轉(zhuǎn)爐干法除塵噴射水及氣體控制模型優(yōu)化

陳世亮

（河鋼宣鋼二鋼軋廠，河北 宣化 075100）

轉(zhuǎn)爐干法除塵系統(tǒng)是一種采用先機(jī)技術(shù)對凈化轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)生的一次煙氣并進(jìn)行回收的大型設(shè)備集合體，具有很高的除塵效果，在節(jié)約水電方面等有著明顯優(yōu)勢。干法除塵系統(tǒng)由煤氣降溫的蒸發(fā)冷卻器，除塵主體的靜電除塵器，ID風(fēng)機(jī)以及輔助設(shè)施切換站等系統(tǒng)組成，其中蒸發(fā)冷卻器系統(tǒng)位于汽化冷卻尾部煙道和靜電除塵器之間，起到煙氣降溫的作用，滿足靜電除塵器煙氣溫度需求，其工作狀態(tài)直接決定了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能否順利進(jìn)行。蒸發(fā)冷卻器的控制核心是對出口溫度的控制，如果出口煙氣溫度高，煙氣粉塵進(jìn)入電場后電阻比大，不利于電場的靜電除塵效果。如溫度過低，蒸發(fā)冷卻器內(nèi)煙氣含水量大，容易造成濕底和筒體結(jié)垢的現(xiàn)象，造成粗輸灰系統(tǒng)的鏈?zhǔn)捷敾覚C(jī)故障率增大，增加維護(hù)量，影響轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)，且低溫?zé)煔膺M(jìn)入電場，可能會在電場內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，造成高壓爬電，影響除塵效果，嚴(yán)重時(shí)，腐蝕陰極線，使電場無法正常工作，損傷電場壽命。

1 蒸發(fā)冷卻器噴射氮?dú)饪刂颇Ｊ絻?yōu)化

一次除塵的蒸發(fā)冷卻器系統(tǒng)采用氮?dú)鈦盱F化水實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)爐煙氣的降溫的目的，噴射氮?dú)獾目刂颇Ｊ椒譃榇禑捘Ｊ胶头谴禑捘Ｊ?，其中吹煉階段為吹氧至出鋼階段，非吹煉模式為濺渣護(hù)爐階段。吹煉模式，一旦有吹氧信號出現(xiàn)噴射氮?dú)馇袛嚅y就打開，當(dāng)噴射水閥關(guān)閉，且EC出口溫度下降至240℃時(shí)，氮?dú)馇袛嚅y自動關(guān)閥。隨著工藝改進(jìn)和冶煉節(jié)奏的加快，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)爐吹氧結(jié)束至出鋼階段的時(shí)間大大縮短，同時(shí)廠房密閉，氣溫上升等原因，EC出口溫度在出鋼信號到來前，仍未能下降至設(shè)定溫度，無法滿足氮?dú)鈬娚渥詣雨P(guān)閥條件，導(dǎo)致吹煉階段自動關(guān)閥不能有效的觸發(fā)，將持續(xù)至濺渣護(hù)爐結(jié)束后方可關(guān)閉閥門，造成氮?dú)獾臉O大浪費(fèi)。

針對出現(xiàn)的吹煉結(jié)束后噴射氮?dú)忾y門不關(guān)閉的情況，對噴射氮?dú)獾目刂颇Ｊ竭M(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

1）原有控制模式中吹氧階段信號為吹氧時(shí)置1，出鋼信號到來時(shí)置0，由于可能出現(xiàn)在出鋼信號到來時(shí)，EC出口溫度未下降至設(shè)定關(guān)閥溫度，而吹氧階段信號已經(jīng)為0，因此吹煉階段模式下自動關(guān)閥條件不滿足，不能發(fā)出關(guān)閥命令，噴射氮?dú)馇袛嚅y一直常開，一直延續(xù)到非吹煉模式，最后由非吹煉模式發(fā)出的關(guān)閥命令才關(guān)閉，期間造成大量氮?dú)饫速M(fèi)。因此經(jīng)過仔細(xì)分析，現(xiàn)將吹煉階段模式自動關(guān)閥條件中的吹氧階段信號替換成氧氣閥門關(guān)閉信號。

2）為了保證程序的安全和可靠性將原程序中吹煉模式下的自動開閥和關(guān)閥條件改為脈沖觸發(fā)性。

3）對氮?dú)饬髁坎杉盘柤尤脍厔莓嬅?，可以?shí)時(shí)了解氮?dú)饬髁康氖褂们闆r，對比工況信號可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，預(yù)防事故的發(fā)生。后期使用效果，噴射氮?dú)馇袛嚅y在吹煉結(jié)束后，可以按照預(yù)定的控制模式進(jìn)行開、關(guān)閥動作，有效節(jié)約了氮?dú)?，整個(gè)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行效果良好。

2 蒸發(fā)冷卻器噴射水控制模型優(yōu)化

2.1 噴射水控制模型算法

本系統(tǒng)的控制對象是150 t轉(zhuǎn)爐干法除塵的蒸發(fā)冷卻器出口溫度，出口溫度必須保證在工藝要求范圍內(nèi)，并最大可能的保證溫度的均勻性，減少筒體結(jié)垢等不良現(xiàn)象。溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)大慣性，純滯后，很難確定精確數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)。因此單一的控制算法很難達(dá)到理想的控制目標(biāo)，往往采用多種控制算法，互相補(bǔ)充，才能達(dá)到滿意的使用效果。

蒸發(fā)冷卻器實(shí)質(zhì)上采用的是熱交換的原理，噴射氮?dú)馀c水蒸發(fā)吸收的熱量等于降溫后煙氣釋放的熱量。根據(jù)熱平衡原理可以推算出理論上的噴水量，公式如下：

式中：W為噴水量，kg/h；Qn.dry為干煙氣量，m3/h；△T=T入口-T出口設(shè)定，K；CP為煙氣比熱容，kJ/m3·K。

當(dāng)△T≤200 K時(shí)，CP=1.433；當(dāng)△T≤400 K時(shí)，CP=1.476；當(dāng)△T≤600 K時(shí)，CP=1.512；當(dāng)△T＞600 K時(shí)，CP=1.545；r為水的汽化潛熱=2 500，kJ/Kg。

由于煙氣溫度控制的特殊型和轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝的復(fù)雜工況，導(dǎo)致進(jìn)入蒸發(fā)冷卻器內(nèi)的煙氣溫度，在吹煉時(shí)會迅速爬升，在吹煉結(jié)束以后煙氣迅速下降，溫差跨度很大，因此單純依靠理論上的算法并不能滿足工藝要求，所以本冷卻系統(tǒng)采用了算法和PID控制相耦合的串級PID控制系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)計(jì)了專家經(jīng)驗(yàn)接口，使得理論算法和專家經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫貐f(xié)同控制，對蒸發(fā)冷卻器出口煙氣溫度達(dá)到精確控制（見圖1）。

圖1 串級PID系統(tǒng)示意圖

主PID的輸入信號采用冷卻器煙氣出口溫度，主PID的給定值使用蒸發(fā)冷卻器的煙氣出口溫度的設(shè)定值，其輸出值作為噴射水調(diào)節(jié)閥的給定流量，并作為副PID的設(shè)定流量。副PID的輸入信號采用實(shí)際檢測到的流量，其給定值使用主PID的輸出，其輸出則傳遞給噴射水調(diào)節(jié)閥，從而保證合適的噴水流量在蒸發(fā)冷卻器里起到冷卻作用。

使用串級PID系統(tǒng)模型可以基本實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)冷卻器出口溫度的控制，但是當(dāng)EC出口煙氣溫度和設(shè)定溫度相近時(shí)，噴射水量仍然會出現(xiàn)劇烈變化，造成超調(diào)量增大，對溫度調(diào)控造成不利影響。所以需要設(shè)計(jì)溫度PID死區(qū)值的動態(tài)調(diào)節(jié)模型，根據(jù)蒸發(fā)冷卻器出口煙氣溫度增量和設(shè)定值與實(shí)測值間的差值，來計(jì)算死區(qū)值。實(shí)現(xiàn)當(dāng)溫度在小范圍波動時(shí)，PID輸出保持不變，屏蔽超調(diào)大的情況。

因?yàn)闇囟茸兓俣容^慢，因此每1 s采集一次EC出口溫度，并將該溫度放入一個(gè)堆棧數(shù)據(jù)區(qū)，計(jì)算該數(shù)據(jù)區(qū)前3 s內(nèi)采集溫度平均值和后3 s內(nèi)采集溫度平均值在，這兩個(gè)平均值的差值為出口溫度的變化增量。

2.2 溫度自動控制實(shí)現(xiàn)過程

轉(zhuǎn)爐冶煉過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔馐紫扔善鋮s煙道進(jìn)行初步降溫，隨后進(jìn)入蒸發(fā)冷卻器的煙氣溫度大約在700～900℃之間。然后通過噴射水霧進(jìn)行蒸發(fā)吸熱的方法對煙氣進(jìn)行再一次降溫。經(jīng)過蒸發(fā)冷卻器后的煙氣通過煙氣管道進(jìn)入靜電除塵器。根據(jù)本次改造后的煙道要求，蒸發(fā)冷卻器的出口溫度設(shè)置值初步設(shè)定為250℃。

原控制模式在吹煉初期因?yàn)闊煔饬坎环€(wěn)定，轉(zhuǎn)爐反應(yīng)不穩(wěn)定等原因，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值給定固定配水量，在120 s后投入溫度和根據(jù)熱力學(xué)公式計(jì)算值相結(jié)合的串級PID模型自動計(jì)算噴水量，原控制模式基本可以滿足EC出口設(shè)定溫度在330～350℃的工藝要求，不能滿足當(dāng)前的工藝需求。

現(xiàn)根據(jù)工藝特點(diǎn)，并記錄開爐后的數(shù)十爐吹煉數(shù)據(jù)，修改模型數(shù)據(jù)如下。

1）將原吹煉開始后，EC噴水開閥時(shí)間提前，由原EC出口大于210℃開閥提前至200℃開閥，滿足前期溫度陡升時(shí)對噴水量的需求，提前預(yù)判，避免大的超調(diào)值得出現(xiàn)。

2）將原噴水模型給定固定噴水量的階段進(jìn)一步細(xì)化，由原開閥0～55s給定12t/h，55～120s給定22t/h，120 s后投入串級PID控制模型，修改為開閥后0～30 s給定18 t/h，30～60 s給定22 t/h，60～90 s給定28 t/h，90 s后轉(zhuǎn)爐辦流量吹煉模式結(jié)束，冶煉區(qū)域穩(wěn)定，所有較原提前30 s投入PID控制模型。

3）原吹氧結(jié)束后，當(dāng)EC出口溫度小于300℃自動給定噴水量6 t，目前經(jīng)過試驗(yàn)，吹氧結(jié)束后，溫度超出250℃的情況較多，因此修改為當(dāng)溫度低于250℃時(shí)給定6 t水，很好的避免了吹煉結(jié)束后EC出口溫度的反彈式升高。

4）優(yōu)化濺渣護(hù)爐時(shí)的噴射水模型，原濺渣護(hù)爐時(shí)EC出口溫度大于370℃才開始噴水，當(dāng)前工作模式已不能滿足，因此提前至230℃開閥，這樣保證濺渣護(hù)爐時(shí)溫度不會超出設(shè)定值。

通過以上優(yōu)化，EC出口溫度基本可以保證在設(shè)定溫度范圍內(nèi)（見圖2），且因?yàn)楣艿涝黾恿巳瘫?，靜電除塵器的入口溫度仍可保證在150～170℃，滿足了電除塵器的比電阻的需要。

圖2 蒸發(fā)冷卻器出口溫度控制曲線

3 實(shí)施效果

針對前期吹煉反應(yīng)不穩(wěn)定，EC入口溫度溫升快，波動量的特點(diǎn)，細(xì)化溫度控制環(huán)節(jié)，在前期采用經(jīng)驗(yàn)法控制，使溫度超調(diào)量不得對于20℃，半吹氧量結(jié)束后，EC入口溫度穩(wěn)定，投入串級PID控制模型，同時(shí)創(chuàng)新性的投入PID的死區(qū)控制算法，保證了溫度控制精度進(jìn)一步提高。

4 結(jié)論

系統(tǒng)改造完成之后，噴射氮?dú)饪刂泣c(diǎn)的選擇和噴射水控制中對串級PID的使用方案可行有效。噴射氣體閥門可以實(shí)現(xiàn)正常的開啟和關(guān)閉，減少了因生產(chǎn)節(jié)奏快出鋼時(shí)間短造成的氮?dú)馇袛嚅y不能關(guān)閉的情況，節(jié)約了氮?dú)獾南?，滿足了工藝生產(chǎn)的需求。