国产DCS系统在某钢铁厂鱼雷罐烘烤装置上的应用

国产DCS系统在钢厂鱼雷罐车烘烤装置上的应用国产DCS系统在钢厂鱼雷罐车烘烤装置上的应用安刚1蒋杨平2（1.浙江中控技术股份有限公司杭州3100122.杭州华顺炉业有限公司杭州310017）摘要以某钢厂的鱼雷罐烘烤装置的控制系统为工程项目为背景，采用浙江中控技术股份有限公司自主研发的GCS-G5系统，实现对鱼雷罐车大修以及中修烘烤的自动化控制。首先介绍了鱼雷罐烘烤装置的工程概况和工艺介绍，DCS系统的配置和功能，以及主要控制回路的与实现控制。重点介绍烘烤装置温度控制优化设计，采用改进型双交叉限幅的控制策略和空燃比偏差补偿策略，增加系统安全性和可靠性，并且提升整个烘烤装置的节能性。关键词鱼雷罐温度控制优化改进型双交叉限幅空燃比偏差补偿TheApplicationOfDomesticDCSSystemtoTorpedoTankBakingDeviceAnGang1,JiangYangping2(1.ZhejiangSUPCONTechnologyCo.,LTD,Hangzhou,310053,China2.HangzhouHuaShunFurnaceCo.,LTD,Hangzhou,310008,China)AbstractBasedontheprojectofasteel’storpedotankbakingdevice’scontrolsystem,Realizetheautomaticcontroloftorpedotanker'soverhaulandmid-repairbakedbyusingtheGCS-G5systemresearchedanddevelopedbyZhejiangSUPCONTechnologyCo.,LTDondependence.Firstintroducetheprojectoftorpedotankbakingdevice,thecraft,DCS'sconfigurationandfunction,designandimplementationofprimarycontrolloop.Focusesontheoptimizeddesignofbakingdevice'stemperaturecontrol.AdoptthecontrolstrategyofImprovedDoubleCrossLimitandAir-fuelRatioOffsetCompensation.Increasesystem'ssecurityandreliability.Enhancetheenergyefficiencyofthebakingdeviceatthesametime.KeywordsTorpedoTank,TemperatureControlOptimization,ImprovedDoubleCrossLimit,Air-fuelRatioOffsetCompensation1前言目前在当年世界的各大钢铁厂中，鱼雷罐式混铁炉是作为最常用和重要的高炉和转炉之间的炼钢辅助设备之一，用来预处理铁水，均匀铁水成分和温度，保证及时向炼钢炉供应铁水。如图1所示。图1鱼雷罐混铁车修砌鱼雷罐车所用耐火主要为粘土砖、镁砖及绝热材料等。鱼雷罐车为保证良好的保温效果，必须保证衬里的耐火砖材料按照烘烤工艺温度模型进行修补【2】。混铁炉的工作寿命与衬里耐火砖的使用寿命关系很大，对每次的中修和大修的烘烤温度控制效果有着极为密切的关系。目前国内大都采用DCS系统对鱼雷罐车装置的大修和中修进行温度进行优化控制和连锁设计，合理设计自控系统能够有效的提高鱼雷罐车装置的可靠性，温控精度性和自动化水平。2工程概况和工艺介绍该钢厂一期投入使用2台容量为1300吨的鱼雷罐炉车来满足铁水预处理的效率，进而满足转炉生产的需要。该鱼雷罐车的焦炉煤气输送管路分为2个支路，其中小分支管路为DN50，用于0到350度低温段的煤气小流量控制，而另一个分支管路为DN80，用于350到1000高温的煤气大流量控制。空气管路和煤气管路共同混合后进入混铁炉炉内。经过烧嘴的旋流片后的火焰喷向鱼雷罐的两侧，以加热衬里的耐火砖。该罐车在反复承装铁水后，炉内耐火材料被铁水和炉渣不断侵蚀，根据衬里耐火砖的热损坏程度进行中修和大修，严格按照工艺修补曲线模型，对衬里材料进行修补【6】。升温曲线以大修为例，如图2所示。图2大修升温曲线图其中的温度优化控制能否保证高精度和安全并能否节省煤气，成为鱼雷罐车烘烤装置自动化控制的重中之重。3DCS网络配置鱼雷罐车的DCS控制系统采用浙江中控技术股份有限公司WebFieldGCS-G5控制系统，该系统具有全系统冗余结构，高可靠性的系统设计，高性能热备解决方案，完善的在线下载、诊断机制以及设备管理功能。除具有强大的模拟量回路控制能力还具有大容量的高速逻辑控制能力，并且具有强大的第三方通讯能力，可连接符合EPA、PROFIBUS、MODBUS和HART等国际的各种智能设备和仪表【3】。该系统采用1个工程师站，1个操作站，2个HMI操作站，2个控制站和1套过程控制网组成,2个HMI操作站也可以分别独立操作A和B两个台位鱼雷罐车。其中GCS-G5控制系统采用冗余系统，HMI操作站采用西门子触摸屏TP270与G5系统进行通讯，来保证整个系统的操作的可靠性。工程师站采用SUPVIEW4.0软件组态，通过OPC与该钢厂内L2上层生产管理系统进行数据通讯互联，实现对该罐车的生产任务下达和指标预定。该系统网络配置如图3所示。图3网络配置图4控制方案4.1常规控制G5控制系统完成的主要常规控制有：炉温回路控制、炉温升降模型输出、助燃风回路流量测量及控制、天然气回路流量测量及控制、天然气燃烧安全保护回路控制、天然气流量显示和流量累积；风机远程启动停止、燃烧火焰检测（着火显示、熄火报警）、风机压力欠压报警、氮气压力欠压报警、炉温温差报警、炉况状态显示和报警等功能。4.2连锁方案由于鱼雷罐车只有一处敞口，密闭性较好，虽然对温度控制比较有利，但是对于安全控制提出了相当高的要求。一旦出现安全连锁和报警动作，GCS-G5控制系统必须在第一时间内切断煤气阀门，以保证罐车和人身安全，GCS-G5系统以其20ms的扫描周期确保了安全联锁的需要。无论是在开炉点火还是熄火后重新进行点火，都必须要遵循相应顺序的安全操作步骤进行操作，尤其炉内温度处于300度到400度时熄火，否则很容易引起罐车爆炸。下面介绍一下必须引起煤气开关阀切断的连锁条件：1)火焰反馈延时设定时间后无2)风机反馈无3)温度偏差大于设定值4)温度变化率大于设定值5)仪表空气气源压力低6)空气管路压力低7)焦炉煤气管路压力低当然以上条件可根据实际烘炉情况设立投切开关进行选择。4.3温度控制优化方案该罐车的炉温控制无疑是本套DCS控制的重点和难点，如何在保证安全的情况下实现温度的精度控制并且实现节能燃烧也是本文章重点进行介绍的关键环节。为了保证燃气与空气有一定的配比关系，最常用的方案之一是常规比值串级调节系统，该方法在国内众多小型工业窑炉的温度控制当中仍然在使用【1】。但是这样对于厂内煤气压力不稳定，热值变化大的窑炉不能取得比较好的控制效果。如图4所示。图4常规比例串级调节系统对于该钢厂内的鱼雷罐混铁炉的温度控制来讲，有以下不利于温度控制因素需要在制定自动控制策略时着重考虑：1)煤气压力变化较大，而且焦炉煤气的热值也会发生较大变化。2）炉内的烧嘴在时间较长后，也发生变形，温度控制会很难。3）设定温度跨度大，分段多，需历经5次升温和5次保温阶段，恒定的PID数值很难取得良好的温度控制效果。4）控制精度要求高，升温需要控制在±4℃，保温控制在±2℃。5）空燃比在温度控制过程中一直需要变化，才能保证火焰硬度。既要防止空气过量火焰被吹灭，还要防止煤气不充分燃烧，冒出黑烟。6）火焰硬度需要通过观察孔进行观测和记录。为实现良好的温控目标，消除以上不利因素，该项目采取变化PID规则库、基于空燃比偏差为副回路前馈补偿、温度偏差和温度变化率为主回路前馈补偿、空燃比曲线规则库这4种控制策略对常规的双交叉限幅控制策略进行改进，取得了非常的控温效果和节能效果。常规的双交叉限幅策略常规的双交叉限幅燃烧控制采用煤气流量和空气流量的实测值来分别对副回路控制器的空气流量和煤气流量的设定值进行限幅，通过相互制约来防止负荷变化很快时出现燃料或空气的过度过剩【6】。如图5所示。图5常规双交叉限幅原理图K1-负荷增大时的冒黑烟极限设定值；K2-负荷减小时的冒黑烟极限设定值；K3-负荷减小时空气过剩极限设定值；K4-负荷增大时空气过剩极限设定值。系统中设置的四个变量+K1、-K2、-K3、+K4和的作用如下：1）在动态变化过程中，当升负荷时，实现“先增加空气后增加煤气”可以通过选择K4>K1，当降负荷时，实现“先减少煤气后减少空气”；选择K3>K2。这样不仅可以使煤气流量可空气流量的变化速度相协调，而且可以解决因煤气流量调节阀的动作快，往往空气流量调节阀来不及动作引起冒黑烟的问题。2）系统中四个变量的取值与负荷响应性能和节能效果有很大关系。从节能的观点看，K1和K3的值越小越好，但是太小会直接影响系统负荷响应的性能。为了防止空气和煤气流量的随机变化由此引起的高、低选择器不必要的频繁切换给系统带来的波动，因此DCS控制系统必须对K1，K2，K3，K4变量设置死区区间。考虑到空气流量需要有一定的过剩率，通常K1和K2取值2～5%，K3和K4取值4～10%【7】。4.3.1PID规则库策略大修和中修的温度控制设定曲线都为5段，均是从室温缓慢升至1000℃左右。仅凭借一组恒定的PID数值是无法完成的。需要根据每个升温段和每个保温段的温度范围队外环温度回路，内环煤气回路以及内环空气回路的比例P、积分I、微分D的3个数值进行分别设定，这样得到P、I、D三组数据的最佳组合，可以保证控温的精度。对于外界的干扰和压力波动等情况，此方案增强了系统控制的鲁棒性。PID参数设定如图6所示。B台位参数温度PID设置煤气PID设置空气PID设置温度范围℃比例(P)积分I(分)微分D(秒)比例(P)积分I(分)比例(P)积分I(分)0--250404.0100600.71301.2250--352323.0601200.81501.5352--502302.0402001.81651.7502--800201.0302201.81801.8800--1050150.8201601.63001.8图6PID参数随温度变化设定图4.3.2空燃比偏差补偿策略在温度控制的动态过程中，空燃比会出现短暂的波动。在炉温――燃烧串级控制系统中，来自空气和煤气流量的波动和干扰应该尽量抑制在副回路内，使其不对温度外环主回路产生影响。因此，本项目采用了基于空燃比偏差反馈的补偿策略。其主要思想是：通过检测当前空气和煤气的实际流量获得实时的空燃比r，与空燃比设定值rs进行比较得到空燃比偏差Δr，以该值作为空气和煤气内环回路的前馈作为指导，调整空气流量和煤气流量调节阀的输出值。在补偿时按照以下的原则：如果空燃比偏差Δr>0，那么空气流量ΔfA<0，煤气流量ΔfF>0；如果空燃比偏差Δr<0，那么空气流量ΔfA>0，煤气流量ΔfF<0。经过对空气回路和煤气内环回路的补偿，空燃比r的波动被抑制在了较小的范围内，并且可以很快恢复到设定值rs，而且对于煤气压力波动造成的流量变化，也可以很快的得到纠正，大大提高了系统的控制及时性。4.3.3温度前馈改进型策略为保证温度控制的安全和精度，以PV值和SV设定值的温度偏差Δt,炉温PV的变化率Δpv作为温度外环主回路的前馈，取得了良好的控制效果。温度偏差Δt=PV-SV温度偏差变化率Δpv=PVt1-PVt2当温度偏差Δt和温度偏差变化率Δpv其中的一项超过报警设定数值时，都会产生报警提醒或者安全连锁停炉动作。前馈型双交叉限幅策略既能保证煤气、空气的充分燃烧，提高燃烧效率，又保留了常规双交叉限幅带来的有效消除温度偏差、系统稳定的优点，又极大地提高了控制系统的响应速度。4.3.4空燃比曲线规则库策略目前所有的燃烧控制方式都是建立在固定的空燃比基础之上，该值的大小关系到燃烧控制系统的性能、出钢质量以及能源消耗，可见一个较准确的空燃比设定值对提高燃烧控制系统的性能是非常关键的。该鱼雷罐车的燃气采用厂内的焦炉煤气，理论上空气与焦炉煤气的比例大约是4:1，但是在实际燃烧系统中，在4:1基础上保持一定的空气过剩率是最佳的燃烧方案【2】。空气过剩率的计算公式：μ=F实际空气量/F理论空气量(空气过剩率μ取值范围：1.1≤μ≤1.2)空燃比设定值的计算公式：rs=F空气理论流量/F煤气实际流量通过对该罐车的火焰硬度孔进行观察以及对炉内的黑烟情况进行检测，详细记录火焰燃烧脱火和回火情况以及火焰张角等数据变化情况，建立煤气流量和空燃比设定值特性曲线。一般火焰的长度范围在40CM到120CM，张角范围在10到40度，在此范围，火焰硬度良好，无冒黑烟和脱火以及回火现象【4】。该装置空燃比随煤气流量变化的曲线如图7所示。图7F煤气实际流量和空燃比设定值rs特性曲线图5应用情况在本系统投运以来，运行稳定，温控效果达到了预期的目标，控制功能完全符合工艺的要求，并达到良好的节能效果。主要表现在以下几个方面：1）设计全面、安全。G5控制系统设计全面、可靠，操作简便，具有详尽的事故判断及快速反映能力，对各种意外情况能进行正确、有效的预警和处理，提高了劳动生产率，确保烘炉的安全性能；2）控温效果良好。由于利用多种控温策略对双交叉限幅进行改进，控制精度超出工艺需求。升温控制在±2℃，保温控制在±0.5℃，有效的延长了罐车衬里保温材料的使用寿命。3）节能效果显著。该鱼雷罐车的控制由于采用空燃比曲线控制策略，避免了煤气压力波动引起冒黑烟和回火现象发生，燃烧效率高，综合热损失最小，从而达到节能效果，并节省了风机的动力费用。6结束语以某钢厂的鱼雷罐车新建项目为例，应用GCS-G5控制系统实现整个台车系统的温度自动化控制。笔者在项目实践中采用了4种温控策略对常规的双交叉限幅温度控制方案进行了改进和完善，提高了温度控制精度，并且达到了良好的节能效果，对其他工业窑炉的温度控制提供了工程参考案例。参考文献：[1]《过程控制工程》梁昭峰李兵裴旭东(​http:​/​​/​www.timesinfor.com​/​zzcx.asp?searchkey=刘玉梅主编"\o"搜索刘玉梅主编相关作品"\t"_blank​)北京理工大学出版社(​http:​/​​/​www.timesinfor.com​/​cbcx.asp?searchkey=化学工业出版社"\o"搜索化学工业出版社相关作品"\t"_blank​)[2]《工业窑炉节能技术》王学涛(​http:​/​​/​www.timesinfor.com​/​zzcx.asp?searchkey=刘玉梅主编"\o"搜索刘玉梅主编相关作品"\t"_blank​)化学工业出版社(​http:​/​​/​www.timesinfor.com​/​cbcx.asp?searchkey=化学工业出版社"\o"搜索化学工业出版社相关作品"\t"_blank​)[3]《WebFieldGCS控制系统说明书》浙江中控技术股份有限公司2012[4]《冶金工业炉燃烧器技术条件》靳世平陈林，褚建新中国标准出版社1995[5]《步进辐射式加热炉的全自动燃烧控制系统》山武Savemation1991[6]《热轧带钢步进式加热炉计算机优化控制》陈海耿杨泽宽《钢铁》1999[7]《Fuzzy-PID控制在鱼雷罐烘烤温度控制中的应用研究(​http:​/​​/​www.cnki.com.cn​/​Article​/​CJFDTOTAL-YJZH200701008.htm%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20"\t"_blank​)》库文建杜鹏宇邓君堂《冶金自动化》2007作者简介：安刚（1977-），男，辽宁铁岭人，2000年毕业于山东科技大学，学士学位，自动控制工程师，负责冶金行业的DCS控制系统的设计、应用和复杂控制算法的架构及实现工作。通讯地址：浙江省杭州市滨江区长河街道滨康路352号A座5楼邮政编码：310052，电子邮箱angang@supcon.com(​mailto:sunyh@supcon.com​)。蒋杨平（1983-），男，浙江建德人，毕业于浙江大学远程教育建筑管理专业，负责工业炉仪表集成及DCS设计工作。通讯地址：杭州市上城区复兴南苑41幢1703，邮政编码：310017，电子邮箱66678578@qq.com(​mailto:66678578@qq.com​)。第1页共10页