Freelance系統在閃速爐沉淀池燒嘴控制中的應用

康冬榮

（江西瑞林電氣自動化有限公司，江西南昌 330038）

Freelance控制系統作為領導工業控制領域發展潮流的新一代控制系統，在全球已有數千套應用業績。在此基礎上，ABB開發了更新一代的產品——ABB FieldController 800現場總線控制器。該產品將全開放的現場總線技術引入到控制系統中，具有許多全新的技術特點，如控制器冗余及支持現場設備編程維護的FDT/DTM技術等[1]。Freelance I/O模件可直接與ABB FieldController 800現場總線控制器連接。本文以某銅冶煉廠熔煉車間閃速爐ABB Freelance DCS控制系統為例，對Freelance系統的硬件結構以及工作原理進行說明，介紹閃速爐沉淀池天然氣燒嘴燃燒系統的控制要點。

1 系統工藝設備介紹

閃速爐沉淀池總共有12套燒嘴，需配置12套燃燒器和配置1套調壓設備。

每套燃燒器天然氣管道上有天然氣流量計、流量調節閥、快速切斷閥、出口壓力檢測；助燃風管道上有空氣流量計和空氣流量調調節閥；每套燃燒器配置火焰檢測和天然氣泄漏檢測。

調壓站管道上設置溫度檢測、進口壓力檢測、出口壓力檢測、壓力調節閥以及天然氣泄漏檢測。調壓站壓力調節閥調節天然氣總管壓力。天然氣經過調壓站減壓后輸送到12個流量調節閥組。流量調節閥組分散布置，燃氣從流量調節閥組出來后經過管道輸送到爐前，再經過阻火器和金屬軟管進入燃燒器。燃燒器上設置有氮氣吹掃管路，能夠手動和自動吹掃天然氣道。燃燒器旁設置就地操作箱，能夠實現遠程和就地自動點火。

2 配置方案

控制系統配置1臺工程師站、1臺操作員站、1套冗余AC900FR控制器（含1對冗余CI 930F DP通信卡）、3個IO機架。每個機架配置兩塊CI840通信卡與冗余CPU上CI 930F DP通信卡組成冗余總線連接，1號IO機架上配置12塊DI卡 件，2號IO機架上配置8塊DO卡件，3號IO機架上配置3塊AO卡件、1塊RTD卡件、6塊AI卡件。

3 系統功能的實現

本控制系統主要完成12套燒嘴及1套調壓站設備控制和監視。所有信號接入現有DCS中，每個熔煉燒嘴配置防爆就地操作箱，操作箱可以實現對燃燒系統的操作及保護，設有啟動點火、開天然氣切斷閥、關天然氣切斷閥按鈕，及點火允許、運行正常、運行故障指示燈。所有設備的控制均可由現場操作箱或DCS來完成。

3.1 流量控制

燃燒器系統在正常情況下采用自動模式運行。在自動模式下，流量控制采用比例—積分—微分（PID）控制。流量控制的參數可通過DCS（人機界面）調節。從工藝的執行角度分為空燃比模式與單PID模式。在空燃比模式下，操作員可對燃料流量進行調節，助燃空氣流量將按預先設定好的比例自動進行跟蹤調節。在單PID模式下，操作員可分別對燃料流量和助燃空氣流量進行單獨設定。系統也可以進入手動調節模式，直接控制流量調節閥門的開度來控制流量大小。

3.2 壓力顯示

燃氣管路設有壓力顯示。在系統投運前，應對燃氣管路上各閥組壓力進行檢查，確定調壓閥站入口壓強為0.30～0.35 MPa，流量調節閥組壓強為20～50 kPa，燃氣壓力值是固定的，運行過程中不得隨意調動。

3.3 安全聯鎖

天然氣管路上配置了1個天然氣切斷閥，天然氣切斷閥為單作用，在失電、失氣的情況下可自動關閉。本系統在現場控制箱上設有急停開關，能夠直接切斷輸出回路，關閉天然氣切斷閥。天然氣壓力高高報、低低報、天然氣溫度高高報、天然氣泄漏高高報以及工藝連鎖條件都會觸發燒嘴自動停止程序。其中，天然氣溫度高高報、天然氣泄漏高高報需要停止所有沉淀池燒嘴工作，并且切斷天然氣總管閥，以保證安全。

4 燃燒系統使用

4.1 開車前準備工作

1）檢查各燃燒器燃氣進口總閥、氮氣進口總閥是否處于關閉狀態；管道連接燃燒器的所有閥門是否處于關閉狀態。

2）檢查設備各有關閥門、儀表空氣、現場儀表、現場控制箱內各個按鈕是否正常。運行條件指示燈是否熄滅；閃光報警器是否有報警，如有報警須先排除相應的問題。

3）檢查調試本單元所有設備是否靈活好用，是否符合要求。

4）在手動控制切換自動控制時，各流量設定值幅度≤5；每次開火和關火前都要打開氮氣管路中的切斷閥進行吹掃。

4.2 開車步驟

1)調壓站。依次打開調壓站天然氣進口手閥、天然氣進口總管切斷閥、天然氣調節閥兩旁的上下游手閥；關閉天然氣調節閥旁路閥。DCS上操作調壓站區域聯鎖/解除按鈕使其處于解除狀態，調節輸出為零，壓力調節閥全關；壓力調節PID切到自動狀態，緩慢調節天然氣壓強調節閥，使閥后壓強穩定在20～50 kPa，準備將天然氣引入閃速爐沉淀池各流量調節閥組系統。

2)沉淀池燒嘴。首先將現場操作箱遠程就地按鈕切換到遠程位置，在DCS上操作燃燒器區域聯鎖/解除按鈕使其處于解除狀態；依次打開沉淀池天然氣進料手閥、天然氣調節閥兩旁的上下游手閥，關閉天然氣調節閥旁路閥，打開助燃空氣調節閥，通入助燃空氣。操作人員將天然氣流量調節PID切到手動，調節輸出為零，使流量調節閥全關；將天然氣切斷閥打開，同時再按下點火按鈕，使點火變壓器動作，點火槍打火大約10 s；此時，緩慢手動調節天然氣流量輸出，慢慢打開使流量調節閥將天然氣引入燃燒槍；當火焰檢測器檢測到火焰，說明點火成功。特別注意：助燃空氣調節閥一定要提前打開4～5 s后，再打開天然氣流量調節閥，使助燃空氣先通入燃燒器。

逐步提升助燃空氣流量，使火焰加強，逐漸調節天然氣流量輸出，使天然氣流量達到240 m3/h，工藝達到負荷標準。觀察火焰是否呈藍色，是否剛性強、明亮白炙，火焰長度是否符合要求，是否無黑煙。若燃燒火焰發暗或發紅，甚至冒煙，說明助燃空氣量不夠，應調節助燃空氣流量輸出，加大供氧量。

系統穩定一段時間后，將天然氣流量PID設定切換到自動狀態，設定需要的流量值，系統將按照設定好的控制參數進入到自動控制狀態。將天然氣/助燃空氣流量比值設定好（參考數值1∶12），系統將按照比值參數進入比例調節狀態。

4.3 停車步驟

停車分兩類情況：一種是正常停車，它包括手動關火和系統緊急停車；另一種是系統異常導致的停車，包括天然氣壓力異常、助燃空氣壓力異常、火焰檢測異常等。系統發生異常停車后，閃光報警器上會有顯示，蜂鳴器會不停鳴響，同時系統異常指示燈會點亮以提示操作人員注意。操作人員只要按下DCS上的消音按鈕，即可消除報警音響，但閃光報警器會一直亮著，直到故障消除后才熄滅。系統發生異常停車，相關閥站上的氮氣吹掃閥自動打開，吹掃30 s后關閉。手動停車，只要操作人員按下DCS上的停止按鈕，系統就會按照一定的步驟自動停車。具體步驟為：關閉天然氣切斷閥，自動打開氮氣吹掃閥吹掃。系統停機時，應將天然氣流量手／自動按鈕切換到手動狀態，調節輸出為0，使流量調節閥全關。

5 結論

綜上所述，該控制系統實現了對閃速爐沉淀池天然氣燒嘴生產工藝參數的全面監視，并實現了對天然氣燒嘴點火、停火、天然氣燃燒過程的自動化控制及安全聯鎖保護。現場所有燒嘴程序都經過了嚴格測試，閃速爐投料后仍然保持穩定運行，可以在類似天然氣燒嘴控制系統項目中進行推廣。