一炉三段直接炼铅工艺自动化控制的自主创新

唐都作,宋兴诚

(云南锡业股份有限公司，云南个旧 661000)

一炉三段直接炼铅工艺自动化控制的自主创新

唐都作,宋兴诚

(云南锡业股份有限公司，云南个旧 661000)

介绍了云南锡业股份有限公司在“一炉三段”直接炼铅工艺自动化控制中,在喷枪位置测量、保温烧嘴、氧势控制、空压机防喘振控制及余热锅炉汽包水位控制等方面的自主创新成果。

顶吹炉；一炉三段；自动化控制；氧势；防喘振；汽包水位；喷枪位置

云南锡业股份有限公司(以下简称云锡)开发应用了顶吹炉“一炉三段”直接炼铅工艺技术：硫化铅精矿在一座顶吹炉内依次连续完成氧化熔炼、液态高铅渣直接还原、液态富锌渣烟化回收锌三个过程,最终排放出抛渣。生产实践表明,该工艺技术取得了良好的技术经济效果[1-4]。

自动化控制是实现“一炉三段”直接炼铅工艺的关键环节[5-6]。云锡“一炉三段”直接炼铅工艺技术采用集散控制系统(DCS)进行自动控制和生产管理，其过程控制的自动化控制主要包括配料计算、喷枪枪位自动跟踪与定位、喷枪流体控制、炉子冷却水监控、保温烧嘴控制等主体生产过程控制,以及供水、供电、供氧、供气(汽)、供煤以及烟气制酸、脱硫等辅助生产过程控制。通过集成创新和自主创新,应用计算机、网络、通讯和控制技术把生产过程控制和生产管理结合成统一的有机整体，满足了顶吹炉冶炼工艺参数稳定、精确、可靠的要求,为云锡“一炉三段”直接炼铅工艺技术的冶炼过程创造了有利条件。下文拟对云锡公司在一炉三段直接炼铅工艺自动化控制上自主开发并应用的多项创新成果进行分析。

1 喷枪位置测量装置

顶吹炉的核心技术是喷枪，冶炼工艺对喷枪的定位有严格的要求,控制精度在±5 mm。云锡为了解决工艺难题,自主开发了喷枪位置测量装置,能够连续准确测量喷枪运动位置(0～13 400 mm)。根据操作要求以炉底最低点与喷枪口的距离定义为喷枪行程,离散分为7个位置：13 400 mm为位置1(换枪位置),11 400 mm为位置2(喷枪入炉位置),9 000 mm为位置3(ESD停止位置),8 000 mm为位置4(点火位置),2 000 mm为位置5(保温位置),1 200 mm为位置6(喷枪挂渣位置), 1 200 mm以下为7位置(工艺操作位置)。喷枪的位置可以由操作员通过DCS系统操作屏幕或现场控制盘来选择,DCS控制系统能精确控制喷枪停稳在所选的位置,并控制喷枪粉煤、喷枪风、氧气和套筒风流体流量。该系统技术要求如下：1)速率变化。紧急停车状态下,速率变化为0.3 s;DCS操作状态下,上升速率变化为1 s,下降速率变化为1 s;手动提升状态下,上升速率变化率为5 s,下降速率变化率为0.3 s。2)速度。紧急停车速度为1 450 r/min,DCS操作速度为1 420 r/min,手动速度为1 100 r/min。3)控制误差:±5 mm。

喷枪定位是以自主开发的位置传感器连续测量值(ZT-1220)为依据,当操作员选择某一位置时，DCS控制系统必须把这一位置值赋给设定值(ZT-1220. SV),位置传感器的实际测量值ZC-1220.PV减去设定值ZC-1220.SV得到偏差ZC-1220.DV,当ZC-1220.DV>350 mm时,DCS系统则发出高速(最大速度的90%)下降指令给变频器;当ZC-1220.DV<350 mm且不等于0时,DCS系统则发出低速(最大速度5%)下降指令给变频器;当ZC-1220.DV=0或<20 mm时,DCS系统则发出停止指令给变频器;当ZC-1220.DV<-350 mm时DCS系统则发出高速(最大速度的90%)上升指令给变频器;当ZC-1220.DV>-350 mm且≠0时DCS系统则发出低速(最大速度5%)上升指令给变频器;当ZC-1220.DV=0或<15 mm时, DCS系统则发出停止指令给变频器,数学模型如下：

注：M01-DL和M01-DR是DCS系统的开关量输出信号,闭合时为1。

利用DCS控制系统CS3000系统软件很容易实现上面的数学模型,将速度信号(4～20 mA DC)输出远程控制变频器的速度,实现喷枪准确定位。

2 保温烧嘴装置

云锡与唐山金沙工贸有限公司共同合作开发了顶吹炉保温烧嘴装置,该燃烧器具备火焰监测、程序点火、燃油和风燃烧最优等控制特点,火焰长度1.5～ 12 m,火焰直径0.6～1 m形状,适应顶吹炉炉体烘炉、连续升温、保温全过程,避免火焰冲刷炉墙,延长炉衬使用寿命。其燃烧调节控制系统可以在1:10的燃油比范围内进行比例控制,实现精确控制，确保燃油雾化良好、燃烧完全，同比节约燃油20%，同时具备一键程序点火功能,国内属于首例。

3 “交叉限幅”控制方案

云锡炼铅顶吹炉喷枪燃烧系统与普通冶金炉窑燃烧系统控制的不同点在于,普通的冶金炉窑控制系统一般采用比例调节燃烧控制方案。而云锡顶吹炉在其他工艺条件相对稳定的情况下,炉内氧势主要随着风煤比、风料比变化,但在生产过程中,由于进料量、燃料量和空气、氧气流量等变化,均可能引起风煤比、风料变化,为了抑制变化,云锡直接炼铅法采用 “双交叉限幅程序”燃烧控制方案。应用“交叉限幅”控制理念进行喷枪流体控制，保证“一炉三段”工艺参数平稳过渡，合理控制“三个不同工艺阶段”氧势,保证炉内呈氧化或还原气氛，其特征在负荷急增及负荷稳定时,能在限值范围内实现低过剩空气率(u)值燃烧,既可节能又不会冒黑烟,NOx也不会超过限值，对于直接炼铅工艺起着重要作用。为了把大量的可燃烧物质尽可能完全燃烧掉,引进了二次燃烧风—套筒风,DCS控制系统自动调整套筒风流量保证可燃物完全燃烧,不会造成公害。

4 空压机防喘振控制系统

在云锡“一炉三段”直接炼铅工艺过程当中,喷枪沉没于熔池里形成强烈搅拌,喷枪风和载煤风的总流量在18 000～23 000 Nm3/h左右,套筒风6 000～ 11 000 Nm3/h左右,当启动紧急停车(ESD)时,DCS控制系统自动激活ESD,发出提升喷枪指令后,将立即关闭喷枪风管、载煤风管、氧气管道和套筒风管的所有流量控制阀,造成管线上压力急剧升高,气流往空压机方向倒流,而空压机本身却来不及打开旁空阀排放空气,造成空压机排气压力越过喘振压力点,而发生强烈喘振。另外,提升或下降喷枪时,喷枪流体剧烈波动使得管线压力跟随波动,空压机通过打开旁通阀排放出一部分空气来克服系统用风的波动,但是旁空阀调节速度过于缓慢难以克服系统风量的波动,避免不了发生喘振。为了防止空压机喘振,云锡研发了防止空压机发生喘振的控制系统,如图1所示。

图1 防止空压机发生喘振控制系统原理

通过在用户管线上安装一只快速压力调节阀(PV)和压力变送器(PT),DCS控制系统增设压力调节器(PC)。当启动紧急停车(ESD)时,DCS控制系统发出打开压力调节阀(PV)指令,压力调节阀快速全开,排放管线气体,降低管线压力,使风机工作压力远离喘振压力点,从而达到防止风机喘振的目的;当工况正常时,压力调节器(PC)投入自动状态,自动调节用户管线内压力,克服管线压力波动,满足工艺控制要求。当工况正常时,防喘控制系统不起作用,管线压力由空压机自带的控制系统控制进行调节,稳定供风压力。

5 锅炉汽包水位波动控制

云锡直接炼铅工艺配套60 t/h余热锅炉主要负担1台9 168 kW机组的发电运行。由于工艺属于阶段性冶炼,其中熔炼阶段蒸汽量60 t/h,还原阶段的蒸汽量为25 t/h,烟化阶段的蒸汽量为30 t/h,放渣阶段的蒸汽量为10 t/h，一个冶炼周期蒸汽流量波动很大，对于锅炉水位的精确控制来说相当的困难。应用传统的仪表来控制,可通过改进控制方案和整定控制参数改善调节性能,但是对于水位的控制来说,在突变情况下的水位调节是无能为力的,很难达到安全生产的要求。特别当蒸汽压力和负荷产生波动时,汽包内的水温度快速上升,使得汽包内的水受热膨胀而产生“虚假液位”。“虚假液位”一旦产生,液位调节器就会进行调节,导致给水阀门开关频繁(15%～ 85%),液位波动极大，余热锅炉的运行不安全。

云锡在系统的编程中除了考虑三冲量调节的各参数关系外,为了提高系统调整的准确性、可靠性和保障系统有更高的安全性,还根据现场实际操作中可能存在的问题,将相应的信号进行比较,在程序中设置了众多的逻辑比较条件,使逻辑与调节器完美结合以达到控制准确,防止失误,有效克服了锅炉汽包“虚假液位”问题,解决了云锡直接炼铅工艺不同阶段汽包水位波动难题。该系统自投运至今一直运行稳定，提高了锅炉的检测精度,提高了控制水平,彻底解决了锅炉汽包水位自动控制存在的问题,减轻了操作人员的劳动强度,减少了维护的难度,取得了良好的效果。

6 结 论

综上,云锡公司在一炉三段直接炼铅工艺自动化控制上自主开发并应用了多项创新成果：1)通过建立喷枪定位的数学模型,结合工艺要求,自主开发应用了实现枪位准确定位的喷枪位置测量装置，利用DCS控制系统CS3000系统软件,将速度信号(4-20 mA DC)输出远程控制变频器的速度,实现喷枪准确定位,很好地满足了工艺要求。2)合作开发顶吹炉保温烧嘴装置,具备火焰监测、程序点火、燃油和风燃烧最优等控制特点,适应顶吹炉烘炉、连续升温、保温全过程,避免火焰冲刷炉墙,延长炉衬使用寿命,实现精确控制,同时具备一键程序点火功能，属于国内首例。3)应用“交叉限幅”控制理念进行喷枪流体控制,保证“一炉三段”工艺参数平稳过渡,合理控制“三个不同工艺阶段”氧势。4)开发应用了大流量快速切断情况下空压机防喘振控制系统,通过在管线压力达到喘振压力之前预先迅速打开旁空阀排放气体、降低管线压力,使风机工作点远离喘振压力点,从而达到有效防止风机喘振的目的。5)系统调整时,除了考虑三冲量调节的各参数关系,还根据现场实际操作中可能存在的问题,将相应的信号进行比较,在程序中设置了众多的逻辑比较条件,使用逻辑与调节器完美结合,有效解决了余热锅炉汽包水位大幅波动问题。上述创新成果也是云锡“一炉三段”直接炼铅工艺取得良好技术经济效果的重要保障。

[1] 顾鹤林,宋兴诚,兰旭,等.顶吹炉一炉三段一步炼铅工艺技术及生产实践[J].中国有色冶金,2013(1):37-39.

[2] 宋兴诚,顾鹤林.顶吹炉直接炼铅工艺技术产业化实践[J].有色冶金设计与研究,2013,34(5):18-21.

[3] 黄珊艳,申颖.云南锡业股份有限公司顶吹炉“一炉三段”直接炼铅技术产业化应用[J].有色金属工程,2012(5):16-19.

[4] 宋兴诚,顾鹤林.顶吹炉一炉三段直接炼铅工艺的渣型选择与控制[J].有色冶金设计与研究,2013(6):23-25.

[5] 曹润生,黄祯地,周泽魁.过程控制仪表[M].杭州：浙江大学出版社, 1997,200-245.

[6] 孙洪程,李大宇,翁维勤.过程控制工程[M].北京：高等教育出版社, 2006,1-48.

Independent Innovation of Automatic Control for One-furnace Three-stage Direct Lead Smelting Process

TANG Duzuo,SONG Xingcheng
(Yunnan Tin Company Limited,Gejiu,Yunnan 661000,China)

The paper introduces the automatic innovation results on lance position measurement,thermal insulation burner, control of oxygen potential and anti-surge control of air compressor and water level control of waste heat boiler drum etc in automatic control of one-furnace three-stage direct lead smelting process of Yunnan Tin Company Limited.

top blown furnace;one-furnace three-stage;automatic control;oxygen potential;anti-surge;drum water level;lance position

TP273

B

1004-4345(2014)04-0022-03

2014-04-09

唐都作(1976—),男,高级工程师,主要从事有色金属冶金自动化控制技术工作。