水份仪在高炉喷煤制粉系统的研究与分析

孙利柱

（上海梅山钢铁股份有限公司炼铁厂，江苏 南京 210039）

1 引言

宝钢梅山炼铁厂4#高炉喷煤制粉系统于2009年5月12日投产。煤粉水份控制是以SWR微波固体水份仪M-Sens为检测元件，以此作为温度闭环控制条件的方式来实现精确控制煤粉水份的目的。PLC控制系统采用美国AB公司的Control Logix L63系列产品，以燃烧炉温度调节来实现煤粉水份的自动控制。下面主要针对整套煤粉水份仪的工作原理及控制理论进行研究和分析。

2 研究技术背景

高炉喷煤是将含水份10%左右、粒度50 mm左右的原煤加入到制粉系统的磨煤机进行研磨、烘干，生成含水份1%～2%的合格煤粉，经布袋收尘器收集，通过布袋收尘器的下灰管加入煤粉仓，收集在煤粉仓内的合格煤粉经过喷吹系统连续、均匀地喷入高炉风口，满足高炉冶炼的需求；制粉系统生产出来的合格煤粉是喷吹系统连续、均匀喷煤的前提，而煤粉的含水高低是煤粉合格的一项重要指标，煤粉水份的控制与原煤水份、磨煤机的出口温度高低直接相关，由于原煤水份存在不确定性，只能通过调整磨煤机的出口温度来确保煤粉水份合格。磨煤机出口温度过高，不利于制粉系统的安全生产，甚至可能造成火灾，而温度过低会造成煤粉的水份过高，这样既影响喷吹的效果也影响高炉的炉况，所以煤粉的实际含水量的准确性和及时性显得尤为重要。检测煤粉水份的方法有2种：一种是离线检测，将制粉系统生产的煤粉取出来，送化验室进行分析，这样得出的数值具有滞后性，无法得出日常生产过程中煤粉水份实时的真实数据，此外送检后的煤粉外排还存在环境污染问题；另一种是在线仪表检测，这样能够实时反映煤粉水份的数据，通过及时调整制粉系统的工况确保煤粉实时水份始终处于合格状态。目前物料的在线检测仪有中子水份仪、红外水份仪等；但中子水份仪是采用中子辐射源发射中子，会对周围环境，尤其会对现场的操作以及调试的人员产生一定的伤害；同时因为物料生产环境中含有二氧化碳等气体介质，这些气体会吸收红外线，从而影响红外水份仪测量的准确性。我们采用的是微波水份仪，能够保证现场人员安全，同时保证水份数据的真实、可靠，它为制粉系统实现智能操作及系统安全生产创造了条件。

3 水份仪系统的组成及工作原理

水份仪的组成如图1所示，主要由标准安装法兰、传感器MMS（带3 m连接线）、中央处理单元 MME100、连接传感器和中央处理单元的MMC-Box接线盒组成，中央处理单元MME100将传感器MMS检测的信号经过计算将煤粉水份以4～20 mA标准信号直接送到PLC控制系统的模拟量输入模块，通过PLC对其进行数据采集、显示。PLC通过对干燥炉煤气调节阀的PID调节器自动调节，实现磨煤机出口温度的控制，从而达到对煤粉水份控制的目的。

图1 水份仪系统的组成图Fig.1 The composition diagram of water meter system

当微波入射到物体表面时，就会如图2所示那样在物料表面产生散射，由于散射的微波载有关于反射物体的频域、时域、相位以及极化信息。这些信息能够完整地反映物体的各种特征（颗粒大小、速度、水份、距离等）。微波固体水份测量仪主要是基于一个安装在不锈钢法兰外壳里外置的共振器工作原理而设计的。通过共振器在测量面表面厚度50 mm、直径100 mm的圆柱形区域里形成均匀的微波测量场，当物料均匀的经过测量区域，会削弱此测量场的能量。这样传感器就可以给出一个信号，该信号与物料的多少，以及物料被极化的难易程度成一定的比例关系，从而可以得到所需要的水份值，它适用于测量物料表面的活性水份。

图2 微波的耦合和反射Fig.2 The microwave coupling and reflection

煤粉含水率指水在煤粉两相混合流体中所占的质量分数，基本理论计算公式为

式中：ηw为煤粉含水率；mw为煤粉含水质量；m0为煤粉质量。

实际计算公式为

式中：ρw，ρ0分别为纯水和纯煤粉的密度；分别为纯水、纯煤粉、煤粉与水混合物复介电常数的储能因子和损耗因子。

测量传感器的视窗由一块陶瓷平面构成，为了提高视窗表面的耐磨损和耐压值还在传感器的陶瓷表面上安装1块厚度不超过30 mm的塑料材料。工业级准确度±0.1%，采用316L不锈钢外壳和99.99%高纯度Al2O3陶瓷测量面，防腐耐磨。传感器和转换器可以采用mod⁃Bus（通讯总线）进行远距离数字通讯，高可靠性和高抗干扰。转换单元采用32位工业级CPU，高速测量、运算，每秒采样25次水份值对于在线测量固体物料的微量水份，可以实现0.01%～0.05%的固体水份精度测量。

4 水份仪控制系统存在的问题及解决措施

4.1 存在问题

4#高炉喷煤系统投产开始阶段，水份仪经常出现“死机”的现象，根据曲线观察情况看也有“振荡”现象的发生。由于该品牌的水份仪没有在喷煤系统使用的相关业绩，也没有同类高炉的使用在线水份仪检测煤粉水份的先例，只能靠技术人员一点点的研究和摸索。

4.2 解决措施

4.2.1 水冷冷却

经过对水份仪长时间跟踪观察发现，煤粉的温度对水份仪有较大影响，死机的原因就是因为煤粉温度过高，有时甚至达到85℃以上，而煤粉水份仪最高能承受的温度是60℃，超过后就会发生死机的现象，甚至会造成传感器的损坏，而煤粉的温度低于75℃是不允许的，所以只能从水份仪的自身来研究如何冷却。在工业企业中冷却通常只有2种：一是氮气冷却，二是通水冷却。喷煤系统使用了大量的氮气，但是由于水份仪需要在测量面表面形成厚度50 mm的煤粉才可以正常测量煤粉水份，如果通过氮气吹扫就变得很难实现，同时氮气的成本很高。那么只能采用水冷的方式，根据水份仪传感器的形状，制作一个专用的水冷套，将带冷却水套的水份仪传感器安装在制粉系统布袋收尘器的煤粉管道上，通过数据线将水份仪数据处理单元与水份仪传感器相连接；冷却水套的进、出口分别安装冷却水阀门，冷却水箱内的冷却水经过循环水泵由冷却水进水管道及冷却水套，再由冷却水出水管道返回后冷却水箱中，从而使得水份仪传感器一直处于冷却状态，冷却水本身通过自然冷却就可以满足其温度要求，只要每月补充2 kg水就足够了，运行成本极低，完全避免因煤粉温度过高引起水份仪传感器“死机”现象发生。

4.2.2 信号滤波

由于在喷煤区域存在着较大的信号干扰源，9台高压电机和6台变频器。这对煤粉水份信号有较大程度的干扰，尽管已经采用了屏蔽电缆和单独电缆桥架走线，但是还有信号振荡的情况。这是由于电路内部的噪声和外部的干扰信号导致放大后的信号中夹杂着其他的信号，严重时会淹没放大信号本身，导致无法对信号进行识别和应用。滤波是从模拟信号中消除无用信号的重要手段。经过几次摸索，采用两种方法同时对信号进行滤波，首先在信号隔离器上增加0.01 μF电容器，对信号进行滤波。其次在PLC系统上的水份仪的模拟信号通道采样时间做出修改，由原来的40 ms改为160 ms，该数据是根据PLC系统的NUT（系统的取样周期）时间为5 ms，为了使系统高效匹配，要求每个通道的取样时间是系统NUT时间的2n的整数倍计算出来。以此来减少取样的频次，进而使信号更加平缓，满足现场的使用要求，更重要的是可以使调节系统能够平稳调节，而不是使调节阀跟着信号振荡。通过这两种方式滤波前后效果如图3、图4所示。

图3 水份仪未加滤波的趋势图Fig.3 Trend chart of moisture meter without filtering

图4 水份仪加滤波后的趋势图Fig.4 Trend chart of moisture meter with filtering

5 结论

水份仪检测装置在喷煤系统投用以来，其测量准确、性能可靠及控制合理的优越性已充分显示，煤粉水份的控制是通过调整磨煤机的出口温度来确保煤粉水份合格，有效地保证了煤粉的质量，煤粉水份的精确控制是高炉的高煤比炼铁的必要条件之一，梅钢4#高炉的煤比水平由2009年的每炼1 t铁耗煤120.7 kg，提高到2010年的140.2 kg，根据煤粉与焦炭热量换算之比大约为0.8∶1，这就相当于吨铁节约焦炭15.6 kg，很大程度地降低了焦炭的使用量，根据市场的焦炭和煤的价格计算，如果按该水份仪的精确控制贡献系数为10%计算，一年的经济效益可以达到150万元。目前对于系统维护、检修、标定的相关技术已经非常成熟，在实际应用者中得到充分的认可。

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