转炉余热锅炉汽包水位优化自动控制系统

李宏林

（山东鲁冶瑞宝电气自动化有限公司，山东 济南250100）

1 前言

转炉余热锅炉是炼钢关键设备之一，在整个炼钢生产过程中起着举足轻重的作用。锅炉给水传统控制一般设计调节阀采用二冲量、三冲量连续调节控制，但转炉冶炼过程周期性变化，使得蒸汽流量不稳定，汽包水位频繁波动，连续调节控制给水调节阀会频繁动作，阀门前后背压大，调节精度及使用寿命受到很大影响，很难投入自动运行。为了解决这个问题，本系统设计进水采用汽包给水管切断阀电磁阀、汽包出水安全放水管电动阀，构成开关型选择控制系统与汽包给水泵变频调节相结合，实现汽包水位全过程自动控制。

2 系统特点及控制方式

2.1 大型转炉余热锅炉系统热负荷变化特点

转炉每炉炼钢周期36～40 min，吹氧时间段在炼钢的中期，时间约16～20 min，在吹炼期间余热锅炉热负荷陡然增加，产气量迅速增加，吹炼期平均小时产汽量73.4 t/h，冶炼周期平均产汽量29 t/h，吹氧完成后，余热锅炉热负荷会急速降低，下个吹炼周期循环往复。因此，跟随转炉生产每炉周期性冶炼的工艺特点，余热锅炉的热负荷、热强度、反应剧烈度也呈周期性变化，并直接反应到汽包水位的频繁波动上。

汽包水位变化的特点：汽包水位成周期性，波动范围大，速度较快，稳定性差。余热锅炉热负荷随冶炼过程周期性波动，变化幅值较大，汽包水位相应剧烈周期性变化，特别是吹炼初始阶段汽包水位上升速度很快。汽包水位大幅波动容易造成“虚假水位”现象，这是因为负荷增加时，汽包压力下降，汽包里水的沸点温度降低，沸腾会突然剧烈，产生大量气泡，造成水位提高。

汽包水位对余热锅炉安全运行至关重要，水位过高使得汽水分离装置的正常工况被破坏，严重情况可能导致蒸汽带水量增加，在管壁上的结垢增加及蒸汽质量下降；水位过低，水循环被破坏，容易导致水冷壁破裂，情况严重时甚至造成干锅，破坏汽包，因此有可能造成重大事故的汽包水位过高过低都应通过合理控制优化规避。汽包水位优化控制系统，就是通过合理的优化控制和算法维持系统内汽包产生的蒸汽量与给水流量平衡。以汽包水位作为水量平衡控制指标，并通过调整进水达到汽包进出水量平衡，将汽包水位尽量维持在汽包中位线左右，保证生产的安全运行。

根据当前汽包检测实际水位，根据汽包热负荷变化确定的不同工况下汽包水位动态设定值，采用变量检测冗余技术、开关型选择控制技术及变频选择控制技术实现汽包水位全自动控制，以最优化方法调整水位，以达到既节约能源，又满足生产要求的目标，是控制系统的内容。汽包水位控制工艺流程如图1所示。

图1 汽包水位工艺控制流程

2.2 控制方式

本控制系统的目的在于提供一种基于选择性控制的汽包水位自动控制优化方法，即：根据转炉生产的要求，余热锅炉工况，总结最优化的水位调整设定值，使用最低的能耗，提供满足生产要求的汽包水位目标值，达到系统稳定、节能降耗的目的。它由汽包水位一级信号检测数据采集冗余系统、给水排水阀开关型选择联锁控制系统、供水泵变频选择控制系统、报警联锁系统组成。

（1）一级信号检测数据采集冗余系统。由于汽包水位的波动性及虚假水位现象，为了提高检测的准确性，汽包左右各设计一个水位测量点，建立检测冗余系统。其特点为：多个检测变量共用一个控制器，选择器位于控制器之前，对变送器的输出信号进行选择或运算处理，一是防止仪表故障造成事故，对同一检测点多位置多仪表测量；其二通过运算对数据滤波、平均处理等措施减小检测误差及数据波动的影响提高可靠性。其检测控制原理图如图2所示。

图2 数据采集冗余系统检测控制原理

（2）给水排水阀开关型选择联锁控制系统。在一个转炉冶炼周期中，汽包水位的变化可分为3个时期：前烧期、吹炼中期、后烧期。在前烧期随着炉气量的迅速增加，各水冷管的过热度很大，伴随着气泡不断产生，汽包空泡率增加，汽水容积增加，汽包水位升高，蒸汽流量大幅增加；吹炼中期，吹氧量不断增强，蒸汽量增加快速，水中含气率急剧升高，上升管内为汽水混合物，当水容积增加量与蒸汽外排量平衡时，汽包水位停止上升，这时蒸汽外排量开始增大，汽包水位缓慢降低；吹炼后烧期和吹氧结束，系统内温度迅速降低，水的含汽率迅速降低，汽包水位随之迅速降低。汽包给水管切断阀电磁阀及汽包出水安全放水管电动阀开关型选择控制，就是将汽包水位连续变量根据冶炼周期合理的划分若干区段，与工艺结合摸索出汽包水位多个限值，只要不超出该限值，就能保证生产的正常运行。正常情况下按照影响生产主控变量汽包水位进行连续控制。一旦主控变量达到需要开关极限值，为防止事故发生，选择性控制系统通过选择器切断连续控制，而将给水管切断阀、出水安全放水管电动阀迅速打开或关闭，直到汽包水位回到限值以内，重新恢复到连续调节。

（3）给水泵变频选择控制系统。转炉冶炼过程中，给水是间断性的，由于炼钢的间断性，给水泵要频繁启停，影响泵的使用寿命，对电网冲击频繁。如果不停泵，水流量回流到除氧水箱，又会能源浪费。为了解决这一问题，设计给水泵变频控制模块对锅炉供水泵变频调速，实现汽包水位连续控制。控制器与变频器通讯连接，变频调速采用两种控制方式，一种是根据吹氧期停氧期汽包供水流量设定目标值，采取PID调节连续调节供水流量，从而控制汽包水位；另一种是自动频率设定调节，对供水泵进行频率与供水能力性能测试，计算出实际生产过程汽包水位、吹氧时间与变频器频率对应关系，通过计算机控制系统运算自动给出频率设定，对汽包水位连续控制。两种方式在人机接口系统设置选择界面，由工艺操作人员根据生产情况适当选择。目前自动工况下采用自动频率设定调节较多，水位控制效果较好。变频器与PLC间采用ControlNet网络通讯，实现设备实时状态信号传输及控制信号下发，节约施工费用及工程量。汽包水位自动控制优化系统如图3所示。

图3 汽包液位自动控制优化系统简图

3 系统功能实施

3.1 系统分步实施

本系统涉及一种基于选择性控制的汽包水位自动控制优化方法，实现汽包水位全自动控制，系统具体功能实施主要分为三部分，按以下几部进行：

（1）工控数据冗余检测。设置两个水位信号测量差压变送器，差压4～20 mA信号直接进入PLC，转换为水位高度工程量用于显示计算。①信号检测：左、右测量点设计在不同机架，不同模块输入，以提高检测的硬件冗错性能。②手动选择方式：操作员通过HMI强制手动选择左或右测量点作为控制用输入。③自动选择方式：先将左右水位测量值引入加法器求和，再经过除法器运算求出平均值，作为水位控制用最终输入。控制用测量点的选择由操作员在HMI上选择以提高水位检测的软件冗错性能。

（2）给水排水阀开关型选择联锁控制系统。汽包的启动水位（H）定在-1000～-300 mm（汽包中心线为0水位）。①氧气切断阀开到位，自动吹氧期时，给水阀常开；-350 mm＜H＜+200 mm，给水阀开，排水阀关；H≤+300 mm，给水阀开，排水阀关；H≥+350 mm，给水阀开，排水阀开。②氧气切断阀关到位，停止吹氧时：H≤-300 mm，排水阀关，给水阀开；-300 mm≤H≤-100 mm，排水阀关，给水阀关；H≥100 mm，排水阀开，给水阀关。

（3）给水泵变频选择控制系统。共设计2台锅炉给水泵，分别配置变频调速系统，对汽包水位连续控制。①给水泵变频控制根据供水流量PID调节。根据吹氧期及非吹氧期三点设定流量值对应的频率设定值发送到给水泵变频装置，调节其转速，实现汽包连续供水调节。②给水泵变频控制自动频率设定调节。吹氧期（氧气阀门开时），吹氧期根据汽包水位及吹氧周期自动调节给水。非吹氧期根据汽包水位PID连续调节给水泵速度，从而调节汽包补水量，保证汽包水位在+100～-200 mm正常范围内。根据水位PID调节，自动设定变频器频率。

3.2 完善的报警联锁功能

水位值及其联锁报警信息在上位机显示并声光报警。汽包水位H≥+600 mm，高水位报警。汽包水位H≤-700 mm，低水位一次报警；汽包水位H≤-800 mm，低水位二次报警，氧枪倾动PLC通过通讯接收报警联锁信号，提氧枪。-10～-300 mm为汽包启动水位（汽包中心线为0），为许可下氧枪位。汽包水位≥-350 mm时，氧枪倾动系统通讯接收联锁信号，允许下氧枪。

4 结 语

本系统提供一种基于选择性控制的汽包水位自动控制优化系统，将工控网络通讯、控制软件接口、工控数据冗余检测、开关量选择控制等技术及变频选择控制技术集成一体，针对当前汽包水位，结合转炉生产情况，总结得出以最短的时间、最低的消耗为目标的最佳汽包水位动态设定值控制阀门及供水泵变频装置，通过进一步优化汽包水位控制策略，使水位控制在工艺要求的合理范围内，整个系统达到回收蒸汽、节能降耗、安全运行的目的。在炼钢厂210 t转炉炉在线投入应用，并经过验证，达到了预期的效果，成功实现了系统功能。