高爐噴吹系統自動控制研究與應用

李輝

（內蒙古科技大學，內蒙古包頭014014）

1 引言

社會經濟發展速度的加快使得鋼鐵企業的競爭越來越激烈，提高生產作業率、降低企業成本、提高控制系統的自動化水平已經成為各個企業的必然選擇。目前，我國不少鋼鐵企業都在開展適應性改造，如此才能提高企業競爭力，而本文將重點闡釋的高爐噴吹系統就是改革內容之一。從高爐風口向爐內直接噴吹出磨細的無煙煤粉、煙煤粉或兩者的混合物代替了部分焦炭所提供的熱量和還原劑[1]，進而可達到節約企業生產成本的目的，而高爐噴煤自動控制系統的正常運轉以及節能降耗的完成與其自動控制系統的設計與應用密切相關。

2 高爐噴煤系統簡介

高爐噴煤系統包括原煤儲運、制粉、噴吹和供氣等工藝環節，具體構成如下[2]：

①原煤儲運系統：原煤儲運系統包括煤場，永磁除鐵器，M1、M2、M3皮帶輸送機與寬帶給料機等。

②制粉系統：制粉系統主要有煙氣爐、磨煤機、給煤機、布袋收粉器、木屑分離器、高溫風機、密封風機、助燃風機、主引風機、設備相關閥門以及防爆抑爆與檢測控制設備。具體工序則有干燥與研磨、收粉與除塵等。

③噴吹系統：噴吹系統通常是先在噴吹罐組內充以高壓氮氣，再經過混合器引入高壓氮氣后將煤粉噴入高爐，其主要有并列式噴吹罐、種閥、硫化裝置等組成。

④供氣系統：噴吹系統的運行及整個噴煤系統的安全與供氣系統密切相關，其主要有高低壓氮氣和氧氣組成。

3 高爐噴吹系統自控系統的設計

3.1 系統綜述

高爐噴吹系統主要由上位機、PLC和現場控制的各控制單元組成，上位機可同時完成制粉和噴吹工藝，該單元安裝有兩臺計算機，可對系統的運行狀況、制煤工藝的執行情況以及故障燈進行有效的監控，兩臺計算機可相互備份。系統各個部分的數據傳輸與共享均通過以太網實現。上位機發出停機指令后，處于工作狀態的系統就會每隔一段設定時間停止一個機組，直至停止最后一個機組。觸發報警指令后，上位機會立刻彈出報警提示界面并要求停車，如果這一信號未得到反應，系統就會自動運行技術人員事前設定的工藝要求，確保系統的安全與穩定。

3.2 系統硬件結構

該系統硬件網絡由遠程控制模塊、PLC和上位機計算機通過PORFIBUS-DP連接，遠程控制模塊組從站之間的數據交換采用周期I/O模式，也就是采用主從式數據交換方式周期地將數據從從站發回主站，主站經過計算后再將響應傳回從站，進而實現數據的傳輸[3]。在系統各個部分的PLC運算周期內，主站CPU與接口模塊之間的數據交換主要是通過內部數據總線完成，而從站的數據交換則通過布爾處理器與通信處理器。

3.3 系統程序設計

在PLC程序設計上，通常設有5個FC塊和1個OB塊，OB塊是主程序塊，是執行程序的入口，而5個FC塊則主要負責設計工作。當選擇自動時，系統會自動執行FC13（制粉過程的自動控制程序）和FC14（噴吹過程自動控制程序）[4]；當選擇手動時，技術人員可根據實際的工藝流程在上位機執行操作，同時運用FC11（制粉過程手動控制程序）與FC12（系統整體手動和自動調節）。高爐噴吹過程實質上包含泄壓、加料、加壓以及噴吹四個過程，值得注意的是在不同動作條件下不同的閥應處于不同的開閉狀態下。

3.4 畫面功能

高爐噴吹系統在計算機監控和自動控制所有設備時采用WINCC畫面監控軟件和STEP7編程軟件，不僅具備自動采集/處理工藝數據、自動/手動啟停、自動調節PID回路的功能，還具備顯示工藝畫面動態、緊急停噴報警以及顯示歷史和實時趨勢記錄等功能。下面將簡單介紹該系統的畫面功能。

①主畫面：高爐噴吹系統的高爐煤氣、熱風廢氣、中低壓氮氣的溫度、壓力與流量等數據均通過主畫面顯示，以及噴吹系統的相關流程也通過主畫面進行監測。主畫面設計包含各類型設備和閥門控制按鈕以及手自動等各個畫面間相互切換的按鈕。原煤倉料位過高或過低的情況下，主畫面均會通過閃爍的方式進行實時報警。技術人員還可通過畫面完成自動調節與軟手動調節以及各個閥門的開啟及操作等工作。

②監控畫面：監控畫面的主要功能是顯示噴吹系統的溫度、壓力和流量分布狀況，同時還負責完成各個閥門的啟停與狀態監視。

4 高爐噴吹系統自動控制的實際應用

4.1 煤粉預熱噴吹

常規煤粉噴吹法所產生的噴吹量較低，煤粉的燃盡率也不高，而煤粉預熱噴吹法則在降低焦比、提升企業效益方面具有更大的優勢。煤粉經過預熱后可提前熱解，之后再進行噴吹有利于其燃燒氣化，同時還可促進熱風溫度的提升以及煤粉在回旋區停留時間的延長。煤粉預熱噴吹模式下，煤粉的燃燒區域可得到遷移，其燃盡率自然可得到提高。實踐經驗表明，預熱溫度每提高50℃，煤粉的燃盡率平均就會提高2%[5]。

4.2 自動倒罐作業

目前不少高爐噴吹系統都采用了并列乃至三列的罐噴煤裝置，以并列罐噴煤的自動倒罐作業為例，兩個噴吹罐并列置于一個煤粉倉下，一個罐噴吹時，另一個罐卸壓裝煤后沖壓進入備用狀態，當噴吹罐噴完并完成卸壓、裝煤、充壓與均壓等一系列操作后，備用罐開始進行噴吹。自動倒罐作業可實現煤粉的連續噴吹，降低了手動操作中較易出現的空煤和重煤問題的發生幾率，操作人員勞動強度過大、誤操作等問題也可避免。為防止因煤粉層被擊穿而造成向高爐空吹，一般應在噴吹罐內保留總煤粉的10%左右的煤粉量。不管系統處于何種狀態，一旦壓力過低或過高，系統將自動關閉所有下煤閥和補壓閥，同時還將彈出窗口進行聲光報警。如果相關閥門出現了故障，操作人員可視實際情況對系統進行人工干預，可直接跳過此步后繼續作業，也可按下噴吹停止按鈕，停止自動倒罐作業，轉入手動倒罐作業。

4.3 自動調節回路

高爐噴吹系統分為內、外兩環，內環為噴吹罐罐內壓力自動調節回路，外環則為噴吹速度自動調節回路。由于自動調節回路系統會受到煤粉品種、濕度、溫度等因素的影響，因此系統無法一直保持理想的且均勻的噴吹狀態。針對這一問題，技術人員需頻繁調節回路，且應選擇合適的時間間隔來輸出調節信號，以防頻繁的手動操作對調節效果的影響。延期發生爐高爐煤氣、空氣流量均采用單回路閉環調節，自動調節程序則采用周期運行的服務方式。

5 結語

高爐噴吹系統增加了自動控制的集成程度，實現了煤粉預熱噴吹、自動倒罐作業與自動調節回路，可有效降低對原料的要求，進而可降低企業生產成本，而且便于及時發現并消除隱患。