鋼鐵廠(chǎng)燒結(jié)工藝脫硝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要：近年來(lái)，隨著社會(huì)各界對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷加強(qiáng)，一些大型鋼鐵企業(yè)加緊引入環(huán)保減排設(shè)備以及不斷改造其排放系統(tǒng)，使其生產(chǎn)環(huán)節(jié)更加環(huán)保，減少對(duì)環(huán)境的污染與破壞。在鋼鐵生產(chǎn)中的脫硫、脫硝兩種環(huán)保減排工藝更是企業(yè)在減少污染物排放中的重要組成，而燒結(jié)工藝脫硝自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)鋼鐵燒結(jié)脫硝更是意義重大。文章以對(duì)其自動(dòng)化控制的概述與特點(diǎn)、各個(gè)子系統(tǒng)的組成、重要設(shè)備的控制等脫硝自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重點(diǎn)介紹，以供相關(guān)企業(yè)參考。
關(guān)鍵詞：脫硝;環(huán)保減排；控制系統(tǒng)；燒結(jié)工藝
鋼鐵行業(yè)作為我國(guó)重工業(yè)產(chǎn)業(yè)中的支柱行業(yè)，常年產(chǎn)量占比世界第一，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展做出過(guò)重要的貢獻(xiàn)。但正因?yàn)槿绱耍覀兏枰阡撹F企業(yè)的環(huán)保節(jié)能減排上下功夫，通過(guò)改進(jìn)工藝加強(qiáng)自動(dòng)化不斷改善不斷創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)中把污染排放降至更低的要求。在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，燒結(jié)工藝是其非常重要的一項(xiàng)工藝，簡(jiǎn)而言之，燒結(jié)就是在各種原物料（鐵礦粉、石灰、熔劑和無(wú)煙煤、焦粉）等按照一定的比例混合，然后，通過(guò)燒結(jié)形成具有一定強(qiáng)度和密度的燒結(jié)礦作為高爐煉鋼的“精料”。所謂燒結(jié)，就是粉狀物料加熱到熔點(diǎn)以下黏結(jié)成固體的現(xiàn)象，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是把品相滿(mǎn)足要求但粒度卻不滿(mǎn)足的精礦與其他輔助原料混合后在燒結(jié)機(jī)上通過(guò)熔劑和燃料輔助燃燒，使其重新生成塊狀和顆粒狀固體，以此來(lái)滿(mǎn)足高爐煉鋼的需求。利用燒結(jié)“精料”煉鋼鐵具有能提高高爐利用系數(shù)、降低焦比、提高高爐透氣性等優(yōu)點(diǎn)。在鋼鐵廠(chǎng)中燒結(jié)工藝能達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量降低高爐冶煉成本，提高高爐冶煉效率的目的。但鋼鐵生產(chǎn)中的燒結(jié)生產(chǎn)排放大量的氣體污染物與粉塵，如在燒結(jié)工藝中排放的氮氧化物就占整個(gè)鋼鐵冶煉工藝的48%左右，可見(jiàn)燒結(jié)工藝為鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中氮氧化物的主要來(lái)源，而這些污染物嚴(yán)重降低了城市空氣質(zhì)量，對(duì)我國(guó)的環(huán)境保護(hù)工作造成了很大的影響。所以，引進(jìn)鋼鐵廠(chǎng)脫銷(xiāo)工藝是現(xiàn)階段鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排中的重要措施，而燒結(jié)脫銷(xiāo)自動(dòng)化系統(tǒng)更是這一工藝措施重要組成部分。本文便以柳州鋼鐵廠(chǎng)110㎡脫硝自動(dòng)化控制系統(tǒng)的介紹為切入點(diǎn)，來(lái)深入了解鋼鐵廠(chǎng)燒結(jié)工藝脫銷(xiāo)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)對(duì)于目前鋼鐵企業(yè)需要減少污染物排放的迫切需求具有非常有效的實(shí)用參考價(jià)值。
1系統(tǒng)特點(diǎn)與概述
1.1系統(tǒng)特點(diǎn)
在鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中安全生產(chǎn)貫穿了整個(gè)流程，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，保護(hù)生產(chǎn)過(guò)程中的安全是整個(gè)系統(tǒng)的重中之重，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)便對(duì)所有設(shè)備的啟停加入了三級(jí)權(quán)限，分別為手動(dòng)啟停、連鎖啟停與自動(dòng)保護(hù)啟停，其中，最高級(jí)自動(dòng)保護(hù)啟停為閉環(huán)控制，不需人為設(shè)置，以此作為系統(tǒng)的安全生產(chǎn)的保護(hù)措施。且選擇控制系統(tǒng)時(shí)以遵循系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定可靠性、技術(shù)先進(jìn)性、操作簡(jiǎn)便性與后續(xù)開(kāi)發(fā)可擴(kuò)展性的原則，選用安全可靠的廠(chǎng)商，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間多方面的考驗(yàn)無(wú)重大質(zhì)量問(wèn)題，編程方式簡(jiǎn)便易懂，預(yù)留點(diǎn)位足夠今后的新增設(shè)備使用。
1.2系統(tǒng)概述
本系統(tǒng)由硬件與軟件兩部分組成，硬件部分主要為PLC控制柜以及各種被控制儀表，PLC控制柜主要由可編輯邏輯控制器與各種電器組成，自動(dòng)化控制系統(tǒng)選擇施耐德M580作為該系統(tǒng)的可編程控制器。施耐德M580PLC具有性?xún)r(jià)比高、性能可靠穩(wěn)定以及可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，CPU模塊自帶內(nèi)存容量大處理器運(yùn)行快速穩(wěn)定，且施耐德M580PLC抗干擾性強(qiáng)，可以適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，能實(shí)現(xiàn)大多數(shù)過(guò)程自動(dòng)化控制。在設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)留約25%I/O點(diǎn)和插槽供后續(xù)擴(kuò)展使用，使該系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性。軟件部分與M580搭配的UnityPro下位機(jī)編程軟件，擁有FBD、LD、ST、SFC、IL五種編程語(yǔ)言，且功能庫(kù)齊全，具有仿真與在線(xiàn)修改功能，在線(xiàn)修改功能中系統(tǒng)只需向下位機(jī)下載修改的一部分程序而不用重新下載整個(gè)程序，所以可在整套系統(tǒng)運(yùn)行途中進(jìn)行在線(xiàn)編程且不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)作。上位機(jī)采用IntouchHMI作為上位機(jī)控制軟件InTouch軟件是一個(gè)開(kāi)放且可擴(kuò)展的組態(tài)軟件，擁有尖端的繪圖功能易用的開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持ActiveX、OPC(OLEforProcessContro1)、開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)互連(ODBC)及標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)。目前主流的通信協(xié)議(例如，以太網(wǎng)MODBUS、串口MODBUS)都有現(xiàn)成的I/O通信驅(qū)動(dòng)，且擁有豐富的圖形用戶(hù)界面、靈活的腳本支持、分布式的歷史數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及便捷的測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)程引用等優(yōu)點(diǎn)。
2自動(dòng)控制介紹
2.1設(shè)備啟停
為保障整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的安全以及降低人員的誤操作帶來(lái)的危險(xiǎn)，所有設(shè)備啟停按鈕都具有二次確認(rèn)彈框，重要設(shè)備的啟動(dòng)或者停止具有允許條件。并在二次彈框中加入啟停允許條件文字描述，當(dāng)允許條件滿(mǎn)足時(shí)文字則變色。在設(shè)備操作彈窗中設(shè)置禁止操作按鈕，操作禁止按鈕后，所有的啟動(dòng)停止兩個(gè)按鈕將無(wú)法操作，這樣編寫(xiě)操作界面既能防止大部分的誤操作，也能使操作人員及時(shí)了解設(shè)備未能及時(shí)啟停的原因。系統(tǒng)中設(shè)備的啟停一共分為三級(jí)，而保護(hù)啟停為其中的最高級(jí)，下位機(jī)編程設(shè)置自動(dòng)保護(hù)啟停的條件，當(dāng)條件滿(mǎn)足時(shí)，操作人員無(wú)須任何操作設(shè)備即可自動(dòng)啟停。并在上位機(jī)中對(duì)應(yīng)的設(shè)備圖標(biāo)旁設(shè)置彈出式紅色文字提醒該設(shè)備滿(mǎn)足何條件啟停，使操作人員能在第一時(shí)間得知設(shè)備情況，并在報(bào)警列表中體現(xiàn)出具體信息，以供操作人員查詢(xún)。
2.2吹灰系統(tǒng)
脫硝系統(tǒng)中整個(gè)蒸汽吹灰子系統(tǒng)共有12個(gè)耙式吹灰器組成，每個(gè)吹灰器在啟動(dòng)時(shí)會(huì)按機(jī)械設(shè)置速度向前運(yùn)行到達(dá)末端后再向后退回原點(diǎn)，以?xún)啥说南尬婚_(kāi)關(guān)為基點(diǎn)由設(shè)備電控系統(tǒng)向PLC反饋原點(diǎn)、前進(jìn)、后退三個(gè)DI信號(hào)。由于吹灰器電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)不能讓兩個(gè)吹灰器同時(shí)運(yùn)行，所以在系統(tǒng)中，每個(gè)吹灰器一個(gè)接一個(gè)運(yùn)行直達(dá)所有吹灰器都運(yùn)行完畢算作整個(gè)吹灰流程完。在系統(tǒng)中運(yùn)用了順序控制的方式，在下位機(jī)中實(shí)現(xiàn)了該子系統(tǒng)。具體方法為，設(shè)置一個(gè)標(biāo)志變量，此變量為順序控制中每一步的數(shù)字標(biāo)志為實(shí)數(shù)變量，如標(biāo)志變量為1時(shí)，代表這個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行到第一步；標(biāo)志變量為2時(shí)，代表此子系統(tǒng)運(yùn)行到第二步。在每一步的結(jié)束條件滿(mǎn)足后，該標(biāo)志變量加1，得以讓蒸汽吹灰系統(tǒng)程序進(jìn)入下一步，下一步開(kāi)始的條件即當(dāng)標(biāo)志變量等于上一步標(biāo)志變量加一后的數(shù)值。八個(gè)吹灰器在運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)設(shè)備故障或者操作人員想跳過(guò)該設(shè)備的要求，所以該系統(tǒng)在子程序中添加旁路功能，12個(gè)吹灰器都具有對(duì)應(yīng)的旁路按鈕，當(dāng)旁路按鈕置位時(shí)，對(duì)應(yīng)的吹灰器不會(huì)啟動(dòng)且標(biāo)志變量加一程序跳到下一步。啟動(dòng)整個(gè)蒸汽吹灰系統(tǒng)的條件為吹灰氣源母管溫度達(dá)到工藝要求的設(shè)定值，當(dāng)溫度的設(shè)定值未達(dá)到要求時(shí)候標(biāo)志變量一直為0也就是程序不進(jìn)行下一步驟，界面有紅色文字彈出示警。整個(gè)系統(tǒng)有13個(gè)步驟，為了讓吹灰系統(tǒng)每個(gè)步驟都更加清晰地呈現(xiàn)給操作人員，在組態(tài)中將蒸汽吹灰系統(tǒng)所有步驟以文字且字體變色形式來(lái)描述，系統(tǒng)運(yùn)行到哪一步該步驟文字即由白色變?yōu)榧t色顯示，當(dāng)吹灰系統(tǒng)完成后最后一步，吹灰完成文字變紅表示系統(tǒng)結(jié)束。
2.3補(bǔ)燃系統(tǒng)
補(bǔ)燃系統(tǒng)的控制為整套控制系統(tǒng)中最復(fù)雜的系統(tǒng)，其主要作用是給煙氣加熱達(dá)到催化劑工作溫度。補(bǔ)燃系統(tǒng)共有三套補(bǔ)燃燃燒器，每套燃燒器主要由點(diǎn)火槍、火檢裝置以及煤氣管道上的各類(lèi)閥門(mén)組成，自動(dòng)控制系統(tǒng)主要分為點(diǎn)火、關(guān)火及監(jiān)控等。由于點(diǎn)火系統(tǒng)中煤氣管道較為危險(xiǎn)，因此，其控制系統(tǒng)中保護(hù)措施較多，管道中四個(gè)排空氣動(dòng)閥全為失電失氣自動(dòng)打開(kāi)，以達(dá)到停電或空氣壓力罐中無(wú)氣等緊急時(shí)刻排空管道內(nèi)存留煤氣的要求。當(dāng)燃?xì)饽腹軞鈩?dòng)閥在補(bǔ)燃風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)停止、GGH停轉(zhuǎn)或任一燃燒器燃?xì)饪礻P(guān)閥1和燃?xì)饪礻P(guān)閥2開(kāi)啟且燃?xì)鈮毫?bào)警時(shí)，都有保護(hù)關(guān)閉動(dòng)作達(dá)到切斷母管煤氣的作用。點(diǎn)火前，應(yīng)先做好準(zhǔn)備工作如將點(diǎn)火槍插入到位；點(diǎn)火時(shí)，先關(guān)閉排空閥在排空閥關(guān)到位信號(hào)點(diǎn)亮后啟動(dòng)點(diǎn)火槍?zhuān)瑫r(shí)打開(kāi)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)快關(guān)閥，火檢傳感器在設(shè)定的點(diǎn)火槍運(yùn)行時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到有火信號(hào)后則表示點(diǎn)火成功，這時(shí)需要人工將點(diǎn)火槍退出，直到下次點(diǎn)火再將點(diǎn)火槍插入。在點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中，任何一個(gè)設(shè)備沒(méi)有動(dòng)作到位或在設(shè)定的點(diǎn)火槍啟動(dòng)時(shí)間結(jié)束以后火檢無(wú)火，系統(tǒng)則做出“點(diǎn)火失敗”的判斷，點(diǎn)火失敗則系統(tǒng)關(guān)閉燃?xì)饪礻P(guān)閥1和燃?xì)饪礻P(guān)閥2，切斷管道內(nèi)的煤氣，排空閥自動(dòng)打開(kāi)排掉管道剩余的廢氣。若要將燃燒器?；穑瑒t直接關(guān)閉快關(guān)閥1和快關(guān)閥2切斷掉管道內(nèi)的煤氣，火焰即可在短時(shí)間內(nèi)熄滅。
2.4GGH系統(tǒng)
GGH氣氣換熱器，是煙氣脫硝系統(tǒng)中的主要裝置之一。它的作用是利用原煙氣將脫硝后的凈煙氣進(jìn)行加熱，使排煙溫度達(dá)到露點(diǎn)之上，減輕對(duì)凈煙道和煙囪的腐蝕，提高污染物的擴(kuò)散度，同時(shí)，降低進(jìn)入吸收塔的煙氣溫度，降低塔內(nèi)對(duì)防腐的工藝技術(shù)要求。GGH氣氣換熱器由兩臺(tái)電機(jī)推動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩臺(tái)電機(jī)一用一備，當(dāng)軸承溫度高于80攝氏度時(shí)設(shè)置保護(hù)強(qiáng)制關(guān)閉電機(jī)。GGH稀油站由兩個(gè)導(dǎo)向軸承油站油泵電機(jī)和兩個(gè)支撐軸承油站油泵電機(jī)組成，主要為導(dǎo)向軸承與支撐軸承提供循環(huán)潤(rùn)滑系統(tǒng)，使GGH氣氣換熱器工作更加順利。兩個(gè)一組的油泵電機(jī)聯(lián)鎖一用一備，在推動(dòng)GGH煙氣換熱器電機(jī)啟動(dòng)后，且對(duì)應(yīng)軸承溫度大于55℃且一臺(tái)油泵電機(jī)未啟動(dòng)，那么，另一臺(tái)油泵電機(jī)則保護(hù)啟動(dòng)。油泵電機(jī)的正常工作，是GGH能順暢運(yùn)行的重要條件，因此，兩臺(tái)電機(jī)都不使用或者兩個(gè)軸承中任意一個(gè)溫度過(guò)高，推動(dòng)GGH的主輔電機(jī)都應(yīng)保護(hù)關(guān)閉或不能開(kāi)啟。
2.5MGGH系統(tǒng)
MGGH水媒介氣氣換熱器分為降溫段和升溫段，降溫段是先用冷卻水給煙氣降溫，進(jìn)入脫硝或者除塵系統(tǒng)（脫硝或者除塵系統(tǒng)溫度不能太高），當(dāng)?shù)竭_(dá)煙囪處時(shí)，再用之前被加熱的熱媒水把煙氣溫度加熱，這樣可以使煙氣遠(yuǎn)離水的露點(diǎn)溫度，配合煙囪內(nèi)壁防腐，使煙囪安全可靠運(yùn)行，延長(zhǎng)煙囪使用壽命。另一方面，起到了一定的烘干作用，減少水分排出降低煙羽的形成。整個(gè)系統(tǒng)中主要控制有兩臺(tái)變頻循環(huán)補(bǔ)水泵兩臺(tái)補(bǔ)水泵出口電動(dòng)閥分為兩組，每組中泵與閥門(mén)聯(lián)鎖啟停，兩臺(tái)補(bǔ)水泵一用一備，且當(dāng)主變頻循環(huán)補(bǔ)水泵跳閘使備用變頻泵啟動(dòng)時(shí)，備用變頻泵中的手動(dòng)頻率設(shè)置值和PID參數(shù)與主變頻循環(huán)補(bǔ)水泵數(shù)據(jù)要相同，以此達(dá)到保證降溫段工藝的要求，變頻循環(huán)補(bǔ)水泵工作頻率隨降溫段出口煙氣溫度變化而變化。
3系統(tǒng)通迅
在下位機(jī)軟件UnityPro中，硬件設(shè)置可以更改其CPU或者通信模塊的IP地址，更改地址應(yīng)與上位機(jī)IP地址網(wǎng)斷相同。在上位機(jī)SMC（SystemManagementConsole）添加新的TCP/IP設(shè)置，把IP地址設(shè)置的和下位機(jī)UnityPro一致，并設(shè)置掃描周期時(shí)間完成后既可以實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通訊，且在SMC中可以監(jiān)測(cè)每個(gè)組態(tài)變量的狀態(tài)以及系統(tǒng)錯(cuò)誤信息監(jiān)測(cè)，上位機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)可以及時(shí)查閱錯(cuò)誤信息。
4結(jié)語(yǔ)
本文以柳鋼燒結(jié)廠(chǎng)110㎡脫硝系統(tǒng)為研究對(duì)象，詳細(xì)介紹了基于Intouch與施耐德M580位平臺(tái)的脫硝PLC自控系統(tǒng)。對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的上下位程序設(shè)計(jì)、編寫(xiě)進(jìn)行了深入的描述，對(duì)后來(lái)者學(xué)習(xí)以及了解鋼鐵廠(chǎng)中的脫硝系統(tǒng)運(yùn)用有著積極的作用。
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作者：劉創(chuàng) 張曉思 魏國(guó)軍 甘濤 單位：重慶工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所