劉東平

（天津天鐵冶金集團(tuán)第二煉鐵廠，河北涉縣056404）

天鐵6#高爐熱風(fēng)爐與鼓風(fēng)機(jī)自動(dòng)換爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉東平

（天津天鐵冶金集團(tuán)第二煉鐵廠，河北涉縣056404）

為實(shí)現(xiàn)天鐵6#高爐熱風(fēng)爐與鼓風(fēng)機(jī)自動(dòng)換爐并減少換爐對(duì)風(fēng)壓的波動(dòng)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了熱風(fēng)爐與鼓風(fēng)機(jī)自動(dòng)換爐控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)在熱風(fēng)爐PLC控制系統(tǒng)與高爐鼓風(fēng)機(jī)PLC控制系統(tǒng)建立通訊連接，對(duì)已有程序進(jìn)行優(yōu)化和重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了換爐工藝的自動(dòng)控制，保證了高爐穩(wěn)定順行、增產(chǎn)節(jié)焦，取得了較高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

熱風(fēng)爐；鼓風(fēng)機(jī)；換爐;自動(dòng)控制；系統(tǒng)

1 引言

天鐵6#高爐（以下簡(jiǎn)稱：6#高爐）是一座2 800 m3的現(xiàn)代化大型高爐，自2009年6月投產(chǎn)以來(lái)，在許多方面進(jìn)行了優(yōu)化和改造。在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上，通過(guò)自動(dòng)化控制技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，結(jié)合高爐冶煉工藝，實(shí)現(xiàn)爐熱風(fēng)爐與鼓風(fēng)機(jī)自動(dòng)換爐并減少換爐對(duì)風(fēng)壓的波動(dòng)。通過(guò)在熱風(fēng)爐PLC控制系統(tǒng)與高爐鼓風(fēng)機(jī)PLC控制系統(tǒng)建立通訊連接，對(duì)現(xiàn)有程序進(jìn)行優(yōu)化和重新設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)換爐，進(jìn)一步穩(wěn)定了風(fēng)壓，確保高爐對(duì)風(fēng)量的平穩(wěn)需求。投入運(yùn)行后改善和穩(wěn)定了爐況，使高爐生產(chǎn)進(jìn)一步順行。通過(guò)這次對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了換爐工藝的自動(dòng)控制，優(yōu)化了高爐生產(chǎn)工藝，減少了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，使高爐穩(wěn)定順行、增產(chǎn)節(jié)焦，實(shí)現(xiàn)了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 換爐現(xiàn)狀及優(yōu)化方案的分析

2.1 熱風(fēng)爐操作工藝

目前，熱風(fēng)爐是全自動(dòng)操作，具體工藝流程是：

（1）熱風(fēng)爐由“燃燒”轉(zhuǎn)為“送風(fēng)”狀態(tài)。當(dāng)換爐指令到達(dá)后：各閥門的動(dòng)作順序?yàn)椋宏P(guān)煤氣調(diào)節(jié)閥→關(guān)煤氣切斷閥（同時(shí)開(kāi)啟煤氣吹掃閥進(jìn)行管道吹掃）→關(guān)空氣調(diào)節(jié)閥→關(guān)空氣切斷閥→關(guān)煤氣燃燒閥（同時(shí)打開(kāi)煤氣放散閥→關(guān)煙道閥，此時(shí)熱風(fēng)爐處于“悶爐”狀態(tài)。）→開(kāi)冷風(fēng)充壓閥進(jìn)行均壓→冷風(fēng)閥前后壓差達(dá)到規(guī)定值后，開(kāi)熱風(fēng)閥→全開(kāi)冷風(fēng)閥。熱風(fēng)爐進(jìn)入“送風(fēng)”狀態(tài)。

（2）熱風(fēng)爐由“送風(fēng)”轉(zhuǎn)為“燃燒”狀態(tài)（三座熱風(fēng)爐工作時(shí)）。接到換爐指令后，熱風(fēng)爐各閥門的動(dòng)作順序?yàn)椋宏P(guān)冷風(fēng)閥→關(guān)熱風(fēng)閥（此時(shí)熱風(fēng)爐處于“悶爐”狀態(tài)）→開(kāi)廢氣閥→（熱風(fēng)爐均壓）→煙道閥前后壓差到達(dá)規(guī)定值后，開(kāi)煙道閥→關(guān)廢氣閥→開(kāi)煤氣燃燒閥（同時(shí)關(guān)閉煤氣放散閥）→開(kāi)空氣切斷閥→開(kāi)煤氣切斷閥→小開(kāi)空氣調(diào)節(jié)閥→小開(kāi)煤氣調(diào)節(jié)閥→已著火→開(kāi)空氣調(diào)節(jié)閥→開(kāi)煤氣調(diào)節(jié)閥，熱風(fēng)爐由“送風(fēng)”轉(zhuǎn)為“燃燒”狀態(tài)。

2.2 換爐現(xiàn)狀分析

6#高爐有三座頂燃式熱風(fēng)爐組成，平均送風(fēng)溫度為1 200℃。高爐生產(chǎn)中，為了保證高爐高風(fēng)溫，需要熱風(fēng)爐每40 min左右周期性的換爐，換爐過(guò)程中，因?yàn)橄蛄硪蛔鶡犸L(fēng)爐充壓的原因，入爐風(fēng)量要經(jīng)過(guò)先減少，后有增加到換爐前風(fēng)量的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，熱風(fēng)壓力會(huì)先降低，再升高的波動(dòng)過(guò)程。目前，這一換爐的過(guò)程是采用人工（電話聯(lián)系）的方式進(jìn)行，崗位工接到換爐開(kāi)始或結(jié)束的命令后，通過(guò)操作計(jì)算機(jī)按鈕來(lái)完成換爐的整個(gè)過(guò)程。熱風(fēng)爐正常送風(fēng)是采用定風(fēng)量的方式送風(fēng)，當(dāng)換爐的時(shí)候采用定風(fēng)壓的方式進(jìn)行換爐，換爐結(jié)束后再回到起先的定風(fēng)量操作，這一過(guò)程也是常說(shuō)的換爐過(guò)程?，F(xiàn)在的具體換爐過(guò)程是爐內(nèi)工長(zhǎng)根據(jù)熱風(fēng)爐沖壓情況來(lái)進(jìn)行換爐操作，即當(dāng)燃燒完成（即將送風(fēng)）的熱風(fēng)爐開(kāi)始沖壓時(shí)為換爐開(kāi)始，當(dāng)沖壓到100 kPa左右時(shí)為換爐結(jié)束（假定此時(shí)的正常送風(fēng)風(fēng)壓為398 kPa），轉(zhuǎn)為定風(fēng)量控制。這期間風(fēng)壓的波動(dòng)在5～12 kPa之間波動(dòng)（具體曲線如圖1所示）。

圖1 改造前曲線

波動(dòng)越大就越會(huì)影響高爐的進(jìn)風(fēng)風(fēng)量和爐況，從而影響生產(chǎn)。因每個(gè)班次和每一次換爐的操作都是由崗位工來(lái)執(zhí)行操作命令，對(duì)時(shí)間上的把握各有不同，每位爐內(nèi)工長(zhǎng)的要求也各有不同，加之爐內(nèi)爐料的變化本身是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，給高爐的操作便帶來(lái)一些難度，增加了崗位工的勞動(dòng)強(qiáng)度，高爐操作工藝的自動(dòng)化程度得不到充分的發(fā)揮。對(duì)于鼓風(fēng)機(jī)操作而言，在每次接到相應(yīng)命令后，需手動(dòng)做出調(diào)整，不時(shí)對(duì)高爐的要求做出相應(yīng)的變化。

2.3 優(yōu)化方案分析

為了改善這一現(xiàn)狀，單位組織相關(guān)人員外出學(xué)習(xí)考察，通過(guò)對(duì)熱風(fēng)爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究和對(duì)鼓風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)能力的分析，制定出了可行的改造方案：一方面，應(yīng)對(duì)高爐熱風(fēng)爐及鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)采用屏蔽線進(jìn)行相應(yīng)信號(hào)的對(duì)接，確保信號(hào)傳輸?shù)募皶r(shí)準(zhǔn)確；另一方面，應(yīng)對(duì)程序進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化，保證3個(gè)熱風(fēng)爐在使用過(guò)程中給鼓風(fēng)機(jī)信號(hào)的唯一性，避免邏輯上出現(xiàn)問(wèn)題；最后，還應(yīng)該對(duì)高爐鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況做出相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化。在對(duì)這些方面的改造完成后方可進(jìn)行自動(dòng)換爐，從而實(shí)現(xiàn)換爐過(guò)程中換爐開(kāi)始是定風(fēng)壓，換爐結(jié)束后定風(fēng)量的自動(dòng)控制操作過(guò)程。具體情況是：

（1）在換爐前，當(dāng)熱風(fēng)操作工點(diǎn)擊自動(dòng)換爐信號(hào)時(shí)，熱風(fēng)爐各閥門進(jìn)行自動(dòng)操作，同時(shí)發(fā)出換爐信號(hào)，高爐鼓風(fēng)機(jī)會(huì)自動(dòng)切換為定風(fēng)壓操作，風(fēng)機(jī)靜葉開(kāi)度與風(fēng)機(jī)出口壓力進(jìn)行連鎖。

（2）當(dāng)充壓閥打開(kāi)充壓時(shí)，風(fēng)機(jī)出口壓力會(huì)慢慢降低，此時(shí)風(fēng)機(jī)會(huì)維持充壓前壓力，通過(guò)風(fēng)機(jī)靜葉慢慢加風(fēng)、減風(fēng)，確保風(fēng)壓波動(dòng)在5 kPa以內(nèi)，同時(shí)滿足高爐換爐前進(jìn)風(fēng)量的需求。

（3）換爐結(jié)束，熱風(fēng)爐開(kāi)始正常送風(fēng)，風(fēng)機(jī)檢測(cè)到換爐結(jié)束信號(hào)后，風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換為定風(fēng)量操作，風(fēng)量為換爐前的風(fēng)量，此時(shí)，風(fēng)機(jī)靜葉開(kāi)度與風(fēng)量進(jìn)行連鎖。實(shí)現(xiàn)高爐換爐時(shí)定風(fēng)壓，換爐結(jié)束后定風(fēng)量的自動(dòng)控制技術(shù)，最終達(dá)到穩(wěn)定爐況和氣流的目的。

3 設(shè)計(jì)方案的實(shí)施

根據(jù)自動(dòng)換爐的具體要求，在自動(dòng)換爐、過(guò)程中需要解決信號(hào)的對(duì)接，換爐開(kāi)始與結(jié)束的程序設(shè)計(jì)，鼓風(fēng)機(jī)靜葉PID參數(shù)的優(yōu)化，畫面組態(tài)的設(shè)計(jì)等。

3.1 信號(hào)傳遞的對(duì)接

6#高爐PLC系統(tǒng)采用GE PAC Rx3i自動(dòng)控制系統(tǒng)與BL67 TRUCK總線系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)高爐的自動(dòng)化控制，高爐鼓風(fēng)機(jī)采用西門子S7-400H系列PLC自動(dòng)化控制技術(shù)。為確保通訊數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、及時(shí)和可靠，在信號(hào)對(duì)接時(shí)主要采用屏蔽線對(duì)信號(hào)進(jìn)行連接，經(jīng)過(guò)繼電器至總線與PLC模塊進(jìn)行對(duì)接。需要傳遞換爐開(kāi)始、換爐結(jié)束、鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行反饋等運(yùn)行參數(shù)。

3.2 程序設(shè)計(jì)及優(yōu)化

通過(guò)對(duì)輸出信號(hào)與反饋信號(hào)的采集與處理，需對(duì)高爐熱風(fēng)爐程序進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。當(dāng)熱風(fēng)爐處于自動(dòng)操作狀態(tài)時(shí)，爐況順行，鼓風(fēng)機(jī)允許自動(dòng)換爐，此時(shí)可以投入熱風(fēng)爐自動(dòng)換爐操作。當(dāng)具備換爐條件時(shí)，即充壓閥第一次開(kāi)啟，為換爐開(kāi)始，程序輸出換爐開(kāi)始命令，鼓風(fēng)機(jī)靜葉與風(fēng)壓連鎖。當(dāng)充壓完成后，充壓閥關(guān)閉，熱風(fēng)閥打開(kāi)，冷風(fēng)閥全打開(kāi)，熱風(fēng)爐轉(zhuǎn)為送風(fēng)狀態(tài)，此時(shí)換爐結(jié)束，程序輸出換爐結(jié)束命令，鼓風(fēng)機(jī)靜葉與風(fēng)量連鎖。熱風(fēng)爐自動(dòng)換爐開(kāi)始與結(jié)束程序如圖2所示。

圖2 熱風(fēng)爐自動(dòng)換爐開(kāi)始與結(jié)束程序

4 應(yīng)用效果

該設(shè)計(jì)完成后，利用高爐定修的機(jī)會(huì)進(jìn)行了模擬應(yīng)用，這樣做的主要目的是保護(hù)鼓風(fēng)機(jī)和高爐的設(shè)備安全。離線應(yīng)用過(guò)程中把放風(fēng)閥打開(kāi)，熱風(fēng)爐分別給出換爐開(kāi)始和換爐結(jié)束的信號(hào)，鼓風(fēng)機(jī)分別把靜葉與風(fēng)壓、靜葉與風(fēng)量進(jìn)連鎖。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，對(duì)靜葉的PID參數(shù)進(jìn)行了適度的優(yōu)化，保證靜葉的調(diào)節(jié)速度在連鎖過(guò)程中換爐時(shí)間及鼓風(fēng)機(jī)承受力等方面的參數(shù)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。同時(shí)也對(duì)異常狀態(tài)下的操作進(jìn)行了演練，如緊急休風(fēng)、風(fēng)量、風(fēng)壓波動(dòng)較大，放散閥失靈等緊急情況。正常生產(chǎn)并且爐況穩(wěn)定后，在高爐熱風(fēng)爐與鼓風(fēng)機(jī)都相互允許自動(dòng)換爐的情況下開(kāi)始投入使用。結(jié)果觀察及對(duì)各種參數(shù)的監(jiān)控，該設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果。從檢測(cè)情況看，每次換爐時(shí)風(fēng)量有所增加，該部分風(fēng)量是給熱風(fēng)爐中壓所致，屬正常情況。從風(fēng)壓波動(dòng)情況看，基本能控制在5 kPa左右，給高爐高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)創(chuàng)造了重要的外部條件。改造后的風(fēng)量風(fēng)壓曲線如圖3所示。

圖3 改造后曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)這次對(duì)6#高爐熱風(fēng)爐與鼓風(fēng)機(jī)自動(dòng)換爐控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的操作方式，減小了高爐風(fēng)壓波動(dòng)，解放了勞動(dòng)力，達(dá)到了預(yù)期效果，為高爐穩(wěn)定順產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]馬竹語(yǔ).高爐熱風(fēng)爐自動(dòng)換爐的研究與應(yīng)用實(shí)踐[J].冶金自動(dòng)化，2007（2）：30.

Design and Application of Automatic Stove Switching Control System for Hot Blast Stove and Air Blower of Tiantie BF 6

LIU Dong-ping
(Iron-making Plant 2,Tianjin Tiantie Metallurgical Group Co．,Ltd．,She County,Hebei Province 056404,China)

The automatic control system for the stove switching of hot blast stove and air blower was designed and developed to realize automatic stove switching and reduce the influence of stove switching on air pressure fluctuation at Tiantie BF 6．By the establishment of communication between stove PLC control system and blower PLC control system,the existing program was optimized and redesigned．The automatic control of stove switching process was realized．The blast furnace ran stably and production was increased with less coke consumption．High social and economic benefits were achieved．

hot blast stove;air blower;stove switching;automatic control;system

10．3969/j．issn．1006-110X．2015．03．010

2015-01-15

2015-02-04

劉東平（1976—），男，工程師，主要從事冶金電氣自動(dòng)化控制工作。