高爐鼓風機撥風系統控制儀表方案優化及選型

李 妍

(中冶南方工程技術有限公司智能制造事業部,湖北 武漢 430223)

0 引言

高爐鼓風機產生的壓縮空氣經熱風爐加熱,產生高溫(大于1 000 ℃)熱風。送風系統將高溫熱風送入高爐爐膛作為氧氣來源,與原有氧氣、焦炭和煤粉一起燃燒,生成還原劑。燃燒產生的壓力有助于減弱供氣和料柱阻力,同時保持爐頂壓力高于大氣壓。在高溫和正壓的支持下,鐵礦石在高爐內被還原劑完全還原成鐵水,形成爐渣。由于鐵水比爐渣重,導致爐渣浮于鐵水上方。正常情況下,高爐約2 h各出1次鐵和渣。若在出鐵前鼓風機出現緊急停機等故障,會導致送風壓力急劇下降,還未分離的鐵和渣混合物倒灌入風口并凝結,即風口灌渣[1]。

為了解決上述問題,緊急撥風系統可將高爐高溫熱風通過撥風聯絡管道引到出故障的高爐風道內,以解決壓力不足所產生的一系列問題,從而防止風口灌渣的發生。緊急撥風系統是保證高爐安全、穩定、高效運行的重中之重。其中的控制儀表更是支撐和控制整個拔風系統的關鍵。

本文結合儀表控制學原理,對鋼鐵廠高爐撥風系統的控制原理、重要儀表的設計選型及需要解決的關鍵問題進行了深入的研究和分析[2]。

1 工藝撥風的要求和控制方案

某鋼廠有高爐4座、鼓風機4臺,現新增2臺鼓風機,可實現風機之間互相撥風。新增鼓風機在常規工況下向1#高爐和2#高爐送風。改造后,4臺鼓風機在常規工況下向3#高爐和4#高爐送風。如果其中1臺在線運行風機機組出現故障突然停機,導致無法正常供風時,高爐將會在30 s內“坐料”,甚至出現風口灌渣。為了避免上述問題,撥風系統必須在規定時間內啟動,將另一臺正常運行的風機機組供風母管通過快速撥風閥組送入故障機組供風母管。為規范撥風系統的觸發條件,工況需要同時滿足下列3項條件才可觸發。

①高爐側冷風總管壓力異常迅速地降低到撥風壓力。

②高爐配套鼓風機出口止回閥關閉到位,避免冷風倒灌回鼓風機。

③鼓風系統處于非計劃減風狀態,避免誤撥風。

依據工藝要求,撥風系統中的2臺風機機組可以互相撥風,系統能夠監測撥風氣動閥兩側的風壓、氣動閥/電動閥的狀態、撥風流量,并且使撥風流量穩定在1 500 Nm3/min左右。為滿足工藝要求,以下3個方案可供參考。

1.1 調節電動閥定風量

方案一為調節電動閥定風量。通過調節撥風管前后電動閥到一定開度,保證流量大小保持在1 500 Nm3/min左右。

方案一的撥風流程如圖1所示。

圖1 方案一的撥風流程圖

方案一較經濟實用,為節流件前后直管段預留了充裕的長度,以保證流量計的計量更加準確。利用流量計前后電動閥門調節開度至定角,可達到穩定流量的目的。電動閥門調整開度需要經驗累積和現場多次校準相互配合。經核準后的電動閥開度是在流量穩定在1 500 Nm3/min左右時確定的,故確定后不可再改變。改變會使本來作為檢修的電動閥門失去檢修的意義。

1.2 設置調節閥開度定風量

方案二為設置調節閥開度定風量。撥風管流量計前后各設置1個調節閥以調節流量的大小,使流量穩定在1 500 Nm3/min左右。

方案二較好地解決了雙向流量大小控制的問題,達到了減少壓損的目的。調節閥位于流量計前,以限流降壓。介質雙向流向可以控制流量計后的調節閥全開,以減少能量損失。但粗略穩定的工況用2個調節閥來控制未免有些大材小用,故此方案性價比不高[3]。

方案二的撥風流程如圖2所示。

圖2 方案二的撥風流程

1.3 設置限流孔板定風量

方案三為設置限流孔板定風量。在流量計前后各設置1個限流孔板以保證流量大小保持在1 500 Nm3/min左右。方案三的撥風流程如圖3所示。

圖3 方案三的撥風流程

方案三為控制雙向流量大小的常規做法。與方案二相比,由于方案三設置了2塊限流孔板,使得節流件的直管段相對較短。這里需要選擇直管段相對要求較低的流量計,如超聲波流量計和非標插入式節流件。該方案被選擇作為鋼廠的確定方案運行至今,各方面指標正常,運行狀況良好。

2 儀表選型

2.1 限流孔板

限流孔板是1種雙功能孔板,具有測量和節流的雙重功能。測量體現在可用作流體流量測量元件;節流體現在可限定流量和降低壓力。其節流工作原理如下:當孔徑一定時,由于孔板兩側具有壓力差,壓力差會與流量大小成正比;當壓力差大于特定數值(稱為臨界壓力)時,通過孔板縮孔處的流速達到音速(最大流速);此時再增大流體壓差也無法增加流速,故能起到限定流體流量和降低壓力的作用[4]。

限流孔板的計算依照標準HG/T 20570.15—1995設置。

2.1.1 限流孔板孔數的計算

①管道公稱直徑小于或等于150 mm時,一般采用單孔孔板;大于150 mm時,則采用多孔孔板。多孔孔板的孔徑(d0)一般可選用12.5 mm、20 mm、25 mm、40 mm。

②孔數的確定。

對于單孔孔板,孔數為1。而對于多孔孔板,首先按單孔孔板的條件算出孔徑,然后依據式(1)計算出多孔孔板的孔數。

(1)

式中:N為多孔孔板的孔數;d2為單孔孔板的孔徑。

2.1.2 限流孔板板數及每板兩側壓力的計算

①氣體。

為了避免限流孔板的管路出現阻塞流,當限流孔板后的壓力小于板前壓力的55%時,要選擇多板(不能使用單板)。其板數要保證每板的板后壓力大于板前壓力的55%。

(2)

式中:n為總板數;P1為多孔孔板第一塊板的板前壓力,Pa;P2為多孔孔板最后一塊板的板后壓力,Pa。

(3)

式中:P′m為多孔孔板第m塊板的板后壓力,Pa。

結合每塊板前后的壓力,可以算出每塊孔板的孔徑。n圓整后,重新分配各板前后壓力。

②液體。

當液體壓降小于或等于2.5 MPa時,選擇單孔孔板。當液體壓降大于2.5 MPa時,選擇多孔孔板,且使每塊孔板的壓降小于2.5 MPa。

(4)

計算出n值后,將n圓整為整數,再按每塊板上的壓降相同的原則,以整數來平均分配每塊板的前后壓力。

2.1.3 單板限流孔板孔徑的計算

①氣體。

孔板孔徑計算方法見式(5)。

(5)

②液體。

(6)

式中:Q為工作狀態下的體積流量,m3/h;ΔP為通過孔板的壓降,Pa:γ為工作狀態下的相對密度。

2.1.4 限流作用的孔板計算

由于流體介質呈雙向流向,需要在流量計上游(正、反兩處)設置正向和反向2塊限流孔板。若只需要限流,則沒有直管段要求。DN600的管子中,孔板本身大約占100 mm。經核算后,所選限流孔板的差壓為P=0.165 MPa,開孔徑比β=0.527 6。實踐證明,在雙向流量計測量限流后的雙向流量時,前后各1塊限流孔板的設置在撥風系統的配置中比較好地解決了撥風后流量突增影響爐況順行和煤氣流分布的問題[6]。

2.2 關于雙向流量計的選擇

①超聲波流量計。

較常規差壓式流量計,超聲波擁有非接觸式、無壓損、量程比寬、不受流體粘度和電導率影響等優點。超聲波流量計的測量與超聲信號在介質中的傳播時間有關,可以進行雙向流量的測量。其缺點是價格相對較高[7]。

②楔形流量計。

楔形流量計為非標節流差壓式流量測量儀表。它的一次傳感器是楔形節流件(也稱V字形楔塊),圓滑頂角設計方向朝下。這種設計有利于粘稠液體或含懸浮顆粒的懸濁液順利通過,避免在節流件上游產生滯流。節流體的正三角體形狀設計保證了介質正反向流動都會產生相同對應流量的差壓,故可以測量雙向介質。但是其特殊的結構形式和安裝方式會導致整體節流元件較重,增加了現場施工和安裝的難度[8]。

③皮托管差壓式流量計。

皮托管一般分為S型和L型這2類。S型皮托管相對L型具有更好的防潮和防堵能力。本文根據實際需求,選用S型皮托管式風速傳感器來測量雙向流量。S型皮托管的結構是由2支相同管徑的皮托管相對焊接而成。該結構可方便測量風流信號的全壓和靜壓。由于靜壓是空氣分子不規則運行撞擊管壁而產生的壓力,故靜壓口設計在背對風流的端口。全壓口設計在面向風流的端口處。全壓和靜壓的差值為風速對應的差壓值。管體對稱制作的工藝使得流量計可以測量雙向流量[9-10]。

2.3 二次儀表的選擇

①2個壓力變送器。

介質流向是雙向的,故選擇2個壓力變送器相減的方法來測量壓力。該方法表面上看可行,但是由于每臺變送器存在精度誤差的問題,若假設單個壓力變送器的精度為±0.065%,且2個變送器都是同一精度,則2個變送器整體精度變為±0.13%。這種差壓誤差被放大會導致測量精度急劇下降。而如果增大單個變送器的精度,則成本會大幅提升。

②雙差壓變送器。

當介質正反向流動速度完全相同,且對于精度的要求不高時,測量雙向介質流量的常規解決方法是在每個方向設置1個差壓變送器。

③單差壓變送器。

使用1個差壓變送器搭配雙向流量計的方案也可實現雙向介質流量的準確測量。這種方案節省了成本,是1種經濟實用的新型方案。使用過程往往需要將1個差壓變送器的信號分成2個區間,即4～12 mA和12～20 mA,因此加大了實現開方功能的復雜程度。這不僅需要增加功能模塊,還要在可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)上修改組態以實現相應功能。如果實際工況是操作人員僅需要知道反向流量是否發生而不需要定量時,則可以直接使用現有的單差壓變送器且完全無需修改相關設置。當流量為0時,差壓變送器信號輸出設定為4 mA;如輸出信號小于4 mA即可認定是反向流量。現代化的流量測量技術要求差壓變送器具備重新設置量程的功能,現階段的PLC也具備差壓變送器量程分割的能力。此外,實現雙向流量測量中的開方功能有2種方法:將雙向流量功能塊安裝于PLC上;將雙向流量的開方功能直接在流量計上實現。在實際應用中,針對規則或不規則的流量,往往需用信號來區分介質流動方向,例如設置4～12 mA為正向、12～20 mA為反向。在規則流量的測量中,可以按照量程的蹭點來建立0點以區分正反向。對于不規則的流量,采用計算的方法可得到0點[11]。

3 結論

本文選取高爐鼓風機拔風系統的儀表設計為研究對象,針對設計過程的選型和優化技術難題,系統地闡述了對應的規范和選型設計思路。該設計思路已經應用于某工程項目,且該項目已于2021年順利投產。投產至今,項目運行穩定。該設計思路具有普適性,適合推廣應用。

在已經取得的成功案例的基礎上,本文進一步提出了改進的新思路,例如完善鼓風機的網絡系統、設定風量控制系統、增加風機系統內設定風壓的功能。當撥風閥開啟時,讓被撥風風機自動切換為定風壓運行,此時送風壓力恒定,可保證被撥風高爐在給其他高爐撥風時不受干擾地運行。這些設計思路有待后續落地。