1、钢铁厂副产煤气加热炉高效燃烧控制系统的改造2003 年第 6 期冶金环境保护钢铁厂副产煤气加热炉高效燃烧控制系统的改造郑家麒刘仲强(济南钢铁集团总公司发展规划部)(济南钢铁集团总公司国际贸易公司)摘要介绍了钢铁厂副产煤气加热炉高效燃烧控制系统所采的控制思想和控制漉程.此系统的实施对节能降耗和保护环境效果明显.1 前言钢铁厂在焦炭,生铁和钢的冶炼过程中.会产生大量的焦炉煤气,高炉煤气和转炉煤气,一般统称为副产煤气.它们除了用作某些化工产品的基础原料外,另一个主要用途是作为燃料(可单独使用或混合使用),用于钢铁厂其他生产工艺的加热过程.目前,国内很多地方钢铁厂的轧钢加热炉在加热钢坯时都使用副产煤气
2、加热.济钢主厂区现有轧钢加热炉 6 座(其中扳坯加热炉 5 座,方坯加热炉 1 座),燃料为焦,高,转炉煤气按一定比例混合成的混合煤气,热值一般控制在 9600kJ/m.这不仅使能源得到很好的综合利用,而且较之燃煤或燃油加热炉大大改善了其周边环境.但在实际生产中,由于多种因素造成煤气在加热炉内不能达到最佳燃烧状态,即所谓的高效燃烧,而产生了大量含有NOx 的废气,这不仅增加了燃料消耗,也不利于保护环境.1999 年 8 月至 2001 年 5 月,由中国国家发展计划委员会和日本政府 NEDO 组织以及济南钢铁集团总公司,共同实施了一项旨在改善济南钢铁厂轧钢加热炉燃烧状况,减少废气排放量,减少温
3、室效应,保护环境的绿色援助项目加热炉高效燃烧控制系统的改造.通过此项目的实施,及其技术在国内其他钢铁企业的普及和推广,以求达到更加有效的利用能源和保护环境的目的.2 项目实施前系统概况该项目实施前,济钢主厂区内的 6 座加热炉都配备了不同程度的自动化操作控制系统.经多年改造,自动化装备水平虽有所提高,但与国外先进技术相比,仍有很大差距.加热炉的加热操作基本上是靠工人操作经验手动控制,很难保证钢坯的加热质量.有的加热炉虽然配备了 Tl 系列 Plc 控制系统,但因为多年来流量孔扳存在故障或损坏,自动调节系统不能投入,难以实现燃烧比例控制及炉压控制.有的加热炉虽设计了参数显示和 Plc 系统控制功
4、能,但因受煤气热值波动的影响,没有科学合理的数学控制模型,现场操作基本仍处于手动控制状态.因为加热炉没有设置烟道氧含量检测仪表,因此无法设定合理的空燃比,致使烟气含氧量高,热损失大,导致加热炉的单耗波动,节能效果不甚理想.3 项目改造完成的主要功能3.1 煤气混合系统根据混合煤气热值,由计算机控制系统自动控制焦炉煤气,高炉煤气,转炉煤气的混合比例.为了使混合煤气目标热值达到稳定状态,根据各煤气混合站设置的热值仪测出煤气实际热值,并以焦炉煤气为基准,计算出焦炉煤气,高炉煤气,转炉煤气所需比率,并由比率设定器调节高炉煤气,转炉煤气流量,最终由各流量调节蝶阀将各种煤气流量的设定值自动调节为目标值.在
5、这一过程中,当转炉煤气向高炉煤气管道混合时,根据转炉煤气的热值(常数) 修正高炉煤气的热值.为能顺利将高炉煤气混入到焦炉煤气管道中,冶金环境保护 2003 年第 6 期混入前进行压力自动控制.同时为保证用户煤气压力的稳定,在混合煤气加压机出口处设置压力调节阀及旁通管,自动调节混合煤气压力,将压力波动值控制在最小范围之内.上述设计原则的主要目的,就是通过焦,高,转煤气的比例控制和压力控制,实现混合煤气的热值和压力稳定,为后续工序轧钢加热炉提供理想状态的燃料.3.2 加热炉控制系统通过设置在各加热炉前的热值仪,可在轧钢加热炉操作室监视混合煤气热值.以混合煤气流量为基准,设定合理的空燃比,调整空气流
6、量.通过混合煤气与空气流量的自动调节功能,B,-J“u,-l“调节各流量调节阀,使其达到目标值.然后通过设置在各加热炉炉尾的氧含量分析仪,用氧含量测定值和目标空燃比实施反馈控制.以保证烟气中氧含量稳定.为保证加热炉内的压力稳定,自动调节烟道闸板,保持加热炉内的燃烧状况始终处于微正压状态.上述调节过程,全部在加热炉 DCS 系统中完成.其目的是在保证混合煤气热值稳定的前提下,通过控制加热炉废气中的残氧量调节空燃比,达到降低所排废气带走的热损失,实现节能降耗和降低污染的目的.由于实施了计算机自动控制,改变了以往的手动操作模式,使燃烧达到最佳状态,提高了炉内钢坯加热质量,实现了加热炉空燃比稳定,流量
7、稳定,烟气中氧含量稳定以及炉内压力稳定的“ 四稳定“ 控制,并做到废气达标排放 .为保证上述功能的实现,系统应具备以下硬件和软件条件.3.2.1 硬件系统(1)工艺检测点位置设置根据系统需要,分别在加热炉的预热段,加热段,均热段设置空煤气流量,压力及炉温检测,并新增烟气含氧量检测,同时对原有系统中不合理的检测点进行调换.(2)信号检测与变换部分仪表设置测温采用热电阻,热电偶.各压力,流量等信号转换部分采用 YOKOKWAEJA 智能变送器,它的零漂小,工作稳定,且可以通过手持编程器方便地对变送器进行参数修正,保证了一次检测数据的可靠,这是高效控制的基础.在加热炉预热段炉尾顶部开孔设置的在线氧气
8、分析仪,采用日本横河 ZA8C 型氧分析仪.(3)集散控制系统采用 YOKOGAwACS1000 小型集散控制系统 ,由 FCS,HIS,键盘,UPS 等组成.FCS 主要由可选双 CPU冗余中央处理器(CP70X),可选双电源冗余单元(PW70X), 可选双冗余通讯单元 ,控制总线单元(AIP521),I/O 模板,扩展机架以及子站接口组成.每座加热炉采用一个 FCS现场控制系统.在 FCS 中,CPU,电源及通讯单元采用双重化冗余技术,保证控制系统的可靠性.HIS 系统采用 3 个 HPPC 机配专用工业键盘构成上位操作站,每个工作站对应 1 个加热炉进行操作,也可以对其他 2个加热炉进行
9、操作,监控.这样上位操作站也构成了互为冗余,从而整个系统的硬件可靠性有了充分的保证.3.2.2 软件系统操作系统为英文板 WINDOWSNT4.0,CS1000 监控软件为模块式组合软件 ,本系统根据需要选用以下软件.(1)系统软件ID 识别软件:PHS1101 一 HI1;CS1000 系统软件:PHSKM02C11;操作监控软件:HISPHS1101 一 S11;开放式接口软件:PHS2411 一 S11;报表软件:PHS6530 一 S11.(2)应用软件组态软件:PHS5110 一 S11;测试功能软件:PHS5150.S11;工艺流程软件:PHS5151S11;控制生成软件:PHS5
10、120.S11;自文本软件:PHS5490 一 S11.CS1000 集散控制系统提供了丰富的软件功能,可进行内部反馈仪表量和开关量的2003 年第 6 期冶金环境保护组态,通过与外部接线端子的连接,灵活的实现系统监控,回路控制,数学运算,报警提示,趋势曲线,报表打印等功能.其编程方式采用图形组态方式,具有丰富的功能模块,如电流功能模块,逻辑控制模块,PID 控制模块以及多种输入输出功能模块等.编程时可根据工艺过程控制特点,方便地设计方案.加热炉工艺控制流程见附图.附图加热炉高效燃烧控制系统流程图4 设计目标值与热平衡实测值本项目实施的目标是在满足各项设计条件的前提下,要求各加热炉的燃料单耗在
11、实施前的基础上降低 5%,同时做到烟道废气的达标排放.通过实施和生产实际应用检测,煤气柜柜位测量误差范围为 0.5m,煤气热值控制误差范围为210kJ/m;中板炉温控燃空气制检测误差范围为10;厚板炉温控制检测误差范围为5;残氧量控制误差范围为1%;一小型炉温控制检测误差范围为10;残氧量控制误差范围为0.5%.同时,为检验项目的实施效果,在各个加热炉改造前,后分别进行了热平衡测试,测试时间及测试结果见附表.附表加热炉热平衡测试表由上表热平衡测试结果可以看出,各加热炉的燃料消耗均有不同程度的降低,降低率最高达 30.9%.全炉热效率较改造前都有不同程度的提高.提高幅度最大的一小型f 下转第 6
12、3 页)2003 年第 6 期冶金环境保护 63注:处理器前由两个管道组成.表 3 长沙矿冶研究院金同 U 石制品厂酸雾治理结果测试项目一处理器出口烟气温度 Ts/烟气流量/m?h烟气动压 Hd/Pa烟气含湿量%林格曼黑度/级HCl 处理效率%HCI 排放量/kg?hHCI 浓度计算值/mg?mqHCI 排放浓度/mg?m定的差距,这还需要进一步完善.6 结论采用集中处理,集中排放的处理方法.在较低碱液浓度(5% 左右)下实现了金刚石生产中酸雾的综合治理.提高了处理效率,尾气排放水平优于国家排放标准,为职工和厂区附近居民恢复了“清洁“ 的大气环境 ,可为酸雾的综合治理所借鉴.电七电七电七七七七
13、七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七【上接第 57 页)加热炉达 17.9%,达到了预期目标.5 经济效益及投资回收期计算5.1 经济效益计算通过比较项目实施前,后加热炉热平衡测试结果,可得以下经济效益.以煤气热值 10.4MJ/Nm3;2002 年中板厂产量 88.9168 万 t,中厚板厂产量 94.3312万 t,一小型产量 56.3285 万 t 计算,则年节约煤气=年产量(t/a)燃料节约量( /t)燃料热值(MJ/Nm3)=(810000171+943312100+563285338.810.45=41846587Nm按照厂内结算价,焦炉煤气 0.52 元/Nm3
14、,则每年由节约煤气带来的效益为:0.5241846587=2176.02 万元.同时.可减少加热炉废气排放量 5704万 m3/a.5.2 投资回收期计算该项目工程决算投资 2938 万元,则投资回收期 1 年 5 个月.6 结论钢铁厂副产煤气加热炉高效燃烧控制系统.是推钢式加热炉行之有效的控制方法.经过生产运行证明,其所采用的控制思想和控制流程在国内冶金行业是先进的,具有明显的创新意识.该系统操作灵活,控制效果好.既提高了加热质量,降低了燃耗,又减少了废气排放量,减少了温室效应,保护了环境.取得了明显的经济和社会效益.2002 年 10 月 15 日,国家计委,钢铁工业协会联合在济钢召开会议,将该项目作为一项节能,环保示范项目在整个冶金行业中进行推广.“050O631/055
