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高炉喷煤自动控制系统设计

一、高炉喷煤技术发展趋势

高炉喷煤技术是钢铁生产过程中大幅度降低焦比和生铁生产成本的一项重要技术措施,也是推动钢铁生产工艺技术更新升级的核心力量。自20世纪80年代初以来,高炉喷煤技术在钢铁生产过程中得到了广泛的应用,在一大批研发人员的共同努力下,各国钢铁企业的高炉喷煤量也得到了很大的提高。经过十多年的研究开发和工程实践,高炉喷煤技术也取得了很好的效果,促进了钢铁生产的快速发展。富氧喷煤技术、注氧技术、颗粒注煤技术和配煤混喷技术等新技术已广泛应用于高炉喷煤系统的钢铁生产中。高炉喷煤系统由于其工作原理复杂、专业性强等特点,在钢铁生产自动控制系统中起着非常重要的作用,对整个高炉喷煤系统各环节动作保护的可靠性、灵敏度和准确性提出了更高的要求。虽然高炉喷煤系统的总体结构较为复杂,但各电气设备的联锁工作原理相对简单,工艺流程较为系统。随着各种喷煤技术的不断发展及其在工程实践中的广泛应用,高炉喷煤控制过程离不开相应的自动控制系统,即相应的控制技术必须得到相应的控制系统模型的支持,才能充分发挥其应有的功能效果。因此,在结合高炉喷煤系统总体流程方案的基础上,构建高效、准确的高炉喷煤自动控制数据模型和计算机可视化监控系统,是钢铁企业自动控制人员的一个重要课题。

二、高炉喷煤自动化控制系统的组成

高炉喷煤自动化控制系统包括两套PLC控制站,高炉喷煤PLC控制站和焦炉煤气加压站PLC控制站。高炉喷煤PLC控制站位于高炉主控室,焦炉煤气加压站PLC控制站位于焦炉煤气加压站控制室。2套PLC控制站之间通过光纤以太网进行联接,实现数据交换和共享,同时都为企业的能源管理中心预留了光纤以太网接口。

所有控制站支持双机热备的冗余配置,即主控机架的处理器、电源、框架、远程I/O通讯网络、上位监控网络完全按照冗余配置。

PLC控制站与HMI操作站之间采用工业以太网EtherNet联接;控制站内部CPU主机架与远程I/O机架之间采用冗余的控制层网络Control-Net联接。

三、高炉喷煤自动化控制系统的功能

1、煤气加压功能

煤气加压站PLC系统控制多台空气压缩机运行,将较低压力的焦炉煤气经空气压缩机进行加压成为较高压力的煤气。

2、煤气输送功能

煤气加压站PLC系统控制煤气输送管道上的各类阀门选择正确的路由将煤气输送到多座炼铁高炉。

3、喷煤功能

高炉喷煤PLC系统控制喷煤工艺设备(煤气主管道上电动阀、喷吹支管上紧急切断阀、焦炉煤气快速切断阀、氮气主管道上气动球阀和高炉煤气压力电动调节蝶阀等)协调工作,将高压力的焦炉煤气喷吹进入高炉内部进行还原反应。

4、空气喷吹功能

高炉喷煤PLC系统控制着喷气工艺设备的协调工作(风管上的电动阀、注入支管上的紧急截止阀、空气管道的快速截止阀、高炉煤气压力的电动调节蝶阀等)。高炉采用高压喷风作为热风炉的补充,参与还原反应。

5、氮气吹扫功能

高炉喷煤PLC系统控制氮气管道上的快速截止阀,对注气管道进行扫气。高炉注气管道气体介质置换过程中,必须进行吹氮,以避免高温气体爆燃事故和空气混合事故的发生。在人机界面上设置一个“氮气清除确认”按钮。每次清氮工作完成后,操作人员必须按下“氮气净化确认”按钮。煤气主管道快速切断阀或空气主管道快切阀可被开启,以避免在主管道中同时发生气体和空气混合的事故隐患。

6、安全联锁保护功能

①煤气主管道上的快速切断阀和压缩空气主管道上的快速切断阀彼此之间存在联锁关系,不能同时开启,可以同时关闭。当煤气主管道上的快速切断阀在打开状态时,压缩空气主管道上的快速切断阀不允许打开。当压缩空气主管道上的快速切断阀在打开状态时,煤气主管道上的快速切断阀不允许打开。

②当焦炉煤气压力低压高炉内气体压力时,煤气主管道快速切断阀和喷吹支管上紧急切断阀自动关断,防止高炉内废气倒灌入焦炉煤气管道中发生爆炸事故。

7、喷煤压力调节功能

高炉喷煤PLC系统控制高炉围管内的喷吹煤气压力要求必须高于高炉内炉压,保证煤气能喷入高炉内部,同时防止高炉内气体倒灌。高炉围管内的喷吹煤气压力的调节依靠调节阀实现,对调节阀可进行手动控制和PID自动控制。

8、工艺设备状态监视功能

在HMI操作站画面上,可以对所有工艺设备的状态进行监视,主要参数有:煤气压力、空气压力、煤气流量、空气流量、煤气温度、空气温度、喷吹煤气主压(阀前)、喷吹煤气主压(阀后)、喷吹主管空气/煤气流量、高炉喷吹主管煤气/空气温度铂热电阻、1#-36#喷吹支管空气/煤气流量。

9、报警功能

当工艺设备发生故障时,PLC系统通过检测以HMI画面显示和声音提示两种形式向生产管理人员示警,保障生产管理人员采取快速的应对措施避免事故发生。报警信息被保存到数据库中以备查询和打印。

10、数据历史趋势

在HMI操作员站计算机上保存重要生产工艺数据并在HMI画面上以趋势曲线的形式显示出来,提供给高炉生产的管理者进行工况分析。

11、生产数据采集和记录功能

PLC系统对实时生产数据实施采集并上传到生产数据服务器内的数据库进行保存,为企业的MES生产制造执行系统、EMS能源管理系统和ERP系统提供有效的数据源。

12、通讯网络及数据交换功能

通过工业以太网实现了高炉喷煤PLC系统与煤气加压站PLC系统之间的数据交换。煤气加压站PLC系统采集的仪表信号需要显示在高炉主控制室喷煤的人机界面上。工业以太网用于高炉喷煤自动化控制系统与MES生产制造执行系统之间的数据交换。采用工业以太网在高炉喷煤自动化控制系统和EMS能量管理系统之间进行数据交换,并将重要的能量数据如喷煤流量和空气喷射流量上传到能量管理中心。

结束语

高炉喷煤作业采用自动控制系统控制,不仅提高了高炉的工作效率,提高了人工劳动效率,减少了人员操作的误差,而且优化了高炉喷煤工艺,简化了高炉的操作。因此,高炉喷煤自动控制系统提高了钢铁企业的竞争力,给社会和企业带来了巨大的效益。

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