高炉喷煤罐压自动设定及煤粉流量调节研究

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

姚晓伟

(宝钢工程技术集团有限公司，上海　201900)

高炉喷煤罐压自动设定及煤粉流量调节研究

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

姚晓伟

(宝钢工程技术集团有限公司，上海201900)

摘要：随着高炉喷煤量的不断增加，喷煤量的波动也呈不断增加的趋势。依靠人工手动调节各种参数，使喷煤量控制在一定的偏差范围内的操作方式大大增加了操作工的劳动强度,同时，喷煤量的波动也给高炉的稳定运行带来了严重的影响。介绍了一种高炉喷煤系统中喷吹罐罐压根据喷煤量自动设定的控制方法。在混合器后总管上增加流量调节阀，并通过软件实现PID自动调节。该方法降低了操作工的劳动强度，提高了喷煤的稳定性和生产效率。

关键词：高炉喷煤瞬时喷煤量罐压煤粉流量调节折线函数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

高炉喷煤是高炉大幅度降低焦比和生铁成本的重大技术措施，是推动炼铁系统技术进步的核心力量。高炉喷煤系统由制粉、喷吹两大系统及相关的辅助设施构成，其中高炉喷吹系统主要包括一个煤粉仓、三个呈“品”形并列布置的喷吹罐、一个混合器和两个分配器[1]。每个分配器分别配有若干根喷吹支管，分别对应高炉的每个风口，煤粉通过喷吹支管喷入炉内。每一个喷吹罐均按装料、加压、等待、喷吹、泄压、再装料的程序循环交错地进行。如果其中一个喷吹罐出现故障，在正常情况下另两个喷吹罐仍可完成连续喷吹的任务[2]。

随着高炉喷煤量的不断增加，煤粉喷吹由原来的每小时喷吹70~80 t提高到100 t以上，喷煤量的波动也呈不断增加的趋势[3]。虽然每个小时喷煤量计算值的波动尚在允许的范围内，但要靠人工的不断干预、随时手动调节各种参数才能确保喷煤量在一定的偏差范围内，这样的操作方式使操作工的劳动强度大大增加。此外，喷煤量的波动给高炉的稳定运行带来了严重的影响。因此，有必要进行研究并采取相关措施，尽可能减小喷煤量的波动，为高炉稳定运行创造条件。影响高炉喷煤的因素有很多，如高炉风压波动、氮气量波动等。本文仅从优化罐压设定操作、增加煤粉流量调节阀、编制相应控制程序的角度来减少瞬时喷煤量的波动[4]。

1煤粉流量调节阀的设置

三个喷吹罐的下煤管汇集成一根管线与混合器连接，在混合器后端增加一台可精确测量喷煤量的流量计和一个煤粉调节阀。利用煤粉流量计实时检测主管输送煤粉管道内的煤粉量，通过流量变送器检测并反馈回中控DCS系统，同时由新增加的煤粉调节阀来担当和执行调节与控制煤粉喷吹量的任务。为了确保喷吹系统的安全性，煤粉流量调节阀选择为气开阀，即当仪表气源突然消失时，调节阀自动打开，以确保煤粉在事故状态下不残留在输送管道内。增加煤粉流量调节阀后的仪表流程图如图1所示。

图1　增加煤粉流量调节阀后的仪表流程图

2软件设计

2.1　HMI软件设计

为了通过调节罐压来提高瞬时喷煤量的稳定性，我们设计了一套根据喷煤量变化进行罐压自动调节的控制程序，并设计了HMI操作画面，以规范操作工的操作。

2.2　折线函数运算器

喷煤控制系统采用的是横河公司的CENTUM-VP DCS控制系统，同时采用控制软件中的折线函数运算器(FUNC-VAR)来考虑罐压设定的问题[5]。

折线函数运算器实现了使用任意不等分折线对输入信号进行函数变换的功能，其原理如图2所示[6]。图3为6折线函数实例。

图2　折线函数运算器原理

在HMI操作画面上需要进行设定的参数如下。

(1) 增益(GAIN)：符号，含小数点位数最大7位的数值，默认值为1.00。

(2) 区间数(SEC)：1~14的数值。

(3)X坐标(输入端)：输入信号，由工业单位数据设定，X0~X15(1～折线分割数+1)。

(4)Y坐标(输出目标)：运算输出值(CPV)由工业单位数据设定，Y0~Y15(1～折线分割数+1)。

(5) 函数输出：CPV=GAIN×可变折线函数的输出。

2.3　罐压设定

改进之后的程序控制可以保留原有人工设定喷吹罐的罐压差的方式，同时将操作工的实际生产经验生成一张喷煤量与罐压值的线性表，将不同喷吹量阶段所对应的罐压做为设定值直接输入程序。在自动喷煤的情况下，只需在操作画面上输入高炉所需的喷煤量，喷吹罐的罐压就会随之自动生成。

2.4　煤粉流量调节PID控制

2.4.1喷煤量的两种检测方式

(1) 通过安装在喷煤总管上的煤粉流量计来测得实际的喷煤量，并作为煤粉流量PID调节的一个PV值(实测值)。由于煤粉是靠空气来进行输送的，因此在管道内的流动属气、固二相流，它的流动状态与气体、液体有很大的区别。它不仅受到输送气量和喷吹罐压力的变化而变化，而且由于它自身的特殊性，往往会在流动时产生脉动现象，因此瞬时的变化量会有较大的变化。为了满足控制的要求，需要对测得的数据进行适当处理。

(2) 根据喷吹罐质量随时间减少(dw/dt)来计算实际的喷吹速率，并作为煤粉流量PID调节的另一个PV值(计算值)[6]。

2.4.2喷煤量设定值自动补正

喷煤量的设定是根据高炉实际炉况而定的，而仪表控制是按瞬时量进行控制。在整个控制过程中，喷煤量会在设定煤量的附近上下波动，这样会造成在每小时中的累计煤量与设定煤量有偏离，操作人员只能通过人工干预来确保每小时的喷煤量。这种控制方式往往会造成在每个准点之前喷煤量急剧增加或急剧减少，从而引起炉况的波动[7]。

为此我们通过对瞬时喷煤量的连续计算，与设定煤量进行比较，将多喷的煤量(或少喷的煤量)分摊到剩余时间的煤量设定值上，从而确保了每小时喷煤量的准确性。

在HMI画面上设置了实测/计算煤量切换按钮，在喷吹开始前必须选择一个PV值作为当前的PV值，并通过一个PID控制器调节煤粉流量调节阀。同时必须将该调节阀的可调节范围设定在某个区域内，避免在喷吹过程中调节阀突然关闭而导致混合器和管道堵塞。

2.5　PID算法的优化

喷煤是一个连续不间断的过程，而喷吹方式是通过三个喷吹罐轮流接力来实现的[8]。喷吹罐在喷吹初期和喷吹后期，即使喷吹条件相同，工况发生了变化，喷吹的煤量也会有较大变化。在喷吹初期，喷吹罐内充满了煤粉，罐内的气量较少，喷出的煤、气混合物中煤粉的含量较高，因此瞬时的煤粉喷吹量就大[9]。为了使喷煤量瞬时值控制在设定煤量附近，此时的调节阀在调节器PID的作用下，会将阀门关到相对较小的开度。而喷吹罐到喷吹后期时，由于喷吹罐内的煤粉量越来越少，气体会越来越多，造成喷出的煤、气混合物中煤粉的含量较低，所以瞬时喷煤量会越来越小，此时的调节阀开度会增大，直到全开。正是由于上述两种情况，使得在换罐过程中煤粉流量调节阀会从全开状态瞬间关到较小开度，引起控制和炉况的波动[10]。

为此，我们在HMI画面上为每个喷吹罐设置了延时时间和初始开度设定的功能。在换罐一开始PID控制模式跳到手动，并执行设定的初始开度，由设定的延时器来控制初始开度执行的时间，后自动转换为自动模式。这样就避免了调节阀的剧烈波动，减少了喷煤量的波动。

分别截取采用罐压自动设定和采用煤粉流量调节阀前后三个罐瞬时喷吹量的曲线，如图4和图5所示。

图4　罐压手动设定的喷煤曲线

图5　罐压自动设定的喷煤曲线

3结束语

通过上述两种提高高炉喷煤瞬时喷吹量稳定性的措施，减少了因瞬时喷煤量波动大对高炉风压的冲击，提高了每小时入炉喷煤量的控制精度，对稳定炉况作出了巨大贡献。这两种措施也大大减轻了操作工的劳动强度，从根源上减少了因操作工误操作或频繁的大幅度调节所引起的小时喷煤量意外波动的次数。

参考文献

[1] 朱锦明.宝钢高炉200kg/t以上喷煤比的实践[J].炼铁，2005，24(S1):36-40.

[2] 陈春元,王玉英.包钢高炉喷煤新系统烟煤喷吹合理比例的研究[J].包钢科技,2008,134(4):10-12,25.

[3] 项钟庸，王筱留.高炉设计-炼铁工艺设计理论与实践[M].北京：冶金工业出版社，2007:696-701.

[4] 乔显斌.高炉喷煤自动控制系统的改进[J].科技情报开发与经,2007,17(18):195-196.

[5] 王淑妍,赵健,杜春雷.智能控制技术在银山前区高炉喷煤工程中的应用[J].冶金自动化,2007 (S1):709-711.

[6] 陶强.天铁高炉喷煤的技术进步[J].天津冶金,2008(2):7-9.

[7] 潘颖铁.鞍钢新1号高炉喷煤系统设计及运行[J].炼铁,2004,23(1):35-37.

[8] 王正强，仇斌，张京.提高梅山喷煤计量的准确性[J].钢铁,2008，43(4):24-26.

[9] 朱锦明.温度检堵法在高炉喷煤上的应用[J].宝钢技术,2005(6):15-18.

[10]王筱留.提高高炉喷煤量的措施[J].鞍钢技术,2007(343):1-6.

中图分类号：TP273+.5

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507010

修改稿收到日期：2015-01-04。

作者姚晓伟(1981-),男，2007年毕业于天津理工大学自动化专业，获硕士学位，工程师；主要从事PLC控制系统设计。