PLC在轉爐煙氣干法除塵控制系統中的應用

   1 引言
   為適應轉爐鍊鋼生產的不斷發展和環保要求，繼寶鋼之後，萊鋼3×120t轉爐煤氣凈化和回收系統引進了德國魯奇與蒂森兩公司合作開發的干法除塵技術，簡稱LT法，並首次在國內進行了LT控制系統的開發和設計。LT系統主要由煙氣冷卻系統、凈化系統、煤氣回收和放散系統組成。控制系統採用了西門子S7-400系列的PLC，對蒸發冷卻器、電除塵器及閥門等工藝生產線設備實現過程檢測、監視、調節和控制。
   2 工藝控制過程簡述
   轉爐煙經汽化冷卻煙道冷卻后,溫度為800~1000℃進入蒸發冷卻器，根據煙氣含熱量精確控制噴水量，使蒸汽將水完全霧化后冷卻煙氣降至200℃左右，約有45%的粗粉塵沉降並通過鏈式輸灰機、灰斗等裝置送至灰倉;冷卻后的煙氣進入圓筒型電除塵器，電除塵器設四個電場，採用高壓直流脈衝電源，根據系統運行的不同階段控制電壓，收集剩餘的細粉塵，使經過電除塵器的煙氣含塵量在10mg/Nm3以下;為適應轉爐煙氣的變化，軸流風機設變頻調速，實現流量調節，並根據氣體分析儀檢測的CO濃度來控制切換站將煤氣送至煙囪或煤氣櫃，實現放散或回收的快速切換。
   3 自動化控制系統的構成
   LT自動化控制範圍是從汽化冷卻煙道開始到煤氣冷卻器結束，設一級基礎自動化，與轉爐本體、汽包等自動化系統進行聯網通訊，組成乙太網光纖環網，通過伺服器實現PLC與上位機之間的數據傳輸、存儲和報警等功能。PLC由CPU、存儲單元、電源模塊、通訊模塊、I/O模塊、高速計數模塊等組成，根據LT設備分散的特點，其自動化硬體系統構建更加靈活合理，上位機放在轉爐主控室內，PLC按設備分布區域劃分為主站和從站，從站為主PLC的遠程擴展單元，通過IM460-4和IM461-4介面模塊進行通訊,其中主站PLC櫃與MCC、變頻器及電除塵器的高壓硅整流電源控制裝置均放置在干法除塵配電室內;而從站則設在轉爐主控樓的PLC控制室，主要是控制蒸發冷卻器和相應的輸排灰等轉爐車間內的LT設備。
   4 系統的控制功能和特點
   PLC系統為西門子S7-400系列可編程控制器，主CPU為S7-416-2DP，採用功能強大的STEP7 5.2軟體包進行軟體開發，以實現計算機對干法除塵系統的在線檢測、控制、調節和診斷功能;監控機採用WINCC 6.0組態軟體，用於編製生產過程流程圖，顯示設備運行狀態，對煙氣量、爐口壓力、蒸發冷卻器入口及出口溫度等重要工藝參數作實時和歷史趨勢，故障報警，報表列印，進行數據設定和操作顯示等，完成人機對話。
   4.1 蒸發冷卻器的噴水控制
   當蒸發冷卻器入口溫度達到預定溫度時,供水閥打開,雙介質噴嘴同時噴出蒸汽和水,使水在排出時被霧化，所需要的噴水速度是由要在蒸發冷卻器中降低的轉爐煙氣熱含量來決定的，因此使用單位時間從熱輸入推算出來的水流量作為設定值，將實際噴水量作為控制器的輸入進行比例控制，通過快速氣動調節閥自動調節水流量，其噴水響應時間在4s左右;另外，考慮爐氣的比熱隨著爐氣成分和溫度而變化的因素，針對蒸發冷卻器出口溫度設置一個溫度控制迴路，其輸出信號用來改變單位時間的噴水量和計算的水流量之間的比例關係，對上一個比例控制器起到前饋控制的作用，使蒸發冷卻器的出口溫度控制在設定溫度範圍內。
   4.2 轉爐的煙氣流量控制
   為了適應鍊鋼工藝，將鍊鋼過程分為不吹氧、預熱、開始吹氧、吹氧、吹氧結束、爐口清理等六個階段，分別設定各階段由軸流風機的變頻器控制的煙氣流量，根據該設定值和爐口壓力來實現轉爐煙氣流量的控制。
   將吹氧量與爐口壓力控制器的輸出信號相乘所得到的值，加到各階段煙氣流量設定的串級比例控制器上。如果吹氧速度發生變化，這種比例控制能夠通過爐口壓力控制器的輸出信號，確保煙氣的流速在相同的比例上立即得到適應。
   爐況的變化以及爐氣溫度等所導致的餘熱鍋爐中的壓力變化通過壓力控制器對吹氧速度和煙氣流量之間的比例關係加以修正來進行補償。測量的煙氣流量根據標準的條件進行壓力和溫度校正。此外，將噴入蒸發冷卻器的水蒸汽含量從校正後的煙氣流量中扣除，使得受控變數能夠代表標準條件下干態的煙氣流量。
   煙氣流量控制器的輸出信號經過變頻器控制軸流風機的轉速。
   4.3 切換站的壓差控制和鐘形閥的位置控制
   在鍊鋼過程中，煙氣放散或回收是由CO的濃度條件來觸發切換的，通過切換站的兩個分別通往煤氣櫃和煙囪的鐘形閥的開啟來實現控制。
   在放散轉回收之前，首先通過煙囪鐘形閥對風機下游的壓力進行憋壓，直到高於煤氣櫃一定的壓力才能進行回收操作;當回收切換至放散時，也必須保持一個小的正壓，以防止煤氣從煤氣櫃倒流，因此針對這兩種不同的切換方式，在程序中也必須由具有兩個不同設定值的差壓控制迴路來控制切換過程，該控制器的輸出信號控制煙囪鐘形閥的開度調節，使煤氣櫃鐘形閥前後的壓差達到相應的設定值，從而保證煤氣在正常切換或緊急快速切換過程中均能實現無壓力擾動切換。LT系統的煙氣切換所需時間僅為8秒，如在作業過程中發生事故，煙氣流可在3秒內被迅速地從通往煤氣櫃切換到通往火炬的通道里。
   5 結束語
   萊鋼3×120t轉爐煙氣干法除塵系統已於2004年七月運行投產，目前運行效果良好。與傳統的濕式OG法相比，LT系統採用了先進的工藝和控制技術，在各種性能指標的對比上均有著明顯的優勢，干法系統較濕法省水省電，節省運行費用和多回收的煤氣效益之和為1060萬元，另外，干法除塵的外排粉塵含量6.6mg/Nm3，濕法除塵的外排粉塵含量100mg/Nm3，經濟效益和環保效益均十分顯著。
   優化簡潔的系統配置，具有自適應功能的控制軟體，使得干法除塵系統的運行更加符合鍊鋼工藝的實際變化情況，充分發揮其除塵效率高、綜合運行費用低、能源回收利用率高等優勢，干法除塵可以部分或全部補償轉爐鍊鋼過程中的能耗，有望實現轉爐低能鍊鋼或負能鍊鋼的目標，已成為今後的發展方向，將逐步在鍊鋼生產中得到應用和推廣。