承鋼燒結(jié)料水分自動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)

佟 慶

（承德鋼鐵集團，河北 承德 067002）

燒結(jié)混合料加水就是在一次和二次混合機中加入適量的水，使混合料具有一定的水分，促進其制粒，由此獲得較好的物料透氣性和濕度。一般來說，燒結(jié)混合料最適宜的水分范圍較窄，超過0.5%時，對混合料的成球性即產(chǎn)生顯著的影響[1]。目前燒結(jié)系統(tǒng)混合料加水是由人工憑經(jīng)驗通過手動閥門來實現(xiàn)，而水分檢測方式則是取樣化驗的方式。水含量反饋存在極大滯后，且滯后時間不定。水分控制精度低，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。

本文研究影響燒結(jié)料水分波動和控制的各項因素。設(shè)計開發(fā)一套燒結(jié)混合料水分自動控制系統(tǒng)。可以同時在燒結(jié)機主控室及現(xiàn)場值班室完成混合料水分目標設(shè)定和過程控制。系統(tǒng)存儲歷史數(shù)據(jù)和變化趨勢為查詢和分析提供便利。實現(xiàn)燒結(jié)混合料水分的在線檢測與自動控制。

1 工藝現(xiàn)狀考察

1 號燒結(jié)機使用一臺一次混合機、一臺二次混合機進行加水和物料混合。一次混合機長度約14m、混料時間在2.5 分鐘左右，一混前皮帶運行速度約為1.3m/s，一混前皮帶裝有皮帶稱。混合機入口有一路污泥管道安裝有調(diào)節(jié)閥、流量計。一混機尾有一路DN50 的加水管道加入清水。

在正常的生產(chǎn)中一混以加污泥水為主，清水輔助補充，在加水量不夠的情況二混加入少量清水微調(diào)。從煉鋼車運到燒結(jié)的污泥水，以平均每班6 至7 車的頻率運至燒結(jié)的污泥混合池，加入清水攪拌保持水位穩(wěn)定。現(xiàn)場考察一混加22.7t/h 污泥、補充6t/h 的清水。

2 水分波動主要因素分析

造成混合料水分波動主要因素有以下幾點：

（1）原料水分不可控：如是否露天，天氣情況，物料堆疊方式、存放時間等。均會導(dǎo)致物料原始水分波動和不可測，從而影響混合料水分控制精度的重要因素之一[2]。

（2）原料的取樣及水分化驗準確性影響：原料的水分率采取取樣送化驗室分析的方式檢測，取樣分析不連續(xù)，化驗出的原料水分率也只具有一定范圍的代表性。

（3）原料配料精度的影響：配料精度受配料秤設(shè)備的計量精度和動態(tài)給料控制精度、以及整個配料控制系統(tǒng)的連鎖控制精度的影響。其中，配料秤設(shè)備的計量精度是影響混合料水分控制精度的重要因素。

（4）生石灰消化及粉塵加濕的影響：生石灰在加水消化過程中會消耗一部分水分，消耗水分的多少與生石灰中氧化鈣含量的多少相關(guān)。消化過程中伴隨著反應(yīng)熱量的生成，也會蒸發(fā)掉一部分水分。

（5）混合工藝的大滯后影響：一般燒結(jié)廠混合制粒工藝大約有7 分鐘左右時間，其中一混約2～3 分鐘，二混約4～5 分鐘。如此長時間的大滯后對自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制是非常不利的。

（6）其他因素的影響：主要是工藝流程的不確定因素造成混合前原料水分的波動。如部分除塵灰不參與統(tǒng)一配料，直接卸在混合機前的給料膠帶機上。少量的污水回收利用時，在沒有檢測和控制的情況下，直接加入混合機內(nèi)等。所有這些都會影響混合料水分控制精度。

3 實現(xiàn)自動控制要點

第一、保證控制精度：工藝要求控制精度較高（最低達到±0.4%），所以需要直接使用實測出口含水量作反饋，來保證準控制精度[3]。

第二、反饋滯后：含水量檢測存在大滯后，反饋控制必須緩慢，否則很容易超調(diào)并產(chǎn)生較大幅度的震蕩。

第三、需要前饋：系統(tǒng)需要加入部分快速擾動量作為前饋，來改善系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能。

第四、入口水含量作為非常重要控制參數(shù)，但不易測得。原因有：首先混合料本身不均勻，根據(jù)配料的先后順序分層。其次待混料中的生石灰因為沒有加水，硝化反應(yīng)吸收水分的部分無法檢測且很難計算。所以考慮利用其他相關(guān)的可測變量對“混合料原水分”進行軟測量。

4 自動控制方案

整個測控系統(tǒng)中，燒結(jié)料皮帶稱重量信號為前饋信號，一混燒結(jié)料出口的紅外水分檢測信號為反饋信號，共同組成前饋反饋綜合控制系統(tǒng)控制[4]。測控系統(tǒng)同時接收前饋、反饋信號，經(jīng)過綜合計算后，自動調(diào)節(jié)控制給水量的大小，達到穩(wěn)定混合料水分的目的。

圖1 混合原料水分的計算和時序分析

式中M——混合料出口水含量，單位%。

T——加水流量，單位t/h。

W——混合料流量，單位t/h。

M1——混合料原水含量，單位%。

我們設(shè)在混合料剛進入混料桶的時刻為T0；需要計算的“混合料原水分”也是T0時刻的。但在上式中參與計算的“出口水含量”、“加水水流量”和“混合料流量”中僅有清水流量檢測值是T0時刻的。

物料的重量是超前的：超前時間為皮帶秤到混料桶的時間，因為皮帶勻速運轉(zhuǎn)可以通過模擬量延時來實現(xiàn)。所以可以使用延時到T0時刻的料重代替。

出口水含量檢測是滯后的：在實際生產(chǎn)過程中混合料比例固定，原混合料水含量幾乎不變，所以在2 分鐘內(nèi)的變化量微乎其微。原料水分有著大滯后的軟測量可以在這個慢時變系統(tǒng)中使用。

一次混合機加水量的計算方法如下：

進入混合機的原料流量為W(t/h)，經(jīng)過混合機加入水流量為T(t/h)，出口料的含水量為M(%)，原料含水量為M1(%)，可以得到式(1)：

由式(1)得式(2)。

M1=M-(T/W) 將1-M 近似為1，忽略了原料中水的重量根據(jù)生產(chǎn)過程中的相對穩(wěn)定性，以上一段時間的計算得到的M1指導(dǎo)下一個時間段的計算，設(shè)此時所需水量為T1，目標水分為Mu，則所需水量為：

前饋部分+反饋部分*0.3。

前饋部分將1-Mu 近似為1，再一次忽略了設(shè)定料水分的重量。

反饋部分輸出能力為±15t/h 的加水量，是正常工況下±2%含水量的控制范圍。

在實際使用中考慮到現(xiàn)場對污泥一個消耗的問題，在生產(chǎn)過程中定量添加污泥水，以調(diào)整清水量控制燒結(jié)混料的水分。定量添加污泥水的量在70%左右，控制清水的加水量在5-6t/h 的范圍這樣線性調(diào)節(jié)閥控制水量的加減比較順暢。

5 自控系統(tǒng)實施

在一混混合料出口裝配一臺水分儀，在一混的加水管道上添加兩條控制回路，該回路中包含流量計一臺，電動調(diào)節(jié)閥兩臺和切斷閥兩臺。

圖2 現(xiàn)場管路安裝圖（管徑根據(jù)實際情況調(diào)整）

（1）水分儀安裝就位于一混圓筒出口輸送帶上方；同時在皮帶前方安裝保護裝置，具體安裝圖在施工資料中一并提供。

（2）電動調(diào)節(jié)閥、電磁流量計、切斷閥安裝在工業(yè)清水的加水管道上。

（3）探頭須用空氣清潔，所以必須在空氣壓縮站接入壓縮空氣并凈化和脫水處理。

主控室裝配工控機一臺，用于記錄、分析水分儀測量數(shù)據(jù)，并形成混合料水分的歷史曲線以及告警畫面。現(xiàn)場控制室配工控機一臺，主要用于操控加水調(diào)節(jié)閥以及系統(tǒng)的手自動方式切換和顯示各項參數(shù)等。信號交換采用光纖通訊。

6 結(jié)論

系統(tǒng)經(jīng)過一段時間的調(diào)試投入使用，實現(xiàn)生產(chǎn)中混合料水分的自動控制，且控制精度達到±0.3%。保證了燒結(jié)料水含量的穩(wěn)定。但系統(tǒng)仍存在一些不足，如燒結(jié)機停機過程或大幅減料時，輸出加水量可能低于下限值，需要手動減少污泥水的加入量。正常生產(chǎn)過程中需要最大限度保證污泥的濃度與加入量。停、送污泥時和啟停車時因為混合料含水量與目標差別太大，系統(tǒng)不能做出快速相應(yīng)，需要人員干預(yù)控制，到目標接近范圍再投自動。還需要進一步研究與優(yōu)化。