并流蓄熱式MAERZ石灰窯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李曉賓

摘要：本文介紹了山東萊鋼并流蓄熱式MAERZ石灰窯使用西門(mén)子S7-400 PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并流蓄熱式MAERZ石灰窯原料成品系統(tǒng)、窯本體系統(tǒng)、煤氣混合及加壓系統(tǒng)、助燃空氣系統(tǒng)、廢氣排出系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。

關(guān)鍵詞：并流蓄熱式；西門(mén)子PLC；自動(dòng)控制

萊鋼并流蓄熱式MAERZ石灰窯是萊鋼大型冶金輔料項(xiàng)目的主體，是以高爐和焦?fàn)t的混合煤氣為燃料，30mm-70mm的優(yōu)質(zhì)石灰石為原料，煅燒低活性石灰的裝備。石灰窯系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程采用西門(mén)子PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以及使用WINCC軟件監(jiān)控與石灰窯操作有關(guān)的所有檢測(cè)系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行，自投入運(yùn)行以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，操作維護(hù)方便，為冶金輔料的正常生產(chǎn)提供了可靠的保證。

1.工藝描述

萊鋼并流蓄熱式MAERZ石灰窯使用了先進(jìn)的工藝，全部實(shí)現(xiàn)了原料成品系統(tǒng)、窯本體系統(tǒng)、煤氣混合及加壓系統(tǒng)、助燃空氣系統(tǒng)、廢氣排出系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。同時(shí)MAERZ石灰窯采用并z`流蓄熱式方式，即兩個(gè)窯筒輪流加熱、蓄熱、裝出料，熱能利用充分，大大提高了成品石灰的活性。

1.1原料成品系統(tǒng)

原料系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：原料運(yùn)進(jìn)、貯存、篩分、合格料入窯、碎石灰石外運(yùn)等。為了保證石灰石的煅燒質(zhì)量，在每個(gè)貯倉(cāng)的下面設(shè)置有篩分裝置進(jìn)行篩分，這樣石灰石經(jīng)篩分后分成兩種粒級(jí)：30-80mm的篩上料和30mm以下的碎料，碎料由膠帶機(jī)運(yùn)送到碎料倉(cāng)中，篩上料由傳送皮帶送至窯的上料小車(chē)，在由小車(chē)將石灰石供應(yīng)給窯筒頂部的卸料料斗，按照要求進(jìn)行給料。

成品系統(tǒng)由成品運(yùn)轉(zhuǎn)、貯存、制粉、風(fēng)送組成。燒好的石灰在窯底部經(jīng)震動(dòng)給料機(jī)均勻下到兩條傳送皮帶上，經(jīng)篩分后運(yùn)到石灰倉(cāng)，石灰倉(cāng)上設(shè)有兩個(gè)破碎機(jī)，大于3mm的石灰運(yùn)到破碎機(jī)繼續(xù)破碎，小于3mm的送到粉灰倉(cāng)中貯存。

1.2窯本體系統(tǒng)

窯本體主要由窯殼和耐火內(nèi)襯組成。一個(gè)窯本體分為兩個(gè)窯筒，采用并流蓄熱式方式，即兩個(gè)窯筒輪流加熱、蓄熱、裝出料兩窯筒的功能（煅燒和蓄熱）交替互換，兩個(gè)窯筒的作用也隨之互換。

1.3燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)通過(guò)助燃風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)使經(jīng)過(guò)煤氣混合和加壓后的煤氣與空氣按照一定的比例混合，并進(jìn)行充分的燃燒。該石灰窯為雙筒豎窯，煅燒石灰為兩筒交替進(jìn)行，因此石灰窯的操作過(guò)程是：煅燒→停窯→加出料→換向→點(diǎn)火煅燒的循環(huán)過(guò)程。

1.4廢氣排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廢氣排出系統(tǒng)所包括的設(shè)備有除塵器和廢氣管道。廢氣風(fēng)機(jī)用于石灰窯煅燒時(shí)產(chǎn)生的廢氣排出的動(dòng)力源，風(fēng)機(jī)的流量為165000m3/h，風(fēng)壓3300kPa。廢氣溫度為180°C。風(fēng)機(jī)用電機(jī)為變頻調(diào)速，通過(guò)它可以調(diào)節(jié)廢氣流量。在生產(chǎn)過(guò)程中廢氣流經(jīng)過(guò)換向閥，經(jīng)廢氣除塵器和廢氣風(fēng)機(jī)和煙囪從窯頂排出。在煅燒石灰時(shí)，廢氣只從排氣筒排出，在停窯時(shí)，窯頂廢氣管路均為開(kāi)啟，以使定部窯筒內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，免除窯頂廢氣外泄。

2.系統(tǒng)配置

萊鋼并流蓄熱式MAERZ石灰窯自動(dòng)控制系統(tǒng)采用Siemens STEP7系列PLC硬件組成基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)，上位機(jī)采用工控機(jī)，配置20英寸TFT；采用WINCC監(jiān)控軟件，Windows 2000作為系統(tǒng)平臺(tái)界面，組成計(jì)算機(jī)化的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)通訊；編程器采用IBM筆記本。控制站與站之間采用Profibus總線(xiàn)進(jìn)行通訊，控制器與上位機(jī)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。

整個(gè)控制系統(tǒng)有3套西門(mén)子S7-400 PLC，來(lái)完成原料成品系統(tǒng)、窯本體系統(tǒng)、煤氣混合及加壓系統(tǒng)、助燃空氣系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。1套西門(mén)子S7-200 PLC系統(tǒng)完成廢氣排出系統(tǒng)的自動(dòng)化控制功能。其中每套PLC系統(tǒng)中都只有一塊CPU模板，與西門(mén)子軟件兼容，通過(guò)電纜連接IM通訊模板完成遠(yuǎn)程I/O點(diǎn)與CPU的通訊功能。

在軟件方面，它使用以太網(wǎng) TCP/IP協(xié)議與操作員站、工程師站以及其它的組成部分完成外部通訊。在硬件方面 采用環(huán)網(wǎng)通訊，每一個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)尾纖盒，通過(guò)光纖進(jìn)行通訊，采用環(huán)網(wǎng)通訊的好處是當(dāng)其中的某一條連接系統(tǒng)的光纖出現(xiàn)故障時(shí)，操作站可以通過(guò)選擇其他路徑訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)，使通訊不受影響。

3.系統(tǒng)控制功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上生產(chǎn)工藝概述可知，萊鋼并流蓄熱式MAERZ石灰窯自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由原料成品系統(tǒng)、窯本體系統(tǒng)、煤氣混合及加壓系統(tǒng)、助燃空氣系統(tǒng)和廢氣排出系統(tǒng)組成。因?yàn)镸AERZ石灰窯采用并流蓄熱式方式，即兩個(gè)窯筒輪流加熱、蓄熱、裝出料，所以本系統(tǒng)的難點(diǎn)在于煤氣混合、加壓以及助燃空氣系統(tǒng)的自動(dòng)化控制上。

3.1煤氣混合系統(tǒng)自動(dòng)化控制功能實(shí)現(xiàn)

萊鋼并流蓄熱式MAERZ石灰窯是一個(gè)雙輸入（高爐煤氣輸入量、焦?fàn)t煤氣輸入量），單輸出（混合煤氣壓力）的多變量系統(tǒng)。由于煤氣變化復(fù)雜，不可預(yù)見(jiàn)的因素很多，無(wú)法得到精確的數(shù)學(xué)模型，因此，采用三個(gè)單回路閉合系統(tǒng)的PID控制方法。

煤氣混合站采用四個(gè)蝶閥的流量配比調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)混合煤氣的壓力和兩種煤氣流量的配比，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，其方法是保持兩種煤氣的體積混合比和混合后的壓力不變。

系統(tǒng)的動(dòng)作原理簡(jiǎn)述如下： 在每組需混合的煤氣管道上，為使兩種不同發(fā)熱量的煤氣流量成一定的比例及保持混合后煤氣壓力的穩(wěn)定，設(shè)有一套壓力調(diào)節(jié)裝置T1和兩套壓差調(diào)節(jié)裝置T2和T3。在焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣管道上各裝有兩個(gè)蝶閥。其中蝶閥b和蝶閥c具有相同的流量特性，即在保持蝶閥前后壓差恒定的條件下，蝶閥的相對(duì)開(kāi)度和蝶閥的相對(duì)流量之間的關(guān)系相同。通過(guò)選擇蝶閥b和c的直徑可以達(dá)到此要求。當(dāng)?shù)yb和c同步運(yùn)行以保持開(kāi)度相同，并用壓差調(diào)節(jié)裝置以保持蝶閥b和c前后壓差恒定時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)通過(guò)兩個(gè)蝶閥的煤氣流量比例不變。

四個(gè)蝶閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)作過(guò)程是： 當(dāng)用戶(hù)減量時(shí)，混合煤氣壓力偏離給定值，壓力調(diào)節(jié)器T1輸出改變，作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使蝶閥a關(guān)小，減少高爐煤氣流量。這時(shí)，蝶閥b上的壓差變小，此信號(hào)使壓差調(diào)節(jié)器T2的輸出改變，作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使蝶閥b關(guān)小，直至蝶閥b上的壓差恢復(fù)到原來(lái)的給定值為止。由于蝶閥b和c系同步運(yùn)行，因此在蝶閥b關(guān)小的同時(shí)，蝶閥c也關(guān)小，而壓差變大。此信號(hào)使壓差調(diào)節(jié)器T3的輸出改變，作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使蝶閥d關(guān)小，直至蝶閥d上的壓差恢復(fù)到原來(lái)的給定值為止。這樣，蝶閥a 、b 、 c和d都因用戶(hù)的減量而關(guān)小，但是兩煤氣的流量配比卻依然保持不變。四個(gè)蝶閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)性能穩(wěn)定，操作可靠，既有穩(wěn)壓的作用，又有調(diào)比的作用。如圖1所示：

（1）ΔPb.ΔPc壓差設(shè)定值為400Pa

（2）流量配比達(dá)到：高爐煤氣：焦?fàn)t煤氣=2：1

目標(biāo)：讓P恒定，ΔP也恒定，若F減小，導(dǎo)致ΔP變大，所以將a閥關(guān)小，導(dǎo)致ΔPb變小，將b閥關(guān)小，使ΔPb恢復(fù)成設(shè)定值。同時(shí)c關(guān)小，導(dǎo)致ΔPc變大，所以控制將d閥關(guān)小，直至ΔPc恢復(fù)成設(shè)定值。

3.2煤氣加壓系統(tǒng)自動(dòng)化控制功能實(shí)現(xiàn)

萊鋼并流蓄熱式MAERZ石灰窯設(shè)計(jì)了3臺(tái)加壓機(jī)，兩用一備。加壓機(jī)電機(jī)均采用變頻電機(jī)以使風(fēng)機(jī)可以調(diào)節(jié)煤氣流量。 正常工作時(shí)，1#，2# 加壓機(jī)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并且它們的進(jìn)出口管道閥門(mén)及附件也都處于開(kāi)啟狀態(tài)，但由于3#加壓機(jī)是備用機(jī)，因此它及其進(jìn)出口管道的閥門(mén)、附件都處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)1#或2#加壓機(jī)檢修時(shí)，3#加壓機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，其進(jìn)出口管道的閥門(mén)、附件及手動(dòng)蝶閥也同時(shí)打開(kāi)。

由于MAERZ石灰窯為雙筒并流式豎窯，兩個(gè)窯筒各有一套煤氣燃燒系統(tǒng)，煅燒石灰是兩個(gè)窯體交替進(jìn)行，間隔時(shí)間為12-15分鐘，交換時(shí)有1分鐘時(shí)間停止向石灰窯供煤氣，這一分鐘時(shí)間內(nèi)要求高壓煤氣回流到煤氣主管中。因此，當(dāng)窯處于交換狀態(tài)時(shí)，主管道上氣動(dòng)蝶閥打開(kāi)，通向窯體的氣動(dòng)蝶閥關(guān)閉。當(dāng)石灰窯檢修時(shí)，則加壓機(jī)全部停止，其進(jìn)出口管道閥門(mén)關(guān)閉。

3.3燃燒系統(tǒng)自動(dòng)化控制功能

MAERZ石灰窯采用并流蓄熱式方式，如圖1所示，每隔12分鐘換向一次，在第一個(gè)燃燒周期，燃燒空氣從窯筒1的頂部進(jìn)入，在風(fēng)機(jī)的抽力下向下流動(dòng)，同時(shí)被熱得石灰石預(yù)熱。在到達(dá)煅燒段時(shí)，與此處噴槍輸送來(lái)的煤氣混合，接觸到赤熱的石灰石立即燃燒，空氣和煤氣的混合物一邊燃燒一邊與石灰向下移動(dòng)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為并流煅燒。同時(shí)生成的石灰進(jìn)入冷卻段，從窯底供入的石灰冷卻空氣將石灰冷卻到100攝氏度以下時(shí)，石灰從窯底卸出。冷卻空氣被石灰加熱后上升到連接通道處，與燃燒廢氣混合進(jìn)入窯筒2。

進(jìn)入窯筒2的混合氣體在廢氣除塵風(fēng)機(jī)作用下，上升穿過(guò)煅燒帶進(jìn)入預(yù)熱帶，將剛裝入的石灰石進(jìn)行預(yù)熱。把熱量釋放給石灰石后混合氣體溫度降低，從窯頂廢氣管經(jīng)除塵系統(tǒng)后從煙囪排出。一個(gè)周期完成后，各種氣體停止流動(dòng)，相應(yīng)的設(shè)備開(kāi)始換向，換向時(shí)間40-50秒，換向期間石灰從每個(gè)窯筒底部卸出。正常生產(chǎn)時(shí)，兩個(gè)窯筒交替裝料，而燒好的石灰均勻連續(xù)地由兩個(gè)窯筒卸出。

助燃空氣的流向取決于助燃空氣管道上換向閥的閥板位置。助燃空氣通過(guò)Φ864換向閥進(jìn)入兩臺(tái)Φ1220換向閥，其中一臺(tái)Φ1220換向閥的上口是關(guān)閉狀態(tài)，助燃空氣進(jìn)入煅燒窯筒，此時(shí)另一臺(tái)Φ1220換向閥的側(cè)口是關(guān)閉狀態(tài)，助燃空氣無(wú)法進(jìn)入。在停窯換向時(shí)，Φ864換向閥的上口關(guān)閉空氣放散。Φ1220換向閥對(duì)于助燃空氣是關(guān)閉的，窯頂?shù)臒煔饨?jīng)過(guò)Φ1220換向閥排出。

助燃空氣量的計(jì)算：

CO+1/2O2=CO2 H2+1/2O2=H2O CH4+2O2=CO2+2H2O

為了使煤氣充分燃燒，并考慮安全操作，取空氣過(guò)剩系數(shù)11%，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，煤氣量根據(jù)實(shí)際熱值計(jì)算，燃燒空氣量要根據(jù)煤氣的可燃成分和用量來(lái)計(jì)算。

燃燒空氣量==（CO占煤氣中體積數(shù)/2+ H2占煤氣中體積數(shù)/2+ CH4占煤氣中體積數(shù)/2）×（每期耗量/小時(shí)）×（1/氧氣占空氣分?jǐn)?shù)×空氣過(guò)剩率）

考慮到每小時(shí)換向時(shí)間約為5分鐘，以環(huán)境溫度250C，海拔高度111米修正風(fēng)機(jī)風(fēng)量：Ve=燃燒空氣量×（60/55） ×（1.013/1.000） ×（298/273）

在實(shí)際操作中，還要根據(jù)大氣溫度、壓力修正計(jì)算風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

調(diào)節(jié)過(guò)量的空氣系數(shù)，它在某種程度上控制燃燒空氣的量，這使兩個(gè)豎窯內(nèi)沿燃燒區(qū)的溫度均勻分布（通常，Maerz PFR石灰窯燃燒區(qū)的溫度在燃燒區(qū)的任何點(diǎn)應(yīng)為約950C。太多的過(guò)量空氣導(dǎo)致燃燒區(qū)上部的燃燒溫度太高，這很危險(xiǎn)，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致塊形成，并損壞燒嘴噴槍?zhuān)瑖姌尡Ｗo(hù)箱和耐火襯里。過(guò)量空氣太少導(dǎo)致通道溫度高或離開(kāi)氣體的一氧化碳含量高，這也很危險(xiǎn)，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致窯通道的溫度太高，廢氣管道或布袋收塵室的一氧化碳排放過(guò)高或有爆炸危險(xiǎn)。在窯運(yùn)行期間，仔細(xì)觀(guān)察安裝在窯連接通道中的光學(xué)高溫計(jì)溫度讀數(shù)，從而確定過(guò)量空氣的正確值。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該控制系統(tǒng)在大型冶金輔料的實(shí)際應(yīng)用中，性能穩(wěn)定可靠，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)較成熟，能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要。