高炉制粉系统自动控制研究与应用

严铭伟

（内蒙古科技大学，内蒙包头014014）

1 引言

高炉煤粉制喷技术采用价格更加低廉的煤粉代替昂贵的冶金焦，资源得到了更加合理的利用，因此其必将从根本上改变传统高炉炼铁在钢铁工业中的地位和作用。但是提高高炉煤粉制喷效益对高炉的设备、工艺，以及检测、调节等自动化控制技术均有着较高的要求。对于煤制粉的控制、输送控制和喷吹工艺控制等都属于高炉煤粉制喷控制系统的一部分，由于该控制系统的控制目标没有办法直接测量，所以在控制过程中存在着一定的难度，本文就以高炉制粉系统的自动控制作为研究对象，简要分析高炉喷煤制粉系统自动控制的层次结构和应用。

2 某钢铁企业高炉制粉系统自动控制系统的设计与配置

该企业煤粉制喷控制系统是高炉控制系统中的控制子站，相对独立，分别是制粉电气控制站和制粉喷吹仪表控制站。该控制系统结构主要包括控制站、操作站和网络通信三部分，具体层次结构则有三层，分别是第一层：通过现场总线与DCS服务器相连进行通讯的远程I/O总站。第二层：将DCS服务器与HMI相连组成的工业控制局域网。第三层：DCS服务器与厂级网络的相连[1]。该系统的第一、二层主要负责完成数据的采集与设备控制，第三层则完成数据的收集、处理、分析和传送。喷煤系统和制粉系统共同组成了高炉煤粉制喷自动化控制系统，彼此之间互不影响，此外，还可以将制粉系统自动控制分为仪表控制系统和程序控制系统，程序控制系统中的启动、事故或有紧急信号时报警、自动停机、自动充氮等环节都采用PLC；仪表控制系统包含了磨煤机入口温度控制、原煤仓料位控制、磨煤机负荷自动调节、尾气再循环控制和主排风机流量调节控制等。为了确保制粉系统稳定运行，系统温度、压力和流量这三个要素都应该保持一定的稳定性。

3 自动控制在高炉制粉系统中的应用

3.1 磨煤机控制的改进

磨煤机控制是高炉制粉系统的主要控制对象，其气源是将热风炉废气与升温炉高温烟气组合而成的混合气体，而磨煤机所碾磨的煤粉干燥和输送工作均在封闭的通路中进行，磨煤机控制系统中还设有收粉装置。磨煤机控制主要包括磨煤机出口温度控制与入口负压控制。

3.2 磨煤机温度控制的研究和改进

磨煤机的出入口温度需严格控制，根据相关防爆要求，入口温度不能超过290℃，出口温度则不能超过90℃[2]。传统温度控制方案是通过升温炉调节阀来调整温度控制器，但磨煤量变化、原煤干湿状况等因素均会给磨煤机的出口温度的控制带来困难，因此难以具备较强的温度控制性能，极易出现温度过低或过高的情况，温度过低会造成煤粉结块，温度过高则会造成煤粉自燃。经过调试，该企业技术人员采用了如下控制方案：处于启动和停机中的制粉系统，根据磨煤机的给煤量对温度控制器进行控制；正常制粉过程中，升温炉处于已经投入的状态，此时调整温度控制器则依靠升温炉的调节阀。本控制系统中的温度控制器设计为串级的方式，主调为磨煤机的出口温度控制，复调则是入口温度控制这一改进方式有利于温度控制器相应速度的提高以及抗干扰能力的增强[3]。

磨煤机的出口温度更加重要，且其实际控制工作具有较大难度，主要原因在于其极易受磨煤机负荷和原煤干湿程度两种因素的影响。因此，在制粉自动控制系统中，技术人员可将磨煤机入口温度控制作为副环，将出口温度控制作为主环，这样的设计不仅有助于系统抗干扰能力的提高，还可有效减少系统滞后。这一设计将出口温度作为主要控制手段，加热炉所产生的烟气仅占整个干燥气的5%～10%，其对风量所造成的影响并不大，对磨煤机负荷控制也有着积极意义。

3.3 磨煤机入口负压控制的研究和改进

在制粉系统启动和停机环节，磨煤机入口负压控制的调整主要通过再循环阀进行，在正常制粉环节则主要通过热风炉废气调节阀进行。但在实际应用过程中，温度控制器与入口负压控制器之间相互感染，这使得二者无法根据各自的被控信号变化进行控制。经反复调试，技术人员调整了控制方案：对于处于不同状态的升温炉，选用不同磨煤机入口负压控制器的控制速度和温度控制器的控制速度，使二者控制速度相匹配，并为不同状态选用最为合理的PID控制方式，采用最快速度进行被控信号的响应，消除各种现场干扰。为防止控制器在切换过程中出现较大程度的波动，三种控制器还应进行相互的跟踪控制。

3.4 系统流量控制的改进

中速磨煤机的形式确定了制粉系统的流量控制，下面将以常见的辊式中速磨与碗式中速磨为例进行介绍。辊式中速磨在调节制粉量大小时往往需结合供煤量，并且会提出磨煤机的入口风量要稳定的要求；碗式中速磨在调节制粉量时往往则通过磨煤机入口风量进行调节。两种中速磨差异较大，因此在实际设计过程中一定要关注二者的区别。[4]由于操作人员在调节磨煤机入口风量时往往需通过主排风机入口的调节阀，而实际生产调试中常常会会出现调节阀滞后的现象，因此调节不灵活的问题时有发生，系统风量无法得到长时间的稳定。为避免以上问题对主排风机电机的破坏，操作人员可为其配置能够低速启动风机的液力涡合器，通过这一调节装置来调节磨煤机入口风量，效果更佳，系统风量也将更加稳定。

3.5 磨煤机负荷自动调节的改进

为了确保煤粉仓重量在一定的范围内和供煤平衡，本系统应用了以煤粉仓重量信号和喷吹量作为给煤机给煤量设定值的负荷自动调节控制设计。原控制方案如下：启动后的给煤机根据加煤曲线不断增加给煤量，直到最大值。对于正常范围以内的煤粉仓重量，通过喷吹量设定值为磨煤机设定值，高出正常范围后就采用煤粉仓料位信号和喷吹量加算后的值；停止后的给煤机则根据减煤曲线逐渐减少给煤量，直到最小给煤量。这一方案在实际调试过程中往往会因不同的工况状态变化而对给煤量的设定值造成影响，进而将引发磨煤机负荷不稳定的问题。对此，该企业技术人员采取了以下改进措施：当制粉系统启动时，由磨煤机出口温度决定给煤量，对于出口温度在偏差范围内的磨煤机，给煤量不变，超出或未达到该偏差范围的根据一定的速率相应减少或增大，但最大不能高出设定值，最少不能低于最小给煤量[5]；正常制粉过程中，给煤量应按照一定的速率增大，直至设定值；断煤控制过程中，给煤量控制磨煤机出口温度，那么随着出口温度的降低来减少给煤量，直到最小给煤量后停止给煤机。

4 结语

本文以高炉制粉系统为研究对象，简要分析了其自动控制设计与配置，并以磨煤机温度、入口负压控制及其负荷控制为例，探究了其实际应用。经过改进，这一控制系统很好地保证了制粉系统的稳定性，同时还可为其他企业大中型高炉煤粉制粉系统的自动控制建设与改造提供一些借鉴。