余热利用智能控制系统的研发与应用概要

1、信息技术与信息化自动控制2009年第3期105余热利用智能控制系统的研发与应用Research and App licati on of I ntelligent Aut omatic Contr ol System in Residual Heat En ergy U sing于海忠3利铭王军张一敏YU Hai -zho ng L I M ing WAN G Jun ZHAN G Yi -m in摘要本文简要介绍了莱钢50吨电炉余热利用系统的工艺组成和控制系统结构，详 细阐述了全流程温度模糊控制系统、阵列式烟气流量检测防堵技术、声纳振波除尘 技术、风机节能变频动态调速等先进技术的设计与实现。

2、关键词模糊控制阵列式烟气流量检测振波除尘变频调速冶金工序生产过程中多会产生大量高温粉尘废气，无序放散一是污染环境，二是造成能源浪费，因此除尘和余热利用成为各冶金企业研究 和治理的重点。莱钢集团特殊钢厂 50吨电炉除尘与余热利用系统于2007年3月正 式投运，利用电炉生产冶炼过程中产生的高温烟气，生产出高品质的饱和蒸汽，用来满 足VD炉生产需求。该系统工艺先进，控制精准,功能化设计实现了工艺过程的全流程控制，先进控制和检测技术的开发与应用保证了生产的稳定运行。下面对余热利 用智能控制系统作详细阐述。1工艺简介电弧炉余热能源利用系统主要工艺原理是利用电炉冶炼生产过程中产生的高温 烟气热能，在通过省

3、煤气室（蒸汽发生器时将软化水气化成饱和蒸汽，同时将热能利用 后的烟气通过除尘器除尘后排入到大气中。在莱钢特殊钢厂50T电炉余热利用系统中，系统产生的饱和蒸汽用来进行 VD炉的生产应用以及电炉生产区域的供热供 暖应用。余热利用生产工艺控制流程如图1所示：图1余热利用生产工艺控制流程图3莱芜钢铁集团有限公司自动化部 山东莱芜 271104 建立人力资源（技 术骨干的动态管理数据库，对关键工艺系统进行矢量化地图分析，实现维护车辆和人 员的GPS定位。建立设备故障诊断专家系统，对信号进行分析处理、比较、判断，依据判定规则得出 诊断结论，同时进行模拟仿真。7.6形成莱钢特色的 固定+流动+远程”自动化维

4、护保障模式8总结莱钢自动化维护保障体系，整合了企业内部所有的过程控制系统数据资源，为生 产管理、维护人员实现生产线自控系统的异地监控与维护提供一个集成化的平台；对自动化控制系统的多种性能指标进行 实时检测和评估并进行分析、计算和预测，建立了具有自学习功能的故障及处理方 法历史数据库，并在不断积累经验的基础上，优化处理故障预案，实现了管控一体化，打 造出了具有莱钢特色的 固定+流动+远程”的自动化维护保障体系，实现了信息资源 的共享和生产过程的统一管理。作者简介栾鲁民（1953，男，高级工程师，主要从事自动化、信息化技术的研 究与应用。（收稿日期:2009-04-17自动控制信息技术与信息化余热

5、利用PLC除尘本体PLC八A 典.p HX尅tj I7106 2009年第3期电炉冶炼过程中，炉内排出的原始烟气温度约为1200r左右,高温烟气首先 通过电炉炉盖第四孔进入水冷滑套，然后经过水冷烟道和高温烟道，进入热管式余热 锅炉后，余热利用系统工作。除盐软化水通过除氧器进一步除去水中的氧气，经过省煤气器预热后，进入余热锅炉系统，在余热锅炉中通过和高温烟气的热能交换，将软化 水加热成中压饱和蒸汽，然后储存在蓄热器内，以供生产和生活使用。经过热能交换 后的烟气温度降到150C左右，然后通过管道进入除尘器本体，烟气经过除尘器净化 后，由风机系统排入大气中。2控制系统结构组成根据系统生产工艺特点和要

6、求，以及出于安全考虑，该项目控制系统由两套SI E ME NS S7-400P LC控制器、三台监控站组成。两套系统分 别在完成余热利用系统智能化控制和除尘系统的智能化控制的同时 ，系统间通过以 太网进行通讯，分别监控对方的运行状况。余热和除尘两套S7-400P LC及三台上位机之间采用以太网方式进行实时通讯 , 实现监控终端的集中显示、操作和故障自诊断。 P LC采用以太网模板CP443-1系 列，利用CP443-1自身的处理器，独立处理工业以太网上的数据堵塞，减轻了 CP U的 通讯负担。控制系统网络结构如图2所示：图2除尘余热利用控制系统网络结构图基础级自动化的功能：现场电控系统和仪控系

7、统设置为三电一体化 (E I C控 制，统一由两套S7-400P LC完成其控制功能。其中所有仪表检测参数均直接引入PLC控制系统，取消了中间的仪表显示 减少了中间环节，降低了故障发生的机率。电 控系统的控制在监控微机上实现了集中控制，减轻了操作工人的劳动强度，实现了全 面E I C 一体化的系统。3余热利用系统智能化控制与检测技术3.1全流程温度模糊控制技术余热利用系统中的温度控制是实现全流程控制的关键，它是一个多变量、相互 耦合的控制系统。它的控制对象是生产流程中各部分的温度，干扰因素有高温烟气 的热值变化、高温烟气的流量变化、空气的压力与温度的变化以及电炉系统生产过 程的中断等随机扰动，

8、调节参数为高温烟气的压力与流量、空气的压力与流量等变 量。按照余热利用系统的生产实际情况，以数学模型数据库为温度模糊控制系统的 规则库，以燃烧沉降室出口温度和除尘器入口温度为关键词，把数据库提供的设定温度作为目标函数，构造温度模糊控制系 统。根据本系统的特点和生产工艺要求，建立的数学模型数据库提供了在不同的电 炉生产状况和不同的高温烟气流量工况下系统各个部分的温度设定值和温度控制 上、下限（±0C,温度变化率|T *温度|=|（T当前温度一T前一周期的温度/ t调节周期|（为5C ,指每一个调节周期，高温烟气和空气的流量等过程控制参数，并且根据生产实际操作规程和 生产经验制定出燃烧沉

9、降室和除尘器入口烟气温度的上、下限。通过对生产过程的高温烟气的压力和流量、空气压力和流量、生产流程各段温 度、汽包、余热锅炉、蓄热器的压力温度等参数进行数据采集和数据处理，计算出燃烧沉降室出口和除尘器入口过程温度和设定值的偏差、温度升温速度等需要的数据。然后对过程设定值和过程变量进行综合分析和比较，推理得出结论，给出调节和控制指 令。具体步骤如下首先对过程与设定值的偏差 T温度=T设定值一T过程值，按照推理要求进行 不同档次的划分，分为0T温度| W©、10C、20C和 T温度| > 204个档次根据|T *温度|大小，同样分为20、50、1003个档次。当温度偏差 T温度|小

10、于50,温度变化率|T *温度小于50时,不进行高温烟气和空气流量的调节；如果温度变化率超过50 ,则需要混风阀 进行烟气流量的调节，烟气调节量为3050m 3/h如果温度变化率超过100 ,烟气调 节量为6080m3/h。其后进入控制模型优化模块，调节空气流量的大小。当温度偏差 T温度大于50而小于100时，温度变化率|T *温度小于20时,不进行高温烟气和空气流量的调节；如果温度变化率超过20 ,则需要混风阀 进行烟气流量的调节，烟气调节量为3050m 3/h;如果温度变化率超过50 ,烟气调节量为60100m 3/h;如果温度变化率超过100 ,烟气调节量为100150m 3/h。其后进

11、入控制模型优化模块，调节空气流量的大小。当温度偏差 T温度|大于10C小于20C时,按照温度偏差的正负分为两个分 支，进行温度升温速度的正负和大小的考察。根据温度偏差和升温速度的大小，进行空气流量的调节，空气调节量为50200m 3/h空气调节量由优化模块计算给出。当温度偏差大于20T时,根据温度偏差的正负和升温速度的大小及趋势，分别进 行高温烟气和空气流量的调节，高温烟气调节量为100300m 3/h空气调节量由优化 模块计算给出。综上所述，温度控制推理算式可以归纳为如下形式： V烟气或空气=f (T温度 T温度,T烟温 T烟温,T混风比依据上述分析思路和推理步骤，编制计算机控制系统软件程序

12、框图如图3所示:3.2阵列式烟气流量检测防堵技术电炉烟气流量测量具有一定的特殊性，主要原因是其测量介质温度高，粉尘含量 高，而一般的流量测量装置其灰尘只进不出，容易堵塞，造成测量不稳定，不准确，而且 维护工作量很大。余热利用系统采用的新型防堵型阵列烟气流量测量装置 ，在高温 烟道测量截面上严格采用标准的网格多点式布置，并且测量装置本身信息技术与信息化自动控制2009年第3期107具备的自动清灰和防堵塞功能，几乎没有压损,装置性能可靠，保证了烟气流量测量的准确和稳定 jA图3全流程温度模糊控制程序框图为了准确的测量高温烟气流量，防堵型阵列烟气流量测量装置的计算数学模型确定为：Q=36003A3V

13、 m3/h其中:A为高温烟道截面面积,m2V为高温烟道中的烟气流速,m/s标定后的烟气流量可以用检测装置的差压得到：Q=36003A3k2P d/ p m3/h其中,K为检测装置的标定系数，经过计算，得到了差压变送 器的量程:0100Pa通过差压变送器的信号转换，得到了准确的 高温烟气流量数值。为了解决检测元件的堵塞问题，利用压缩空气为介质，通过一 套西门子LOG O进行编程控制，实现了对高温烟道内检测元件的 定时脉动吹扫，从而确保了检测元件的正常工作。防堵型阵列烟 气流量测量装置的稳定检测，使余热利用系统得到了准确的高温 烟气流量数值，对整个系统的温度控制和整个系统的稳定运行起 到了重要作用

14、3.3声纳振波除尘技术经沉降室进入省煤气室的高温烟气依然存在大量灰尘，省煤 气室内的热交换管相对较细，高温灰尘很容易附着在外管壁上，长 期形成很厚的结垢，水流通过时受热不均匀，易造成热交换管爆 裂,产生重大事故。经研究分析采用声纳振波技术进行除尘，一则 声波频率较高7090Hz,可连续产生振荡波使管壁的附着物脱落， 二则声波震幅较小不会对省煤气装置造成太大损害，三则频率可 调不至于和基础设备产生共振。声纳振波除尘技术的应用大大缓 解了省煤气室的工作压力，提高了蒸汽产生量。3.4除尘风机变频调速控制电炉的生产工艺决定各阶段所产生的高温烟气流量差异较大，因此为降低电耗，提高风机的工作效率，风机采用

15、西门子变频控制,根据生产节奏，通过S7-400P LC直接输出模拟控制信号作 为风机变频调速的给定值，去控制风机的运转，这种方案没有了 P LC和变频器的通讯，减少了故障发生的机率，操作员在监控画面 上实现了对风机的控制。风机控制方式简介如下： 远程手动方式（M:当选择远程手动操作方式时，操作员可通 过计算机画面直接输入变频调速值，控制风机转速。远程自动方式（A:当选择远程自动操作方式时，风机的转速 区域通过电炉系统的冶炼控制信号来控制，电炉系统的控制信号 控制风机的高速和低速运转区域，在风机的运转过程中，通过对系 统燃烧沉降室出口温度和除尘器入口温度的监测，根据对温度的控制算法，自动调节风机的实时运转频率，实现了变频风机的高效 节能运转。4余热利用系统效果分析该系统自2007年2月正式投运以来，实现了余热能源的再利 用目的，提高了电炉系统的除尘能力，大大减少了对环境的污染， 保护了大气环境。控制系统运行稳定，余热利用效果显著，具备年 产20万吨高品质饱和蒸汽的生产