Research on Automatic Setting of Tank Pressure and Pulverized Coal Flow Control for BF PCI

姚曉偉

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上?！?01900)

高爐噴煤罐壓自動設(shè)定及煤粉流量調(diào)節(jié)研究

Research on Automatic Setting of Tank Pressure and Pulverized Coal Flow Control for BF PCI

姚曉偉

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海201900)

摘要：隨著高爐噴煤量的不斷增加，噴煤量的波動也呈不斷增加的趨勢。依靠人工手動調(diào)節(jié)各種參數(shù)，使噴煤量控制在一定的偏差范圍內(nèi)的操作方式大大增加了操作工的勞動強(qiáng)度,同時，噴煤量的波動也給高爐的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了嚴(yán)重的影響。介紹了一種高爐噴煤系統(tǒng)中噴吹罐罐壓根據(jù)噴煤量自動設(shè)定的控制方法。在混合器后總管上增加流量調(diào)節(jié)閥，并通過軟件實(shí)現(xiàn)PID自動調(diào)節(jié)。該方法降低了操作工的勞動強(qiáng)度，提高了噴煤的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：高爐噴煤瞬時噴煤量罐壓煤粉流量調(diào)節(jié)折線函數(shù)PID算法

Abstract：Along with the increasing of the quantity of blast furnace pulverized coal injection (BF PCI), the fluctuation of the quantity of PCI is also increasing. In order to control the quantity within certain range, manually adjusting various parameters make labor intensity greatly increased, and the fluctuation severely affected the stable operation of the blast furnace. Thus, the control method of setting the pressure of injection tank automatically in accordance with the quantity of PCI is introduced. The flow control valve is added on the rear pipeline of mixer, and PID automatic regulation is implemented through software. The method enhances the stability and production efficiency of PCI, and reduces the labor intensity.

Keywords：Blast furnace pulverized coal injection (BFPCI)Instantaneous pulverized coal injection rateTank pressurePulverized coal flow controlPolygonal functionPID algorithm

0引言

高爐噴煤是高爐大幅度降低焦比和生鐵成本的重大技術(shù)措施，是推動煉鐵系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步的核心力量。高爐噴煤系統(tǒng)由制粉、噴吹兩大系統(tǒng)及相關(guān)的輔助設(shè)施構(gòu)成，其中高爐噴吹系統(tǒng)主要包括一個煤粉倉、三個呈“品”形并列布置的噴吹罐、一個混合器和兩個分配器[1]。每個分配器分別配有若干根噴吹支管，分別對應(yīng)高爐的每個風(fēng)口，煤粉通過噴吹支管噴入爐內(nèi)。每一個噴吹罐均按裝料、加壓、等待、噴吹、泄壓、再裝料的程序循環(huán)交錯地進(jìn)行。如果其中一個噴吹罐出現(xiàn)故障，在正常情況下另兩個噴吹罐仍可完成連續(xù)噴吹的任務(wù)[2]。

隨著高爐噴煤量的不斷增加，煤粉噴吹由原來的每小時噴吹70~80 t提高到100 t以上，噴煤量的波動也呈不斷增加的趨勢[3]。雖然每個小時噴煤量計算值的波動尚在允許的范圍內(nèi)，但要靠人工的不斷干預(yù)、隨時手動調(diào)節(jié)各種參數(shù)才能確保噴煤量在一定的偏差范圍內(nèi)，這樣的操作方式使操作工的勞動強(qiáng)度大大增加。此外，噴煤量的波動給高爐的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了嚴(yán)重的影響。因此，有必要進(jìn)行研究并采取相關(guān)措施，盡可能減小噴煤量的波動，為高爐穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造條件。影響高爐噴煤的因素有很多，如高爐風(fēng)壓波動、氮?dú)饬坎▌拥?。本文僅從優(yōu)化罐壓設(shè)定操作、增加煤粉流量調(diào)節(jié)閥、編制相應(yīng)控制程序的角度來減少瞬時噴煤量的波動[4]。

1煤粉流量調(diào)節(jié)閥的設(shè)置

三個噴吹罐的下煤管匯集成一根管線與混合器連接，在混合器后端增加一臺可精確測量噴煤量的流量計和一個煤粉調(diào)節(jié)閥。利用煤粉流量計實(shí)時檢測主管輸送煤粉管道內(nèi)的煤粉量，通過流量變送器檢測并反饋回中控DCS系統(tǒng)，同時由新增加的煤粉調(diào)節(jié)閥來擔(dān)當(dāng)和執(zhí)行調(diào)節(jié)與控制煤粉噴吹量的任務(wù)。為了確保噴吹系統(tǒng)的安全性，煤粉流量調(diào)節(jié)閥選擇為氣開閥，即當(dāng)儀表氣源突然消失時，調(diào)節(jié)閥自動打開，以確保煤粉在事故狀態(tài)下不殘留在輸送管道內(nèi)。增加煤粉流量調(diào)節(jié)閥后的儀表流程圖如圖1所示。

圖1　增加煤粉流量調(diào)節(jié)閥后的儀表流程圖

2軟件設(shè)計

2.1　HMI軟件設(shè)計

為了通過調(diào)節(jié)罐壓來提高瞬時噴煤量的穩(wěn)定性，我們設(shè)計了一套根據(jù)噴煤量變化進(jìn)行罐壓自動調(diào)節(jié)的控制程序，并設(shè)計了HMI操作畫面，以規(guī)范操作工的操作。

2.2　折線函數(shù)運(yùn)算器

噴煤控制系統(tǒng)采用的是橫河公司的CENTUM-VP DCS控制系統(tǒng)，同時采用控制軟件中的折線函數(shù)運(yùn)算器(FUNC-VAR)來考慮罐壓設(shè)定的問題[5]。

折線函數(shù)運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)了使用任意不等分折線對輸入信號進(jìn)行函數(shù)變換的功能，其原理如圖2所示[6]。圖3為6折線函數(shù)實(shí)例。

圖2　折線函數(shù)運(yùn)算器原理

在HMI操作畫面上需要進(jìn)行設(shè)定的參數(shù)如下。

(1) 增益(GAIN)：符號，含小數(shù)點(diǎn)位數(shù)最大7位的數(shù)值，默認(rèn)值為1.00。

(2) 區(qū)間數(shù)(SEC)：1~14的數(shù)值。

(3)X坐標(biāo)(輸入端)：輸入信號，由工業(yè)單位數(shù)據(jù)設(shè)定，X0~X15(1～折線分割數(shù)+1)。

(4)Y坐標(biāo)(輸出目標(biāo))：運(yùn)算輸出值(CPV)由工業(yè)單位數(shù)據(jù)設(shè)定，Y0~Y15(1～折線分割數(shù)+1)。

(5) 函數(shù)輸出：CPV=GAIN×可變折線函數(shù)的輸出。

2.3　罐壓設(shè)定

改進(jìn)之后的程序控制可以保留原有人工設(shè)定噴吹罐的罐壓差的方式，同時將操作工的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)生成一張噴煤量與罐壓值的線性表，將不同噴吹量階段所對應(yīng)的罐壓做為設(shè)定值直接輸入程序。在自動噴煤的情況下，只需在操作畫面上輸入高爐所需的噴煤量，噴吹罐的罐壓就會隨之自動生成。

2.4　煤粉流量調(diào)節(jié)PID控制

2.4.1噴煤量的兩種檢測方式

(1) 通過安裝在噴煤總管上的煤粉流量計來測得實(shí)際的噴煤量，并作為煤粉流量PID調(diào)節(jié)的一個PV值(實(shí)測值)。由于煤粉是靠空氣來進(jìn)行輸送的，因此在管道內(nèi)的流動屬氣、固二相流，它的流動狀態(tài)與氣體、液體有很大的區(qū)別。它不僅受到輸送氣量和噴吹罐壓力的變化而變化，而且由于它自身的特殊性，往往會在流動時產(chǎn)生脈動現(xiàn)象，因此瞬時的變化量會有較大的變化。為了滿足控制的要求，需要對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理。

(2) 根據(jù)噴吹罐質(zhì)量隨時間減少(dw/dt)來計算實(shí)際的噴吹速率，并作為煤粉流量PID調(diào)節(jié)的另一個PV值(計算值)[6]。

2.4.2噴煤量設(shè)定值自動補(bǔ)正

噴煤量的設(shè)定是根據(jù)高爐實(shí)際爐況而定的，而儀表控制是按瞬時量進(jìn)行控制。在整個控制過程中，噴煤量會在設(shè)定煤量的附近上下波動，這樣會造成在每小時中的累計煤量與設(shè)定煤量有偏離，操作人員只能通過人工干預(yù)來確保每小時的噴煤量。這種控制方式往往會造成在每個準(zhǔn)點(diǎn)之前噴煤量急劇增加或急劇減少，從而引起爐況的波動[7]。

為此我們通過對瞬時噴煤量的連續(xù)計算，與設(shè)定煤量進(jìn)行比較，將多噴的煤量(或少噴的煤量)分?jǐn)偟绞Ｓ鄷r間的煤量設(shè)定值上，從而確保了每小時噴煤量的準(zhǔn)確性。

在HMI畫面上設(shè)置了實(shí)測/計算煤量切換按鈕，在噴吹開始前必須選擇一個PV值作為當(dāng)前的PV值，并通過一個PID控制器調(diào)節(jié)煤粉流量調(diào)節(jié)閥。同時必須將該調(diào)節(jié)閥的可調(diào)節(jié)范圍設(shè)定在某個區(qū)域內(nèi)，避免在噴吹過程中調(diào)節(jié)閥突然關(guān)閉而導(dǎo)致混合器和管道堵塞。

2.5　PID算法的優(yōu)化

噴煤是一個連續(xù)不間斷的過程，而噴吹方式是通過三個噴吹罐輪流接力來實(shí)現(xiàn)的[8]。噴吹罐在噴吹初期和噴吹后期，即使噴吹條件相同，工況發(fā)生了變化，噴吹的煤量也會有較大變化。在噴吹初期，噴吹罐內(nèi)充滿了煤粉，罐內(nèi)的氣量較少，噴出的煤、氣混合物中煤粉的含量較高，因此瞬時的煤粉噴吹量就大[9]。為了使噴煤量瞬時值控制在設(shè)定煤量附近，此時的調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)器PID的作用下，會將閥門關(guān)到相對較小的開度。而噴吹罐到噴吹后期時，由于噴吹罐內(nèi)的煤粉量越來越少，氣體會越來越多，造成噴出的煤、氣混合物中煤粉的含量較低，所以瞬時噴煤量會越來越小，此時的調(diào)節(jié)閥開度會增大，直到全開。正是由于上述兩種情況，使得在換罐過程中煤粉流量調(diào)節(jié)閥會從全開狀態(tài)瞬間關(guān)到較小開度，引起控制和爐況的波動[10]。

為此，我們在HMI畫面上為每個噴吹罐設(shè)置了延時時間和初始開度設(shè)定的功能。在換罐一開始PID控制模式跳到手動，并執(zhí)行設(shè)定的初始開度，由設(shè)定的延時器來控制初始開度執(zhí)行的時間，后自動轉(zhuǎn)換為自動模式。這樣就避免了調(diào)節(jié)閥的劇烈波動，減少了噴煤量的波動。

分別截取采用罐壓自動設(shè)定和采用煤粉流量調(diào)節(jié)閥前后三個罐瞬時噴吹量的曲線，如圖4和圖5所示。

圖4　罐壓手動設(shè)定的噴煤曲線

圖5　罐壓自動設(shè)定的噴煤曲線

3結(jié)束語

通過上述兩種提高高爐噴煤瞬時噴吹量穩(wěn)定性的措施，減少了因瞬時噴煤量波動大對高爐風(fēng)壓的沖擊，提高了每小時入爐噴煤量的控制精度，對穩(wěn)定爐況作出了巨大貢獻(xiàn)。這兩種措施也大大減輕了操作工的勞動強(qiáng)度，從根源上減少了因操作工誤操作或頻繁的大幅度調(diào)節(jié)所引起的小時噴煤量意外波動的次數(shù)。

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中圖分類號：TP273+.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507010

修改稿收到日期：2015-01-04。

作者姚曉偉(1981-),男，2007年畢業(yè)于天津理工大學(xué)自動化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事PLC控制系統(tǒng)設(shè)計。