據工藝特點，并記錄開爐后的數十爐吹煉數據，修改模型數據如下。

1）將原吹煉開始后，EC噴水開閥時間提前，由原EC出口大于210℃開閥提前至200℃開閥，滿足前期溫度陡升時對噴水量的需求，提前預判，避免大的超調值得出現。

2）將原噴水模型給定固定噴水量的階段進一步細化，由原開閥0～55s給定12t/h，55～120s給定22t/h，120 s后投入串級PID控制模型，修改為開閥后0～30 s給定18 t/h，30～60 s給定22 t/h，60～90 s給定28 t/h，90 s后轉爐辦流量吹煉模式結束，冶煉區域穩定，所有較原提前30 s投入PID控制模型。

3）原吹氧結束后，當EC出口溫度小于300℃自動給定噴水量6 t，目前經過試驗，吹氧結束后，溫度超出250℃的情況較多，因此修改為當溫度低于250℃時給定6 t水，很好的避免了吹煉結束后EC出口溫度的反彈式升高。

4）優化濺渣護爐時的噴射水模型，原濺渣護爐時EC出口溫度大于370℃才開始噴水，當前工作模式已不能滿足，因此提前至230℃開閥，這樣保證濺渣護爐時溫度不會超出設定值。

通過以上優化，EC出口溫度基本可以保證在設定溫度范圍內（見圖2），且因為管道增加了全程保溫，靜電除塵器的入口溫度仍可保證在150～170℃，滿足了電除塵器的比電阻的需要。

圖2 蒸發冷卻器出口溫度控制曲線

3 實施效果

針對前期吹煉反應不穩定，EC入口溫度溫升快，波動量的特點，細化溫度控制環節，在前期采用經驗法控制，使溫度超調量不得對于20℃，半吹氧量結束后，EC入口溫度穩定，投入串級PID控制模型，同時創新性的投入PID的死區控制算法，保證了溫度控制精度進一步提高。

4 結論

系統改造完成之后，噴射氮氣控制點的選擇和噴射水控制中對串級PID的使用方案可行有效。噴射氣體閥門可以實現正常的開啟和關閉，減少了因生產節奏快出鋼時間短造成的氮氣切斷閥不能關閉的情況，節約了氮氣的消耗，滿足了工藝生產的需求。