李宏林

（山東魯冶瑞寶電氣自動化有限公司，山東 濟南250100）

1 前言

轉爐余熱鍋爐是煉鋼關鍵設備之一，在整個煉鋼生產過程中起著舉足輕重的作用。鍋爐給水傳統控制一般設計調節(jié)閥采用二沖量、三沖量連續(xù)調節(jié)控制，但轉爐冶煉過程周期性變化，使得蒸汽流量不穩(wěn)定，汽包水位頻繁波動，連續(xù)調節(jié)控制給水調節(jié)閥會頻繁動作，閥門前后背壓大，調節(jié)精度及使用壽命受到很大影響，很難投入自動運行。為了解決這個問題，本系統設計進水采用汽包給水管切斷閥電磁閥、汽包出水安全放水管電動閥，構成開關型選擇控制系統與汽包給水泵變頻調節(jié)相結合，實現汽包水位全過程自動控制。

2 系統特點及控制方式

2.1 大型轉爐余熱鍋爐系統熱負荷變化特點

轉爐每爐煉鋼周期36～40 min，吹氧時間段在煉鋼的中期，時間約16～20 min，在吹煉期間余熱鍋爐熱負荷陡然增加，產氣量迅速增加，吹煉期平均小時產汽量73.4 t/h，冶煉周期平均產汽量29 t/h，吹氧完成后，余熱鍋爐熱負荷會急速降低，下個吹煉周期循環(huán)往復。因此，跟隨轉爐生產每爐周期性冶煉的工藝特點，余熱鍋爐的熱負荷、熱強度、反應劇烈度也呈周期性變化，并直接反應到汽包水位的頻繁波動上。

汽包水位變化的特點：汽包水位成周期性，波動范圍大，速度較快，穩(wěn)定性差。余熱鍋爐熱負荷隨冶煉過程周期性波動，變化幅值較大，汽包水位相應劇烈周期性變化，特別是吹煉初始階段汽包水位上升速度很快。汽包水位大幅波動容易造成“虛假水位”現象，這是因為負荷增加時，汽包壓力下降，汽包里水的沸點溫度降低，沸騰會突然劇烈，產生大量氣泡，造成水位提高。

汽包水位對余熱鍋爐安全運行至關重要，水位過高使得汽水分離裝置的正常工況被破壞，嚴重情況可能導致蒸汽帶水量增加，在管壁上的結垢增加及蒸汽質量下降；水位過低，水循環(huán)被破壞，容易導致水冷壁破裂，情況嚴重時甚至造成干鍋，破壞汽包，因此有可能造成重大事故的汽包水位過高過低都應通過合理控制優(yōu)化規(guī)避。汽包水位優(yōu)化控制系統，就是通過合理的優(yōu)化控制和算法維持系統內汽包產生的蒸汽量與給水流量平衡。以汽包水位作為水量平衡控制指標，并通過調整進水達到汽包進出水量平衡，將汽包水位盡量維持在汽包中位線左右，保證生產的安全運行。

根據當前汽包檢測實際水位，根據汽包熱負荷變化確定的不同工況下汽包水位動態(tài)設定值，采用變量檢測冗余技術、開關型選擇控制技術及變頻選擇控制技術實現汽包水位全自動控制，以最優(yōu)化方法調整水位，以達到既節(jié)約能源，又滿足生產要求的目標，是控制系統的內容。汽包水位控制工藝流程如圖1所示。

圖1 汽包水位工藝控制流程

2.2 控制方式

本控制系統的目的在于提供一種基于選擇性控制的汽包水位自動控制優(yōu)化方法，即：根據轉爐生產的要求，余熱鍋爐工況，總結最優(yōu)化的水位調整設定值，使用最低的能耗，提供滿足生產要求的汽包水位目標值，達到系統穩(wěn)定、節(jié)能降耗的目的。它由汽包水位一級信號檢測數據采集冗余系統、給水排水閥開關型選擇聯鎖控制系統、供水泵變頻選擇控制系統、報警聯鎖系統組成。

（1）一級信號檢測數據采集冗余系統。由于汽包水位的波動性及虛假水位現象，為了提高檢測的準確性，汽包左右各設計一個水位測量點，建立檢測冗余系統。其特點為：多個檢測變量共用一個控制器，選擇器位于控制器之前，對變送器的輸出信號進行選擇或運算處理，一是防止儀表故障造成事故，對同一檢測點多位置多儀表測量；其二通過運算對數據濾波、平均處理等措施減小檢測誤差及數據波動的影響提高可靠性。其檢測控制原理圖如圖2所示。

圖2 數據采集冗余系統檢測控制原理

（2）給水排水閥開關型選擇聯鎖控制系統。在一個轉爐冶煉周期中，汽包水位的變化可分為3個時期：前燒期、吹煉中期、后燒期。在前燒期隨著爐氣量的迅速增加，各水冷管的過熱度很大，伴隨著氣泡不斷產生，汽包空泡率增加，汽水容積增加，汽包水位升高，蒸汽流量大幅增加；吹煉中期，吹氧量不斷增強，蒸汽量增加快速，水中含氣率急劇升高，上升管內為汽水混合物，當水容積增加量與蒸汽外排量平衡時，汽包水位停止上升，這時蒸汽外排量開始增大，汽包水位緩慢降低；吹煉后燒期和吹氧結束，系統內溫度迅速降低，水的含汽率迅速降低，汽包水位隨之迅速降低。汽包給水管切斷閥電磁閥及汽包出水安全放水管電動閥開關型選擇控制，就是將汽包水位連續(xù)變量根據冶煉周期合理的劃分若干區(qū)段，與工藝結合摸索出汽包水位多個限值，只要不超出該限值，就能保證生產的正常運行。正常情況下按照影響生產主控變量汽包水位進行連續(xù)控制。一旦主控變量達到需要開關極限值，為防止事故發(fā)生，選擇性控制系統通過選擇器切斷連續(xù)控制，而將給水管切斷閥、出水安全放水管電動閥迅速打開或關閉，直到汽包水位回到限值以內，重新恢復到連續(xù)調節(jié)。

（3）給水泵變頻選擇控制系統。轉爐冶煉過程中，給水是間斷性的，由于煉鋼的間斷性，給水泵要頻繁啟停，影響泵的使用壽命，對電網沖擊頻繁。如果不停泵，水流量回流到除氧水箱，又會能源浪費。為了解決這一問題，設計給水泵變頻控制模塊對鍋爐供水泵變頻調速，實現汽包水位連續(xù)控制?？刂破髋c變頻器通訊連接，變頻調速采用兩種控制方式，一種是根據吹氧期停氧期汽包供水流量設定目標值，采取PID調節(jié)連續(xù)調節(jié)供水流量，從而控制汽包水位；另一種是自動頻率設定調節(jié)，對供水泵進行頻率與供水能力性能測試，計算出實際生產過程汽包水位、吹氧時間與變頻器頻率對應關系，通過計算機控制系統運算自動給出頻率設定，對汽包水位連續(xù)控制。兩種方式在人機接口系統設置選擇界面，由工藝操作人員根據生產情況適當選擇。目前自動工況下采用自動頻率設定調節(jié)較多，水位控制效果較好。變頻器與PLC間采用ControlNet網絡通訊，實現設備實時狀態(tài)信號傳輸及控制信號下發(fā)，節(jié)約施工費用及工程量。汽包水位自動控制優(yōu)化系統如圖3所示。

圖3 汽包液位自動控制優(yōu)化系統簡圖

3 系統功能實施

3.1 系統分步實施

本系統涉及一種基于選擇性控制的汽包水位自動控制優(yōu)化方法，實現汽包水位全自動控制，系統具體功能實施主要分為三部分，按以下幾部進行：

（1）工控數據冗余檢測。設置兩個水位信號測量差壓變送器，差壓4～20 mA信號直接進入PLC，轉換為水位高度工程量用于顯示計算。①信號檢測：左、右測量點設計在不同機架，不同模塊輸入，以提高檢測的硬件冗錯性能。②手動選擇方式：操作員通過HMI強制手動選擇左或右測量點作為控制用輸入。③自動選擇方式：先將左右水位測量值引入加法器求和，再經過除法器運算求出平均值，作為水位控制用最終輸入?？刂朴脺y量點的選擇由操作員在HMI上選擇以提高水位檢測的軟件冗錯性能。

（2）給水排水閥開關型選擇聯鎖控制系統。汽包的啟動水位（H）定在-1000～-300 mm（汽包中心線為0水位）。①氧氣切斷閥開到位，自動吹氧期時，給水閥常開；-350 mm＜H＜+200 mm，給水閥開，排水閥關；H≤+300 mm，給水閥開，排水閥關；H≥+350 mm，給水閥開，排水閥開。②氧氣切斷閥關到位，停止吹氧時：H≤-300 mm，排水閥關，給水閥開；-300 mm≤H≤-100 mm，排水閥關，給水閥關；H≥100 mm，排水閥開，給水閥關。

（3）給水泵變頻選擇控制系統。共設計2臺鍋爐給水泵，分別配置變頻調速系統，對汽包水位連續(xù)控制。①給水泵變頻控制根據供水流量PID調節(jié)。根據吹氧期及非吹氧期三點設定流量值對應的頻率設定值發(fā)送到給水泵變頻裝置，調節(jié)其轉速，實現汽包連續(xù)供水調節(jié)。②給水泵變頻控制自動頻率設定調節(jié)。吹氧期（氧氣閥門開時），吹氧期根據汽包水位及吹氧周期自動調節(jié)給水。非吹氧期根據汽包水位PID連續(xù)調節(jié)給水泵速度，從而調節(jié)汽包補水量，保證汽包水位在+100～-200 mm正常范圍內。根據水位PID調節(jié)，自動設定變頻器頻率。

3.2 完善的報警聯鎖功能

水位值及其聯鎖報警信息在上位機顯示并聲光報警。汽包水位H≥+600 mm，高水位報警。汽包水位H≤-700 mm，低水位一次報警；汽包水位H≤-800 mm，低水位二次報警，氧槍傾動PLC通過通訊接收報警聯鎖信號，提氧槍。-10～-300 mm為汽包啟動水位（汽包中心線為0），為許可下氧槍位。汽包水位≥-350 mm時，氧槍傾動系統通訊接收聯鎖信號，允許下氧槍。

4 結 語

本系統提供一種基于選擇性控制的汽包水位自動控制優(yōu)化系統，將工控網絡通訊、控制軟件接口、工控數據冗余檢測、開關量選擇控制等技術及變頻選擇控制技術集成一體，針對當前汽包水位，結合轉爐生產情況，總結得出以最短的時間、最低的消耗為目標的最佳汽包水位動態(tài)設定值控制閥門及供水泵變頻裝置，通過進一步優(yōu)化汽包水位控制策略，使水位控制在工藝要求的合理范圍內，整個系統達到回收蒸汽、節(jié)能降耗、安全運行的目的。在煉鋼廠210 t轉爐爐在線投入應用，并經過驗證，達到了預期的效果，成功實現了系統功能。