一爐三段直接煉鉛工藝自動化控制的自主創新

唐都作,宋興誠

(云南錫業股份有限公司，云南個舊 661000)

一爐三段直接煉鉛工藝自動化控制的自主創新

唐都作,宋興誠

(云南錫業股份有限公司，云南個舊 661000)

介紹了云南錫業股份有限公司在“一爐三段”直接煉鉛工藝自動化控制中,在噴槍位置測量、保溫燒嘴、氧勢控制、空壓機防喘振控制及余熱鍋爐汽包水位控制等方面的自主創新成果。

頂吹爐；一爐三段；自動化控制；氧勢；防喘振；汽包水位；噴槍位置

云南錫業股份有限公司(以下簡稱云錫)開發應用了頂吹爐“一爐三段”直接煉鉛工藝技術：硫化鉛精礦在一座頂吹爐內依次連續完成氧化熔煉、液態高鉛渣直接還原、液態富鋅渣煙化回收鋅三個過程,最終排放出拋渣。生產實踐表明,該工藝技術取得了良好的技術經濟效果[1-4]。

自動化控制是實現“一爐三段”直接煉鉛工藝的關鍵環節[5-6]。云錫“一爐三段”直接煉鉛工藝技術采用集散控制系統(DCS)進行自動控制和生產管理，其過程控制的自動化控制主要包括配料計算、噴槍槍位自動跟蹤與定位、噴槍流體控制、爐子冷卻水監控、保溫燒嘴控制等主體生產過程控制,以及供水、供電、供氧、供氣(汽)、供煤以及煙氣制酸、脫硫等輔助生產過程控制。通過集成創新和自主創新,應用計算機、網絡、通訊和控制技術把生產過程控制和生產管理結合成統一的有機整體，滿足了頂吹爐冶煉工藝參數穩定、精確、可靠的要求,為云錫“一爐三段”直接煉鉛工藝技術的冶煉過程創造了有利條件。下文擬對云錫公司在一爐三段直接煉鉛工藝自動化控制上自主開發并應用的多項創新成果進行分析。

1 噴槍位置測量裝置

頂吹爐的核心技術是噴槍，冶煉工藝對噴槍的定位有嚴格的要求,控制精度在±5 mm。云錫為了解決工藝難題,自主開發了噴槍位置測量裝置,能夠連續準確測量噴槍運動位置(0～13 400 mm)。根據操作要求以爐底最低點與噴槍口的距離定義為噴槍行程,離散分為7個位置：13 400 mm為位置1(換槍位置),11 400 mm為位置2(噴槍入爐位置),9 000 mm為位置3(ESD停止位置),8 000 mm為位置4(點火位置),2 000 mm為位置5(保溫位置),1 200 mm為位置6(噴槍掛渣位置), 1 200 mm以下為7位置(工藝操作位置)。噴槍的位置可以由操作員通過DCS系統操作屏幕或現場控制盤來選擇,DCS控制系統能精確控制噴槍停穩在所選的位置,并控制噴槍粉煤、噴槍風、氧氣和套筒風流體流量。該系統技術要求如下：1)速率變化。緊急停車狀態下,速率變化為0.3 s;DCS操作狀態下,上升速率變化為1 s,下降速率變化為1 s;手動提升狀態下,上升速率變化率為5 s,下降速率變化率為0.3 s。2)速度。緊急停車速度為1 450 r/min,DCS操作速度為1 420 r/min,手動速度為1 100 r/min。3)控制誤差:±5 mm。

噴槍定位是以自主開發的位置傳感器連續測量值(ZT-1220)為依據,當操作員選擇某一位置時，DCS控制系統必須把這一位置值賦給設定值(ZT-1220. SV),位置傳感器的實際測量值ZC-1220.PV減去設定值ZC-1220.SV得到偏差ZC-1220.DV,當ZC-1220.DV>350 mm時,DCS系統則發出高速(最大速度的90%)下降指令給變頻器;當ZC-1220.DV<350 mm且不等于0時,DCS系統則發出低速(最大速度5%)下降指令給變頻器;當ZC-1220.DV=0或<20 mm時,DCS系統則發出停止指令給變頻器;當ZC-1220.DV<-350 mm時DCS系統則發出高速(最大速度的90%)上升指令給變頻器;當ZC-1220.DV>-350 mm且≠0時DCS系統則發出低速(最大速度5%)上升指令給變頻器;當ZC-1220.DV=0或<15 mm時, DCS系統則發出停止指令給變頻器,數學模型如下：

注：M01-DL和M01-DR是DCS系統的開關量輸出信號,閉合時為1。

利用DCS控制系統CS3000系統軟件很容易實現上面的數學模型,將速度信號(4～20 mA DC)輸出遠程控制變頻器的速度,實現噴槍準確定位。

2 保溫燒嘴裝置

云錫與唐山金沙工貿有限公司共同合作開發了頂吹爐保溫燒嘴裝置,該燃燒器具備火焰監測、程序點火、燃油和風燃燒最優等控制特點,火焰長度1.5～ 12 m,火焰直徑0.6～1 m形狀,適應頂吹爐爐體烘爐、連續升溫、保溫全過程,避免火焰沖刷爐墻,延長爐襯使用壽命。其燃燒調節控制系統可以在1:10的燃油比范圍內進行比例控制,實現精確控制，確保燃油霧化良好、燃燒完全，同比節約燃油20%，同時具備一鍵程序點火功能,國內屬于首例。

3 “交叉限幅”控制方案

云錫煉鉛頂吹爐噴槍燃燒系統與普通冶金爐窯燃燒系統控制的不同點在于,普通的冶金爐窯控制系統一般采用比例調節燃燒控制方案。而云錫頂吹爐在其他工藝條件相對穩定的情況下,爐內氧勢主要隨著風煤比、風料比變化,但在生產過程中,由于進料量、燃料量和空氣、氧氣流量等變化,均可能引起風煤比、風料變化,為了抑制變化,云錫直接煉鉛法采用 “雙交叉限幅程序”燃燒控制方案。應用“交叉限幅”控制理念進行噴槍流體控制，保證“一爐三段”工藝參數平穩過渡，合理控制“三個不同工藝階段”氧勢,保證爐內呈氧化或還原氣氛，其特征在負荷急增及負荷穩定時,能在限值范圍內實現低過剩空氣率(u)值燃燒,既可節能又不會冒黑煙,NOx也不會超過限值，對于直接煉鉛工藝起著重要作用。為了把大量的可燃燒物質盡可能完全燃燒掉,引進了二次燃燒風—套筒風,DCS控制系統自動調整套筒風流量保證可燃物完全燃燒,不會造成公害。

4 空壓機防喘振控制系統

在云錫“一爐三段”直接煉鉛工藝過程當中,噴槍沉沒于熔池里形成強烈攪拌,噴槍風和載煤風的總流量在18 000～23 000 Nm3/h左右,套筒風6 000～ 11 000 Nm3/h左右,當啟動緊急停車(ESD)時,DCS控制系統自動激活ESD,發出提升噴槍指令后,將立即關閉噴槍風管、載煤風管、氧氣管道和套筒風管的所有流量控制閥,造成管線上壓力急劇升高,氣流往空壓機方向倒流,而空壓機本身卻來不及打開旁空閥排放空氣,造成空壓機排氣壓力越過喘振壓力點,而發生強烈喘振。另外,提升或下降噴槍時,噴槍流體劇烈波動使得管線壓力跟隨波動,空壓機通過打開旁通閥排放出一部分空氣來克服系統用風的波動,但是旁空閥調節速度過于緩慢難以克服系統風量的波動,避免不了發生喘振。為了防止空壓機喘振,云錫研發了防止空壓機發生喘振的控制系統,如圖1所示。

圖1 防止空壓機發生喘振控制系統原理

通過在用戶管線上安裝一只快速壓力調節閥(PV)和壓力變送器(PT),DCS控制系統增設壓力調節器(PC)。當啟動緊急停車(ESD)時,DCS控制系統發出打開壓力調節閥(PV)指令,壓力調節閥快速全開,排放管線氣體,降低管線壓力,使風機工作壓力遠離喘振壓力點,從而達到防止風機喘振的目的;當工況正常時,壓力調節器(PC)投入自動狀態,自動調節用戶管線內壓力,克服管線壓力波動,滿足工藝控制要求。當工況正常時,防喘控制系統不起作用,管線壓力由空壓機自帶的控制系統控制進行調節,穩定供風壓力。

5 鍋爐汽包水位波動控制

云錫直接煉鉛工藝配套60 t/h余熱鍋爐主要負擔1臺9 168 kW機組的發電運行。由于工藝屬于階段性冶煉,其中熔煉階段蒸汽量60 t/h,還原階段的蒸汽量為25 t/h,煙化階段的蒸汽量為30 t/h,放渣階段的蒸汽量為10 t/h，一個冶煉周期蒸汽流量波動很大，對于鍋爐水位的精確控制來說相當的困難。應用傳統的儀表來控制,可通過改進控制方案和整定控制參數改善調節性能,但是對于水位的控制來說,在突變情況下的水位調節是無能為力的,很難達到安全生產的要求。特別當蒸汽壓力和負荷產生波動時,汽包內的水溫度快速上升,使得汽包內的水受熱膨脹而產生“虛假液位”。“虛假液位”一旦產生,液位調節器就會進行調節,導致給水閥門開關頻繁(15%～ 85%),液位波動極大，余熱鍋爐的運行不安全。

云錫在系統的編程中除了考慮三沖量調節的各參數關系外,為了提高系統調整的準確性、可靠性和保障系統有更高的安全性,還根據現場實際操作中可能存在的問題,將相應的信號進行比較,在程序中設置了眾多的邏輯比較條件,使邏輯與調節器完美結合以達到控制準確,防止失誤,有效克服了鍋爐汽包“虛假液位”問題,解決了云錫直接煉鉛工藝不同階段汽包水位波動難題。該系統自投運至今一直運行穩定，提高了鍋爐的檢測精度,提高了控制水平,徹底解決了鍋爐汽包水位自動控制存在的問題,減輕了操作人員的勞動強度,減少了維護的難度,取得了良好的效果。

6 結 論

綜上,云錫公司在一爐三段直接煉鉛工藝自動化控制上自主開發并應用了多項創新成果：1)通過建立噴槍定位的數學模型,結合工藝要求,自主開發應用了實現槍位準確定位的噴槍位置測量裝置，利用DCS控制系統CS3000系統軟件,將速度信號(4-20 mA DC)輸出遠程控制變頻器的速度,實現噴槍準確定位,很好地滿足了工藝要求。2)合作開發頂吹爐保溫燒嘴裝置,具備火焰監測、程序點火、燃油和風燃燒最優等控制特點,適應頂吹爐烘爐、連續升溫、保溫全過程,避免火焰沖刷爐墻,延長爐襯使用壽命,實現精確控制,同時具備一鍵程序點火功能，屬于國內首例。3)應用“交叉限幅”控制理念進行噴槍流體控制,保證“一爐三段”工藝參數平穩過渡,合理控制“三個不同工藝階段”氧勢。4)開發應用了大流量快速切斷情況下空壓機防喘振控制系統,通過在管線壓力達到喘振壓力之前預先迅速打開旁空閥排放氣體、降低管線壓力,使風機工作點遠離喘振壓力點,從而達到有效防止風機喘振的目的。5)系統調整時,除了考慮三沖量調節的各參數關系,還根據現場實際操作中可能存在的問題,將相應的信號進行比較,在程序中設置了眾多的邏輯比較條件,使用邏輯與調節器完美結合,有效解決了余熱鍋爐汽包水位大幅波動問題。上述創新成果也是云錫“一爐三段”直接煉鉛工藝取得良好技術經濟效果的重要保障。

[1] 顧鶴林,宋興誠,蘭旭,等.頂吹爐一爐三段一步煉鉛工藝技術及生產實踐[J].中國有色冶金,2013(1):37-39.

[2] 宋興誠,顧鶴林.頂吹爐直接煉鉛工藝技術產業化實踐[J].有色冶金設計與研究,2013,34(5):18-21.

[3] 黃珊艷,申穎.云南錫業股份有限公司頂吹爐“一爐三段”直接煉鉛技術產業化應用[J].有色金屬工程,2012(5):16-19.

[4] 宋興誠,顧鶴林.頂吹爐一爐三段直接煉鉛工藝的渣型選擇與控制[J].有色冶金設計與研究,2013(6):23-25.

[5] 曹潤生,黃禎地,周澤魁.過程控制儀表[M].杭州：浙江大學出版社, 1997,200-245.

[6] 孫洪程,李大宇,翁維勤.過程控制工程[M].北京：高等教育出版社, 2006,1-48.

Independent Innovation of Automatic Control for One-furnace Three-stage Direct Lead Smelting Process

TANG Duzuo,SONG Xingcheng
(Yunnan Tin Company Limited,Gejiu,Yunnan 661000,China)

The paper introduces the automatic innovation results on lance position measurement,thermal insulation burner, control of oxygen potential and anti-surge control of air compressor and water level control of waste heat boiler drum etc in automatic control of one-furnace three-stage direct lead smelting process of Yunnan Tin Company Limited.

top blown furnace;one-furnace three-stage;automatic control;oxygen potential;anti-surge;drum water level;lance position

TP273

B

1004-4345(2014)04-0022-03

2014-04-09

唐都作(1976—),男,高級工程師,主要從事有色金屬冶金自動化控制技術工作。