高炉软水密闭循环系统自动控制方案研究

原庆军

（武汉都市环保工程技术股份有限公司，湖北武汉 430205）

前言

软水密闭循环系统作为高炉主循环水系统的主要组成部分，承担着冷却高炉炉体温度的关键任务，其运行的可靠性和有效性直接关系着高炉的使用寿命。一旦软水密闭循环系统运行出现问题，将严重威胁到整个高炉的生产，造成巨大的经济损失。因此不断改进该系统的控制方法，提高高炉供水可靠性是我们的重要任务。

将PLC控制技术应用到软水密闭循环系统中，利用PLC控制系统程序简便易懂、运行可靠性高、维护方便以及监控画面清晰易懂、便于操作等优点，可以极大提高系统运行的可靠性。

本文结合在方大特钢新2#高炉软水密闭循环系统中PLC控制系统的设计和调试工作，总结了在高炉软水密闭循环系统中的连锁控制方案，包括各个供水泵组的备用自投控制以及高炉本体膨胀罐液位压力连锁等。

1 软水密闭循环系统工艺流程简介

方大特钢新2#高炉的软水密闭循环系统原理图如图1所示。系统包括供水泵组（包括软水补水泵组、主供水泵组、中压泵组、高压泵组等）、冷却设备、膨胀罐、脱气罐、蒸冷器组和风口管阀。

软水补水泵组包括并联的两台软水补水泵和一台补水柴油机泵。软水补水泵组输出端分为两路，一路通过补水气动阀与蒸冷器组相连，一路直接连接风口小套；输入端通过软水池与外部软水管道相连。

主供水泵组包括并联的三台主供水电动泵和一台主供水柴油机泵。主供水泵还并联有主泵旁通阀。

中压泵组和高压泵组分别包括两台并联的电动泵。中压泵组和高压泵组之间也为并联关系，并在输出端通过中高压泵组旁通阀相连。

冷却设备包括炉底冷却壁直管及蛇形管。

风口管阀包括风口小套、风口中套、直吹管、热风阀。风口小套连接在高压泵组和脱气罐之间；风口中套、直吹管和热风阀连接在中压泵组和脱气罐之间。

图1 软水密闭循环系统主工艺流程图

系统的主工艺流程如下：高炉本体、热风炉用后的软水回水利用余压流入蒸发冷却器冷却，冷却后的软水进入主供水泵吸水管，主供水泵组将冷却后的软水送至冷却壁供水环管，一部分水冷却冷却壁直冷管，一部分水先经过炉底再冷却冷却壁蛇型管，两部分回水回至冷却壁回水集管；回水中的一部分经高压增压泵组加压供风口小套冷却，一部分经中压增压泵组加压供风口中套、直吹管及热风阀冷却，其余回水采用旁通，三部分回水均进入脱气罐脱气后，再经回水总管进入蒸冷器，经冷却后循环使用。在整个运行过程中系统是密闭循环的，水质不受外界污染。为保证水质，系统中设加药装置及排污等水质稳定措施。为稳定系统压力和控制系统补充水及排出系统中产生气泡，设有稳压罐和脱气罐。

2 自动化控制系统

2.1 系统配置

本系统控制系统采用了施奈德公司Quantum系列 PLC，并设置远程IO Quantum子站，通过同轴电缆与本地Quantum子站连接。监控软件采用西雅特公司的Citect软件，并在主循环泵站操作室设置两台计算机操作站，通过以太网交换机实现两台操作站之间的通讯。

2.2 系统控制方式

系统的控制方式分为：集中自动、集中手动和机旁手动。

1）集中自动：按照工艺要求，系统自动运行停止。

2）集中手动：各设备在操作站计算机上进行集中手动操作，设备间有联锁关系。

3)机旁控制：各设备在机旁操作箱上无联锁操作，主要用于设备安装和调试。每台设备在机旁操作箱上设置“机旁/集中”控制转换开关。其中机旁操作不进PLC控制，通过硬接线来实现，控制电源为AC220V。

2.3 程序软件与画面监控系统

2.3.1 程序软件

本系统利用施耐德公司的Unity Pro v5.0编程软件编写控制程序。编程语言采用梯形图语言和功能块图FBD语言。本系统的程序编写具有以下特点：

（1）单体设备的数据类型用DDT来定义。Unity Pro编程软件可以用导出的数据类型DDT对结构或数组定义数据类型。对于系统中的泵、电动阀、气动阀等单体设备每个设备均用DDT来声明变量。例如：对于系统中所有的电动阀，都用DD_VALVE数据类型来定义，DD_VALVE内部又包含了集中机旁、开关到位、手动自动、解锁闭锁等每个电动阀门通用的变量。以1#软水补水泵为例，在编写它的自动控制子程序时就可以用一个数据类型为DD_VALVE的变量SCL_BSP1来写入程序块的引脚，而不需要将每个通用变量均写入引脚。这样不但使程序结构变得清晰易懂，还简化了程序篇幅，减少了程序出错的概率。

（2）利用导出的功能块类型DFB表示系统中需要调用的子程序。系统中的泵、电动阀、气动阀等每个单体设备的控制以及泵组备用自投、流量累计、泵阀间连锁、报警点设置、模拟量转换等连锁关系均由一个单独的DFB类型子程序块来表示。在编写每个单体设备的程序时可以直接调用这些DFB功能块，从而简化了程序的内容，提高了编程效率，不但节省了大量编程时间，也为以后程序的维护提供了良好的条件。

2.3.2 画面监控系统

上位机监控画面采用西雅特公司的Vijeo Citectv 7.10软件编写。本系统监控画面主要特点有：

（1）按照工艺流程的顺序和逻辑结构设计主监控画面，以使整个画面层次清晰，便于操作人员理解掌握。主监控画面上还包括了报警列表、历史记录查询、流量累积、连锁解锁功能，方便操作人员掌握整个系统的运行状况。

（2）每个单体设备用一个单独的子画面控制。点击主监控画面上的单体设备，弹出子画面窗口即可对单体设备进行操作。这种设计方法避免了将大量操作按钮集中在主监控画面上，使主画面简洁清晰，同时又在可以画面编写中多次调用同一类型设备的子画面，提高了编写效率。

（3）将影响系统运行的重要参数如管道的流量、压强、温度、水泵电机电流、膨胀罐音叉液位计的状态、软水池和膨胀罐液位等重要参数显示在主监控画面上，便于操作人员整体把握整个系统的运行状态，提高操作人员对故障的反应速度。

（4）系统各设备状态采用统一的颜色标识，例如用绿色表示水泵运行和阀门开到位，红色表示水泵停止和阀门关到位，黄色表示设备故障等，并在主监控画面上各个单体设备用颜色的动态变化表示设备的运行状态，便于操作人员更加直观快速地了解设备的运行状况。

3 自动化控制方案

3.1 供水泵组的备用自投连锁控制方案

为防止工作中的水泵突然出现故障导致供水中断，当任意一台工作泵出现故障时，备用泵自动起动，且出现故障的工作泵自动停止。对于主供水泵组和软水补水泵组，如果备用泵起动失败，则起动柴油机泵。

水泵的故障主要包括以下几种情况：

（1）工作泵电机出现电气故障；

（2）工作中高压电泵电机定子或轴承温度超过设定值；

（3）工作泵出水管上压力降低至设定值。

对于第一种情况，由于工作泵电机电气故障后水泵会立即停机，因此故障后必须立即起动备用泵。对于后两种情况，由于故障发生后水泵仍在继续运行，为防止工作泵停止后备用泵由于其他原因无法起动而使供水中断，在故障信号持续5S钟后，再起动备用泵，待备用泵起动成功并正常运转5S钟后，才停止工作泵。如果备用泵起动失败，则工作泵继续运行。

由于软水密闭循环冷却系统具有闭路循环冷却的特点，因此为了加强在主供水泵和中高压供水泵组故障时供水效果，在程序控制中可以采用以下几种措施，以提高供水可靠性：

（1）高压、中压供水泵组除了各自有一台备用泵用于泵组内部备用自投外，高、中压泵组之间还可实现互为备用，互相切换。当两台高压供水泵均故障时，自动起动两台中压供水泵，并自动打开中高压泵组旁通阀，由中压供水泵向风口小套供水。当两台中压供水泵均故障不能起动时，自动起动两台高压供水泵，并自动打开中高压泵组旁通阀，由高压供水泵向风口中套供水。这是为了使两台中压泵组或两台高压泵组均不能正常工作时风口中套和风口小套仍能由另外一套泵组供水冷却，短暂维持高炉的正常运行。

（2）当主供水泵组中的所有泵（电动泵和柴油机泵）都无法起动时，主供水泵旁通气动阀自动打开，这时软水密闭循环系统就进入开路循环冷却状态。当主供水泵组任意一台泵恢复工作之后，主供水泵旁通气动阀自动关闭，恢复软水密闭循环状态。这样是为了在主供水泵组都无法工作时使整个高炉冷却水系统保持循环状态从而起到一定的冷却作用。

（3）中压、高压供水泵组少于两台泵运行，旁通阀自动关闭，以加强对风口小套和风口中套的供水效果；当中压、高压供水泵组有两台泵工作，旁通阀自动开启。

3.2 高炉本体膨胀罐的连锁控制方案

为了软水密闭循环系统压力的稳定和正常运行，在高炉本体设置膨胀罐，它一方面用于吸收系统中软水由于温度波动或渗漏引起的体积变化，另一方面通过控制罐内的充氮量来稳定系统的压力。

（1）软水补水泵组与膨胀罐液位的连锁控制

膨胀罐上设置了5个音叉式液位开关和1个电容式液位计，用于膨胀罐液位检测。膨胀罐液位采用位置式控制，从上到下设置5个液位控制点，分别叫做LSAHH（高高）LSH（高）LSL（低）LSALL（低低）LSALLL（低低低），正常情况下，膨胀罐水位应在LSH（高）LSL（低）之间。

软水补水泵组有两台电动泵和一台柴油机泵，电动泵一用一备，互为备用，柴油机泵作为电泵的备用泵。

软水补充水泵组需要与膨胀罐液位连锁控制，关系如下：当膨胀罐液位低于LSL（低）时，起动一台软水补水泵向膨胀罐补水；当膨胀罐液位低于LSALL（低低），起动两台软水补水泵向膨胀罐补水；当膨胀罐液位低于LSALLL（低低低），起动三台软水补水泵向膨胀罐补水。当膨胀罐液位高于LSH（高）时，停所有的软水补水泵。

（2）膨胀罐阀门与膨胀罐液位和压力的连锁控制

膨胀罐系统有3个气动切断阀，分别是充氮阀、溢流阀、排水阀。这几个阀门需要与膨胀罐液位和压力连锁，连锁关系如下：

①充氮阀：当高炉主供水泵工作台数少于两台时,或者膨胀罐水位超过LSAHH或压力大于0.2 MPa,经过约30 s后,水位或压力仍未下降,则充氮阀自动关闭；当高炉主供水泵工作台数大于等于两台时，充氮阀自动开启。

②溢流阀：当充氮阀打开且膨胀罐液位低于LSAHH（高高）时，溢流阀自动关闭；当充氮阀关闭，或者膨胀罐液位高于LSAHH（高高）时或压力大于0.2 MPa,经过约30 s后,水位或压力仍未下降,溢流阀自动打开。

③排水阀：当膨胀罐水位高于LSAHH（高高）时，排水阀自动打开；当膨胀罐水位低于LSH（高）时，排水阀自动关闭。

4 结语

本文结合在方大特钢新2#高炉软水密闭循环系统中的设计和调试工作，阐述了PLC控制技术在该系统中的应用，并阐述了供水泵组的备用自投连锁控制方案以及高炉本体膨胀罐的连锁控制方案。