PLC在莱钢120吨转炉烟气干法除尘控制系统中的应用

        1 引言
    为适应转炉炼钢生产的不断发展和环保要求，继宝钢之后，莱钢3×120t转炉煤气净化和回收系统引进了德国鲁奇与蒂森两公司合作开发的干法除尘技术，简称LT法，并首次在国内进行了LT控制系统的开发和设计。LT系统主要由烟气冷却系统、净化系统、煤气回收和放散系统组成。控制系统采用了西门子S7-400系列的PLC，对蒸发冷却器、电除尘器及阀门等工艺生产线设备实现过程检测、监视、调节和控制。
    2 工艺控制过程简述
    转炉烟经汽化冷却烟道冷却后,温度为800~1000℃进入蒸发冷却器，根据烟气含热量精确控制喷水量，使蒸汽将水完全雾化后冷却烟气降至200℃左右，约有45%的粗粉尘沉降并通过链式输灰机、灰斗等装置送至灰仓;冷却后的烟气进入圆筒型电除尘器，电除尘器设四个电场，采用高压直流脉冲电源，根据系统运行的不同阶段控制电压，收集剩余的细粉尘，使经过电除尘器的烟气含尘量在10mg/Nm3以下;为适应转炉烟气的变化，轴流风机设变频调速，实现流量调节，并根据气体分析仪检测的CO浓度来控制切换站将煤气送至烟囱或煤气柜，实现放散或回收的快速切换。
    3 自动化控制系统的构成
    LT自动化控制范围是从汽化冷却烟道开始到煤气冷却器结束，设一级基础自动化，与转炉本体、汽包等自动化系统进行联网通讯，组成以太网光纤环网，通过服务器实现PLC与上位机之间的数据传输、存储和报警等功能。PLC由CPU、存储单元、电源模块、通讯模块、I/O模块、高速计数模块等组成，根据LT设备分散的特点，其自动化硬件系统构建更加灵活合理，上位机放在转炉主控室内，PLC按设备分布区域划分为主站和从站，从站为主PLC的远程扩展单元，通过IM460-4和IM461-4接口模块进行通讯,其中主站PLC柜与MCC、变频器及电除尘器的高压硅整流电源控制装置均放置在干法除尘配电室内;而从站则设在转炉主控楼的PLC控制室，主要是控制蒸发冷却器和相应的输排灰等转炉车间内的LT设备。
    4 系统的控制功能和特点
    PLC系统为西门子S7-400系列可编程控制器，主CPU为S7-416-2DP，采用功能强大的STEP7 5.2软件包进行软件开发，以实现计算机对干法除尘系统的在线检测、控制、调节和诊断功能;监控机采用WINCC 6.0组态软件，用于编制生产过程流程图，显示设备运行状态，对烟气量、炉口压力、蒸发冷却器入口及出口温度等重要工艺参数作实时和历史趋势，故障报警，报表打印，进行数据设定和操作显示等，完成人机对话。
    4.1 蒸发冷却器的喷水控制
    当蒸发冷却器入口温度达到预定温度时,供水阀打开,双介质喷嘴同时喷出蒸汽和水,使水在排出时被雾化，所需要的喷水速度是由要在蒸发冷却器中降低的转炉烟气热含量来决定的，因此使用单位时间从热输入推算出来的水流量作为设定值，将实际喷水量作为控制器的输入进行比例控制，通过快速气动调节阀自动调节水流量，其喷水响应时间在4s左右;另外，考虑炉气的比热随着炉气成分和温度而变化的因素，针对蒸发冷却器出口温度设置一个温度控制回路，其输出信号用来改变单位时间的喷水量和计算的水流量之间的比例关系，对上一个比例控制器起到前馈控制的作用，使蒸发冷却器的出口温度控制在设定温度范围内。
    4.2 转炉的烟气流量控制
    为了适应炼钢工艺，将炼钢过程分为不吹氧、预热、开始吹氧、吹氧、吹氧结束、炉口清理等六个阶段，分别设定各阶段由轴流风机的变频器控制的烟气流量，根据该设定值和炉口压力来实现转炉烟气流量的控制。  
    将吹氧量与炉口压力控制器的输出信号相乘所得到的值，加到各阶段烟气流量设定的串级比例控制器上。如果吹氧速度发生变化，这种比例控制能够通过炉口压力控制器的输出信号，确保烟气的流速在相同的比例上立即得到适应。  
    炉况的变化以及炉气温度等所导致的余热锅炉中的压力变化通过压力控制器对吹氧速度和烟气流量之间的比例关系加以修正来进行补偿。测量的烟气流量根据标准的条件进行压力和温度校正。此外，将喷入蒸发冷却器的水蒸汽含量从校正后的烟气流量中扣除，使得受控变量能够代表标准条件下干态的烟气流量。  
    烟气流量控制器的输出信号经过变频器控制轴流风机的转速。  
    4.3 切换站的压差控制和钟形阀的位置控制  
    在炼钢过程中，烟气放散或回收是由CO的浓度条件来触发切换的，通过切换站的两个分别通往煤气柜和烟囱的钟形阀的开启来实现控制。  
    在放散转回收之前，首先通过烟囱钟形阀对风机下游的压力进行憋压，直到高于煤气柜一定的压力才能进行回收操作;当回收切换至放散时，也必须保持一个小的正压，以防止煤气从煤气柜倒流，因此针对这两种不同的切换方式，在程序中也必须由具有两个不同设定值的差压控制回路来控制切换过程，该控制器的输出信号控制烟囱钟形阀的开度调节，使煤气柜钟形阀前后的压差达到相应的设定值，从而保证煤气在正常切换或紧急快速切换过程中均能实现无压力扰动切换。LT系统的烟气切换所需时间仅为8秒，如在作业过程中发生事故，烟气流可在3秒内被迅速地从通往煤气柜切换到通往火炬的通道里。  
    5 结束语  
    莱钢3×120t转炉烟气干法除尘系统已于2004年七月运行投产，目前运行效果良好。与传统的湿式OG法相比，LT系统采用了先进的工艺和控制技术，在各种性能指标的对比上均有着明显的优势，干法系统较湿法省水省电，节省运行费用和多回收的煤气效益之和为1060万元，另外，干法除尘的外排粉尘含量6.6mg/Nm3，湿法除尘的外排粉尘含量100mg/Nm3，经济效益和环保效益均十分显著。  
    优化简洁的系统配置，具有自适应功能的控制软件，使得干法除尘系统的运行更加符合炼钢工艺的实际变化情况，充分发挥其除尘效率高、综合运行费用低、能源回收利用率高等优势，干法除尘可以部分或全部补偿转炉炼钢过程中的能耗，有望实现转炉低能炼钢或负能炼钢的目标，已成为今后的发展方向，将逐步在炼钢生产中得到应用和推广。