天铁高炉喷煤清堵自动控制系统的设计

张金钟（天津天铁冶金集团有限公司炼铁厂，河北涉县 056404）

天铁高炉喷煤清堵自动控制系统的设计

张金钟（天津天铁冶金集团有限公司炼铁厂，河北涉县 056404）

为了防止喷煤枪堵塞造成的煤粉喷吹不均匀等问题的产生，设计了喷煤枪全自动在线监测和吹堵系统。介绍了该系统功能和原理，对该系统程序中的煤粉堵塞监测和自动吹堵功能块进行了分析。通过对运行情况的调查证实，该系统在生产运行中的在线监控，使操作员能及时清除煤枪堵塞现象，稳定了炉况，节能降耗效果和经济效益显著。

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1 引言

高炉生产持续稳定的重要前提是提高和改善炉内气体的动力学条件。高炉的炉料结构和煤气分布，均受煤粉在炉内的燃烧喷吹情况和各喷吹支管喷煤量多少的影响，即：高炉的喷煤操作直接影响到炉内气体运动特性的变化，特别是在大煤量喷吹时，这种变化还可能危害到高炉的稳定顺行。高炉工艺要求喷吹到高炉风口的煤粉流速稳定，各风口喷吹煤量均匀。从整体上来看，喷吹煤粉的多少直接影响高炉的炉温走向，如果突然把喷吹煤粉量增加到很高，有可能造成燃烧不完全，恶化料柱透气性。若各个风口之间的喷吹量差异太多，可能导致高炉圆周方向工作不够均匀，长期下去，将造成高炉炉况失常等。因此，煤枪的堵塞直接影响到煤粉的喷吹均匀度和喷吹量大小，进而波及到高炉炉况，使吨铁成本提高，工人劳动量增加。鉴于此，我们设计并使用了这套喷煤枪的全自动在线监测和吹堵系统。

2 系统的功能和原理

2.1 系统的功能

为满足高炉生产的工艺要求，方便喷煤工的使用和维护，我们充分利用现有设备进行改造，改造后系统的主要功能如下：

（1）在线实时检测煤枪中的流量；

（2）准确判断煤枪是否有堵塞趋势，并能及时处理未完全堵塞的煤枪；

（3）具备人机对话功能，人机对话要能够修改流量的上下限值，自动和手动切换，手动操作煤阀和气阀，自动吹堵次数等。

2.2 流程简述

在煤粉支管安装一支微波传感器，在线监测煤粉流动情况并将监测信号（即煤粉浓度）经过模数转换后传输到PLC。当系统处于自动状态时，若某一煤管具有堵管趋势（即煤管浓度达到某一设定值），PLC下达指令通过继电器驱动关闭煤阀，打开气阀吹通煤管，吹通后恢复正常喷吹操作，同时将信息传输到管理机上。操作者可以根据生产需要自行设置煤粉浓度的上下限值，也可以在管理机上手动操作阀门。见图1。

2.3 主要设备的工作原理

2.3.1 传感器

它基于微波多普勒原理。喷煤支管中流动着煤粉和压缩空气的混合物，传感器主要检测煤粉的浓度。传感器传送低功率微波并接收物体反射回的能量，微波反射频率与发射频率产生频差，从而在输出端产生一低频交流电压，即微波传感器检测到运动介质的数量和流速（即煤粉浓度和流速）。被检测的介质数量（即煤粉浓度）与反射波幅度成正比例关系。煤粉来时、经过、远离微波源的反射波频率变化可反映管道内的流体的速度变化，对应输出4～20 mA的电流信号，4 mA表示浓度为零，20 mA表示浓度最大值。

2.3.2 模数转换器

模数转换器是一种将模拟量转换为数字量的设备。它将传感器传来的4～20 mA的电流信号转换为PLC可以接收的数字信号。

2.3.3 PLC

PLC是系统的核心，采用数字量输入模板接收煤粉浓度信号和各个阀门的开关信号，判断煤枪堵塞情况。通过数字量输出模板发送指令，驱动气阀和煤阀的开关动作，向管理机提供阀门开关和煤粉流通信号，以供操作人员参考，接收管理机远程控制等。

2.3.4 继电器

继电器实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。由PLC发出输出信号，驱动气阀和煤阀的电磁阀开关阀门。

2.3.5 上位机

上位机通过转换器RS232转RS485转接器和PLC连接，一方面接收现场煤粉流动和各个阀门开关信号，另一方面统计数据形成报表，还能在特殊情况下手动远程控制阀门的开关。

2.4 系统配置

系统的配置分两部分：外围设备和PLC硬件配置。

外围设备包括：传感器、气动阀（煤阀、气阀）、接近开关：煤阀、气阀、继电器等。

PLC硬件配置包括：系统由两套设备组成，包括CPU模板LM3109、数字输入模板LM3212、数字输出模板LM3223、转换器RS232转RS485。

3 主要的程序设计

根据设计要求，系统的基本任务是实时监测支管堵塞情况并实现自动吹堵功能。

3.1 煤粉堵塞检测

以一个支管为例，该支管假定为DATA1。

3.1.1 功能块说明

LE为小于，GE为大于等于，OR为或关系，AND是与关系。

3.1.2 程序解释

DATA1为某一支管的煤粉流量百分数，当其值小于下限（BELOW_LIMIT）或者大于上限(PREVIOUS_LIMIT）,并且任意抽取的5个支管(DATA2、DATA6、DATA8、DATA10、DATA13）的煤粉流量有一个大于正常值（MAIN_LIMIT）时,即可以认定为系统没有停煤，DATA1输出堵塞信号（CONDITION OPERAATE1）见图2。

3.2 自动吹堵

3.2.1 主要功能块说明

TON为定时器，CTU为计数器。

3.2.2 程序解释

（1）当堵塞趋势信号（CONDITION）到，并且满足不超时（STOP_OVERTIME）、系统不报警（ALARM_OVERTIME）、支管煤阀（ALARM_M9）和气阀（ALARM_Q9）都不报警等条件，延时后关煤阀（M_G）。

（2）关煤阀延时1 s后开气阀（Q_K）。

（3）气阀打开后延时5 s后停止，并给暂停信号（PULSE）一个脉冲计数。

（4）再次扫描程序看是否堵塞，若堵塞再重复以上动作。

（5）开关6次后暂停信号（PULSE）到。

（6）暂停信号（PULSE）到后煤阀开（M_K）、气阀关（Q_G）、中断计时器复位（C_R_P）、停超时信号（STOP_OVERTIME）到，见图3。

4 系统的安全处理

系统设计考虑周全，程序较为严谨，有针对性地做了很多细节处理来防止因外部因素引起的判断误差，以满足生产实际需要，实现系统安全运行。

4.1 判断堵塞和停煤

根据生产需要，有时候需要停煤。这时候支管无煤，和堵塞情况相似。这就要判断到底是堵塞还是停煤，以便做出正确的处理。程序选择的是随机抽取5个支管并判断其堵塞情况，若有一个支管有煤则可以认定为没有停煤；否则，判断为支管堵塞。

4.2 防止微波工作异常出现误判断

为防止支管上的微波出现异常错误，在确定正常工作的时候，程序也加入了同判断堵塞和停煤一样的条件，就是随机抽取5个支管并判断其堵塞情况，若5个支管全不正常，即使该支管流向现实正常也认定为该支管不堵塞或停煤。这样可以防止这个支管上的微波工作异常而被程序误判断为支管工作正常。

4.3 系统的初始状态和恢复

系统设计气动阀门的开关状态如下：煤阀失电开，气阀失电关。也就是说，当突然停电，程序恢复初始状态，这时候煤阀全开，气阀全关，不影响正常喷煤。

5 运行效果

高炉喷煤清堵自动化控制系统自投运以来，有效地解决了煤枪堵塞而没能及时发现的问题，因喷吹不均匀而导致的炉温波动和炉况失常的问题，实现了高炉各风口稳定均匀喷吹，促进了高炉稳定顺行，提高了铁水产量，降低了能源消耗。

2010年，六高炉煤比指标由系统投入前的105 kg/t的水平，提高到了140 kg/t以上。2011年，月煤比提高到了150 kg/t以上，日煤比最高达到170 kg/t。根据炼铁经验计算，1 kg煤粉热值可以取代0.8 kg焦炭，则2010年在该喷煤清堵自动控制系统投入运行后，煤比提高了25 kg/t，可降低焦比20 kg/t。六高炉月产量18万t以上，则每月多喷吹价格较低的煤粉取代价格昂贵的焦炭而节约资金在200万元以上，仅多喷煤少耗焦炭一项，年节约资金就达2 000万元以上，是目前钢铁行业高成本运行的市场形势下，实现降低炼铁生产制造成本的重要环节。

6 结束语

通过喷煤清堵自动控制系统程序的运行，方便了喷煤工的维护和操作，使岗位操作人员更加直观地观看画面操作，及时清除了煤枪堵塞现象，促进了高炉稳定顺行和高产低耗，提高了煤比，降低了焦比，从而有效降低了吨铁成本。同时，减少了操作工的劳动强度，提高了设备的自动化控制水平，取得了良好的经济效益和社会效益。

[1]马爱琴，王爱国.高炉喷煤工艺及自动化控制系统[J].山西冶金，2004（3）：38-39，63.

[2]金艳娟.高炉喷煤技术[M].北京：冶金工业出版社，2005.

[3]周传典.高炉炼铁生产技术手册[M].北京：冶金工业出版社，2003.

Design of Automatic Control System of Coal Injection Clogging Purging of Tiantie BF

Zhang Jinzhong

The author designed fully automatic online monitoring and clogging purging system for coal injection gun to prevent uneven injection caused by clogging.The function and principle of the system is introduced and clogging monitoring and auto clogging purging function blocks in the program are analyzed.Investigation on running proved that the online monitoring of the system in production enabled the operator to timely remove gun clogging and stabilize furnace conditions with remarkable effect of energy saving,consumption reduction and economic benefit.

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（收稿 2011－03－17责编赵实鸣）

张金钟，2002年毕业于天津工业大学网络与多媒体软件设计专业，2005年毕业于天津理工大学计算机科学与技术专业，现在天津天铁冶金集团炼铁厂从事计算机及自动化控制工作。