曹戰(zhàn)飛

（江西銅業(yè)集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

發(fā)展清潔能源、改善能源結(jié)構(gòu)是我國能源發(fā)展的趨勢，清潔生產(chǎn)也逐漸成為關(guān)于產(chǎn)品生產(chǎn)過程的一種新的思維方式，社會和經(jīng)濟效益顯著。

江銅集團貴溪冶煉廠實施天然氣替代現(xiàn)有燃料技術(shù)改造項目，在充分發(fā)揮自動化裝備水平優(yōu)勢并應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中，結(jié)合生產(chǎn)工藝實際，自主研發(fā)設(shè)計、應(yīng)用開發(fā)、優(yōu)化控制程序等技術(shù)方面，促進和保證節(jié)能減排項目高水準、高指標、高運行率的實現(xiàn)，在節(jié)能降耗、綠色環(huán)保、技術(shù)進步、技術(shù)指標創(chuàng)標等方面發(fā)揮作用值得推廣借鑒。

2 總體思路

天然氣替代現(xiàn)有燃料技術(shù)改造是一個綜合項目，涉及到全廠各生產(chǎn)車間的爐、窯的燃燒控制改造。為了實現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高效、智能的控制要求，從生產(chǎn)經(jīng)營、環(huán)保排放、能源管理等方面需要做好以下幾方面內(nèi)容。

（1）天然氣屬易燃易爆氣體，危險性高，需設(shè)計嚴格確保安全的聯(lián)鎖、保護控制方案。

（2）工廠爐、窯種類多，根據(jù)設(shè)備、操作、應(yīng)用和控制要求各不相同，開發(fā)相應(yīng)控制系統(tǒng)。

（3）實現(xiàn)跨系統(tǒng)通訊集成、數(shù)據(jù)融合，將各廠家成套設(shè)備自帶的PLC 系統(tǒng)或其它控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中采集、實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

（4）自主設(shè)計、研發(fā)天然氣流量計自校平臺，確保流量計測量精度，為工廠整體的能源管理提供準確的數(shù)據(jù)支撐。

統(tǒng)籌考慮以上思路，貴冶結(jié)合生產(chǎn)實際，制定了從燃燒閥組、控制方案、計量校驗到管控系統(tǒng)融合集成整個流程的系統(tǒng)解決方案，來保障整個爐窯燃燒系統(tǒng)的完整性、安全可靠性。

3 技術(shù)方案

3.1 設(shè)計適應(yīng)不同冶金爐窯的燃燒閥組

清潔能源替代改造，其主要設(shè)備是燃燒系統(tǒng)，而燃燒系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是燃燒閥組部分。為了掌握這一核心技術(shù)，主要實施了回轉(zhuǎn)窯等燒嘴閥組的設(shè)計研發(fā)［1］。如圖1 所示。

圖1 回轉(zhuǎn)窯燃燒控制閥組流程圖

通過與天然氣燃燒控制閥組行內(nèi)“遠大、徐控”等設(shè)備供應(yīng)商合作，結(jié)合工廠工藝實際需求，制定初步的設(shè)計方案。根據(jù)設(shè)計方案，畫出相關(guān)的設(shè)計方案圖。研究燃燒閥組控制配置，結(jié)構(gòu)，設(shè)備選型依據(jù)，給出PI 圖和設(shè)備一覽表范本，研究燃燒閥組的控制、聯(lián)鎖程序，設(shè)計總體程序框圖并完成各分步程序的模塊化。通過裝配、集成，調(diào)試以及在線測試，最終投入正常使用［2］。

3.2 自主開發(fā)適應(yīng)不同冶金爐窯的“一鍵式操作法”［3］

通過梳理各冶金爐窯天然氣燃燒系統(tǒng)操作流程，設(shè)計開發(fā)“一鍵式”操作功能，具體方案如下。

（1）對于燃料類型超過兩種的冶金爐窯，分別編制天然氣及備用燃料的控制程序，通過設(shè)計切換開關(guān)，操作人員可自如地根據(jù)實際燃料類型進行選擇。當(dāng)使用天然氣時，備用燃料設(shè)備的控制、聯(lián)鎖、報警信號全部屏蔽，反之亦然。

（2）開發(fā)一鍵點火和熄火按鈕，操作人員只需要在DCS 畫面上點擊一下按鈕，天然氣槍和助燃氣槍管路的所有閥門自動打開或關(guān)閉。通過預(yù)先設(shè)定天然氣和助燃氣的比例，助燃氣調(diào)節(jié)閥自動根據(jù)天然氣量進行調(diào)節(jié)。

（3）針對天然氣的易燃易爆特性，將天然氣槍管路上閥門的位置、反饋、流量、壓力；循環(huán)水系統(tǒng)溫度、流量以及煙氣系統(tǒng)的溫度、流量等信號作為聯(lián)鎖，一旦閥門的位置反饋不到位，流量、溫度、壓力報警，都將認為點火失敗，立即切斷天然氣，天然氣槍自動撤槍，確保設(shè)備的安全。

（4）開發(fā)詳盡友好的操作界面如圖2 所示，完善的操作界面是自動化控制中不可或缺的重要部分，為保證操作人員能夠?qū)崟r掌握當(dāng)前燃燒系統(tǒng)的工藝參數(shù)，及時準確的做出相應(yīng)判斷，開發(fā)了燃燒閥組操作詳盡友好的操作界面，實現(xiàn)了最大程度上的友好人機交互，更加安全和人性化。

3.3 開創(chuàng)了智能MCC 在貴冶的應(yīng)用

將傳統(tǒng)的硬接線方式改為總線接線通訊方式，實現(xiàn)對電動機的監(jiān)視、保護、測量和反饋以及電量計量等功能的集中監(jiān)控：即智能MCC［4］核心就是在低壓開關(guān)柜中采用智能保護器和通訊模塊，通過DCS 或PLC 系統(tǒng)+DP 總線或其它總線方式來實現(xiàn)對電動機的保護、監(jiān)視、測量和控制等功能，其優(yōu)勢是保護功能全面、可靠、節(jié)能；管理信息完整、具有診斷功能；安裝簡單、調(diào)試容易；設(shè)備容易擴展、維護方便，實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能和高效率、提高生產(chǎn)的自動化程度。具體方案如下。

通過PLC 系統(tǒng)+DP 總線方式（如圖3 所示），即中央控制的PLC 系統(tǒng)，通過DP 總線與現(xiàn)場MCC 控制室內(nèi)的智能MCC 設(shè)備或智能電力采集儀表連接，構(gòu)成一個整體DP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場智能設(shè)備作為該網(wǎng)絡(luò)中的一個遠程節(jié)點，每個智能設(shè)備都有一個獨立的節(jié)點地址（稱設(shè)備號）。

圖2 天然氣一鍵式操作流程界面

圖3 智能MCC 和電力儀表檢測集成系統(tǒng)

圖4 天然氣流量計比對平臺

在該DP 網(wǎng)絡(luò)中掛有多臺智能MCC 控制設(shè)備，其中每臺MCC 設(shè)備包括運行、故障、遠方/本地、過流、啟動/停止以及電量采集等信號；電量采集設(shè)備包括三相電流、不平衡電壓、功率因素、功率等多個參數(shù)信號的采集監(jiān)視。

通過PLC 系統(tǒng)編程組態(tài)，把現(xiàn)場各智能設(shè)備的信號通過DP 總線讀入PLC 系統(tǒng)，或把要實現(xiàn)的控制動作通過DP 總線從PLC 系統(tǒng)寫入現(xiàn)場MCC智能設(shè)備中，從而實現(xiàn)對設(shè)備的控制和聯(lián)鎖保護。

3.4 研發(fā)了天然氣流量計校驗平臺［5］

天然氣計量數(shù)據(jù)的準確性、可靠性，對提高能源、資源利用率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本具有重要意義。天然氣流量計送檢定機構(gòu)校驗存在時間長、影響正常生產(chǎn)、費用高的問題，并且國內(nèi)天然氣流量檢定機構(gòu)在對天然氣流量計實體校驗時，是在高壓力（2.5MPa 以上）環(huán)境下進行，與我廠天然氣流量計實際使用工況（0.6MPa 以下）相差較大，且等待校驗時間較長、費用高。

貴冶根據(jù)工廠天然氣流量計的類型、口徑、測量范圍等技術(shù)參數(shù)進行比對平臺的設(shè)計、搭建，制定安全操作規(guī)程，編寫校驗程序，確保比對平臺的安全性、準確性、可靠性，以及拆裝維護方便，開發(fā)友好、簡潔DCS 界面如圖4 所示，實現(xiàn)流量計參數(shù)在DCS 系統(tǒng)自動形成報表，通過比對標準表流量數(shù)據(jù)以判定被校表的工作狀況。

該天然氣流量計校驗平臺能在低壓（1MPa 工作壓力以下）、小流量(20 ～3300Nm3/h)工況下，對天然氣流量計進行比對，其控制精度滿足過程控制儀表測量精度要求。

3.5 研發(fā)了天然氣計量管理系統(tǒng)［6］

針對各個車間天然氣燃燒系統(tǒng)配套的PLC 控制監(jiān)視系統(tǒng)，因其相對獨立，操作、監(jiān)視不方便等情況，充分利用現(xiàn)有DCS 系統(tǒng)裝備水平優(yōu)勢，以及DCS 系統(tǒng)和PLC 自身的通訊功能，來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的整合與集成。不同的DCS 系統(tǒng)其實現(xiàn)的方式和解決的辦法不同，但都需要在DCS 系統(tǒng)中做二次開發(fā)和編程組態(tài)。其主要解決方案有：

（1）通過Modbus 通訊方式，把第三方天然氣燒嘴PLC 控制設(shè)備集成到DCS 控制系統(tǒng)中利用DCS系統(tǒng)強大的通訊和軟件功能，通過Modbus 通訊協(xié)議（如圖5 所示）、Profibus DP 協(xié)議（如圖6 所示）將第三方設(shè)備PLC 系統(tǒng)所需控制和監(jiān)視對應(yīng)的I/O 點采集到DCS 系統(tǒng)中，緊密結(jié)合工藝，在DCS 系統(tǒng)開發(fā)相對應(yīng)替代現(xiàn)場PLC 集成的操作、控制和監(jiān)視程序，實現(xiàn)遠程集成操作、監(jiān)視與控制功能。

圖5 Modbus 通訊解決方案

（2）通過自主創(chuàng)新自動化技術(shù)開發(fā)、解決了不同品牌DCS、DCS 與PLC 之間的數(shù)據(jù)集成融合應(yīng)用，實現(xiàn)了天然氣燃燒系統(tǒng)數(shù)據(jù)在中央儀表室的監(jiān)視、操作和控制。運用工廠已有覆蓋生產(chǎn)車間的生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有ERP、DCS、PI 實時數(shù)據(jù)庫，開發(fā)包含綜合監(jiān)控、能源實時監(jiān)控、能源報警管理、能源平衡分析、能耗對標分析、能耗追蹤分析、能源成本分析、生產(chǎn)用能分析、溫室氣體排放分析、能源計劃管理、能源在線優(yōu)化調(diào)度、應(yīng)急預(yù)案管理、重點耗能設(shè)備能效分析、能源績效考核等功能的天然氣計量管理系統(tǒng)［4］，如圖7 所示。

圖6 DP 通訊解決方案

圖7 天然氣計量管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 實施效果

通過以上技術(shù)方案的實施，取得了以下效果。

（1）使操作與控制更加人性化，規(guī)范化和精細化，安全聯(lián)鎖更加安全、可靠，保證了天然氣的完全燃燒，提高燃燒效率，降低煙氣量，減少碳排放，改善現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境。

（2）提升了自動化水平，不僅縮短了操作時間、提高了操作效率、穩(wěn)定了工藝生產(chǎn)，優(yōu)化了生產(chǎn)指標，同時降低了勞動強度、降低了故障率、避免了誤操作。

（3）實現(xiàn)了設(shè)備的自動信息采集、遠程控制以及智能診斷功能，為生產(chǎn)過程優(yōu)化運行、優(yōu)化控制、優(yōu)化管理等深層次應(yīng)用系統(tǒng)提供了可靠實時數(shù)據(jù)源。

（4）實現(xiàn)了天然氣流量計在實際工況下的比對檢查，保證了天然氣計量的準確，節(jié)約流量計校驗費用。

（5）實現(xiàn)了自動采集數(shù)據(jù)、動態(tài)智能分析、實時能源監(jiān)控以及合理科學(xué)制定天然氣供給計劃，減少天然氣的放散和損耗。

5 結(jié)束語

目前國內(nèi)有色冶煉企業(yè)自動化水平與電力、石化等行業(yè)相比差距較大，雖然在主工藝流程控制上，基本上采用了DCS+PLC 系統(tǒng)，很多只是實現(xiàn)簡單PID 參數(shù)控制方式，而在優(yōu)化控制、企業(yè)自動化、信息化建設(shè)方面還處在較低的應(yīng)用水平。貴冶天然氣高效管控技術(shù)研究與應(yīng)用大部分內(nèi)容為自主開發(fā)，提升了企業(yè)自動化、信息化研究、應(yīng)用水平，項目的成功應(yīng)用可推廣到銅行業(yè)企業(yè)類型應(yīng)用環(huán)境中，將帶動整個行業(yè)的技術(shù)進步，進一步為節(jié)能減排做出貢獻。