高爐噴煤罐壓自動設定及煤粉流量調節研究

Research on Automatic Setting of Tank Pressure and Pulverized Coal Flow Control for BF PCI

姚曉偉

(寶鋼工程技術集團有限公司，上海　201900)

高爐噴煤罐壓自動設定及煤粉流量調節研究

Research on Automatic Setting of Tank Pressure and Pulverized Coal Flow Control for BF PCI

姚曉偉

(寶鋼工程技術集團有限公司，上海201900)

摘要：隨著高爐噴煤量的不斷增加，噴煤量的波動也呈不斷增加的趨勢。依靠人工手動調節各種參數，使噴煤量控制在一定的偏差范圍內的操作方式大大增加了操作工的勞動強度,同時，噴煤量的波動也給高爐的穩定運行帶來了嚴重的影響。介紹了一種高爐噴煤系統中噴吹罐罐壓根據噴煤量自動設定的控制方法。在混合器后總管上增加流量調節閥，并通過軟件實現PID自動調節。該方法降低了操作工的勞動強度，提高了噴煤的穩定性和生產效率。

關鍵詞：高爐噴煤瞬時噴煤量罐壓煤粉流量調節折線函數PID算法

Abstract：Along with the increasing of the quantity of blast furnace pulverized coal injection (BF PCI), the fluctuation of the quantity of PCI is also increasing. In order to control the quantity within certain range, manually adjusting various parameters make labor intensity greatly increased, and the fluctuation severely affected the stable operation of the blast furnace. Thus, the control method of setting the pressure of injection tank automatically in accordance with the quantity of PCI is introduced. The flow control valve is added on the rear pipeline of mixer, and PID automatic regulation is implemented through software. The method enhances the stability and production efficiency of PCI, and reduces the labor intensity.

Keywords：Blast furnace pulverized coal injection (BFPCI)Instantaneous pulverized coal injection rateTank pressurePulverized coal flow controlPolygonal functionPID algorithm

0引言

高爐噴煤是高爐大幅度降低焦比和生鐵成本的重大技術措施，是推動煉鐵系統技術進步的核心力量。高爐噴煤系統由制粉、噴吹兩大系統及相關的輔助設施構成，其中高爐噴吹系統主要包括一個煤粉倉、三個呈“品”形并列布置的噴吹罐、一個混合器和兩個分配器[1]。每個分配器分別配有若干根噴吹支管，分別對應高爐的每個風口，煤粉通過噴吹支管噴入爐內。每一個噴吹罐均按裝料、加壓、等待、噴吹、泄壓、再裝料的程序循環交錯地進行。如果其中一個噴吹罐出現故障，在正常情況下另兩個噴吹罐仍可完成連續噴吹的任務[2]。

隨著高爐噴煤量的不斷增加，煤粉噴吹由原來的每小時噴吹70~80 t提高到100 t以上，噴煤量的波動也呈不斷增加的趨勢[3]。雖然每個小時噴煤量計算值的波動尚在允許的范圍內，但要靠人工的不斷干預、隨時手動調節各種參數才能確保噴煤量在一定的偏差范圍內，這樣的操作方式使操作工的勞動強度大大增加。此外，噴煤量的波動給高爐的穩定運行帶來了嚴重的影響。因此，有必要進行研究并采取相關措施，盡可能減小噴煤量的波動，為高爐穩定運行創造條件。影響高爐噴煤的因素有很多，如高爐風壓波動、氮氣量波動等。本文僅從優化罐壓設定操作、增加煤粉流量調節閥、編制相應控制程序的角度來減少瞬時噴煤量的波動[4]。

1煤粉流量調節閥的設置

三個噴吹罐的下煤管匯集成一根管線與混合器連接，在混合器后端增加一臺可精確測量噴煤量的流量計和一個煤粉調節閥。利用煤粉流量計實時檢測主管輸送煤粉管道內的煤粉量，通過流量變送器檢測并反饋回中控DCS系統，同時由新增加的煤粉調節閥來擔當和執行調節與控制煤粉噴吹量的任務。為了確保噴吹系統的安全性，煤粉流量調節閥選擇為氣開閥，即當儀表氣源突然消失時，調節閥自動打開，以確保煤粉在事故狀態下不殘留在輸送管道內。增加煤粉流量調節閥后的儀表流程圖如圖1所示。

圖1　增加煤粉流量調節閥后的儀表流程圖

2軟件設計

2.1　HMI軟件設計

為了通過調節罐壓來提高瞬時噴煤量的穩定性，我們設計了一套根據噴煤量變化進行罐壓自動調節的控制程序，并設計了HMI操作畫面，以規范操作工的操作。

2.2　折線函數運算器

噴煤控制系統采用的是橫河公司的CENTUM-VP DCS控制系統，同時采用控制軟件中的折線函數運算器(FUNC-VAR)來考慮罐壓設定的問題[5]。

折線函數運算器實現了使用任意不等分折線對輸入信號進行函數變換的功能，其原理如圖2所示[6]。圖3為6折線函數實例。

圖2　折線函數運算器原理

在HMI操作畫面上需要進行設定的參數如下。

(1) 增益(GAIN)：符號，含小數點位數最大7位的數值，默認值為1.00。

(2) 區間數(SEC)：1~14的數值。

(3)X坐標(輸入端)：輸入信號，由工業單位數據設定，X0~X15(1～折線分割數+1)。

(4)Y坐標(輸出目標)：運算輸出值(CPV)由工業單位數據設定，Y0~Y15(1～折線分割數+1)。

(5) 函數輸出：CPV=GAIN×可變折線函數的輸出。

2.3　罐壓設定

改進之后的程序控制可以保留原有人工設定噴吹罐的罐壓差的方式，同時將操作工的實際生產經驗生成一張噴煤量與罐壓值的線性表，將不同噴吹量階段所對應的罐壓做為設定值直接輸入程序。在自動噴煤的情況下，只需在操作畫面上輸入高爐所需的噴煤量，噴吹罐的罐壓就會隨之自動生成。

2.4　煤粉流量調節PID控制

2.4.1噴煤量的兩種檢測方式

(1) 通過安裝在噴煤總管上的煤粉流量計來測得實際的噴煤量，并作為煤粉流量PID調節的一個PV值(實測值)。由于煤粉是靠空氣來進行輸送的，因此在管道內的流動屬氣、固二相流，它的流動狀態與氣體、液體有很大的區別。它不僅受到輸送氣量和噴吹罐壓力的變化而變化，而且由于它自身的特殊性，往往會在流動時產生脈動現象，因此瞬時的變化量會有較大的變化。為了滿足控制的要求，需要對測得的數據進行適當處理。

(2) 根據噴吹罐質量隨時間減少(dw/dt)來計算實際的噴吹速率，并作為煤粉流量PID調節的另一個PV值(計算值)[6]。

2.4.2噴煤量設定值自動補正

噴煤量的設定是根據高爐實際爐況而定的，而儀表控制是按瞬時量進行控制。在整個控制過程中，噴煤量會在設定煤量的附近上下波動，這樣會造成在每小時中的累計煤量與設定煤量有偏離，操作人員只能通過人工干預來確保每小時的噴煤量。這種控制方式往往會造成在每個準點之前噴煤量急劇增加或急劇減少，從而引起爐況的波動[7]。

為此我們通過對瞬時噴煤量的連續計算，與設定煤量進行比較，將多噴的煤量(或少噴的煤量)分攤到剩余時間的煤量設定值上，從而確保了每小時噴煤量的準確性。

在HMI畫面上設置了實測/計算煤量切換按鈕，在噴吹開始前必須選擇一個PV值作為當前的PV值，并通過一個PID控制器調節煤粉流量調節閥。同時必須將該調節閥的可調節范圍設定在某個區域內，避免在噴吹過程中調節閥突然關閉而導致混合器和管道堵塞。

2.5　PID算法的優化

噴煤是一個連續不間斷的過程，而噴吹方式是通過三個噴吹罐輪流接力來實現的[8]。噴吹罐在噴吹初期和噴吹后期，即使噴吹條件相同，工況發生了變化，噴吹的煤量也會有較大變化。在噴吹初期，噴吹罐內充滿了煤粉，罐內的氣量較少，噴出的煤、氣混合物中煤粉的含量較高，因此瞬時的煤粉噴吹量就大[9]。為了使噴煤量瞬時值控制在設定煤量附近，此時的調節閥在調節器PID的作用下，會將閥門關到相對較小的開度。而噴吹罐到噴吹后期時，由于噴吹罐內的煤粉量越來越少，氣體會越來越多，造成噴出的煤、氣混合物中煤粉的含量較低，所以瞬時噴煤量會越來越小，此時的調節閥開度會增大，直到全開。正是由于上述兩種情況，使得在換罐過程中煤粉流量調節閥會從全開狀態瞬間關到較小開度，引起控制和爐況的波動[10]。

為此，我們在HMI畫面上為每個噴吹罐設置了延時時間和初始開度設定的功能。在換罐一開始PID控制模式跳到手動，并執行設定的初始開度，由設定的延時器來控制初始開度執行的時間，后自動轉換為自動模式。這樣就避免了調節閥的劇烈波動，減少了噴煤量的波動。

分別截取采用罐壓自動設定和采用煤粉流量調節閥前后三個罐瞬時噴吹量的曲線，如圖4和圖5所示。

圖4　罐壓手動設定的噴煤曲線

圖5　罐壓自動設定的噴煤曲線

3結束語

通過上述兩種提高高爐噴煤瞬時噴吹量穩定性的措施，減少了因瞬時噴煤量波動大對高爐風壓的沖擊，提高了每小時入爐噴煤量的控制精度，對穩定爐況作出了巨大貢獻。這兩種措施也大大減輕了操作工的勞動強度，從根源上減少了因操作工誤操作或頻繁的大幅度調節所引起的小時噴煤量意外波動的次數。

參考文獻

[1] 朱錦明.寶鋼高爐200kg/t以上噴煤比的實踐[J].煉鐵，2005，24(S1):36-40.

[2] 陳春元,王玉英.包鋼高爐噴煤新系統煙煤噴吹合理比例的研究[J].包鋼科技,2008,134(4):10-12,25.

[3] 項鐘庸，王筱留.高爐設計-煉鐵工藝設計理論與實踐[M].北京：冶金工業出版社，2007:696-701.

[4] 喬顯斌.高爐噴煤自動控制系統的改進[J].科技情報開發與經,2007,17(18):195-196.

[5] 王淑妍,趙健,杜春雷.智能控制技術在銀山前區高爐噴煤工程中的應用[J].冶金自動化,2007 (S1):709-711.

[6] 陶強.天鐵高爐噴煤的技術進步[J].天津冶金,2008(2):7-9.

[7] 潘穎鐵.鞍鋼新1號高爐噴煤系統設計及運行[J].煉鐵,2004,23(1):35-37.

[8] 王正強，仇斌，張京.提高梅山噴煤計量的準確性[J].鋼鐵,2008，43(4):24-26.

[9] 朱錦明.溫度檢堵法在高爐噴煤上的應用[J].寶鋼技術,2005(6):15-18.

[10]王筱留.提高高爐噴煤量的措施[J].鞍鋼技術,2007(343):1-6.

中圖分類號：TP273+.5

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507010

修改稿收到日期：2015-01-04。

作者姚曉偉(1981-),男，2007年畢業于天津理工大學自動化專業，獲碩士學位，工程師；主要從事PLC控制系統設計。