天鐵6#高爐噴煤雙分配器清堵控制系統設計及應用

劉東平

（天津天鐵冶金集團第二煉鐵廠，河北涉縣056404）

1 引言

高爐噴煤是現代煉鐵工藝的一項新技術，它既有利于節焦增產，又有利于改進高爐冶煉工藝和促進高爐順行，其經濟效益和社會效益顯著。隨著高爐噴煤技術的不斷發展，噴煤量逐步提高，噴煤生產在高爐冶煉過程中所起的作用越來越突出。

天鐵6#高爐是一座現代化大型高爐，容積為2800 m3，有30個風口。在高爐大煤量噴吹的條件下，無計劃的停噴，輕則造成高爐減風減壓，重則造成高爐爐況失常甚至爐缸凍結。因此最大限度地避免無計劃停噴和支管堵塞是高爐穩定、順行、高產的重要前提。以往的噴煤清堵主要是依靠人工操作，在頻繁的巡視中，通過觀察風口內煤粉噴吹情況來判斷支管煤粉運行狀態。如果支管堵塞，則需要進行人工反吹清堵，工藝過程復雜，勞動強度大。為提高測堵和清堵的自動化水平，降低操作人員的勞動強度，提高煤粉噴吹量，經過對原高爐單分配器清堵的分析論證后，設計出天鐵6#高爐雙分配器清堵控制系統。通過應用，提高了噴煤量，降低了人工維護成本，保障了高爐噴吹煤粉工藝的順利進行。

2 雙分配器清堵控制系統設計

2.1 自動控制的硬件設計

自動控制設計采用與高爐各系統相同的GE PAC Rx3i作為其核心控制。采用該PAC可編程控制系統，一方面是為了與高爐本體系統實現軟硬件的共享，通過以太網絡實現數據的局域網絡監控，有利于生產工藝的協調操作；另一方面，根據改造后的實際情況需要，為避免現場布大量的線纜，把PAC放置在清堵控制設備的最近位置，通過以太網絡進行遠程數據交換。在PAC硬件組態上，安裝了雙以太網端口模板，分兩路出來，一路進入高爐網絡系統，一路直接進入獨立作業的配管工崗位進行監控，自動控制見圖1。

圖1 自動控制圖

2.2 自動控制的程序設計

高爐采用GE ME 7.0作為其PLC編程軟件，人機交互界面采用CIMPLICITY 6.1進行組態編程，這是噴煤分配器清堵系統中首次應用GE的核心軟件。它增強了其自動控制能力，實現了非常人性化的人機交互系統。在這次自主設計中，結合崗位的工藝需求，通過人機交互頁面參數設定窗口設置了可控的煤粉上限和下線濃度百分比。這保證了在噴煤支管在還沒有被完全堵塞前進行提前清堵，使支管保持順暢噴煤。另外，為了保證對現場煤槍的可控，避免煤槍燒壞導致風管燒穿的生產事故，對單個噴煤支管設置了手動和自動控制，這也使得操作工更加容易控制現場支管的噴煤情況，程序見圖2（a）。在這次的設計中，還增加了實時跟蹤的歷史趨勢曲線，這有利于崗位工觀察各支管的歷史噴煤情況，監控和預測噴煤堵塞，實現高爐穩定順行，實時掃描煤粉流量，檢測報警程序見圖2（b）。

圖2 PLC程序控制圖

3 如何實現在線測堵和清堵的控制

3.1 支管堵塞的危害

高爐持續穩定的重要前提是提高爐內氣體的動力學條件。與全焦冶煉不同的是，在高爐噴煤運行工況下，爐料結構和煤氣特性均受到煤粉在爐內的運行行為及各分支管噴煤量的影響。因次，高爐噴煤操作直接影響到高爐氣體運動特性的變化，尤其是在大噴吹量時，這種變化還可能危及高爐的穩定順行。另外，輸粉管堵塞時，大多數情況下需要將管道內煤粉通過放散管道排入大氣中，每次排放煤粉量1～3 t，這樣不但會造成大量浪費，而且嚴重污染環境。同時在煤粉放散過程中，煤粉與放散管道產生劇烈摩擦，放散管口溫度急劇升高呈微紅狀態，在與大氣接觸時，極易造成煤粉粉塵爆炸，嚴重威脅安全生產。高爐煤粉噴吹是一種氣力輸送過程，在流體力學范圍內屬于氣固兩相流動，由于流動的不均勻、工藝及管道設計等多方面的影響，造成了瞬時流量的波動，這種波動將會直接影響到爐內氣體的流動。

3.2 測堵控制系統

天鐵6#高爐噴煤雙分配器采用微波法測量支管煤粉濃度的方式來判斷支管噴吹情況。顯示輸出由計算機顯示器顯示，總管和分支管道噴吹煤粉濃度用棒狀圖和數字量同時顯示，煤粉濃度顯示值為百分比（%）。噴吹煤粉濃度在其正常運行的上下限范圍內工作時，棒狀圖顯示為綠色，當噴吹煤粉濃度超過上限范圍時，棒狀圖顯示為紅色以示報警。當任何一分支管道中的煤粉濃度低于設定值時，報警畫面顯示為藍色。在線監測噴煤系統總管和各分支管道噴煤濃度，具有測量精度高、運行穩定、測量部件可靠、信號處理準確、棒狀圖畫面直觀實用等優點。

3.3 實現清堵控制

微波測量儀將被檢測的介質數量（即煤粉濃度）與反射波幅度成正比例關系。檢測到的反射波幅度越高，說明煤粉濃度越大。煤粉來時、經過、遠離微波源的反射波頻率變化可反映管道內流體的速度變化情況。高爐噴煤自動吹堵系統是根據各個噴煤管道的煤粉濃度來判斷煤粉分配均勻程度和是否堵管，當發現有堵管趨勢時，由自動控制系統打開氮氣管道上的氣閥并關閉煤粉管道上的煤閥進行吹堵，自動吹堵系統根據系統反饋壓力來判斷是否吹通，吹通后系統打開煤粉管道閥門、關閉氮氣管道閥門進行正常噴吹煤粉。通過時時監測判斷，使支管在未被完全堵塞前即被處理，確保噴吹支管通暢。

4 噴煤雙分配器清堵控制系統設計的功能和優點

4.1 噴煤雙分配器清堵設計的功能

天鐵6#高爐是一座現代化的大型高爐，設備的自動化程度較高，有30個風口。噴煤時，煤粉經煤粉倉→三個并列噴吹罐→旋轉給料器→噴吹小罐→總管→雙配器→支管→噴槍，煤槍附屬在風管上，煤粉按照設定的濃度混合著一定壓力的氮氣從風口進入爐內發生冶煉所需的化學反應，從而改善高爐爐缸工作狀態，使高爐穩定順行。高爐設計初期采用單分配器進行噴煤，單分配器把30根支管都集中到一個分配器上，支管安裝位置密集，管道相互之間壓力影響較大，造成個別支管煤粉分配不均，波動幅度較大。雙分配器是把30根支管分成2組，根據風口的實際排列情況，按奇偶數的順序1，3，5…，29共計15棵為一組，2，4，6…，30共計15棵為另外一組，這樣均勻分開。煤粉從總管過來，進入高爐區域后，分為兩路進入各自的分配器，雙分配器平面圖見圖3。采用奇偶數均勻分開的雙噴煤系統，有利于氣流和煤粉穩定進入爐內以及化學反應的正常進行，保證爐況穩定順行。

圖3 雙分配器平面圖

4.2 噴煤雙分配器清堵設計的優點

高爐采用雙分配器噴煤，一方面因各自分配器支管數量減少了1倍，減小了支管流量的波動，確保了煤粉和氣流從風口進入爐內后發生穩定的化學反應，從而保證爐況穩定。另一方面，在兩個分配器同時使用時，當一個系統因堵塞、電磁閥壞或其他情況造成分配器不能使用時，另一個系統同樣可以繼續工作，在爐內均勻噴吹，不耽誤生產。此時，有足夠的時間對有故障的系統進行檢查和處理。最后，因高爐原來采用一個分配器對高爐進行噴煤，分配器為雙環形，內環是煤粉支管，外環是反吹氮氣支管，作業空間狹小，非常不利于維護檢修。采用重新設計的雙分配器系統，布局科學合理，作業空間大，便于排查故障和設備維護，也有利于電氣和自動控制系統設備的有效使用。

5 應用與問題處理

5.1 實際應用情況

在生產應用中，操作人員通過對工控機監測情況與風口可視人孔的觀察比較后的結論是一致的。無論從噴煤量的大小，還是從各閥位的開關情況看，該清堵控制系統的設計都實現了工藝要求，并且操作可靠。

5.2 在實際應用中遇到的問題

調試階段中，出現了電磁閥手動操作不動作現象，經過多次調試發現其主要原因是閥的驅動部分與機械球柄部分出現連接不夠緊密，或是閥的驅動氣源管漏氣等故障，經維護人員檢查和整體緊固后，未出現此情況。有時煤閥或氣閥的開關到位時沒有信號，這主要是因為接近開關的感應距離沒有調整好，或固定螺母有些松動，經電工處理后效果明顯改善。

5.3 優化和改進方向

由于煤閥的機械控制部件是球閥，在開關是球體表面會與極細的煤粉產生摩擦，時間久了會產生間隙，導致關不嚴或是球閥壞死，因此建議用質量較好的球閥作為閥體，這樣可以延長閥的使用壽命，確保控制系統可靠運行。

6 結束語

天鐵6#高爐噴煤雙分配器清堵控制系統，通過對軟硬件的合理利用和優化設計，實現了系統的穩定運行和數據共享，提高了噴煤量，減少了崗位工的作業強度，對高爐的高產順產起到了積極的作用，收到了良好的經濟效益。

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