汪邦輝，楊偉剛

(新余鋼鐵集團(tuán)有限公司，江西 新余 338001)

摘要:根據(jù)新鋼 1 號、2 號焦?fàn)t生產(chǎn)工藝及設(shè)備狀況，計算出完成裝煤、推焦和放焦 3 道工序的每個流程所需要的時間，設(shè)計了一套能夠同時滿足裝煤、推焦和放焦 3 個工序除塵的自動控制系統(tǒng)，滿足了安全生產(chǎn)和環(huán)保要求。

關(guān) 鍵詞:焦?fàn)t除塵系統(tǒng)； PLC 控制；無線通訊技術(shù)

0 前言

新鋼焦化廠共有 4. 3 m 焦?fàn)t 4 座，分別為 1 號、2 號、3 號和 4 號焦?fàn)t。4. 3 m 焦?fàn)t除塵系統(tǒng)一期改造工程是為 1 號、2 號焦?fàn)t而上的除塵項目，而受 1號、2 號老焦?fàn)t焦側(cè)場地的限制，僅能建設(shè) 1 座除塵站來完成除塵工作，為此必須研發(fā)一套能夠同時滿足焦?fàn)t裝煤、推焦和放焦 3 個工序除塵需求的自動控制系統(tǒng)。

1 現(xiàn)狀

分析 1 號、2 號焦?fàn)t煉焦生產(chǎn)工序狀況，將裝煤車、推焦車和放焦車的每一個動作功能及時間進(jìn)行了記錄，具體見表 1。

從表 1 可以看出，裝煤作業(yè)時序最緊湊; 煉焦煙塵的產(chǎn)生為陣發(fā)性，主要發(fā)生在裝煤過程和出紅焦過程; 裝煤過程產(chǎn)生以荒煤氣為主的煙塵，與空氣混合后遇火會爆炸; 出紅焦過程會產(chǎn)生高溫?zé)焿m并伴有火星; 焦炭從焦庫放焦裝車時，會產(chǎn)生焦粉揚(yáng)塵。

2 方案設(shè)計

2． 1 新煉焦工藝時序設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備、工藝狀況，綜合考慮除塵系統(tǒng)裝煤除塵模式和推焦除塵模式切換的投入點和撤銷點、切換閥動作時間、風(fēng)量切換時間及除塵管道余氣抽盡時間等，設(shè)計出了新煉焦工藝時序，具體見圖 1。

2． 2 系統(tǒng)設(shè)備選型及工藝控制流程方案

由圖 1 可見，影響煉焦生產(chǎn)節(jié)奏主要有 3 個因素: 集塵管道閥門切換所需的時間 T1 、風(fēng)機(jī)變頻器升速時間 T2 和 T 5 、避免煙氣混合的預(yù)留時間 T 3 。

T3 = 最遠(yuǎn)端管道長度/風(fēng)速≈80/23≈4 s。

T6 為除塵延時保證除塵效果，T 3 為避免煙氣混合的預(yù)留時間。只有當(dāng) T6 大于 T 3 時才能保證除塵效果。

2． 2． 1 集塵管道切換閥選型

集塵管道閥門的切換所需時間 T1 不能大于30 s( 裝煤工序剩余時間) ，這樣才不會影響裝煤工序的生產(chǎn)節(jié)奏。

選用電動閥時，要求其動作周期大于20 s，此時T1 + T 3 =2 ×20 +4 = 44 s，這個時間雖然大于30 s( 裝煤工序剩余時間) ，但是會使裝煤工序的生產(chǎn)節(jié)奏放緩。

選用氣動閥時，要求其動作周期不超過 6 T3 。

為確保安全生產(chǎn)，必須要先接收到裝煤除塵節(jié)點閥門的關(guān)閉信號后，才允許打開推焦除塵的節(jié)點閥門。

T1 為兩個動作周期，即 T 1 不大于 12 s。則 T 1 + T 3=12 +4 =16 s，這個時間小于30 s( 裝煤工序剩余時間) ，因此裝煤工序能滿足生產(chǎn)要求。

鑒此，集塵管道閥門應(yīng)選擇切換周期短的氣動閥。

2． 2． 2 變頻器選型

2． 2． 2． 1 變頻器升速時間選擇

在裝煤除塵作業(yè)中，T1 =12 s，T 3 =4 s，在裝煤工藝中，風(fēng)量增加到預(yù)設(shè)值的允許時間 T 2 =30 －16=14 s; 考慮到因集塵管道較長會產(chǎn)生一定的風(fēng)阻，引起風(fēng)量滯后，因此扣除風(fēng)量滯后時間2 s后，實際上留給風(fēng)機(jī)變頻器的升速時間是12 s。

在推焦除塵作業(yè)中，推焦車從配合裝煤車平煤開始到完成推焦作業(yè)，再回到下一個平煤定位點，其中最關(guān)鍵的是 T 1 的開始時刻，也就是說推焦除塵何時發(fā)出除塵高速指令。出于安全考慮，為了避免裝煤作業(yè)和推焦作業(yè)產(chǎn)生的煙氣相混合，首先，考慮在裝煤除塵轉(zhuǎn)換至推焦除塵時必須加入一個延時時間T3 ( 避免煙氣混合的預(yù)留時間) ，在這個時間內(nèi)將管道內(nèi)裝煤除塵生產(chǎn)的煙氣抽盡; 其次，為了達(dá)到較好的除塵效果，在推焦時必須保證除塵吸力已經(jīng)達(dá)到預(yù)期值，也就是說當(dāng)變頻器頻率提升至 25 Hz 之后( 所需時間為 T5 ) 方可進(jìn)行推焦作業(yè)。根據(jù)推焦時序可得出以下計算結(jié)果: 540 －20 －70 －20 －60 －90－270 =10 s。因此對于推焦除塵來說，從推焦準(zhǔn)備就緒到可以推焦的時間不應(yīng)大于10 s。

在放焦除塵作業(yè)中，地面除塵自動控制系統(tǒng)對放焦車發(fā)出的除塵高速指令可以在推焦車準(zhǔn)備就緒之前，但是控制系統(tǒng)必須執(zhí)行完預(yù)留避免煙氣混合的時間 T3 后，方可進(jìn)行裝煤與推焦除塵工藝的切換。推焦車從平煤工藝轉(zhuǎn)換至推焦工藝的時間是從裝煤結(jié)束那一刻開始計算的。推焦準(zhǔn)備就緒時間為20 +60 = 80 s，加上允許等待時間10 s，則從推焦準(zhǔn)備到可以推焦的時間最多只有90 s，結(jié)合裝煤工藝時序可得: 90 －40 － T3 =50 －4 =46 s，此時 T 1 + T 5必須小于46 s，才不會使推焦的生產(chǎn)節(jié)奏放緩。由于 T5 = 46 － 12 = 34 s，減去風(fēng)阻引起的滯后時間2 s，因此風(fēng)機(jī)的變頻器升速時間應(yīng)小于32 s才可行。

為保證除塵管道的吸力，風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行頻率最低不得小于15 Hz，裝煤除塵模式時風(fēng)機(jī)電機(jī)的運(yùn)行頻率為25 Hz，推焦除塵模式時風(fēng)機(jī)電機(jī)的運(yùn)行頻率為 40 Hz，放焦除塵時，風(fēng)機(jī)電機(jī)的運(yùn)行頻率僅需在原運(yùn)行頻率的基礎(chǔ)上增加 5 Hz。

根據(jù) T2 可計算裝煤除塵模式變頻器需滿足的最大升速時間 t 1 。

T2 / t 1 = ( 25 －15) /50

將 T2 =12 代入，得:

12/ t1 =10/50

t1 =60 s

根據(jù) T5 可計算推焦除塵模式下變頻器需滿足的最大升速時間 t2 。

T5 / t 2 = ( 40 －15) /50

將 T5 =32 代入，得:

32/ t2 =25/50

t2 =64 s

計算結(jié)果顯示，風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻器升速時間設(shè)置應(yīng)小于 t1 = 60 s，才能同時滿足兩種運(yùn)行模式。變頻器的升速曲線見圖 2。

2． 2． 2． 2 變頻器減速時間選擇

變頻器減速時間在新鋼 1 號、2 號焦?fàn)t新煉焦工藝時序僅影響變頻器在除塵運(yùn)行期間的占空比，而不會影響生產(chǎn)節(jié)奏。變頻器減速時間長，則除塵運(yùn)行占空比大; 減速時間短，則除塵運(yùn)行占空比小。除塵運(yùn)行占空比小系統(tǒng)更節(jié)能。

2． 2． 2． 3 變頻器選擇

變頻器加速時間的選擇與電動機(jī)的轉(zhuǎn)子及拖動負(fù)載的慣性緊密相關(guān)。交流異步電動機(jī)在 50 Hz 交流電網(wǎng)進(jìn)行直接啟動時，其啟動電流是額定工作電流的 4 ～7 倍。如果變頻器的頻率上升速度很快，在很短的時間內(nèi)達(dá)到設(shè)定頻率，那么電動機(jī)及拖動系統(tǒng)就會由于慣性原因使轉(zhuǎn)速跟不上頻率的變化，導(dǎo)致啟動電流迅速增加，當(dāng)啟動電流超過額定電流時變頻器過載。目前國產(chǎn)高壓變頻器在90 s 內(nèi)頻繁切換很難做到不過流，而富士、羅賓康等進(jìn)口變頻器均可以做到在 50 s 內(nèi)頻繁切換而不過流。為保證除塵系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、節(jié)能運(yùn)行，最終選擇進(jìn)口品牌變頻器。

2． 2． 3 集塵管道切換閥門的分布及控制時序設(shè)計

2． 2． 3． 1 集塵管道切換閥門的分布

集塵管包括推焦除塵集塵管、裝煤除塵集塵管和放焦除塵集塵管三部分，其中推焦除塵集塵管道上安裝了閥 4、閥 5、閥 6 三個氣動閥，閥 6 是節(jié)點閥; 裝煤除塵集塵管道上安裝了閥 1、閥 2、閥 3 三個氣動閥，閥 3 為節(jié)點閥，裝煤除塵至除塵器間的管道長度應(yīng)小于 80 m; 放焦除塵集塵管道上僅安裝了閥7，為氣動閥。在進(jìn)冷卻器前的集塵總管上安裝了閥8( 用于兌冷風(fēng)) 。集塵管道的閥門布置圖見圖 3。

2． 2． 3． 2 推焦除塵集塵管道切換閥控制時序設(shè)計

控制時序圖見圖 4。推焦除塵指令由放焦車按圖 1 中推焦除塵指令切入點發(fā)出。閥 3 與閥 6 實現(xiàn)互鎖。

2． 2． 3． 3 裝煤除塵集塵管道切換閥控制時序設(shè)計

控制時序圖見圖 5。裝煤除塵指令由裝煤車按圖 1 時序圖的裝煤除塵指令切入點發(fā)出。閥 6 與閥3 實現(xiàn)互鎖。

2． 2． 4 除塵系統(tǒng)箱體反吹控制及卸灰系統(tǒng)控制

2． 2． 4． 1 除塵系統(tǒng)箱體反吹控制

箱體反吹采用嵌套式循環(huán)，單循環(huán)在 1 ～ 10 號箱體間進(jìn)行，單循環(huán)嵌套在時間循環(huán)中，可以無休止地執(zhí)行，直到系統(tǒng)收到停止反吹指令才會終止反吹系統(tǒng)的循環(huán)。

2． 2． 4． 2 卸灰系統(tǒng)控制

遵循皮帶系統(tǒng)逆啟順停原則，避免皮帶系統(tǒng)堆料造成堵塞。

3 自動控制系統(tǒng)開發(fā)

3． 1 控制系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計

控制系統(tǒng)選用 SIMATIC S7 －300 通用控制器系列 PLC 及 I/O 模塊，實現(xiàn)除塵系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、邏輯運(yùn)算及設(shè)備控制指令輸出。下位軟件選用 Step7 5． 5，上位軟件選用 Wincc 7． 0。在 4． 3 m 焦?fàn)t除塵操作室設(shè)置 2 臺 HMI，完成數(shù)據(jù)監(jiān)測、設(shè)備操作、重要數(shù)據(jù)記錄及查詢功能。PLC 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)見圖 6。

3． 2 開發(fā)替代第五根摩電道的無線通訊裝置

放焦車的第四根摩電道被推焦車電氣聯(lián)鎖占用，放焦車除塵指令的發(fā)送需要第五根摩電道將信號送至地面 PLC 系統(tǒng)。由于車輛的高度不夠，不能在第四根摩電道下安裝第五根摩電道，而需要在放焦車的另外一側(cè)架設(shè)，因此施工難度大、周期長、費用高。

為此，開發(fā)了一套無線通訊系統(tǒng)用于替代第五根摩電道的功能。該系統(tǒng)選用一體機(jī) + Intuicom 系列無線電臺實現(xiàn)放焦車與地面 PLC 無線通訊，完成推焦除塵指令發(fā)送。添加無線通訊裝置后的 PLC控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖見圖 7。

3． 3 開發(fā)矩形箱集塵蓋遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)

矩形箱集塵蓋是通過裝煤車或放焦車車載集塵管伸縮來頂開或關(guān)閉集塵蓋的，但是推焦除塵有 5個矩形箱集塵蓋被篩焦樓墻體擋住，導(dǎo)致放焦車車載集塵管無法動作。為此，開發(fā)了矩形箱集塵蓋遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，將 5 個矩形箱集塵蓋的開關(guān)動作改為電動控制，控制信號進(jìn)地面主 PLC 控制系統(tǒng)，在放焦車一體機(jī)上設(shè)計操作界面，這樣通過無線通訊系統(tǒng)就可以實現(xiàn)放焦車遠(yuǎn)程操作 5 個矩形箱集塵蓋的動作控制。操作界面圖見圖 8。

4 結(jié)束語

1) 結(jié)合新鋼 1 號、2 號 4． 3 m 焦?fàn)t煉焦生產(chǎn)實際情況，研發(fā)出了新煉焦工藝時序，實現(xiàn)了裝煤、推焦、放焦除塵工藝與焦?fàn)t煉焦工藝的安全、有效融合，達(dá)到了除塵效果好、焦?fàn)t不減產(chǎn)的目的。

2) 自主研發(fā)的無線通訊裝置，替代了第五根摩電道的功能，解決了安裝第五根摩電道施工難度大、周期長、施工費用高的難題。

3) 自主開發(fā)的矩形箱集塵蓋遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，解決了因篩焦樓墻體阻擋而無法通過機(jī)械推桿打開集塵蓋的問題。