酸再生焙烧炉温度控制系统改造

赵希坤

作者通联：济南钢铁集团有限公司冷轧板厂自动化部 济南市工业北路21号 250101

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济南钢铁集团有限公司冷轧板厂酸再生工艺采用直接焙烧法，将来自酸洗线的废酸液预浓缩后，从焙烧炉顶喷入炉内加热脱水，经高温产生化学反应分解成Fe2O3（粉状）和HCL气体。其中HCL气体和燃烧废气经预浓缩器到达吸收塔，吸收塔顶部喷洒的漂洗水和HCl气体反应生成再生酸。焙烧炉温度控制相当重要，实际生产中炉温要保持在650℃时进行酸操作，温度过高会严重损坏炉体保温材料，反之化学反应不充分，生成的氧化铁粉残存氯离子、水分超标、铁红潮湿结块，堵塞输送系统管道。

一、存在的问题

焙烧炉温度控制模型采用单闭环PID控制（图1）。系统假设煤气管道压力恒定，则管道阀门开度对应一定煤气流量，因此只需测量实际炉温并和炉温设定值进行比较，利用两者偏差以PID控制规律调节煤气管道阀门开度，保持炉温恒定。单闭环PID控制系统硬件连接见图2。

图1 单闭环PID 控制框图

图2 单闭环PID控制系统硬件连接

由于酸再生焙烧炉投运以来始终和退火机组共用一根煤气管道，而退火区域罩式炉数量较多，点炉和停炉动作频繁，煤气管网压力和流量经常出现大幅波动。TC只控制煤气调节阀，对于流量没有任何控制措施，实际上对于同样阀位，随着煤气压力变化，煤气流量必然发生变化，最终引起炉膛温度改变。由于系统只有检测出炉温偏离设定值，才能进行控制，但此时已经控制滞后[1]，造成炉内温度大幅波动，生产状态不稳定，严重影响酸再生机组正常生产。

二、温度控制系统改造

1.温度控制模型

采用串级温度控制系统（图3），副环起粗调作用，主环实现细调，最终保证被调量满足工艺要求。主、副环均有各自的调节对象、测量变送元件和调节器。主调节器具有独立设定值，其输出作为副调节器设定值，副调节器的输出信号则送到调节器去控制生产过程[2]。

图3 串级控制框图

串级控制比单闭环控制多1个测量变送元件和1个调节器，仪表投资不多但控制效果显著。冷轧板厂焙烧炉温度控制，主环为温度控制系统，副环为流量控制系统，两套系统均可采用原设计的西门子PLC提供的PID调节功能块实现主调和副调，不必增加新控制器，节约成本。

2.控制回路

焙烧炉温控系统硬件连接见图4。为及时检测、控制气体压力、流量、热值等可能引起被控量变化的因素，炉温控制系统保留温度主控制回路，增加煤气流量副控制回路。为获得良好燃烧效果，提高焙烧炉热效率，增加空气流量副控制回路，使操作人员可根据不同的煤气热值设置不同的空煤比K（HMI界面给定），调节空气流量，保证煤气充分燃烧。

图4 改造后的炉温控制系统

串级控制系统以焙烧炉温度为主控参数，以煤气流量、助燃空气流量为副控参数，阀门开度为调节量。TC控制器的输入为炉膛温度设定值（HMI界面给定），FC1的输出直接控制煤气比例阀。煤气实际流量与空煤比的乘积作为FC2的输入，FC2的输出直接控制空气比例阀。

3.检测回路

实际应用中，当压力、温度变化时气体体积亦会发生变化，造成气体密度变化。由于孔板流量表只检测流过气体的体积，这样会出现在不同压力、温度条件下，同样气体流量对应气体质量不同，导致检测信号与真实值存在偏差。为此必须对检测值进行补偿计算，在检测回路增加2个热电阻和压力表，分别测量煤气和助燃空气的温度和压力，PLC程序实现计算功能。根据气体流量方程，采用如下补偿公式。

式中F——补偿后的实际流量，m3/min

F1——仪表检测流量，m3/min

p1——气体实际压力，Pa

t1——气体实际温度，℃

p0——孔板设计时的基准压力，Pa

t0——孔板设计时的基准温度，℃

4.硬件组态

主控制系统采用西门子S7-400系列PLC，主要硬件见表1，硬件组态见图5。上位监控站是DELL台式机，配置软件为SIMATIC WinCC V6.0 SP3，用于全线生产管理，如设定和显示工艺参数，显示流程画面，打印报表，记录日产量和故障等，上位机采用以太网接口，通过西门子CP443网卡和PLC通信。远程控制站由西门子ET200及相应的DI、DO、AI及AO模块构成，远程站与PLC之间通信网络采用开放式通信协议Profibus-DP，通信速率为1.5Mbps，保证系统高速实时进行数据采集传输，精确实现炉温自动调节。

表1

5.软件编程

利用S7的功能块编写程序，实现主、副回路之间温度串级控制。为提高CPU运行效率，系统采用模块化编程，并将PID运算程序放在循环中断组织块OB32中，程序设计结构见图6。在定义中断时间间隔时，必须保证两次循环中断之间有足够时间处理循环中断程序，根据现场测试此处将中断间隔设置为1500ms。

图5 控制系统硬件组态

图6 程序结构

PID控制在操作模式改变时，为使控制器输出值不会突变，增加手动到自动的无扰切换功能[3]。当系统处于自动模式时，将手动设定值MAN设置为PID的输出值LMN，即手动设定值一直跟随PID输出，这样系统由自动切换为手动时，手动设定值与输出值一致，不会出现扰动；同理，当系统在手动模式时，令自动设定值SP_INT跟随实际反馈值PV，这样系统由手动切换到自动时，自动设定值与实际值相等，系统也不会出现扰动。

改造后的焙烧炉温度控制系统运行稳定，生产节奏加快，机组事故率减少。

1 于海生.微型计算机控制技术[M].北京:清华大学出版社，1999

2 殷红.采用串级控制系统可有效地提高调节品质[J].内蒙古科技与经济，2002（8）

3 廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社，2005