多級減壓在高爐煤氣降壓工藝中的應用

【摘 要】本文介紹了八一鋼廠高爐煤氣多級降壓在煤氣壓力控制中的應用，著重討論了控制系統選型、軟件設計及實現基本和控制功能。對于其它穩壓降壓控制系統的選型及系統設計、編程具有一定借鑒意義。

【關鍵詞】多級降壓；電液閥；PLC控制

0 引言

八鋼新區4×55孔焦爐為復熱式焦爐，目前使用焦爐煤氣加熱。由于八鋼冬季軋鋼生產的需要，焦爐煤氣用量增大，導致焦爐煤氣缺口較大，致使八鋼混合煤氣系統缺乏基礎的焦爐煤氣，無法滿足軋鋼生產任務所需的需求量。需要用高爐煤氣置換出部分供焦爐加熱的焦爐煤氣，保證軋鋼生產的需要。

但由于高爐煤氣系統壓力波動很大，波動范圍10～25Kpa，而且由于高爐生產的原因，高爐煤氣壓力波動速度也較快。這樣，一方面高爐煤氣壓力過高，會導致煤氣管道水封被沖，造成安全隱患，另一方面焦爐入口處缺乏有效的調壓裝置，高爐煤氣壓力的不穩定，導致焦爐加熱所要利用的高爐煤氣的配入量無法穩定控制，滿足不了生產需要。

因此，需要在高爐煤氣管道上新上調壓裝置，將波動范圍10～25Kpa的高爐煤氣穩定調制6Kpa，波動范圍±0.2Kpa的高爐煤氣供焦爐加熱使用，置換出部分焦爐加熱所用的焦爐煤氣進入煤氣管網系統。

1 方案設計

工藝檢測控制流程圖見圖1：

圖1

調節閥可實現就地手動操作和遠方手動或自動操作。在自動狀態下，根據BFG壓力，調節閥1將閥前10～25KPa調節至10KPa，調節閥2將閥前壓力KPa調節至6KPa，以達到滿足工藝要求的高爐煤氣。

調節閥在機旁可進行手動操作，以及閥門操作狀態的切換。且在能源管理系統可進行遠程操作和狀態監視。

系統設置的指導思想

（1）因煤氣量較大，閥門口徑較大，為保證及時調節變化范圍較大的高爐煤氣，閥門調節的全行程時間應較快，否則無法保證壓力穩定在6KPa±0.2KPa。

常規電動、氣動大口徑調閥全行程時間較慢，無法滿足壓力波動較大的高爐煤氣的穩定調節，因此選用了控制性能較高電液調閥，從調節速度、線性度、分辨率、重復性等指標滿足調節的基礎要求。

同時為保證調節的穩定性，系統采用多級降壓方式，管路上選用二級調壓裝置，第一級調壓閥粗調，第二級精確調整，保證入焦爐的高爐煤氣的穩定性。

（2）控制系統應實現兩個閥門全自動、一個自動一個手動、全手動以及實現儀表故障狀態下安全運行的控制功能。

2 系統硬件設計

在數據采集控制層，硬件主要采用SIEMENS公司產品。控制器為SimaticS7-300系列PLC，集成功能控制模塊、I/O擴展模塊和以太網通訊模塊，通過硬線直接接入現場檢測控制信號。編程軟件采用Siemens規則下的梯形圖（LAD）方式，編程環境為Step 7V5.3， 上位監控軟件選用WINCC6.2。工程師站通過工業以太網與上下層進行通訊。系統的主干網采用符合IEEE802.3標準的光纖以太網，交換機到工程師站、操作員站采用5類雙絞線。組網用的交換機選用SIEMENS工業交換機，支持10/100Mb/s自適應速率。

3 系統軟件設計

通過實際工藝可以判斷得出，導致1#閥門動作的最大干擾為氣體來源處的高爐煤氣出口壓力P0，導致2#閥門動作的最大干擾為氣體終端用戶。兩只閥門彼此之間的互相干擾可忽略不計，兩只調節閥均采用單閉環控制。

3.1 系統結構圖（圖2）

圖2 系統結構圖

存在PID1與PID2兩個單閉環控制回路，正常情況時，P1為PID1回路的過程反饋值，P2為PID2回路的過程反饋值。P3為備用壓力檢測點，當P2故障后，P3為PID2回路的過程反饋值。

3.2 單只閥門PLC程序控制原理（圖3）

圖3 控制原理

1）選擇手動，即MAN_ON=1

根據工藝數據，人為判斷需要開大還是關小閥門，通過調整閥門開度MAN（0%～100%）值，PLC可以直接輸出對應控制信號（4mA～20mA）， 最終使得閥門完成開度動作（0%～100%）。

2）選擇自動，即MAN_ON=0

根據工藝要求，輸入目標值（給定值）SP，PLC將比較SP與反饋值（過程值）PV的差值，自動完成PID計算調節，不斷輸出對應控制信號（4mA～20mA）， 最終使得閥門完成開度動作（0%～100%）。

單閉環控制回路控制方框圖（圖4）：

圖4 方框圖

3.3 控制功能

控制流程圖（圖5）：

圖5

3.3.1 閥門控制方式

系統存在四種控制方式：兩閥均手動控制；1#閥手動、2#閥自動控制；1#閥自動、2#閥手動控制；兩閥均自動控制。

四種方式相互制約，不可同時選擇與執行，只可選擇一種方式。選擇后會有實際狀態反饋。兩閥均手動控制；1#閥手動、2#閥自動控制；1#閥自動、2#閥手動控制；兩閥均自動控制。

1）兩閥均手動控制

根據實際測量數據P1、P2，人為判斷需要開大還是關小閥門，通過分別調整兩只閥門的輸入開度MAN（0%～100%）值，使得兩只閥門獨立完成開關動作（0%～100%）。

2）1#閥手動、2#閥自動控制

根據實際測量數據P1，人為判斷需要開大還是關小1#閥門，通過調整1#閥門的輸入開度MAN（0%～100%）值，使得1#閥門獨立完成開關動作（0%～100%）。

根據工藝要求，輸入終端用戶所需要的目標值（給定值）SP2，PLC2將比較SP2與反饋值（過程值）P2的差值，自動完成PID計算調節，不斷輸出對應控制信號（4mA～20mA）， 最終使得2#閥門完成開關動作（0%～100%）。

3）1#閥自動、2#閥手動控制

根據工藝要求，輸入1#閥后需要的壓力目標值（給定值）SP1，PLC1將比較SP1與反饋值（過程值）P1的差值，自動完成PID計算調節，不斷輸出對應控制信號（4mA～20mA）， 最終使得1#閥門完成開關動作（0%～100%）。

根據實際測量數據P2，人為判斷需要開大還是關小2#閥門，通過調整2#閥門的輸入開度MAN（0%～100%）值，使得2#閥門獨立完成開關動作（0%～100%）。

4）兩閥均自動控制

根據工藝要求，輸入1#閥后需要的壓力目標值（給定值）SP1，PLC1將比較SP1與反饋值（過程值）P1的差值，自動完成PID計算調節，不斷輸出對應控制信號（4mA～20mA）， 最終使得1#閥門完成開關動作（0%～100%）。

根據工藝要求，輸入終端用戶所需要的目標值（給定值）SP2，PLC2將比較SP2與反饋值（過程值）P2的差值，自動完成PID計算調節，不斷輸出對應控制信號（4mA～20mA）， 最終使得2#閥門完成開關動作（0%～100%）。

3.3.2 故障信號

1）儀表類故障信號：

閥后壓力超上限與閥后壓力超下限，信號出現且延時存在3秒后，確認此信號為真實信號，此時可認定壓力變送器故障。

具體信號有1# 壓力變送器故障、2# 壓力變送器故障與3# 壓力變送器故障。

2）電氣類故障信號：

1#電液閥報警1、2（油溫報警、油壓系統報警）；

2#電液閥報警1、2（油溫報警、油壓系統報警）。

故障排除后，需要執行故障復位操作。

3.3.3 出現故障信號時的控制功能

1）儀表信號故障

①正常情況時，P1為PID1回路的過程反饋值，當1# 壓力變送器故障時，首先提示操作人員“1#壓力變送器故障，請確認經驗值。”如操作人員未執行，PID1回路的過程反饋值使用P2+3Kpa（經驗差值HMI可調整，以正常工藝，穩定系統時P2與P1的差值為參考）繼續實現自動控制。

②正常情況時，P2為PID2回路的過程反饋值，當2# 壓力變送器故障時，首先提示操作人員“P2壓力檢測故障，現使用P3做為PID2回路的過程反饋值。”

③當出現極端現象，即P2與P3壓力檢測均出現故障時，PLC程序會強制將2#閥門（保持原有開度）切換為手動控制，同時提示操作人員“P2與P3壓力檢測均故障，現將2#閥門切換為手動控制” 。此時以控制1#閥門為主，如1#閥手動，則需要通過人為控制1#閥實現將P1調節至用戶需求壓力；如1#閥自動，則PLC自動將sp2賦值給sp1。及時聯系終端用戶，根據其入口氣體壓力，逐漸調整2#閥門開度。

2）電氣信號故障

當閥門處于自動控制方式時，一旦油溫報警、油壓系統報警中的任何一個故障信號出現，PLC將會對其自動鎖存（即在故障解除后，需要人為故障復位，否則故障信號一直存在），同時提示操作人員故障信息，請操作人員確認是否需要將1#閥切換為手動狀態，如操作人員選擇“切換至手動”，PLC將自動將閥門改為手動方式，隨后操作人員自己調整輸入MAN值。

4 結束語

本系統集于2010年12月份投運至今，實現了對高爐煤氣壓力穩定運行監控，完全滿足煤氣置換的生產及工藝要求，為企業提供穩定煤氣供應，提高了企業效益和社會效益。

[責任編輯：曹明明]