高炉喷煤制粉控制方案(王宏伟)

高炉喷煤控制系统

技术方案

辽宁中新自动控制有限公司

2003-2-17

目录

一、概述

二、高炉喷煤工艺流程及主要部分自动化控制说明

三、自动化系统硬件组成

四、控制策略

五、控制系统的监控与操作

一、概述

近年来，我国的高炉喷煤取得了巨大的成绩，已经形成了具有特色的、成熟配套的喷煤技术和工艺流程。在高炉炼铁过程中采用富氧大喷煤可以节省大量焦炭，能够较大幅度地降低炼铁成本。例如采用先进的配煤技术，能够把不同性能的煤种进行混合，以提高其燃烧率；采用中速磨进行煤粉制备，大幅度降低电耗和噪音污染；采用热风炉烟气做载气和干燥气，既节约了能耗又起到了防爆作用；采用布袋一次收粉，取消了一级、二级旋风收粉装置；采用一级风机，实现全负压操作；采用直接喷吹工艺，喷吹系统和制粉系统设在同一厂房内；喷吹罐可采用串联或并联方式，采用流化罐上出料及浓相输送技术，可以使出煤均匀，防止脉动和减少对输煤管道的磨损；采用总管加分配器工艺将煤粉送至高炉的各个风口；采用电容流量计进行总管及支管煤粉计量，配合其它设备可以形成闭环煤量自动控制；采用氧煤枪进行局部富氧以提高煤粉燃烧率；采用供氧及安全控制系统以防止氧气泄露。因此，如何在保证控制安全可靠的前提下，实现低成本自动化，是喷煤自动控制设计者主要考虑的问题。

二、高炉喷煤工艺流程及主要部分自动化控制说明

从工艺角度来讲，整个系统可分为制粉和喷吹两个子系统，制粉工艺系统又分为原料控制系统、干燥系统、磨煤系统，喷吹工艺系统又分为布袋除尘、喷吹系统、动力系统。如下面高炉喷煤主工艺图。其工艺流程见图

高炉喷煤工艺主流程图

1：排烟风机入口调节阀，2：布袋除尘事故充氮阀，3：布袋反吹阀,4：中速磨事故充氮阀，5：煤粉仓事故充氮阀，6：均压阀，7：煤粉仓流化阀，8、9：喷吹罐放散阀，10、11：蝶阀，12、13：球阀，14、15：充压阀，16、25：补压阀，17、18：喷吹罐流化阀，19、22：补气调节阀，20、23：出煤阀，24、快切阀，26：氮气空气切换阀，27：安全用氮减压阀，28：氮气总管调节阀电气控制主要设备：

a、制粉系统：

圆盘给料机、胶带机、检铁器、犁式卸料器、定量给料机、热风炉废气引风机，助燃风机，中速磨（密封电机、液压电机、慢传电机、加热器、润滑泵）、排煤风机。

各种阀：热风炉废气放散阀，冷风阀、干燥剂放散阀，中速磨事故充氮阀，快切阀，输煤阀等。

b、喷吹系统：

主排烟风机、布袋叶轮给煤机

各种阀：排烟风机入口调节阀，布袋除尘事故充氮阀，布袋反吹阀,煤粉仓脉冲阀、停风阀、煤粉仓事故充氮阀，煤粉仓流化阀，均压阀，喷吹罐放散阀，蝶阀，球阀，充压阀，补压阀，喷吹罐流化阀，补气调节阀，出煤阀，快切阀，氮气空气切换阀，安全用氮减压阀，

氮气总管调节阀

仪表过程控制主要系统检测参数：

a、温度检测：

中速磨风口入口温度，米希尔轴承温度，热风炉废气温度，粗粉分离器出口温度，排煤风机出口温度，袋式收粉器出口温度，袋式收粉器，煤粉仓温度

b、压力检测

压缩空气总管压力、磨煤机密封风系统用氮压力，磨煤机入风口压力，磨煤机内部压力，冷却水压力，输煤管线管压，煤粉仓压力，喷吹罐压力，氮气压力，补气压力

c、流量检测

压缩空气总管流量，高炉煤气流量，密封风氮气环管流量，流化用氮量，磨机冷却水流量，排煤风机前风流量等

d、重量检测

e、1#、2#配煤仓重量，原煤仓重量，煤粉仓重量

f、OC测量

煤粉仓安装CO测定仪，监视煤粉自燃情况，CO超过规定报警信号，自动打开充N2阀，向煤粉仓内N2气。

g、磨煤机入口和排烟机出口安装氧浓度分析仪。大氧浓度超出规定时发出报警信号，并自动打开充N2阀，向煤粉仓内N2气。

（一）、制粉系统主要生产过程的自动控制

1、主要生产过程的自动控制

对生产线上的各类高低压电器和各种电气阀门实现顺序启、停以及事故状态下的紧急停机,生产过程中的物料分配，安全联锁等。

1.1、自动上煤

原煤自煤场通过1#、2#圆盘给料器、皮带机、犁式卸料器输送到原煤仓，运输过程中还要进行电磁除铁。使用犁式卸料器使原煤仓内煤层均匀，称重传感器载荷均衡。计算机检测原煤仓中煤的重量，当仓内贮煤量低于30％时，启动原煤贮运系统，向原煤仓输煤；当仓内贮煤量大于90％时，停止输煤。

1.2、煤粉均匀分配

煤粉仓共有2个，为高炉准备煤粉。布袋收尘器收集的煤粉通过叶轮给煤机均匀地分配到1#、2#煤粉仓中。具体步骤是，先从2＃仓开始，依次2#－1#进行布料，每个煤粉仓的布料周期为15min。同时还要对各煤粉仓的重量进行采样，检测煤粉仓的料位状况。当某仓料位低于30％时，发出料空信号，优先向该仓布料；当某仓料满时，停止向该仓布料，只向其余煤粉仓布料。这样保证向两座高炉提供的煤粉是均衡的。

1.3、高压设备的控制

对中速磨煤机和主引风机两台高压设备的操作仍执行送牌确认

送电操作制度，采取“手动启、自动停”的控制方法。就是说，计算机检测中速磨煤机和主引风机的开车条件，若开车条件满足，使高压操作回路的合闸联锁接点闭合，同时发出允许合闸信号指示，提示操作人员送牌联络、合闸开机，正常或故障停机由计算机执行。

1.4、安全保护

煤粉制备、输送、和喷吹系统均属易燃易爆车间，在日常的生产、操作和管理上必须把安全放在首位。重点是控制系统含氧浓度和消除火源。为此采取的措施：

a、是充氮保护，开车前对磨煤机、螺旋输送机充氮5min，以降低其内部氧含量，停机时充氮使机内温度迅速降低。

b、温度控制，当磨煤机出口温度大于120℃时，全线停机并立即充氮。

c、压缩空气和N2风包安装安全阀，避免引起源压力突然高于设备额定工作压力而造成设备损坏，以及由此而产生的对环境影响。

d、压缩空气和N2管道安装逆止阀。隔断引起源压力突然降低，煤粉倒流至风包内。

e、原煤皮带系统安装除铁装置，防止铁器物质进入磨煤机产生火花和损坏磨煤机。

f、原煤仓安装料位探测装置，防止漏空断煤突然引起磨煤机出口温度和氧浓度升高，而造成煤粉着火或爆炸事故。料位超出规定范围，发出报警信号。

g、原煤仓给煤机应有停转、断煤报警装置。断煤或停转时应发出报警信号。

h、布袋箱会都下星型给料器要有停转报警，防止会都过满引起的布袋灌肠。

i、喷吹烟煤或无烟煤的混合煤时，应采用热风炉烟气和燃烧炉烟气的混合器作载气，无条件采用热风炉烟气时，可采用自循环方式，以降低系统氧浓度。

j、混合器出口安装快速切断阀，当喷吹风压力与高炉冷风差小于规定值时，快速切断法自动切断，防止热风倒流。

2、给煤量控制

给煤量控制由一个单独的控制子系统（给煤机控制系统）来完成。如图2所示，给煤量设定在制粉操作站上完成，可通过键盘或游标以工程量输入；PLC转换成4～20mA标准信号后送到给煤机控制柜内的申克计值器，申克计值器根据给煤量设定值计算出速度给定值送到变频调速器，控制给煤机皮带转速，保持下煤量稳定；给煤机皮带转速形成闭环控制，这样可以提高皮带转速的稳定性和精度。实际的下煤

量是根据称量皮带上的原煤重量和皮带线速度来计算的，申克计值器计算的下煤量累计值供生产统计用，瞬时值送到CRT上动态显示。

图2 给煤量控制示意图

3、磨煤机温度控制

磨煤机风粉分离器内的温度是一重要参数，若温度偏低原煤不能有效烘干，影响出粉，若温度太高就有火灾的危险，理论上要将温度控制在80~120℃，实际生产时，将温度控制在90～100℃范围内，以95℃作为温度控制点。进入磨煤机的干燥热风由烟气炉产生的烟气和热风炉的废气混合而成，当废气温度相对稳定时，以烟气炉热风调节阀为控制对象，利用PLC中的PID2功能块实现回路控制。

（二）、控制程序

1、罐压调节

罐压调节包括恒压控制和罐压调节两个内容。恒压控制是在一定时间段内，为了维持煤粉喷吹速度相对稳定，需保持喷吹罐压力的恒定，及时对喷吹罐进行氮气充压。罐压调节：根据高炉炉况，需及时准确地调整煤粉喷吹量，这就需要调节喷吹罐的压力。需加大喷吹量时，进行增压调节，在CRT操作画面上调大罐压设定值，即自动打开充压阀，直到达到设定罐压。减小喷吹量时，进行减压操作，在CRT 画面上调小罐压设定值，即自动打开卸压阀，直到达到设定罐压。

2、自动倒罐

为保障向高炉喷吹煤粉的连续进行，每座高炉用两个喷吹罐，当一个罐喷吹煤粉时，另一个罐做准备工作待用，两罐的工作转换自动进行。

3、喷吹速率的计算与控制

喷吹速率是指单位时间内的煤粉喷吹量。由于目前尚无在喷吹管内直接检测喷吹速率的有效手段，因此采用检测单位时间内喷吹罐内煤粉重量的减小量来计算喷吹速率，这种间接计量误差是允许的，而且实现起来比较方便。为了提高喷吹率，在工艺上采用了流化罐装置，这对于控制喷吹速率是有帮助的。调节喷吹速率是通过调节喷吹管内的补气量来实现的，但要注意的是补气量和喷吹速率成反比关系，控制流程图如图3所示，其中，V是补气阀的阀门开度，△V是其增量；λ是阈值，当|(Wa-Ws)/Ws|不大于λ时，不调节V，反之则调节。

图3 喷吹速率控制

4、高炉喷煤操作程序（见流程图）

⑴关下煤阀，向下罐装煤并充压；

⑵关系统吹扫阀；

⑶开喷吹风阀和快速切断阀；

⑷开分配器出口阀和喷枪前后喷吹阀，通风扫线并确认管线畅通；

⑸调整喷吹罐压达需要的水平开下煤阀；

⑹开补压阀进行自动补压；

⑺检查各风口煤量是否均匀，对煤量少的进行调整；

5、高炉停煤操作程序；

⑴关下煤阀停止给煤；

⑵关快速切断阀；

⑶关喷吹阀停止喷吹；

⑷喷吹罐冲氮，维持正压水平；

6、输煤操作程序

⑴确认上罐是空罐，关上钟阀；

⑵喷吹工联系仓式泵向上罐输煤

⑶仓式泵接到输煤通知后，到正通往该煤粉罐的管路和阀门并全部开启，与此官路相连的其他阀门全部关闭；

⑷关输煤阀，，开扫线阀后，并确认管线畅通；

⑸开仓式泵充压阀，泵内压力达到正常压力下限时，关扫线阀后，开输煤阀；

⑹当仓式泵电子称回零时，延时30s关输煤阀后开扫线阀；

⑺开仓式泵放散阀；

⑻管线扫净后，关扫线阀；

7、集煤罐向储煤罐装煤程序

⑴开储煤罐放散阀；

⑵开上钟阀；

⑶监视煤粉已装入中罐，电子称指示在规定的吨位；

⑷关上钟阀；

⑸关放散阀；

8、储煤罐向喷煤罐装煤程序

⑴开中罐下充压阀和上充压阀；

⑵开均压阀；

⑶中罐压力达到和超过下关压力时，开下中阀同时关中罐上/

下充压阀；

⑷待中罐煤粉全部到如下罐后，关下钟阀；

⑸关均压阀；

⑹关放散阀；

⑺开补压阀，控制关押在需要水平；

三、自动化系统硬件组成

1、网络监控站

光纤具有频带宽、抗干扰性能好等特点,系统中选用的以太网交换机也最大限度的保证了整个网络系统的安全性、可靠性和抗干扰性。高炉喷煤工业控制系统采用光纤以太网技术，由两个监控站，分别是制粉监控站和喷煤监控站。还有一个供维护和调式用的工程师站组成，在主控室安装一套PLC主站和两套远程I/O站，PLC主站和监控计算机通过带光纤接口的以太网交换机，光纤通讯电缆，组成光纤以太网络。监控计算机的监控程序是用IFIX软件编写，与下位机PLC 通过以太网交换数据，实时通信速率不小于10Mbps，每个监控计算机中的监控程序为相同，并可同时操作不同画面，还可以达到互为备分的作用。每个控制室各设置打印机一台，平时处理事件打印，如故障打印，记录故障的种类、名称、发生时间和恢复时间。通过打印记录为事故查询、维护提供方便。也可以对重要操作事件进行打印等。并有随机拷贝CRT屏幕画面功能。

2、控制站

根据系统I/O点数及工作量多少，通过对各模板性能价格比的综合比较，控制站采用施耐德公司的MODICON TSX QUANTUM系列自动化控制系统，CPU采用140系列中的型号140CPU43414，32×DC24V开

关量输入模板，32×DC24V开头量输出模板，8×12位模拟量输入模板，8×12位模拟量输出模板，系统中的I/O模块通过远程RIO方式与主机架相连接，具有绝对迅速的I/O扫描速度，确保系统的实时性。上位机采用研华工控机及两台大屏幕显示器。由于低压电器设备是影响自控系统可靠性的重要因素，并从喷煤系统的安全性考虑，低压电器设备选用性能可靠的电磁阀、气动阀及欧姆龙继电器、接近开关。该系统具有硬件配置可靠、结构紧凑、安装简单、维护方便的特点，

系统组成如图1所示。

制粉监控站喷吹监控站工程师站

图1 控制系统硬件配置示意图

四、控制策略

4．1、安全性

由于煤粉是易燃易爆物品，因而在煤粉生产、输送、喷吹的整个过程中，都要保证各环节的安全可靠性。主要是在全过程监测、控制煤粉的温度和粉尘中的氧含量，在开、停机时进行消防充氮。

4.2 逻辑联锁简繁适度

若逻辑联锁比较繁杂的话，实际运行中因电气接点的故障而影响系统自动运行的概率增大，尤其是因瞬间干扰而停机。

4.3 3参量控制强调重点

从经济性和实用性出发，参量控制只要抓住几个关键点即可。一是控制磨煤机的给煤量和入磨一次风量使风煤比协调，二是根据高炉生产要求控制喷吹速率。

五、控制系统的监控与操作

制粉和喷吹的操作分别在各自的操作站上进行，两个操作站又可互为备用。操作画面丰富、易操作，对引起停机的故障进行跟踪记忆，在画面上显示，以便迅速排查处理，监控与操作画面的开发采用了IFIX开发软件，画面操作人员操作简单、极易于观察系统的状态、系统故障时的快速恢复。开发的画面有：制粉工艺画面、制粉操作画面、烟气炉操作画面、开车条件及故障检测画面、模拟值显示画面、给煤量设定画面等。

5.1 系统的监控

系统的监控集中在制粉工艺画面中，受控设备的运行状态在画面中以动态的形式显示，各测点的参数都集中在模拟值显示画面中，并且大部分都在制粉工艺画面中直接指示，以方便操作人员观测，尤其突出了热风通道的温度、压力、流量。对于物料的重量、调节阀开度等，则以工程量显示和图形的百分比填充相结合，这样既直观又准确。

5.2 系统的操作

系统为操作人员提供了灵活的操作方式：集中自动、集中手动、就地手动等三种操作方式，操作人员可根据情况选择，在制粉操作画面和烟气炉操作画面上进行操作，但每种操作方式都是以安全联锁为前提的。磨煤机和主抽风机两台高压设备的操作，仍采用送牌确认操作制度，但由计算机检测开车条件。此外，我们还开发了故障追踪记忆功能，当出现故障停机时，计算机记住故障原因，并在画面上指示出来，直到按下复位。