石灰石控制系統(tǒng)在SHELL煤氣化中的應(yīng)用及改造

張 茜，倪 彬，任洪起

（天津堿廠煤化工事業(yè)部，天津 300452）

天津堿廠煤氣化項目采用SHELL干粉煤加壓技術(shù)，單爐日投煤量2 000t。原料煤經(jīng)破機磨成煤粉（90%＜100μm），由高壓氮氣送到氣化爐煤燒嘴，與氧氣及蒸汽在氣化爐高溫加壓條件下發(fā)生碳的氧化及各種轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

在磨煤系統(tǒng)中石灰石的添加是一項重要的工序。原料煤中加入適量的石灰石可以降低其灰熔點，以利于氣化爐的液態(tài)排渣。因此，石灰石的按比例定量添加在保證上述反應(yīng)過程穩(wěn)定性上至關(guān)重要。在天津堿廠煤氣化裝置生產(chǎn)過程中，由于石灰石添加量不穩(wěn)定導致石灰石系統(tǒng)頻繁跳車，不能按正確的比例與稱重給煤機的給煤量添加到磨煤機中，進而導致氣化爐堵渣而數(shù)次停車，嚴重影響煤氣化裝置生產(chǎn)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

1 石灰石系統(tǒng)介紹

1.1 石灰石系統(tǒng)簡介

石灰石系統(tǒng)中來自石灰石儲倉V－1103的石灰石粉進入石灰石計量倉（03V－1104A／B），經(jīng)計量與原料煤輸送量按一定比例（比值可由DCS手動設(shè)定）由石灰石螺旋輸送機（位號：03X－1107A／B）送入石灰石旋轉(zhuǎn)給料機（位號：03X－1108A／B），再經(jīng)石灰石噴射器（位號：03X－1109A／B）采用氣力輸送方式用氮氣將石灰石粉輸送至磨煤機。其中石灰石計量倉（位號：03V－1104A／B）及石灰石螺旋輸送機（位號：03X－1107A／B）組成一套失重秤系統(tǒng)，用于石灰石的計量和輸送，是整個石灰石計量輸送系統(tǒng)的核心。該工藝過程如圖1所示。

石灰石系統(tǒng)根據(jù)稱重給煤機的流量按照人工設(shè)定的比例（或串級控制），均勻準確地向磨煤機輸送石灰石粉，因此精確的計量給料，準確控制用于氣力輸送氮氣的壓力和流量，并能使計量給料系統(tǒng)和氣力輸送系統(tǒng)互不影響，是該系統(tǒng)能達到上述功能要求的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計和工程設(shè)施要點。

1.2 石灰石控制系統(tǒng)

石灰石的控制系統(tǒng)由西門子PLC控制系統(tǒng)和EMC的ModWeigh變重秤系統(tǒng)組成。德國西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國的應(yīng)用相當廣泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域都有應(yīng)用。西門子（SIEMENS）公司的PLC產(chǎn)品包括LOGO、S7－200、S7－300、S7－400、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、HMI人機界面、工業(yè)軟件等。西門子S7系列PLC體積小、速 度快、標準化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強，可靠性更高。

石灰石系統(tǒng)采用西門子高性能S7－300系列PLC的可編程控制器。S7－300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。S7－300PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速（0.6～0.1μs）的指令運算速度；用浮點數(shù)運算比較有效地實現(xiàn)了更為復(fù)雜的算術(shù)運算；一個帶標準用戶接口的軟件工具方便用戶給所有模塊進行參數(shù)賦值；方便的人機界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7－300操作系統(tǒng)內(nèi)，人機對話的編程要求大大減少。S7－300操作系統(tǒng)自動地處理數(shù)據(jù)的傳送；CPU的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件（例如：超時，模塊更換，等等）；具備強大的通信功能，S7－300PLC可通過編程軟件Step7的用戶界面提供通信組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。

圖1 石灰石系統(tǒng)工藝流程圖

EMC具有獨立自主品牌“莫得威”系列工業(yè)用連續(xù)稱重系統(tǒng)。其系列產(chǎn)品秉承模塊系統(tǒng)設(shè)計理念，應(yīng)用數(shù)字技術(shù)，為用戶提供高精確度，低成本，且簡單易用的工業(yè)稱重解決方案。“莫得威”數(shù)字稱重控制儀采用先進的按鍵控制標定技術(shù)，與傳統(tǒng)秤體標定方法相比更簡單，準確，并可以與多達10個稱重傳感器進行連接。控制儀結(jié)合了高穩(wěn)定性，高精確度的特性為一體，系統(tǒng)總體精確度高于0.01%。

1.3 控制過程

首先當系統(tǒng)運行時，螺旋轉(zhuǎn)動，物料從計量倉中排出。稱重儀表不停地動態(tài)檢測計量倉中物料的重量，通過采集單位時間中的重量的減少量即得實際給料量，與設(shè)定的給料量進行對比得到誤差值，再通過自適應(yīng)閉環(huán)控制算法變頻調(diào)整給料電機的轉(zhuǎn)速，這樣始終使給料流量保持與設(shè)定值相對穩(wěn)定一致。當計量倉中物料重量達到稱重儀表的重量下限設(shè)定值時，稱重儀表發(fā)出自動補料信號，通知上儲料倉快速補料，其間，螺旋的轉(zhuǎn)速固定在一個轉(zhuǎn)速，不做調(diào)整。當計量倉中物料重量達到稱重儀表的重量上限設(shè)定值時，關(guān)閉補料信號，重新恢復(fù)調(diào)節(jié)控制。

該控制系統(tǒng)具備遠程聯(lián)鎖開／停車功能和就地開／停車功能，并設(shè)置遠程／就地選擇開關(guān)（且能輸出其狀態(tài)）。當轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到就地時，遠程操作無效；當轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到遠程時，就地可以緊急停車。能夠輸出相應(yīng)的運行信號、報警信號和并滿足就地控制的所有要求。

2 石灰石系統(tǒng)運行狀況及問題分析

石灰石系統(tǒng)在天津堿廠煤氣化裝置試車過程中總體運行平穩(wěn)，基本能夠滿足正常生產(chǎn)的需要。石灰石不能以稱重給煤機的給煤量按正確的比例添加到磨煤機中，煤粉灰熔點不均勻的問題逐漸暴露出來。

石灰石系統(tǒng)緊急停車的主要問題來自于稱重儀表計算的流量值不準確。該流量值在系統(tǒng)穩(wěn)定進料的過程中出現(xiàn)大幅度波動，且長時間低于最小值，ModWeigh變重秤系統(tǒng)會輸出故障信號。該故障信號進入PLC可編程邏輯控制器中，程序的聯(lián)鎖保護系統(tǒng)會引起石灰石系統(tǒng)的跳車，進而導致磨煤機緊急跳車。

3 石灰石系統(tǒng)的改造

石灰石流量的不穩(wěn)定和嚴重失真對煤氣化裝置的穩(wěn)定運行造成了很大的負面影響。石灰石流量是根據(jù)單位時間中的重量的減少量而計算得來。由于石灰石系統(tǒng)流量計算是通過ModWeigh變重秤系統(tǒng)高度集成的控制器計算得來，流量信號的可處理性和校驗性較差。針對這一問題，我廠儀表技術(shù)人員對石灰石稱重儀表系統(tǒng)進行了一系列的改進。

3.1 修正流量計算

將計量倉的稱重信號引入DCS顯示，使中控室能看到計量倉的實時重量值。由于該設(shè)備運行環(huán)境惡劣，外部因素對稱重值有一定的影響。通過霍尼韋爾的DCS系統(tǒng)首先對有毛刺的重量信號進行濾波處理，然后再計算單位時間內(nèi)重量的減少量，從而得到實時流量F＝ΔW／ΔT。該流量值在計量倉正常下料期間為石灰石的瞬時流量。但是在計量倉補料期間，由于重量值會增加，所以實時流量為負值。針對補料期間出現(xiàn)的這一情況，對流量計算做了進一步修正。當ΔW＜0時，將流量值給一個固定值。同時，變重秤系統(tǒng)輸出的故障信號加1min的延時跳車，避免假信號引起的誤跳車。此種方法可估算出瞬時流量，較于變重秤系統(tǒng)計算的流量值明顯趨于穩(wěn)定，而且能基本滿足工藝生產(chǎn)要求。

3.2 采用微波固體流量測量儀

隨著煤氣化裝置的高負荷、長周期穩(wěn)定運行，對裝置的自動化程度和精細化管理的要求也越來越高，這就要求對石灰石的計量和穩(wěn)定有了更高的要求。由稱重信號通過DCS計算出來的瞬時流量已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的要求，經(jīng)研究決定我廠2＃爐使用SWR生產(chǎn)的SolidFlow微波固體流量測量儀。它由傳感器和中央處理單元兩部分組成。

SolidFlow微波固體流量測量儀的傳感器采用先進的微波技術(shù)，專門適用于金屬管道內(nèi)固體物料流量的測量。通過傳感器和管道之間電磁場的耦合，產(chǎn)生一個測量場。測量場的微波能量被固體顆粒反射回來并被傳感器接收，中央處理單元對這些信號的頻率和振幅進行處理。傳感器的功能就像顆粒累計器，記錄每單位時間內(nèi)流動的物料顆粒數(shù)量。根據(jù)多普勒原理，僅流動的顆粒能被測量，堆積的顆粒不被測量。

經(jīng)過標定，SWR流量計在實際工況中的歷史曲線如圖2所示，其中平穩(wěn)的曲線是SWR流量計的歷史趨勢。

圖2 微波固體流量測量儀與稱重計算測量值的歷史曲線

為了驗證我廠2＃爐使用的SolidFlow微波固體流量測量儀的數(shù)據(jù)是否準確，利用DCS系統(tǒng)的累計模塊對該流量值進行累計。經(jīng)計算，在計量倉一個補料周期內(nèi)，稱重值的減少量與微波固體測量累計值是相同的，這說明改造后的石灰石流量信號能夠準確、穩(wěn)定的反映出實際流量，可利用該流量值進行與給煤量的比例控制。

4 總 結(jié)

經(jīng)過一段時間的投用和觀察證明，改造后的石灰石系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、精確度高、可靠性強等優(yōu)點。改造效果良好，徹底改變了石灰石系統(tǒng)頻繁故障，影響磨煤機及煤氣化系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行的不良工況。并且能夠滿足給煤量與石灰石量通過人工設(shè)定比例進行調(diào)節(jié)控制，使工藝人員進一步對石灰石的配比進行精確控制，達到促使煤氣化裝置降低消耗，提高效益，長周期穩(wěn)定運行的目的。