Freelance系统在闪速炉沉淀池烧嘴控制中的应用

康冬荣

（江西瑞林电气自动化有限公司，江西南昌 330038）

Freelance控制系统作为领导工业控制领域发展潮流的新一代控制系统，在全球已有数千套应用业绩。在此基础上，ABB开发了更新一代的产品——ABB FieldController 800现场总线控制器。该产品将全开放的现场总线技术引入到控制系统中，具有许多全新的技术特点，如控制器冗余及支持现场设备编程维护的FDT/DTM技术等[1]。Freelance I/O模件可直接与ABB FieldController 800现场总线控制器连接。本文以某铜冶炼厂熔炼车间闪速炉ABB Freelance DCS控制系统为例，对Freelance系统的硬件结构以及工作原理进行说明，介绍闪速炉沉淀池天然气烧嘴燃烧系统的控制要点。

1 系统工艺设备介绍

闪速炉沉淀池总共有12套烧嘴，需配置12套燃烧器和配置1套调压设备。

每套燃烧器天然气管道上有天然气流量计、流量调节阀、快速切断阀、出口压力检测；助燃风管道上有空气流量计和空气流量调调节阀；每套燃烧器配置火焰检测和天然气泄漏检测。

调压站管道上设置温度检测、进口压力检测、出口压力检测、压力调节阀以及天然气泄漏检测。调压站压力调节阀调节天然气总管压力。天然气经过调压站减压后输送到12个流量调节阀组。流量调节阀组分散布置，燃气从流量调节阀组出来后经过管道输送到炉前，再经过阻火器和金属软管进入燃烧器。燃烧器上设置有氮气吹扫管路，能够手动和自动吹扫天然气道。燃烧器旁设置就地操作箱，能够实现远程和就地自动点火。

2 配置方案

控制系统配置1台工程师站、1台操作员站、1套冗余AC900FR控制器（含1对冗余CI 930F DP通信卡）、3个IO机架。每个机架配置两块CI840通信卡与冗余CPU上CI 930F DP通信卡组成冗余总线连接，1号IO机架上配置12块DI卡 件，2号IO机架上配置8块DO卡件，3号IO机架上配置3块AO卡件、1块RTD卡件、6块AI卡件。

3 系统功能的实现

本控制系统主要完成12套烧嘴及1套调压站设备控制和监视。所有信号接入现有DCS中，每个熔炼烧嘴配置防爆就地操作箱，操作箱可以实现对燃烧系统的操作及保护，设有启动点火、开天然气切断阀、关天然气切断阀按钮，及点火允许、运行正常、运行故障指示灯。所有设备的控制均可由现场操作箱或DCS来完成。

3.1 流量控制

燃烧器系统在正常情况下采用自动模式运行。在自动模式下，流量控制采用比例—积分—微分（PID）控制。流量控制的参数可通过DCS（人机界面）调节。从工艺的执行角度分为空燃比模式与单PID模式。在空燃比模式下，操作员可对燃料流量进行调节，助燃空气流量将按预先设定好的比例自动进行跟踪调节。在单PID模式下，操作员可分别对燃料流量和助燃空气流量进行单独设定。系统也可以进入手动调节模式，直接控制流量调节阀门的开度来控制流量大小。

3.2 压力显示

燃气管路设有压力显示。在系统投运前，应对燃气管路上各阀组压力进行检查，确定调压阀站入口压强为0.30～0.35 MPa，流量调节阀组压强为20～50 kPa，燃气压力值是固定的，运行过程中不得随意调动。

3.3 安全联锁

天然气管路上配置了1个天然气切断阀，天然气切断阀为单作用，在失电、失气的情况下可自动关闭。本系统在现场控制箱上设有急停开关，能够直接切断输出回路，关闭天然气切断阀。天然气压力高高报、低低报、天然气温度高高报、天然气泄漏高高报以及工艺连锁条件都会触发烧嘴自动停止程序。其中，天然气温度高高报、天然气泄漏高高报需要停止所有沉淀池烧嘴工作，并且切断天然气总管阀，以保证安全。

4 燃烧系统使用

4.1 开车前准备工作

1）检查各燃烧器燃气进口总阀、氮气进口总阀是否处于关闭状态；管道连接燃烧器的所有阀门是否处于关闭状态。

2）检查设备各有关阀门、仪表空气、现场仪表、现场控制箱内各个按钮是否正常。运行条件指示灯是否熄灭；闪光报警器是否有报警，如有报警须先排除相应的问题。

3）检查调试本单元所有设备是否灵活好用，是否符合要求。

4）在手动控制切换自动控制时，各流量设定值幅度≤5；每次开火和关火前都要打开氮气管路中的切断阀进行吹扫。

4.2 开车步骤

1)调压站。依次打开调压站天然气进口手阀、天然气进口总管切断阀、天然气调节阀两旁的上下游手阀；关闭天然气调节阀旁路阀。DCS上操作调压站区域联锁/解除按钮使其处于解除状态，调节输出为零，压力调节阀全关；压力调节PID切到自动状态，缓慢调节天然气压强调节阀，使阀后压强稳定在20～50 kPa，准备将天然气引入闪速炉沉淀池各流量调节阀组系统。

2)沉淀池烧嘴。首先将现场操作箱远程就地按钮切换到远程位置，在DCS上操作燃烧器区域联锁/解除按钮使其处于解除状态；依次打开沉淀池天然气进料手阀、天然气调节阀两旁的上下游手阀，关闭天然气调节阀旁路阀，打开助燃空气调节阀，通入助燃空气。操作人员将天然气流量调节PID切到手动，调节输出为零，使流量调节阀全关；将天然气切断阀打开，同时再按下点火按钮，使点火变压器动作，点火枪打火大约10 s；此时，缓慢手动调节天然气流量输出，慢慢打开使流量调节阀将天然气引入燃烧枪；当火焰检测器检测到火焰，说明点火成功。特别注意：助燃空气调节阀一定要提前打开4～5 s后，再打开天然气流量调节阀，使助燃空气先通入燃烧器。

逐步提升助燃空气流量，使火焰加强，逐渐调节天然气流量输出，使天然气流量达到240 m3/h，工艺达到负荷标准。观察火焰是否呈蓝色，是否刚性强、明亮白炙，火焰长度是否符合要求，是否无黑烟。若燃烧火焰发暗或发红，甚至冒烟，说明助燃空气量不够，应调节助燃空气流量输出，加大供氧量。

系统稳定一段时间后，将天然气流量PID设定切换到自动状态，设定需要的流量值，系统将按照设定好的控制参数进入到自动控制状态。将天然气/助燃空气流量比值设定好（参考数值1∶12），系统将按照比值参数进入比例调节状态。

4.3 停车步骤

停车分两类情况：一种是正常停车，它包括手动关火和系统紧急停车；另一种是系统异常导致的停车，包括天然气压力异常、助燃空气压力异常、火焰检测异常等。系统发生异常停车后，闪光报警器上会有显示，蜂鸣器会不停鸣响，同时系统异常指示灯会点亮以提示操作人员注意。操作人员只要按下DCS上的消音按钮，即可消除报警音响，但闪光报警器会一直亮着，直到故障消除后才熄灭。系统发生异常停车，相关阀站上的氮气吹扫阀自动打开，吹扫30 s后关闭。手动停车，只要操作人员按下DCS上的停止按钮，系统就会按照一定的步骤自动停车。具体步骤为：关闭天然气切断阀，自动打开氮气吹扫阀吹扫。系统停机时，应将天然气流量手／自动按钮切换到手动状态，调节输出为0，使流量调节阀全关。

5 结论

综上所述，该控制系统实现了对闪速炉沉淀池天然气烧嘴生产工艺参数的全面监视，并实现了对天然气烧嘴点火、停火、天然气燃烧过程的自动化控制及安全联锁保护。现场所有烧嘴程序都经过了严格测试，闪速炉投料后仍然保持稳定运行，可以在类似天然气烧嘴控制系统项目中进行推广。