高炉煤气管网压力自动调节系统技术的应用及效果

发表时间：[2007-10-31]　　作者：　　编辑录入：admin　　点击数：9402

摘　要:本文主要介绍了济钢第二炼铁厂高炉煤气管网压力自动调节系统的应用。它采用西门子S7-200可编程控制器，对除尘器的压力差和高炉系统的压力进行自动控制，大大降低工人的劳动强度，稳定煤气管网压力，改善煤气除尘效果。

关键字:高炉煤气管网压力自动调节系统

1　前言
　　济钢第二炼铁厂现有两座高炉，其产生的煤气大部分供热风炉、中轧加热炉使用。由于高炉生产是一个不断变化的复杂过程，高炉煤气的产生随高炉炉况变化和煤气使用条件的变化而变化，煤气管网压力始终处于一个由稳定到不稳定，又趋于稳定的物理变化过程。尤其是当低压炉顶的高炉装料、热风炉换炉、局部用户调整用气负荷等外界条件发生变化时，煤气管网压力变化波动范围达3～20KPa。操作工人通过观测其压力变化，手动操纵电机运转或阀门，工人劳动强度大，并且控制的精度难以达到稳定的要求，造成热风炉不能稳定燃烧、送风，也给高炉生产带来不良影响。2001年8月份，我厂采用西门子S7-200可编程控制器，对除尘器的压力差和高炉系统的压力进行自动控制，运行正常，不仅降低工人的劳动强度，而且稳定了煤气管网压力，改善了煤气除尘，效果显著。本文阐述了该系统的工作原理，以及在生产实践中的应用。

2　系统改造方案的研究
　　高炉煤气管网压力自动调节系统应以煤气总管道压力稳定为主线，兼顾高炉炉顶压力的变化情况，还要考虑到煤气净化系统的除尘效果。为此，我们将改造方案建立在以下几个方面：
　　第一，参考借鉴国内外不同规模煤气系统稳定压力的成功经验，确定以煤气管网总压力稳定为控制目的。
　　第二，利用模糊控制理论，建立能适应煤气负荷大范围变化的控制方案。
　　第三，选用同维PⅢ550工业控制机和西门子S7-200PLC，建立以Pwin98为操作平台的控制系统，提高系统的执行速度。
通过以上方案的确定，最终解决四个主要问题：
　　(1)解决管网煤气压力频繁波动的现实问题。
　　(2)解决因管网煤气压力波动，以及煤气负荷变化对高炉炉顶压力影响的问题。
　　(3)以稳定煤气管网压力为主线，自动控制除尘器可调喉口开度范围，解决煤气净化系统除尘质量不能稳定控制的问题。
　　(4)解决因煤气压力过高、或波动值大造成煤气水封装置压穿外泄煤气等意外情况，对环境的污染和对人身造成的伤害事故。

3　工作原理
　　(1)除尘器喉口翻板的控制：采进除尘器1号、2号的压力值，经过数制转换和计算，与给定的正常范围比较，如果在正常范围内，喉口翻板不动作；在正常范围外时喉口翻板相应的开或关，为了与实际情况相结合，使喉口翻板每五秒钟动作一秒钟。当翻板转到零度或九十度时，PLC采进限位开关的信号，即使压力值还在正常范围外，翻板也不动作。
　　(2)煤气管网压力的控制：当压力大于设定值时开启φ900阀，当φ900阀开到最大，压力仍大时开φ600阀，φ600阀开到最大，压力仍大时开φ400阀。压力小，关阀门时按相反顺序。因为实际应用中φ900阀要始终保持最大，所以给φ900阀始终保持最大输出。当管网压力在没定范围内时，用PID控制，响应速度变慢，超调减小，使系统的控制精度提高以增加压力稳定性。当管网压力在设定值外时，采用快速响应控制，读取上一刻PID调节的输出作为初值，采用快速算法，无论从PID调节到快速响应还是从快速响应调节到PID调节，都读取当前的阀位输出值作为初始值，从而实现无扰动切换。
基本PID算法：
　　V＝KPe(t)＋KI∫e(t)dt+KDde(t)/dt+V₀
　　其中V为PID的输出，V0为e(t)＝0时的控制作用(原始阀门开度等)。
　　与其相对应的差分方程的工业过程控制中常用的形式：
　　V=KP〔e(t)+1/Ti∫e(t)dt+T_dde(t)/dt〕+V₀
　　其中Ti=Kp/Ki　称为积分时间常数
　　Td=KD/KP　称为微分时间常数
　　本系统中采用增量式PID算法：
　　△Vn=Vn-Vn-1=Kp〔e_n-e_n-1+e_nT/Ti+(e_n-2e_n-1+e_n-2)Td/T〕
　　采用增量式PID控制算法时，只须保存本采样时刻及前两采样时刻的偏差值。易于实现手动到自动的切换。
　　PID算法在程序中的实现：
　　增量式PID算法可按下式编程：
　　△Vn=d₀e_n-d₁e_n-1+d₂e_n-2
　　其中：
　　d0=Kp(1+T/T1+Td/T)
　　d1=Kp(1+2Td/T)
　　d2=KpTd/T
PID控制器的参数整定：
　　(1)用试凑法
　　(2)用经验公式确定：扩充临界比例法；阶越比例法。
针对本系统被控过程的滞后不是很大，控制对象的变化不是特别剧烈的特点，我们选择了比例积分控制方式。比例积分的特点是动态反应快，当有偏差信号输入时，会立刻产生一个与输入信号成比例的输出。其缺点是调节过程结束时存在余差。而消除系统余差是积分控制规律的主要优点，但它的缺点是输出变化总要滞后于偏差的变化，这样就难以及时有效地克服扰动的影响。比例积分控制规律是比例与积分两种控制作用之组合。它将比例反映快和积分控制能消除余差的优点结合在一起，因而在本系统中采用这种控制规律。
　　因为本系统采用了SIMENS S7系列的PLC，在PLC中已包含了基本的PID算法，所以我们所做的只是选择正确的PID控制方式以及调整合适的参数，并根据实际情况适当改进，在不同的压力范围，选用不同的PID控制方式。比例积分控制规律的数学表达式为：
△u(t)=KP〔e(t)+T-1i∫e(t)dt〕
其中：Kpe(t)是比例项，KpT-1i∫e(t)dt是积分项，Ti称为积分时间。

4　应用效果：
　　高炉煤气管网自动调节系统自2001年7月25日投入正常运行以来，运行情况良好。
高炉管网煤气压力一直稳定在设定值7.5KPa(±200Pa)以内，高炉炉顶压力40KPa(±1KPa)，煤气净化可调喉口差压稳定在23KPa(±1KPa)。管网煤气压力稳定，高炉炉顶压力得到了有效控制，煤气净化系统含尘量大幅度降低，由原来的20mg/m³，降低为10mg/m³。热风炉生产效率明显提高，平均提高风温10℃；该系统的投运，完全替代了人工操作，操作人员根据生产工艺需要，灵活设置画面参数，实现系统的自动控制，劳动强度得到极大改善，煤气净化3名值班工人的岗位，现在仅有一人即可满足现场操作管理，并且杜绝了煤气压力外泄造成的不安全因素。
　　另外，该系统不仅能够自动控制高炉煤气管网的压力、高炉炉顶煤气压力，而且配备了计算机通讯接口，为将来整个炼铁系统计算机联网做好了充分准备。

5　效益分析
　　该系统的运行，稳定了管网煤气压力，节省了煤气资源，大大减轻了操作工人的劳动强度，提高热风炉送风温度，高炉炉顶压力得以稳定，强化了高炉冶炼强度，提高了煤气净化效果。另外，由于保证了对外供气质量，用户的生产有了可靠保证，经济效益明显。
　　(1)节省煤气：项目实施后，有效地减少了高炉煤气排放量，提高了煤气利用率，经查证可节省煤气10%。如按第二炼铁厂两座高炉每小时产煤气35000m^３，每立方米煤气0.04元计算，每年可节资：35000×10%×24×30×12×0.04=120.96(万元)。
　　(2)稳定炉况增加产量：高炉炉顶压力的稳定，对稳定炉况，促进顺行有利，平均每年高炉可提高生铁产量约2500t，按每吨生铁100元利润计算，每年可实现经济效益：2500×100＝25(万元)
　　(3)其它经济效益：
　　由于煤气除尘可调喉口差压稳定，煤气净化效果大幅度提高，煤气含尘量降低了10mg/m^３，不仅为热风炉燃烧送风创造了良好的条件，也使煤气系统及热风炉系统设备的使用寿命得到一定程度的延长，据综合测算，仅设备维修一项每年至少可节省资金12万元。
　　此项目投运后，两个月即可收回全部投资。

6、结语
　　济钢第二炼铁厂高炉煤气管网压力自动调节系统，经过实践证明，该系统操作简单、性能稳定、可靠、画面清晰、功能强大，达到了设计要求，起到了稳定煤气管网压力的作用，实现了保证高炉顶压稳定，改善煤气除尘效果的作用。该系统性能先进，在国内同类企业中技术性能处于最先进水平，综合经济效益明显，具有广泛的推广使用价值。