高爐制粉系統自動控制研究與應用

嚴銘偉

（內蒙古科技大學，內蒙包頭014014）

1 引言

高爐煤粉制噴技術采用價格更加低廉的煤粉代替昂貴的冶金焦，資源得到了更加合理的利用，因此其必將從根本上改變傳統高爐煉鐵在鋼鐵工業中的地位和作用。但是提高高爐煤粉制噴效益對高爐的設備、工藝，以及檢測、調節等自動化控制技術均有著較高的要求。對于煤制粉的控制、輸送控制和噴吹工藝控制等都屬于高爐煤粉制噴控制系統的一部分，由于該控制系統的控制目標沒有辦法直接測量，所以在控制過程中存在著一定的難度，本文就以高爐制粉系統的自動控制作為研究對象，簡要分析高爐噴煤制粉系統自動控制的層次結構和應用。

2 某鋼鐵企業高爐制粉系統自動控制系統的設計與配置

該企業煤粉制噴控制系統是高爐控制系統中的控制子站，相對獨立，分別是制粉電氣控制站和制粉噴吹儀表控制站。該控制系統結構主要包括控制站、操作站和網絡通信三部分，具體層次結構則有三層，分別是第一層：通過現場總線與DCS服務器相連進行通訊的遠程I/O總站。第二層：將DCS服務器與HMI相連組成的工業控制局域網。第三層：DCS服務器與廠級網絡的相連[1]。該系統的第一、二層主要負責完成數據的采集與設備控制，第三層則完成數據的收集、處理、分析和傳送。噴煤系統和制粉系統共同組成了高爐煤粉制噴自動化控制系統，彼此之間互不影響，此外，還可以將制粉系統自動控制分為儀表控制系統和程序控制系統，程序控制系統中的啟動、事故或有緊急信號時報警、自動停機、自動充氮等環節都采用PLC；儀表控制系統包含了磨煤機入口溫度控制、原煤倉料位控制、磨煤機負荷自動調節、尾氣再循環控制和主排風機流量調節控制等。為了確保制粉系統穩定運行，系統溫度、壓力和流量這三個要素都應該保持一定的穩定性。

3 自動控制在高爐制粉系統中的應用

3.1 磨煤機控制的改進

磨煤機控制是高爐制粉系統的主要控制對象，其氣源是將熱風爐廢氣與升溫爐高溫煙氣組合而成的混合氣體，而磨煤機所碾磨的煤粉干燥和輸送工作均在封閉的通路中進行，磨煤機控制系統中還設有收粉裝置。磨煤機控制主要包括磨煤機出口溫度控制與入口負壓控制。

3.2 磨煤機溫度控制的研究和改進

磨煤機的出入口溫度需嚴格控制，根據相關防爆要求，入口溫度不能超過290℃，出口溫度則不能超過90℃[2]。傳統溫度控制方案是通過升溫爐調節閥來調整溫度控制器，但磨煤量變化、原煤干濕狀況等因素均會給磨煤機的出口溫度的控制帶來困難，因此難以具備較強的溫度控制性能，極易出現溫度過低或過高的情況，溫度過低會造成煤粉結塊，溫度過高則會造成煤粉自燃。經過調試，該企業技術人員采用了如下控制方案：處于啟動和停機中的制粉系統，根據磨煤機的給煤量對溫度控制器進行控制；正常制粉過程中，升溫爐處于已經投入的狀態，此時調整溫度控制器則依靠升溫爐的調節閥。本控制系統中的溫度控制器設計為串級的方式，主調為磨煤機的出口溫度控制，復調則是入口溫度控制這一改進方式有利于溫度控制器相應速度的提高以及抗干擾能力的增強[3]。

磨煤機的出口溫度更加重要，且其實際控制工作具有較大難度，主要原因在于其極易受磨煤機負荷和原煤干濕程度兩種因素的影響。因此，在制粉自動控制系統中，技術人員可將磨煤機入口溫度控制作為副環，將出口溫度控制作為主環，這樣的設計不僅有助于系統抗干擾能力的提高，還可有效減少系統滯后。這一設計將出口溫度作為主要控制手段，加熱爐所產生的煙氣僅占整個干燥氣的5%～10%，其對風量所造成的影響并不大，對磨煤機負荷控制也有著積極意義。

3.3 磨煤機入口負壓控制的研究和改進

在制粉系統啟動和停機環節，磨煤機入口負壓控制的調整主要通過再循環閥進行，在正常制粉環節則主要通過熱風爐廢氣調節閥進行。但在實際應用過程中，溫度控制器與入口負壓控制器之間相互感染，這使得二者無法根據各自的被控信號變化進行控制。經反復調試，技術人員調整了控制方案：對于處于不同狀態的升溫爐，選用不同磨煤機入口負壓控制器的控制速度和溫度控制器的控制速度，使二者控制速度相匹配，并為不同狀態選用最為合理的PID控制方式，采用最快速度進行被控信號的響應，消除各種現場干擾。為防止控制器在切換過程中出現較大程度的波動，三種控制器還應進行相互的跟蹤控制。

3.4 系統流量控制的改進

中速磨煤機的形式確定了制粉系統的流量控制，下面將以常見的輥式中速磨與碗式中速磨為例進行介紹。輥式中速磨在調節制粉量大小時往往需結合供煤量，并且會提出磨煤機的入口風量要穩定的要求；碗式中速磨在調節制粉量時往往則通過磨煤機入口風量進行調節。兩種中速磨差異較大，因此在實際設計過程中一定要關注二者的區別。[4]由于操作人員在調節磨煤機入口風量時往往需通過主排風機入口的調節閥，而實際生產調試中常常會會出現調節閥滯后的現象，因此調節不靈活的問題時有發生，系統風量無法得到長時間的穩定。為避免以上問題對主排風機電機的破壞，操作人員可為其配置能夠低速啟動風機的液力渦合器，通過這一調節裝置來調節磨煤機入口風量，效果更佳，系統風量也將更加穩定。

3.5 磨煤機負荷自動調節的改進

為了確保煤粉倉重量在一定的范圍內和供煤平衡，本系統應用了以煤粉倉重量信號和噴吹量作為給煤機給煤量設定值的負荷自動調節控制設計。原控制方案如下：啟動后的給煤機根據加煤曲線不斷增加給煤量，直到最大值。對于正常范圍以內的煤粉倉重量，通過噴吹量設定值為磨煤機設定值，高出正常范圍后就采用煤粉倉料位信號和噴吹量加算后的值；停止后的給煤機則根據減煤曲線逐漸減少給煤量，直到最小給煤量。這一方案在實際調試過程中往往會因不同的工況狀態變化而對給煤量的設定值造成影響，進而將引發磨煤機負荷不穩定的問題。對此，該企業技術人員采取了以下改進措施：當制粉系統啟動時，由磨煤機出口溫度決定給煤量，對于出口溫度在偏差范圍內的磨煤機，給煤量不變，超出或未達到該偏差范圍的根據一定的速率相應減少或增大，但最大不能高出設定值，最少不能低于最小給煤量[5]；正常制粉過程中，給煤量應按照一定的速率增大，直至設定值；斷煤控制過程中，給煤量控制磨煤機出口溫度，那么隨著出口溫度的降低來減少給煤量，直到最小給煤量后停止給煤機。

4 結語

本文以高爐制粉系統為研究對象，簡要分析了其自動控制設計與配置，并以磨煤機溫度、入口負壓控制及其負荷控制為例，探究了其實際應用。經過改進，這一控制系統很好地保證了制粉系統的穩定性，同時還可為其他企業大中型高爐煤粉制粉系統的自動控制建設與改造提供一些借鑒。