噴煤車間全自動制粉智能控制系統設計及應用

明名　羅自貴　張建?！『鷷悦鳌″X洪亮　樊希安

摘 要：當前國內外高爐制粉控制還停留在人工操作控制形式，分析了人工操作制粉控制系統的弊端并提出相應解決方案，對現有控制系統進行改造升級，設計了一種全自動制粉智能控制系統并進行應用示范。應用結果表明，制粉生產更加標準化、自動化和智能化，有效規避了安全風險，并達到降本增效目的，智能高產模式下的平均單產達到55.18 t/h，噸煤成本降至32.33元，與人工手動穩產模式相比，產量上升9.90%，成本降低7.52%。

關鍵詞：噴煤車間；制粉系統；人工操作；智能控制；能耗

DESIGN AND APPLICATION OF FULLY AUTOMATIC PULVERIZING INTELLIGENT CONTROL SYSTEM IN COAL INJECTION WORKSHOP

Ming Ming Luo Zigui Zhang Jianhai Hu Xiaoming Qian Hongliang Fan Xian

（1. Lianfeng Steel （Zhangjiagang） Co.， Ltd.? ? Zhangjiagang? ? 215628， China;

2. Jiangsu Yonggang Group Co.， Ltd.? ? Zhangjiagang? ? ?215628， China; 3. State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy， Wuhan University of Science and Technology? ? Wuhan? ? 430081， China）

Abstract：At present， the control of coal powder production for blast furnace at home and abroad is still in the form of manual operation control. The drawbacks of pulverizing control system controlled by manual operation were analyzed and the corresponding solutions were proposed in this paper. Then the present control system was upgraded. A fully automatic pulverizing intelligent control system is designed and demonstrated. The application results showed that the coal powder production is more standardized， automated， and intelligent. The safety risks were effectively avoided， and the goal of cost reduction and efficiency increase were achieved. For the intelligent high-yield mode， the average unit yield reached 55.18 t/h and the cost per ton of coal decreased to 32.33 yuan. Compared with the manual stable production mode， the output of the coal powder was increased by 9.90% and the cost was decreased by 7.52%.

Key words： coal injection workshop; pulverizing system; manual operation; intelligent; energy consumption

0? ? 序? ? 言

我國是鋼鐵生產大國，鋼產量逐年增長，燃料和原料消耗巨大，造成高爐生產所需的冶金焦炭價格不斷上漲，但其質量難以保證，造成高爐生產效益偏低[1-2]。此外，用于生產冶金焦炭的煉焦煤原料因長期開采而面臨資源短缺等問題[3]。

高爐煤粉制噴技術是煉鐵界迅速發展的一項重大技術，其目的是以價格低廉的煤粉替代昂貴且質量不高的冶金焦炭，從而降低生產成本，提高高爐生產效益，有效緩解了煉焦煤資源與社會需求之間的矛盾，可以達到合理利用資源、節約能源的效果[4-5]。然而，當前國內外高爐制粉控制在操作上，還停留在依靠人工操作控制形式[6]。煙煤在煤粉制備過程中存在著火災爆炸風險，且制粉控制系統復雜，生產過程中崗位工人必須密切關注系統參數變化，嚴格控制磨機進出口溫度、氧含量等參數在規定范圍內，同時對溫度、氧含量超過上限設置聯鎖保護措施，保證安全生產，而人工操作由于個體差異，會導致設備利用率不足、產能波動大、能耗高、對故障和參數變化反應速度慢甚至引發安全事故等，因此，人工操作很大程度上制約了制粉產能提高，同時存在成本高和安全隱患等問題，亟需對現有制粉控制系統進行升級改造，而智能控制是替代人工操作的必然發展趨勢，有利于提高噴煤車間制粉效率，降低生產成本，規避人工操作差異化帶來的安全風險，為實現高爐高噴煤、超高噴煤和降低鐵水成本提供堅強后盾[7-8]。

本文對現有人工操作制粉控制系統的弊端進行具體分析并提出解決方案，隨后對制粉控制系統進行整體升級改造設計，實現制粉的全自動智能化控制，最后投入使用，分析其應用效果，對噴煤車間制粉控制系統的優化具有借鑒和指導意義。

1? ? 人工操作制粉控制系統的弊端分析與解決方案

1.1? ? 操作非標準化

當前人工造作由于個體差異，難以形成統一標準化的崗位操作，同一崗位上的操作因人而異，可能造成難以預料的后果。針對此問題，擬設計系統進行自檢，自動檢查判斷設備、儀表狀態，啟動的準備條件、停止的符合條件、運行中參數的高位報警狀態及各調節閥的調節狀態保持在工藝應用設定范圍，符合安全生產應用標準。

1.2? ? 產能波動大，能耗高

操作人員對工藝技術理解、認知、掌握程度不一，造成設備產能波動大，能耗高。針對此問題，擬設計系統完成自動啟停運行，按照標準操作控制程序，并依據對現場實施設備判斷，參數的判斷、附屬設備狀態的判斷、外界氣體及物料應用條件的判斷自動完成原煤倉、煙氣爐、磨煤機、布袋、煤粉倉和主排風機系統的自主判斷匹配運行控制。

1.3? ? 設備利用率不足

部分操作人員思想偏保守，同時面對設備的大量參數，難以判斷設備運行的上下限，造成設備利用率不足，產能難以提升。針對此問題，擬設計系統完成連續生產智能控制，通過原煤的化驗成分可選擇穩產模式和高產模式在正常生產過程中，系統自主判斷煤粉倉位及運行時間段，智能控制系統自學習、自循環、自適應，參數不斷的迭代實現閉環控制系統，保持相對最經濟、最穩定、最安全狀態有序生產模式，并保持合理的煤粉倉位。

1.4? ? 安全生產事故

操作人員工作強度大，易疏忽發生安全生產事故。針對此問題，擬設計系統完成緊急停機控制，當系統工藝控制參數達到高位報警時或運行設備發生故障時，系統自動判斷并報警，系統會對應不同的子系統啟動對應的故障停機模式程序自動應對并降低運行負荷，氧含量超標或設備故障使生產無法繼續進行時，將按照緊急停機流程，自動完成整個制粉系統停機。

1.5? ? 故障應對不及時

人工操作過程中對故障及參數變化反應速度慢，無法做到實時監控，及時應對，后果難以預料。針對此問題，擬設計系統通過大數據分析及系統參數串級完成連鎖安全保護控制，對整個系統內的設備從溫度、振動、壓力、流量、氧含量、一氧化碳含量等建立數據庫，實時監測運行參數，分級進行安全聯鎖報警及應對，保障系統安全穩定運行。

因此，為解決上述問題，亟需對現有制粉控制系統進行全面改造升級，實現其全自動化智能控制，以期提高噴煤車間制粉效率，并保障安全生產。

2? ? 全自動制粉智能控制系統的總體設計方案

本研究基于聯峰鋼鐵（張家港）有限公司的四期噴煤車間的制粉設備及控制系統，型號為江蘇大峘集團生產的EM110型磨機，設計能力50 t/h。制粉系統龐大、復雜，包括五個子系統：煙氣系統、給煤系統、磨機系統、收粉系統和主排系統，系統含有若干檢測點（溫度、壓力、流量、振動等），控制閥門眾多，煤品多樣，可磨指數不穩定，水分含量不同，管道復雜，安全要求極高，實現自動運行難度大?，F對其進行升級改造設計，通過標準的操作規程及邏輯數學模型+大數據分析+智能算法+閉環控制等，實現各閥門開關、調節、電機、電氣、儀表檢測等實時檢測、控制、報警、連鎖安全智能高效的運行。

首先，需要對全自動制粉系統控制流程進行設計，如圖1所示，基于制粉的主流程，對各流程的關鍵控制節點實施監測和調節設計，例如廢氣風量調節、氧含量/一氧化碳含量/溫度/壓力監測、原煤給煤控制、脈沖吹掃/壓差控制等。

其次，完成全自動制粉智能控制系統的架構設計，如圖2所示，對五個子系統的溫度、壓力、流量、氧含量、倉位等各項參數數據進行采集、治理，通過OPC讀寫PLC指令，優化現有PLC控制程序，建立全自動制粉邏輯平臺和自學習智能算法模型，控制系統運行，實現系統一鍵制粉、自動啟/停機、故障急停、智能調節等功能。

再次，結合上述系統設計要求，進行設備改造和軟件配置，設備改造主要包括原人工操作的制粉控制系統的加裝部分和檢測和控制不準的改造部件，如加裝潤滑油站冷卻水快速切斷閥、煙氣爐廢氣流量計和更換煤氣流量計、粉塵檢測儀和給煤機等。軟件配置包括智能運行控制模型、空燃比尋優模型、壓差控煤模型、智能控煤模型、智能提產模型、安全三級預警避險停機模型、給煤系統控制模型、煙氣系統模型、磨機系統模型、收粉系統模型、主排系統模型和各安全參數監控模型、3D可視操作系統、智能數據管理系統、L2級控制系統。

最后，啟動全自動制粉智能控制系統，進行應用示范。

3? ? 全自動制粉智能控制系統的應用示范

相較于原有的人工手動操作控制，全自動制粉智能控制系統投入使用后，在操作標準化、安全、環保、智能、降耗、提產、順行、3D可視、數據管理平臺等方面具有顯著改善效果，具體如下：

1）實現系統標準化、智能化操作：手動和自動無擾切換，系統在手動過程中會將手動操作實時記錄并同步，在自動控制和手動控制間可自由切換，不會出現切換造成的大波動；把復雜的制粉系統實現標準化作業，自動優化控制參數，空燃比尋優、智能控溫、智能控煤、穩產模式和高產模式可自由切換系統運行更高效穩定，減少波動頻率，縮小波動值。在人工控制操作過程中，對于短時間的停產（如2～3 h內），整個系統設備人工控制時，由于啟停麻煩不會全部停止，設備空轉時間長。設備運轉相關能源介質也會運行，造成不必要的浪費，在自動控制中不會存在。系統會按照標準進行開啟停全部相關設備與介質控制。

2）有效規避安全風險，優化崗位人員配置：智能控制系統具有遠程集中控制的優勢，滿足了國家安全規定，一級防火、防爆單位、區域內不定崗的要求；一線操作工人工作內容變為特殊情況下報警處理，可一人多用化，降低勞動強度和成本，增加工作收益，系統預警分為三級預警提示，當達到最高級別預警，系統將保障設備的安全狀況下進行對象系統內的故障進行避險停機，以保障企業的財產免受損失。

3）達到降本增效目的：智能控制系統可在夜間谷電價時間進行滿負荷生產，在白天峰電價時間段有意識地停機進行設備保養、維護，充分利用峰平谷電價錯峰生產，有效降低了用電成本；制粉工藝參數的優化，系統會對生產工藝大數據進行實時采集，通過智能分析后將最優參數反饋給系統，實現不斷迭代、良性循環，并可對各個分系統進行控制整個系統自動閉環運行。

參數發揮了設備的最大生產能力，產量顯著提升，且不需要增加固定投資，具體效果如表1所示。

智能控制系統試用期間，智能穩產模式下，單臺磨煤機平均單產52.91 t/h，電單耗24.57 kWh/噸煤，煤氣單耗119.15 m³/噸煤，氮氣單耗56.90 m³/噸煤，噸煤成本33.32元，與人工手動穩產模式相比，產量上升5.38%，電、煤氣、氮氣單耗分別降低9.03%、2.28%、0.02%，同時成本降低5.69%；值得提出的是，智能控制系統可充分利用設備，實現產能擴大化，達到進一步降本增效的效果，如智能高產模式下的平均單產達到55.18 t/h，噸煤成本降至32.33元，與人工手動穩產模式相比，產量上升9.90%，成本降低7.52%。

4? ? 結? ? 論

本文分析了人工操作制粉控制系統的弊端并提出解決方案，在此基礎上對制粉控制系統進行升級改造設計，并將其進行試用。結果表明，相較于人工手動操作控制，全自動制粉智能控制系統的應用可實現制粉生產的標準化、自動化和智能化，在保障安全穩定生產的同時，顯著提升制粉效率和降低制粉生產綜合成本，上述結果對噴煤車間制粉控制系統的優化具有良好的借鑒和指導意義，有助于鋼鐵行業的智能化和數字化轉型。

參考文獻

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