自动控制技术在高炉煤气干法除尘系统中的应用

黄海荣

（兰州工业学院，甘肃兰州，730050）

0 引言

高炉煤气形成于钢铁的冶炼过程，一般作为二次能源应用在企业中。因为高炉煤气中蕴含大量粉尘，所以需要在处理后再投入使用[1]。高炉煤气的处理与应用问题，一直困扰着钢铁行业，其净化后的充分利用可在一定程度上有效实现节能减排的环保理念[2]。高炉煤气的常用除尘方法为湿法除尘，是通过水洗实现粉尘的清洁，该方法在使用过程中具有的缺点包括：浪费水资源，清洁时会形成大量污水并且较难处理；污水中蕴含的重金属等污染物质严重超标；煤气中水汽较多，热值低，导致燃烧的温度与效率下降等[3]。基于该情况，高炉煤气干法除尘系统应时而生。

高炉煤气干法除尘系统有效应用了节能与环保的理念，通过其综合应用可收获极大的经济、环保效益[4]。高炉煤气具有含尘量大、温度高与波动幅度大等特征，要求净化处理后的含尘量须低于3mg/m3，当前市面上还未研究出一个成熟的干法除尘控制方法，所以，高炉煤气干法除尘系统的控制是一个具有挑战性的问题[5]。

本文研究自动控制技术在高炉煤气干法除尘系统中的应用，将自动控制技术与高炉煤气干法除尘系统相结合，设计了独特的过滤反吹动作控制程序，应用效果较好。

1 高炉煤气干法除尘系统的相关概述

■1.1 高炉煤气干法除尘系统技术参数

高炉煤气干法除尘系统的技术参数见表1。

表1 高炉煤气干法除尘系统技术参数

■1.2 高炉煤气干法除尘系统工艺流程

高炉煤气干法除尘系统的工艺流程为：高炉煤气输入高炉煤气干法除尘系统后，汇 聚于进气总管内，利用所有支管传送至系统的筒体进行净化处理，通过出气总管将完成净化的净煤气输入净煤气管道，最后经调压阀或TRT（高炉煤气余压透平发电装置）传送净煤气至净煤气管网[6]。其中，煤气温度的升、降通过高炉煤气干法除尘系统中设置的冷热交换器控制。该系统主要应用了全干法除尘，具有较为明显的综合效益，但是在实现大量煤气瞬间控温方面存在较高难度，若出现燃烧等意外情况，不仅会在经济上造成损失，还会导致高炉的工作无法运转[7]。为了从根源上遏制这一问题，需要对高炉煤气的温度进行可靠且稳定的控制。由于高炉工作过程中不仅存在煤气温度较高的现象，还存在温度较低的情况，所以要求高炉煤气温度的控制包括升、降两种方法。

图1 高炉煤气干法除尘系统工艺流程

■1.3 高炉煤气干法除尘系统对煤气温度的要求

以确保高炉煤气干法除尘系统的正常运行为目的，提出控制煤气温度。当输入高炉煤气干法除尘系统的煤气温度区间为[110℃,250℃]时，其滤袋的全寿命周期能够被延长，若温度超过区间值，则会发生滤袋被烧毁的情况，若温度低于区间值，此时煤气内的水汽被凝结，则会发生糊袋的情况。由此可见，高炉煤气干法除尘系统的煤气温度控制具有十分重要的意义重要。

2 基于自动控制技术的高炉煤气干法除尘系统

基于自动控制技术的高炉煤气干法除尘系统主要包括控制模块与网络模块两部分，其中，控制模块由人机接口、基础自动化模块、现场控制模块以及电气控制模块构成，网络模块由两层通讯网络构成。

■2.1 控制模块

高炉煤气干法除尘系统的控制模块可实现各种功能控制，具体如图2 所示。

图2 高炉煤气干法除尘系统控制

其中，人机接口主要布设在除尘主控室，其集合了数个工作站，可实现高炉煤气干法除尘系统的所有人机接口功能，具体包括设备状态等各种参数的设置与调整。在基础自动化模块中，应用STEP7 编程的PLC 控制器，其能够按照实际工作完成各类型组态。通过人机接口可有效帮助PLC实现与上位机及其他PLC 的信息交流，具有较高的鲁棒性及安全性。电气控制模块涵盖了配电设施、电气系统以及键盘电路等，可实现所有电气传动的控制。其中，键盘电路选用独立式键盘，设置升温键、降温键2 个按键，I/O 的进出方式为复用，具体见图3。

图3 键盘电路

■2.2 通信网络

第一层：通过工业以太网了解人机接口和PLC，主要的交互内容包括：通过人机接口将设置的参数与相关操作命令输送至PLC；将PLC 采集的设备状态等参数以及故障信号传输至人机接口；不同PLC 的信息交互。

第二层：将Zigbee 通信网络应用在不同PLC 与其远程I/O 站之间，通过PLC 将所设定的参数及控制命令发送至不同的传动模块，同时采集不同传动模块的状态发送至人机接口。

3 自动控制技术在高炉煤气干法除尘系统中的应用

■3.1 自动控制技术的主要控制功能

（1）喷吹自动控制。（2）卸灰自动控制。（3）管道阀门控制。（4）温度、压力及粉尘浓度等数据采集。（5）报警和保护。

■3.2 自动控制技术的概述

高炉煤气干法除尘系统采用PLC控制器完成自动控制，PLC 通过中央处理单元控制运作，受高炉煤气干法除尘系统程序的管理运行，其基本组成见图4。

图4 PLC 的基本组成

PLC 通过分析高炉煤气干法除尘系统的煤气温度情况为其编写程序，通过其中央处理器CPU 存储编写的程序与相关控制设置，并基于所编写的程序处理存储的信息。高炉煤气干法除尘系统的上位机通过输入接口下发工作指令，经由CPU 处理后通过输出接口反馈输出的工作指令信号至上位机，实现工作指令。其中，PLC 能够在运行时经由扩展接口获取扩展信号，经由外部设备接口获取其他PLC 等设备的信号。

■3.3 PLC 控制算法

PLC 的控制程序编写通过模糊PID 算法实现（算法的具体结构见图5），通过该算法编写的控制程序可有效控制高炉煤气温度的静耦合，并且算法具有较强的自适应性，可有效去除煤气温度的动耦合。

图5 模糊PID 算法结构

应用模糊PID 算法编写的PlC 控制器，能够在高炉煤气温度偏差过大、过小时，对其响应速度予以提升，还能够在温度偏差过小时浸入稳态，变更为PID 控制，消除静差，增加控制精度。

离散处理PID 内的积分、微分项，得到离散PID 的公式为：

由于高炉煤气干法除尘系统响应速度的增加和超调量的减少存在冲突，采用PID 可有效消除二者之间的动耦合。

4 实验分析

实验选用炉容为3600m3，箱体数量为15、规格为DN6000，灰仓数量为2 个，以双排形式布设的高炉煤气干法除尘系统，将文章研究的自动控制技术应用在该系统中，并将该系统在某企业应用一段时间，验证其性能。

为验证实验高炉煤气干法除尘系统的高炉煤气温度控制功能，设定40℃为高炉煤气温度阈值，分析自动控制技术应用后的高炉煤气温度变化情况，具体如图6 所示。

通过图6 结果显示，跟随工作时间的延长，高炉煤气温度逐渐上升，在5s 时突破阈值达到约55℃，此时该系统应用自动控制技术展开温度控制，令高炉煤气温度在5s 之后逐渐降低至平稳状态，说明应用自动控制技术的高炉煤气干法除尘系统具有较好的温度控制功能，验证了应用后的优势。

为验证应用自动控制技术的高炉煤气干法除尘系统具有较好的温度控制功能，现将高炉煤气温度设定为20℃，应用自动控制技术的高炉煤气干法除尘系统高炉煤气温度自动控制，实时监测其高炉煤气温度变化过程，结果见图7。

图7 高炉煤气温度波动情况

其中，A、В、C 区分别表示模拟扰动下高炉煤气温度超值波动的、自动控制响应以及控制下高炉煤气温度接近平稳的三个阶段。通过图7 可以看出，在20℃的温度设定值下进行模拟扰动，高炉煤气温度存在超值波动，高炉煤气温度出现超值波动的最大幅度为28℃，是温度设定值的9%，应用自动控制技术的高炉煤气干法除尘系统在2：00 时开始自动控制，在5min 的控制响应时间后将高炉煤气温度波动控制在3℃范围内。应用自动控制技术的高炉煤气干法除尘系统的高炉煤气温度不再产生超值波动，温度波动区间较小，温度变化较为稳定，且控制的误差、时滞较小。

研究应用自动控制技术的高炉煤气干法除尘系统在设定温度为3℃时的高炉煤气温度阶跃响应曲线，其结果如图8 所示。

图8 高炉煤气温度阶跃响应曲线

分析图8 可以看出，应用自动控制技术的高炉煤气干法除尘系统的高炉煤气温度能够从初始点0 快速到达设定值3℃，只在前4s 产生波动，在4s 之后平稳保持在设定压力上，同时工作点附近不存在稳态误差。验证了应用自动控制技术的高炉煤气干法除尘系统的高炉煤气温度的控制响应时间短、自动控制精度高。

5 结论

应用了自动控制技术的高炉煤气干法除尘系统可有效实现节能减排的环保理念，设备建造成本低的同时工作效率提升，可广泛应用在化工行业的含尘气体净化回收中，具备高效、可靠、操作便捷等优点。将其应用在实际中可取得极佳的煤气处理效果，并且通过粉尘物料的回收为企业带来了较好的经济效益。随着自动化控制技术与除尘设备的不断优化，高炉煤气干法除尘系统的使用效果将会更佳。