钢铁厂烧结工艺脱硝自动化控制系统设计

2020-01-19刘创张晓思魏国军甘涛

中国设备工程 2020年5期

刘创，张晓思，魏国军，甘涛

（重庆工业自动化仪表研究所，重庆 401121）

钢铁行业作为我国重工业产业中的支柱行业，常年产量占比世界第一，为我国经济的快速发展做出过重要的贡献。但正因为如此，我们更需要在钢铁企业的环保节能减排上下功夫，通过改进工艺加强自动化不断改善不断创新，以实现钢铁生产中把污染排放降至更低的要求。在钢铁生产过程中，烧结工艺是其非常重要的一项工艺，简而言之，烧结就是在各种原物料（铁矿粉、石灰、熔剂和无烟煤、焦粉）等按照一定的比例混合，然后，通过烧结形成具有一定强度和密度的烧结矿作为高炉炼钢的“精料”。所谓烧结，就是粉状物料加热到熔点以下黏结成固体的现象，简单来说，就是把品相满足要求但粒度却不满足的精矿与其他辅助原料混合后在烧结机上通过熔剂和燃料辅助燃烧，使其重新生成块状和颗粒状固体，以此来满足高炉炼钢的需求。利用烧结“精料”炼钢铁具有能提高高炉利用系数、降低焦比、提高高炉透气性等优点。在钢铁厂中烧结工艺能达到提高产品质量降低高炉冶炼成本，提高高炉冶炼效率的目的。但钢铁生产中的烧结生产排放大量的气体污染物与粉尘，如在烧结工艺中排放的氮氧化物就占整个钢铁冶炼工艺的48%左右，可见烧结工艺为钢铁企业生产中氮氧化物的主要来源，而这些污染物严重降低了城市空气质量，对我国的环境保护工作造成了很大的影响。所以，引进钢铁厂脱销工艺是现阶段钢铁企业节能减排中的重要措施，而烧结脱销自动化系统更是这一工艺措施重要组成部分。本文便以柳州钢铁厂110 ㎡脱硝自动化控制系统的介绍为切入点，来深入了解钢铁厂烧结工艺脱销控制系统的设计。该系统对于目前钢铁企业需要减少污染物排放的迫切需求具有非常有效的实用参考价值。

1 系统特点与概述

1.1 系统特点

在钢铁企业生产过程中安全生产贯穿了整个流程，所以在系统设计中，保护生产过程中的安全是整个系统的重中之重，该系统在设计时便对所有设备的启停加入了三级权限，分别为手动启停、连锁启停与自动保护启停，其中，最高级自动保护启停为闭环控制，不需人为设置，以此作为系统的安全生产的保护措施。且选择控制系统时以遵循系统的安全性、稳定可靠性、技术先进性、操作简便性与后续开发可扩展性的原则，选用安全可靠的厂商，产品经过长时间多方面的考验无重大质量问题，编程方式简便易懂，预留点位足够今后的新增设备使用。

1.2 系统概述

本系统由硬件与软件两部分组成，硬件部分主要为PLC控制柜以及各种被控制仪表，PLC 控制柜主要由可编辑逻辑控制器与各种电器组成，自动化控制系统选择施耐德M580作为该系统的可编程控制器。施耐德M580 PLC 具有性价比高、性能可靠稳定以及可扩展的优点，CPU 模块自带内存容量大处理器运行快速稳定，且施耐德M580PLC 抗干扰性强，可以适应各种恶劣环境，能实现大多数过程自动化控制。在设计时，预留约25%I/O 点和插槽供后续扩展使用，使该系统具有可扩展性。软件部分与M580 搭配的Unity Pro 下位机编程软件，拥有FBD、LD、ST、SFC、IL 五种编程语言，且功能库齐全，具有仿真与在线修改功能，在线修改功能中系统只需向下位机下载修改的一部分程序而不用重新下载整个程序，所以可在整套系统运行途中进行在线编程且不会影响系统的正常运作。上位机采用Intouch HMI 作为上位机控制软件InTouch 软件是一个开放且可扩展的组态软件，拥有尖端的绘图功能易用的开发环境，支持ActiveX、OPC(OLE for Process Contro1)、开放数据库互连(ODBC)及标准的动态数据交换(DDE)。目前主流的通信协议(例如，以太网MODBUS、串口MODBUS)都有现成的I/O 通信驱动，且拥有丰富的图形用户界面、灵活的脚本支持、分布式的历史数据系统以及便捷的测点远程引用等优点。

2 自动控制介绍

2.1 设备启停

为保障整个生产过程的安全以及降低人员的误操作带来的危险，所有设备启停按钮都具有二次确认弹框，重要设备的启动或者停止具有允许条件。并在二次弹框中加入启停允许条件文字描述，当允许条件满足时文字则变色。在设备操作弹窗中设置禁止操作按钮，操作禁止按钮后，所有的启动停止两个按钮将无法操作，这样编写操作界面既能防止大部分的误操作，也能使操作人员及时了解设备未能及时启停的原因。系统中设备的启停一共分为三级，而保护启停为其中的最高级，下位机编程设置自动保护启停的条件，当条件满足时，操作人员无须任何操作设备即可自动启停。并在上位机中对应的设备图标旁设置弹出式红色文字提醒该设备满足何条件启停，使操作人员能在第一时间得知设备情况，并在报警列表中体现出具体信息，以供操作人员查询。

2.2 吹灰系统

脱硝系统中整个蒸汽吹灰子系统共有12 个耙式吹灰器组成，每个吹灰器在启动时会按机械设置速度向前运行到达末端后再向后退回原点，以两端的限位开关为基点由设备电控系统向PLC 反馈原点、前进、后退三个DI 信号。由于吹灰器电控系统设计不能让两个吹灰器同时运行，所以在系统中，每个吹灰器一个接一个运行直达所有吹灰器都运行完毕算作整个吹灰流程完。在系统中运用了顺序控制的方式，在下位机中实现了该子系统。具体方法为，设置一个标志变量，此变量为顺序控制中每一步的数字标志为实数变量，如标志变量为1 时，代表这个子系统运行到第一步；标志变量为2 时，代表此子系统运行到第二步。在每一步的结束条件满足后，该标志变量加1，得以让蒸汽吹灰系统程序进入下一步，下一步开始的条件即当标志变量等于上一步标志变量加一后的数值。八个吹灰器在运行过程中可能出现设备故障或者操作人员想跳过该设备的要求，所以该系统在子程序中添加旁路功能，12 个吹灰器都具有对应的旁路按钮，当旁路按钮置位时，对应的吹灰器不会启动且标志变量加一程序跳到下一步。启动整个蒸汽吹灰系统的条件为吹灰气源母管温度达到工艺要求的设定值，当温度的设定值未达到要求时候标志变量一直为0 也就是程序不进行下一步骤，界面有红色文字弹出示警。整个系统有13 个步骤，为了让吹灰系统每个步骤都更加清晰地呈现给操作人员，在组态中将蒸汽吹灰系统所有步骤以文字且字体变色形式来描述，系统运行到哪一步该步骤文字即由白色变为红色显示，当吹灰系统完成后最后一步，吹灰完成文字变红表示系统结束。

2.3 补燃系统

补燃系统的控制为整套控制系统中最复杂的系统，其主要作用是给烟气加热达到催化剂工作温度。补燃系统共有三套补燃燃烧器，每套燃烧器主要由点火枪、火检装置以及煤气管道上的各类阀门组成，自动控制系统主要分为点火、关火及监控等。由于点火系统中煤气管道较为危险，因此，其控制系统中保护措施较多，管道中四个排空气动阀全为失电失气自动打开，以达到停电或空气压力罐中无气等紧急时刻排空管道内存留煤气的要求。当燃气母管气动阀在补燃风机、增压风机停止、GGH 停转或任一燃烧器燃气快关阀1 和燃气快关阀2 开启且燃气压力报警时，都有保护关闭动作达到切断母管煤气的作用。点火前，应先做好准备工作如将点火枪插入到位；点火时，先关闭排空阀在排空阀关到位信号点亮后启动点火枪，同时打开对应的两个快关阀，火检传感器在设定的点火枪运行时间内检测到有火信号后则表示点火成功，这时需要人工将点火枪退出，直到下次点火再将点火枪插入。在点火启动过程中，任何一个设备没有动作到位或在设定的点火枪启动时间结束以后火检无火，系统则做出“点火失败”的判断，点火失败则系统关闭燃气快关阀1 和燃气快关阀2，切断管道内的煤气，排空阀自动打开排掉管道剩余的废气。若要将燃烧器停火，则直接关闭快关阀1 和快关阀2 切断掉管道内的煤气，火焰即可在短时间内熄灭。

2.4 GGH 系统

GGH 气气换热器，是烟气脱硝系统中的主要装置之一。它的作用是利用原烟气将脱硝后的净烟气进行加热，使排烟温度达到露点之上，减轻对净烟道和烟囱的腐蚀，提高污染物的扩散度，同时，降低进入吸收塔的烟气温度，降低塔内对防腐的工艺技术要求。GGH 气气换热器由两台电机推动转动，两台电机一用一备，当轴承温度高于80 摄氏度时设置保护强制关闭电机。GGH 稀油站由两个导向轴承油站油泵电机和两个支撑轴承油站油泵电机组成，主要为导向轴承与支撑轴承提供循环润滑系统，使GGH 气气换热器工作更加顺利。两个一组的油泵电机联锁一用一备，在推动GGH 烟气换热器电机启动后，且对应轴承温度大于55℃且一台油泵电机未启动，那么，另一台油泵电机则保护启动。油泵电机的正常工作，是GGH 能顺畅运行的重要条件，因此，两台电机都不使用或者两个轴承中任意一个温度过高，推动GGH 的主辅电机都应保护关闭或不能开启。

2.5 MGGH 系统

MGGH 水媒介气气换热器分为降温段和升温段，降温段是先用冷却水给烟气降温，进入脱硝或者除尘系统（脱硝或者除尘系统温度不能太高），当到达烟囱处时，再用之前被加热的热媒水把烟气温度加热，这样可以使烟气远离水的露点温度，配合烟囱内壁防腐，使烟囱安全可靠运行，延长烟囱使用寿命。另一方面，起到了一定的烘干作用，减少水分排出降低烟羽的形成。整个系统中主要控制有两台变频循环补水泵两台补水泵出口电动阀分为两组，每组中泵与阀门联锁启停，两台补水泵一用一备，且当主变频循环补水泵跳闸使备用变频泵启动时，备用变频泵中的手动频率设置值和PID参数与主变频循环补水泵数据要相同，以此达到保证降温段工艺的要求，变频循环补水泵工作频率随降温段出口烟气温度变化而变化。

3 系统通迅

在下位机软件Unity Pro 中，硬件设置可以更改其CPU或者通信模块的IP 地址，更改地址应与上位机IP 地址网断相同。在上位机SMC（System Management Console）添加新的TCP/IP设置，把IP地址设置的和下位机Unity Pro 一致，并设置扫描周期时间完成后既可以实现上下位机通讯，且在SMC中可以监测每个组态变量的状态以及系统错误信息监测，上位机系统出现错误时可以及时查阅错误信息。