新型双蓄热镁还原炉自动控制系统开发_郭水华

镁钛工业硅

新型双蓄热镁还原炉自动控制系统开发

郭水华,冯俊小,邵鼎

(北京科技大学热能工程系,北京100083)

摘要:在研究了新型双蓄热镁还原炉生产工艺的基础上,利用S7-300设计了镁还原炉工控系统。介绍了镁还原炉控制系统PLC的硬件组成及控制系统主要功能,重点介绍燃烧控制,换向控制的实现过程。控制系统下位机PLC程序利用Step7编写;上位机利用组态软件WINCC编写,人机界面友好美观、操作方便。在新型双蓄热镁还炉上应用PLC控制系统,可以使还原炉满足镁还原加热要求,达到节能目的。关键词:镁还原炉;双交叉限幅控制;换向控制;PLC

中图分类号:TP27 文献标识码:B 文章编号:1002 1752(2008)11 41 5

Controlsystemfornewtypedouble-regenerativeMgreducingfurnace

GUOShui-hua,FENGJun-xiao,SHAODing

(DepartmentofThermalEngineering,UniversityofScience

andTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

Abstract:Acontrolsystemfornewtypedouble-regenerativeMgreducingfurnaceisdevelopedbyusingS7-300basedonstudyondouble-regenera bustioncontrolandreversecontrolarediscussedindetail.PLCcontrolproceduresofthelowercomputerinthesystemiscompiledwithStep7,theuppercomputeriscompiledwithWincc.Thehumancomputerinterfaceisfriendlyandconvenientoperation.ThroughusingPLCcontrolsystem,thenewtypedouble-regenerativeMgreducingfurnacenotonlycanmeetthetemperaturerequest,butalsohasanexcellentsaveinenergy.Keywords:Mgreducingfurnace;doublecrosslimitcontrol;reversecontrol;PLC

2007年中国纯镁产量达到65.93万吨,已成为世界上最大的原镁工业基地。然而现在国内的镁还原产业还存在着能耗高、环境污染严重等问题。皮江法镁冶炼吨镁能耗大约在5吨~8吨标准煤,能耗主要集中在还原炉、回转窑和精炼炉三个主要能源消耗设备上,其能耗分别占镁厂总能耗的70%、20%和10%。而传统镁还原炉中有60%以上的热量被烟气带走,是节能的重点 1 。

近来由于国内外市场上能源价格的不断上涨,以及国内社会环保意识的不断提高,种种客观因素都将限制传统炼镁工艺的发展。因此,设计新型镁还原炉炉型,辅助以蓄热式燃烧技术,同时加强自动化控制成为热法炼镁行业发展的新方向。本文在研究镁还原炉工艺的基础上,利用S7-300开发了针对新型双蓄热镁还原炉燃烧自动控制系统。

1 镁还原炉生产工艺及控制要求

硅热法炼镁工艺是:煅白,还原剂硅铁,矿化剂萤石经过磨细压缩成球后装入还原罐中,在真空及高温条件下进行还原反应。新型双蓄热镁还原炉回收烟气余热来预热空气和煤气,采用蓄热室代替原来的预热器回收烟气余热 2 。新型双蓄热镁还原炉工艺控制要求的几个关键问题:

(1)炉膛温度的控制及还原罐真空压力控制:对于镁还原反应来说反应的深度与传热速度有关,当真空度为10Pa,温度达到1070 才开始进行,并且反应速度较慢 3 。为了提高反应速度还原反应应在较高温度下及较低压力下进行,但是受还原罐材质的影响炉膛温度不能超过1200 、以及真空系统抽力问题,综合考虑炉膛温度应控制在1150 ~1200 ,还原罐真空压力应控制在3Pa~7Pa;

(2)炉膛压力的控制:炉膛压力必须保证为微正

收稿日期:2008-05-29

压,控制在20Pa左右。如果压力过高,炉子缝隙处会出现向外窜火现象,造成能源的浪费。如果压力过低,则会出现吸冷风的现象,导致炉温降低,延长镁还原时间,也会造成能源的浪费。

(3)换向控制:蓄热式燃烧技术的实现关键在于

换向控制。换向控制策略关系到镁还原炉整体运行效果,也关系到能源的消耗以及蓄热体和换向阀的使用寿命。

(4)烟气排放温度应控制在150 左右。

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2 镁还原炉控制流程以及控制系统硬

件组成

根据镁还原炉工艺控制要求,控制系统过程检测及控制流程图如图1所示。根据控制需要,对还原炉的信号采集数量为:模拟量输入(AI)48路;模拟量输出(AO)8路;数字量输入(DI)32路;数字量输出(DO)40路。

现场由一次元件及变送器产生的信号通过屏蔽线接到PLC的信号采集端,由相应模块将模拟量和数字量进行A/D转化后用于程序计算和显示。主机架与扩展机架之间采用IM360与IM361连接。工控机上安装CP5611通讯卡,在PLC与工控机之间采用Profibus-DP通讯方式,来传递所需显示和操作的数据 4 。镁还原炉PLC控制系统包括S7-300系统、工控显示及打印终端。系统硬件结构如图2。

PLC程序采用step7语言编程,主要完成现场数据的采集及处理、控制回路运算、故障连锁处理、上位机与下位机之间的数据传送等。工控机显示画

面为Wincc软件编制,实时显示炉况数据,并可手动设置参数和调节。3.1 燃烧控制

到目前为止,我国大多数镁还原炉仍然采用手工调节控制,由操作人员来调节空气和煤气的比例。这种人工根据仪表显示值结合实际操作经验的调节方式很难进行及时的优化调节。燃烧控制是计算机控制中心内容,是实现优化燃烧,节约燃料的核心技术,以设定炉温为目标函数,对煤气与空气的流量进行调节,将温度维持在设定炉温允许的范围内,使炉温满足生产工艺要求,并且达到节能目的。燃烧控制包括两个方面的内容,一个是炉温的调节和控制,另一个是空燃比的优化。

本文采用双交叉限幅调节 5 ,它是以炉温调节回路为主环,燃料流量和空气流量调节为副环构成串级并联双交叉限幅控制系统。其基本原理是当负荷发生变化的时候空气和煤气的流量变化相互制约,有效防止调节过程中出现欠氧或过氧情况,以煤气为主控制回路的双交叉限幅调节,原理如图3所

示。

3 计算机控制系统主要功能

系统控制功能主要有:还原炉温度实时监测及自动控制、空气和煤气的换向控制、炉膛压力实时监测及自动控制、真空管道压力监测及半自动控制、冷却水温度监测及半自动控制、异常工作报警、生产数据管理。

图3 双交叉限幅燃烧控制

炉温、燃料及空气流量的调节运算采用PID控制算法。增量型PID控制方程为:

u(n)=Kp e(n)-e(n-1) +Kie(n)+Kd e(n)-2e(n-1)+e(n-2)

式中:e(n)=SV-PV称为偏差值;

SV 设定值;

PV 测量值;Kp 比例系数;i ;

44 郭水华,冯俊小,邵鼎:新型双蓄热镁还原炉自动控制系统开发 2008年第11期

Kd 微分时间常数;

u(n) 调节器的输出控制信号。

PLC中PID模块参数可进行在线调整。PID参数常用的整定方法有:经验法、稳定边界法、反应曲线法和衰减曲线法。通过上位机来设置炉膛温

度、空燃比及空气和煤气流量的高选和低选比值等。通过上位机控制PID的自动运行和手动调节,在工作方式的切换过程中避免自动/手动切换过程的扰

动,调节阀保持前种状态。PID对自动运行手动调节值进行跟踪,保持两者值变化同步,实现无扰动切换 6 。控制过程如图4

所示。

图4 炉温控制回路

3.2 换向控制

换向控制是蓄热式燃烧技术的关键,通过成对蓄热式烧嘴之间的交互切换来降低排烟温度,回收余热实现高温预热 7 。镁还原炉的整个加热过程由6对蓄热式烧嘴实现。为了使炉膛内的流场、温度场更加均匀,采用分散交叉换向。实现方法是将炉膛一侧上部与另一侧下部的2个空气换向阀设为一组,2个煤气换向阀设为一组,从而使整个炉膛形成相对交叉燃烧。换向系统换向功能包括:换向系统初始化、手动换向、自动换向、烟气超温强制换向。换向系统控制如图5所示。

(1)换向系统初始化

在开机初始化阶段PLC从上位机得到换向周期、强制换向温度上限等参数。系统自动对各个换向阀和快切阀进行状态检测,只有确认空气/烟气换向阀均处于通空气位置,煤气快切阀均处于断煤气位置时,才允许进行下一步操作。

(2)手动换向

在炉温低于800 的烘炉阶段以及特殊运行工况下换向采用手动控制。手动控制是在控制柜面板上先选择手动换向方式,再顺序操作空气和煤气换向阀,以及煤气快切阀来实现对每个换向阀或快切阀的控制。为避免换向过程中燃气泄漏造成的燃耗

,:气快切阀关闭 煤气/空气换向阀换向 煤气快切阀打开。

(3)自动换向

当炉温高于800 时,启动自动控制程序。自动换向燃烧控制采用定时原则,换向时间可根据实际情况通过上位机设定换向时间的大小。

(4)烟气超温强制换向

当烟气温度超过上位机设定温度时,换向系统强制换向阀进行换向并发出报警。

图5 换向过程控制简图

2008年第11期 轻 金 属 45 3.3 炉压控制、故障处理及其他

炉压控制为单回路PID控制,维持炉膛微正压(炉膛升温阶段,炉压维持在20Pa~50Pa;炉膛保温阶段,炉压维持在20Pa~30Pa),减少氧化烧损,降低燃耗。抽真空管道和冷却水采用半自动调节方式。当炉况异常时产生上升沿报警信号,发出声光报警并在操作面板指示灯显示和上位机监控界面上显示故障类型以便工作人员处理。对换向系统,当空气总管、煤气总管和压缩空气总管压力过低或过高时,产生连锁将煤气快切阀关闭以保证设备安全;

此外,当蓄热体温度超过工作温度时采取强制换向。为保证安全还设有换向阀及快切阀阀位监视炉温超温、蓄热室工作温度超温报警点等。3.4 镁还原炉上位机系统

上位机软件用Wincc6.0进行编写,实现了界面的可视化操作。主要功能包括:主要工艺参数炉温,炉压等的实时监测;下位机参数设定,例如空燃比的设定,温度的设定,双交叉限幅系数的设定等;阀位

反馈以及数据记录和打印。主画面如图6

所示。

图6 Wincc可视化操作主画面

京:北京科技大学,2006.

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4 结语

新型双蓄热镁还原炉控制系统自2007年6月在乌海岳佳金属镁厂应用以来取得了很好的效果,炉温、炉压、排烟温度均控制在合理的范围,另外镁还原周期也所缩短。蓄热式燃烧技术以及自动控制

系统的应用不仅节约了能源,而且提高了镁生产率。随节能环保的要求越来越高,在镁还原炉上应用蓄热式燃烧技术,同时应用PLC控制系统将成为镁还原炉的发展方向,这一技术具有重要的推广意义。

参考文献:

1 郭梁.金属镁还原系统的用能分析与高效还原炉的开发 D .北

(责任编辑 范鸿雁)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1861.html