陳世亮

（河鋼宣鋼二鋼軋廠，河北 宣化 075100）

轉(zhuǎn)爐干法除塵系統(tǒng)是一種采用先機(jī)技術(shù)對(duì)凈化轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)生的一次煙氣并進(jìn)行回收的大型設(shè)備集合體，具有很高的除塵效果，在節(jié)約水電方面等有著明顯優(yōu)勢。干法除塵系統(tǒng)由煤氣降溫的蒸發(fā)冷卻器，除塵主體的靜電除塵器，ID風(fēng)機(jī)以及輔助設(shè)施切換站等系統(tǒng)組成，其中蒸發(fā)冷卻器系統(tǒng)位于汽化冷卻尾部煙道和靜電除塵器之間，起到煙氣降溫的作用，滿足靜電除塵器煙氣溫度需求，其工作狀態(tài)直接決定了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能否順利進(jìn)行。蒸發(fā)冷卻器的控制核心是對(duì)出口溫度的控制，如果出口煙氣溫度高，煙氣粉塵進(jìn)入電場后電阻比大，不利于電場的靜電除塵效果。如溫度過低，蒸發(fā)冷卻器內(nèi)煙氣含水量大，容易造成濕底和筒體結(jié)垢的現(xiàn)象，造成粗輸灰系統(tǒng)的鏈?zhǔn)捷敾覚C(jī)故障率增大，增加維護(hù)量，影響轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)，且低溫?zé)煔膺M(jìn)入電場，可能會(huì)在電場內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，造成高壓爬電，影響除塵效果，嚴(yán)重時(shí)，腐蝕陰極線，使電場無法正常工作，損傷電場壽命。

1 蒸發(fā)冷卻器噴射氮?dú)饪刂颇Ｊ絻?yōu)化

一次除塵的蒸發(fā)冷卻器系統(tǒng)采用氮?dú)鈦盱F化水實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)爐煙氣的降溫的目的，噴射氮?dú)獾目刂颇Ｊ椒譃榇禑捘Ｊ胶头谴禑捘Ｊ?，其中吹煉階段為吹氧至出鋼階段，非吹煉模式為濺渣護(hù)爐階段。吹煉模式，一旦有吹氧信號(hào)出現(xiàn)噴射氮?dú)馇袛嚅y就打開，當(dāng)噴射水閥關(guān)閉，且EC出口溫度下降至240℃時(shí)，氮?dú)馇袛嚅y自動(dòng)關(guān)閥。隨著工藝改進(jìn)和冶煉節(jié)奏的加快，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)爐吹氧結(jié)束至出鋼階段的時(shí)間大大縮短，同時(shí)廠房密閉，氣溫上升等原因，EC出口溫度在出鋼信號(hào)到來前，仍未能下降至設(shè)定溫度，無法滿足氮?dú)鈬娚渥詣?dòng)關(guān)閥條件，導(dǎo)致吹煉階段自動(dòng)關(guān)閥不能有效的觸發(fā)，將持續(xù)至濺渣護(hù)爐結(jié)束后方可關(guān)閉閥門，造成氮?dú)獾臉O大浪費(fèi)。

針對(duì)出現(xiàn)的吹煉結(jié)束后噴射氮?dú)忾y門不關(guān)閉的情況，對(duì)噴射氮?dú)獾目刂颇Ｊ竭M(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

1）原有控制模式中吹氧階段信號(hào)為吹氧時(shí)置1，出鋼信號(hào)到來時(shí)置0，由于可能出現(xiàn)在出鋼信號(hào)到來時(shí)，EC出口溫度未下降至設(shè)定關(guān)閥溫度，而吹氧階段信號(hào)已經(jīng)為0，因此吹煉階段模式下自動(dòng)關(guān)閥條件不滿足，不能發(fā)出關(guān)閥命令，噴射氮?dú)馇袛嚅y一直常開，一直延續(xù)到非吹煉模式，最后由非吹煉模式發(fā)出的關(guān)閥命令才關(guān)閉，期間造成大量氮?dú)饫速M(fèi)。因此經(jīng)過仔細(xì)分析，現(xiàn)將吹煉階段模式自動(dòng)關(guān)閥條件中的吹氧階段信號(hào)替換成氧氣閥門關(guān)閉信號(hào)。

2）為了保證程序的安全和可靠性將原程序中吹煉模式下的自動(dòng)開閥和關(guān)閥條件改為脈沖觸發(fā)性。

3）對(duì)氮?dú)饬髁坎杉盘?hào)加入趨勢畫面，可以實(shí)時(shí)了解氮?dú)饬髁康氖褂们闆r，對(duì)比工況信號(hào)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，預(yù)防事故的發(fā)生。后期使用效果，噴射氮?dú)馇袛嚅y在吹煉結(jié)束后，可以按照預(yù)定的控制模式進(jìn)行開、關(guān)閥動(dòng)作，有效節(jié)約了氮?dú)猓麄€(gè)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行效果良好。

2 蒸發(fā)冷卻器噴射水控制模型優(yōu)化

2.1 噴射水控制模型算法

本系統(tǒng)的控制對(duì)象是150 t轉(zhuǎn)爐干法除塵的蒸發(fā)冷卻器出口溫度，出口溫度必須保證在工藝要求范圍內(nèi)，并最大可能的保證溫度的均勻性，減少筒體結(jié)垢等不良現(xiàn)象。溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)大慣性，純滯后，很難確定精確數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)。因此單一的控制算法很難達(dá)到理想的控制目標(biāo)，往往采用多種控制算法，互相補(bǔ)充，才能達(dá)到滿意的使用效果。

蒸發(fā)冷卻器實(shí)質(zhì)上采用的是熱交換的原理，噴射氮?dú)馀c水蒸發(fā)吸收的熱量等于降溫后煙氣釋放的熱量。根據(jù)熱平衡原理可以推算出理論上的噴水量，公式如下：

式中：W為噴水量，kg/h；Qn.dry為干煙氣量，m3/h；△T=T入口-T出口設(shè)定，K；CP為煙氣比熱容，kJ/m3·K。

當(dāng)△T≤200 K時(shí)，CP=1.433；當(dāng)△T≤400 K時(shí)，CP=1.476；當(dāng)△T≤600 K時(shí)，CP=1.512；當(dāng)△T＞600 K時(shí)，CP=1.545；r為水的汽化潛熱=2 500，kJ/Kg。

由于煙氣溫度控制的特殊型和轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝的復(fù)雜工況，導(dǎo)致進(jìn)入蒸發(fā)冷卻器內(nèi)的煙氣溫度，在吹煉時(shí)會(huì)迅速爬升，在吹煉結(jié)束以后煙氣迅速下降，溫差跨度很大，因此單純依靠理論上的算法并不能滿足工藝要求，所以本冷卻系統(tǒng)采用了算法和PID控制相耦合的串級(jí)PID控制系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)計(jì)了專家經(jīng)驗(yàn)接口，使得理論算法和專家經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫貐f(xié)同控制，對(duì)蒸發(fā)冷卻器出口煙氣溫度達(dá)到精確控制（見圖1）。

圖1 串級(jí)PID系統(tǒng)示意圖

主PID的輸入信號(hào)采用冷卻器煙氣出口溫度，主PID的給定值使用蒸發(fā)冷卻器的煙氣出口溫度的設(shè)定值，其輸出值作為噴射水調(diào)節(jié)閥的給定流量，并作為副PID的設(shè)定流量。副PID的輸入信號(hào)采用實(shí)際檢測到的流量，其給定值使用主PID的輸出，其輸出則傳遞給噴射水調(diào)節(jié)閥，從而保證合適的噴水流量在蒸發(fā)冷卻器里起到冷卻作用。

使用串級(jí)PID系統(tǒng)模型可以基本實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)冷卻器出口溫度的控制，但是當(dāng)EC出口煙氣溫度和設(shè)定溫度相近時(shí)，噴射水量仍然會(huì)出現(xiàn)劇烈變化，造成超調(diào)量增大，對(duì)溫度調(diào)控造成不利影響。所以需要設(shè)計(jì)溫度PID死區(qū)值的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模型，根據(jù)蒸發(fā)冷卻器出口煙氣溫度增量和設(shè)定值與實(shí)測值間的差值，來計(jì)算死區(qū)值。實(shí)現(xiàn)當(dāng)溫度在小范圍波動(dòng)時(shí)，PID輸出保持不變，屏蔽超調(diào)大的情況。

因?yàn)闇囟茸兓俣容^慢，因此每1 s采集一次EC出口溫度，并將該溫度放入一個(gè)堆棧數(shù)據(jù)區(qū)，計(jì)算該數(shù)據(jù)區(qū)前3 s內(nèi)采集溫度平均值和后3 s內(nèi)采集溫度平均值在，這兩個(gè)平均值的差值為出口溫度的變化增量。

2.2 溫度自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)過程

轉(zhuǎn)爐冶煉過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔馐紫扔善鋮s煙道進(jìn)行初步降溫，隨后進(jìn)入蒸發(fā)冷卻器的煙氣溫度大約在700～900℃之間。然后通過噴射水霧進(jìn)行蒸發(fā)吸熱的方法對(duì)煙氣進(jìn)行再一次降溫。經(jīng)過蒸發(fā)冷卻器后的煙氣通過煙氣管道進(jìn)入靜電除塵器。根據(jù)本次改造后的煙道要求，蒸發(fā)冷卻器的出口溫度設(shè)置值初步設(shè)定為250℃。

原控制模式在吹煉初期因?yàn)闊煔饬坎环€(wěn)定，轉(zhuǎn)爐反應(yīng)不穩(wěn)定等原因，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值給定固定配水量，在120 s后投入溫度和根據(jù)熱力學(xué)公式計(jì)算值相結(jié)合的串級(jí)PID模型自動(dòng)計(jì)算噴水量，原控制模式基本可以滿足EC出口設(shè)定溫度在330～350℃的工藝要求，不能滿足當(dāng)前的工藝需求。

現(xiàn)根據(jù)工藝特點(diǎn)，并記錄開爐后的數(shù)十爐吹煉數(shù)據(jù)，修改模型數(shù)據(jù)如下。

1）將原吹煉開始后，EC噴水開閥時(shí)間提前，由原EC出口大于210℃開閥提前至200℃開閥，滿足前期溫度陡升時(shí)對(duì)噴水量的需求，提前預(yù)判，避免大的超調(diào)值得出現(xiàn)。

2）將原噴水模型給定固定噴水量的階段進(jìn)一步細(xì)化，由原開閥0～55s給定12t/h，55～120s給定22t/h，120 s后投入串級(jí)PID控制模型，修改為開閥后0～30 s給定18 t/h，30～60 s給定22 t/h，60～90 s給定28 t/h，90 s后轉(zhuǎn)爐辦流量吹煉模式結(jié)束，冶煉區(qū)域穩(wěn)定，所有較原提前30 s投入PID控制模型。

3）原吹氧結(jié)束后，當(dāng)EC出口溫度小于300℃自動(dòng)給定噴水量6 t，目前經(jīng)過試驗(yàn)，吹氧結(jié)束后，溫度超出250℃的情況較多，因此修改為當(dāng)溫度低于250℃時(shí)給定6 t水，很好的避免了吹煉結(jié)束后EC出口溫度的反彈式升高。

4）優(yōu)化濺渣護(hù)爐時(shí)的噴射水模型，原濺渣護(hù)爐時(shí)EC出口溫度大于370℃才開始噴水，當(dāng)前工作模式已不能滿足，因此提前至230℃開閥，這樣保證濺渣護(hù)爐時(shí)溫度不會(huì)超出設(shè)定值。

通過以上優(yōu)化，EC出口溫度基本可以保證在設(shè)定溫度范圍內(nèi)（見圖2），且因?yàn)楣艿涝黾恿巳瘫?，靜電除塵器的入口溫度仍可保證在150～170℃，滿足了電除塵器的比電阻的需要。

圖2 蒸發(fā)冷卻器出口溫度控制曲線

3 實(shí)施效果

針對(duì)前期吹煉反應(yīng)不穩(wěn)定，EC入口溫度溫升快，波動(dòng)量的特點(diǎn)，細(xì)化溫度控制環(huán)節(jié)，在前期采用經(jīng)驗(yàn)法控制，使溫度超調(diào)量不得對(duì)于20℃，半吹氧量結(jié)束后，EC入口溫度穩(wěn)定，投入串級(jí)PID控制模型，同時(shí)創(chuàng)新性的投入PID的死區(qū)控制算法，保證了溫度控制精度進(jìn)一步提高。

4 結(jié)論

系統(tǒng)改造完成之后，噴射氮?dú)饪刂泣c(diǎn)的選擇和噴射水控制中對(duì)串級(jí)PID的使用方案可行有效。噴射氣體閥門可以實(shí)現(xiàn)正常的開啟和關(guān)閉，減少了因生產(chǎn)節(jié)奏快出鋼時(shí)間短造成的氮?dú)馇袛嚅y不能關(guān)閉的情況，節(jié)約了氮?dú)獾南?，滿足了工藝生產(chǎn)的需求。