王海帆

（河钢唐钢公司 河北 唐山 063000）

0 引言

转炉余热锅炉是生产企业重要的电力设备之一，有了该设备能够提高余热的利用率，从而保证生产的顺利完成，可以说它的作用极为关键。在传统的生产方式中，转炉余热锅炉的给水方式一般分为二冲量、三冲量连续调节控制[1]。然而在这一过程中的弊端性也较为明显。首先，冶炼周期时间较长，耗能较大[2]。其次，由于蒸汽流量的波动性不断增长，汽包水位的波动性也变得极为不稳定，而这种波动性也使调节阀变得易动，压力的波动幅度就此产生[3]。调节的精准度不能得到有效的保障，从而影响了炼钢成品的最终质量。

1 系统热负荷变化特点

余热锅炉在生产过程中会产生蒸气流，这些蒸汽流配合着调节阀门能够到达蒸汽轮机，从而实现内部功能的轮转。当主气阀和调节阀处于全开状态时，如果将调峰去进行部分数值的修改，蒸汽压力也不会因此而改变，这主要源于蒸汽流通中所产生的作用力是不变的，因此它整体的过程始终处于较为平稳的状态。但如果不能及时处理蒸汽轮机叶片上的结构，则会导致蒸汽压力增大，这时无论是机组速度还是阀门的开关都会受到相应的影响。除此之外，余热锅炉的蒸汽所产生的影响力也会作用于轴封系统以及输水系统等各个环节。在余热锅炉发生作用力时，该设备通过与泵阀门等各个部件之间的配合，将热气流容量传递给工字从而实现蒸汽去做功。为了能将这些热量充分地利用，余热锅炉在设计方面也会做出相应的调整，例如在它的管径部分可以适当地进行调整，因为这些鳍片管使得所产生的结垢不能顺畅的脱落，从而影响了热量的扩散，也由此导致了蒸汽压力的下降。除此之外，还要时刻保证余热锅炉的炉壁保持完整的状态，一旦出现破损要及时修补或替换，否则也会导致蒸汽压力下降。最后，当汽水管道出现泄漏，或者由于阀门等部件出现了误动这些错误性的操作，都会形成蒸汽压力下降的因素。

余热锅炉就是利用燃烧所产生的热量以及蒸汽量进行能量的输送，在这个过程中，转炉的时间基本控制在40 min以内，最短也要保证在35 min以上，培养时间要控制在20 min以内，最低不能低于16 min，吹氧工艺处在炼钢中间地段。这时余热锅炉的热负荷将会增长，气量也会随之增加，吹炼时间变得越发延长，所产生的气量也就越大，在吹炼期间它的气量值平均可高达73.4 t/h[4]。冶炼期间净产值平均29 t/h。一旦缺氧过程结束，余热锅炉热负荷便开始下降，下降点到一定数值范围内，热负荷点冶炼便可完成。之后，便进入到下一轮的生产环节中，因此在转炉生产的整个过程中，所有的生产值都在发生着微妙的变化，无论是热负荷还是热强度。这些数值的作用变化会直接影响到汽包水位的反应变化当中来[5]。并且在整个流程中，它借用余热中所产生的能量，将其最大限度地利用，而在这个过程中，不仅环保，更能节能。

汽包水位变化的特点是，汽包水位的变化随着余热锅炉热负荷的变化而变化，它的波动性幅度越剧烈，速度也会变得越快，这也充分说明汽包水位的波动，使得它的稳定性变弱[6]。而这种弱化的现象会随着气包水位的上升速度发生着改变，尤其在吹炼的最初阶段，这种速度变化更为明显，汽包水位的这种剧烈的波动性容易产生虚假波动的现象。在生产过程中随着热负荷量的不断增加，汽包水位也会在这种剧烈的温度差异下不断升高，从而形成大量的水泡，而水位也会增长。

汽包水位的重要性主要体现在它能有效地保证余热锅炉的安全运转，如果不能精准地掌握汽包水位，就会使生产无法正常进行。严重时甚至会发生生产事故，其主要原因在于：随着水气量的不断增加，汽包水位会直接带动水位的上涨，但如果在气量增加的同时，结构却不能及时地进行消除，那么这些结构会直接冲破管壁，从而发生泄水的现象[7]。这种泄漏的状况使得水位会急速下降，在这一过程中热量并不会得到削减，从而水分在过度蒸发后导致干锅问题的出现，汽包内壁也会随之受到破坏。如果在生产的过程中不能及时发现该问题，或是没有采取有效的干预措施进行防御，又或是没有及时调整汽包水位，最终会影响到生产的顺利完成。只有保持汽包水位的平衡，使气量蒸发与水流补充保持在一个维度上，才能使生产始终处于稳定的状态，也能使其在安全顺畅的环境中完成。

为了能使生产安全且高效地完成，就要时时检测细胞水位的变化，以此来保证气量与水位的平衡性，这样汽包值便能始终保持在一个平稳的状态中，通常所采用的技术手段为变量检测冗余技术以及开关型选择控制技术等各种技术手段[8]。

作为最优化的处理方案，采用该技术不仅能满足生产的需求，更能节约生产成本，使生产保持在高效的运行状态中。汽包水位控制工艺流程如图1所示。

图1 控制系统工艺流程

2 系统控制方式

该控制方式依据生产的变化以及转炉生产的实际性需要来进行调整，在实际的经验总结中设定出能够满足生产需求的最优化水位调整设定值。有了这个设定值，生产便能运行在一个平稳的状态中，特别是检测冗余系统的装置，通过采用设定值更能精准地控制运行系统的平稳。此外，还包括用供水泵变频选择控制系统等，正因为有了这些控制系统的存在，才能使水位变化量保持在一个实时的运行状态中[9]。一旦情况异于平常，所设定的报警系统也会及时发出警报。

2.1 一级信号检测数据采集冗余系统

想要有效地保证检测的精准性，就要科学地进行设计，特别是要依据水位变化的特点，实时进行检测。具体的措施为：利用多个检测变量合并录入到一个控制器中的方式，使它们能得到统一的控制，但需要注意的是要合理地编排它们之间的顺序，特别是要将选择器放置到控制器的前面，这样便可顺利地接触到来自变送器的输出信号[10]。这不仅能有效保证仪表的运行平稳，还能使测量的数值采取更为精准。此外，编排顺序的重要性还体现在有效保障仪表的正常运行。通过这种检测的方式，不仅可以将所有的数据源进行统一性检测，检测的细微波动变化也能利用该检测方式体现出来，从而大幅度降低了数据的误差性。其检测控制原理图如图2所示。

图2 数据采集冗余系统检测控制原理

2.2 给水排水阀开关型选择连锁控制系统

在实际的生产过程中，汽包的水位变化并非一成不变，通常情形下，它共分为3个时期：前烧期、吹炼中期、后烧期。不同的时期所反映出的变化也存有很大的差异性。例如：在前期阶段，随着汽包的不断增多，汽包也会不断形成，从而使汽水容积整体呈现出上扬的状态。在中期阶段，汽包的变化同样会不断地增多，这时如果能将吹氧量进行有效地控制，出水的容积量与蒸汽的排放量都会得到平衡性调节。汽包水位也会因此产生变化，这种变化性会直接影响到水位的继续增长。到了后期阶段，吹氧过程已经停止，这时锅炉中的温度会因此而降低，气率也会随之减少，水位不再增长。汽包给水管切断阀、电磁阀及汽包出水安全放水管电动阀开关型选择控制，控制的阶段主要体现在将整体反应段位进行合理且有效的划分，具体到工艺流程中则表现为汽包水位的各个量值，在得到有效量值的同时基本也就完成了控制的目标要求，这样就能保证生产的安全运行。在控制的阶段，要将主控变量汽包水位进行严格监测，避免因连接器的切断而发生选择性失误。一旦发生意外“事故”，则可利用关闭或打开水管切断阀、出水安全放水管电动阀迅速将汽包水位进行调节来防止遭受更大的损失。

2.3 给水泵变频选择控制系统

为了能够有效保障炼钢生产顺利进行同时又能避免浪费现象的发生，特采取水泵变频设计的方式来进行有效的防控。通过利用水泵变频控制模块来对锅炉供水进行控制，这样即使在炼钢的过程中出现间断，也不会造成对水泵的破坏性影响。这种控制方式的运行原理，主要通过控制汽包供水量来实现，这样水流量就能得到有效的控制，从而避免水资源的浪费。具体方式：一种是根据吹氧期停氧期汽包供水流量设定目标值，采取PID调节连续调节供水流量，来达到控水的目的。另一种是自动频率设定调节，通对供水泵频率的掌控来控制汽包水位、吹氧时间，这样同样能够达到对汽包水位的控制。通过人机的操作方式，工作人员可在界面中清晰地进行选择，操作简单且易行。利用网络通信的优势，将所需要的信号进行截取和筛选，然后进行下发，设备在收到指令后便可实施自动化控制操作流程。具体如图3所示。

图3 汽包液位自动控制优化系统简图

3 系统功能实施

3.1 系统分步实施

本系统采用了自动优化的方法，用来实现汽包水位全自动控制，系统具体功能实施主要分为三部分，按以下几步进行：

（1）工控数据冗余检测。选择设定两个水位检测信号，将这两个信号所产生的测量差值进行统计，并输送至变送器，差压4～20 mA信号直接进入PLC，转换为水位高度工程量用于显示计算。①信号检测：在不同的模块中，将所测量的数值输送到模块中，这样便能将测量点中的冗余性能进行控制。②手动选择方式：利用手动的优势，将不同的测量点进行设定和输入。③自动选择方式：首先要得到不同的水位测量值，然后再将这些数值求得平均数，之后便可录入模块中，并在HMI上选择以提高水位检测的软件容错性能。

（2）给水排水阀开关型选择连锁控制系统。汽包的启动水位（H）定在-1 000～-300 mm（汽包中心线为0水位）。①氧气切断阀开到位，自动吹氧气时，给水阀常开；-350 mm＜H＜200 mm，给水阀开，排水阀关；H≤300 mm，给水阀开，排水阀关； H≥+350 mm，给水阀开，排水阀开。②氧气切断阀关到位，停止吹氧时：H ≤-300 mm，排水阀关，给水阀开；-300 mm≤H≤-100 mm，排水阀关，给水阀关；H≥100 mm，排水阀开，给水阀关。

（3）给水泵变频选择控制系统。该系统共需要2台锅炉给水泵，并将水泵中的变频数值进行设定，以实现对汽包水位控制的目的。①给水泵变频控制根据供水流量PID调节。在得到吹氧量的同时，将这些数值进行模块式输入，并将其作为水泵变频数值的设定来调节汽包水位。②给水泵变频控制自动频率设定调节。吹氧气就要根据这个时期的需要来对汽包水位进行调节。包括水位的变化以及水泵的速度，从而保持水位的平衡。一旦发现缺水的现象，要及时进行补水，始终保持在-200 ～100 mm正常范围内。根据水位PID调节，自动设定变频器频率。

3.2 完善的报警连锁功能

根据水位值的不同变化，将其连接于报警系统中，这样一旦水位值出现异样，便可通过报警系统来及时地解决问题。汽包水位H≥600 mm，高水位报警汽包水位H≤-700 mm，低水位一次报警；汽包水位H≤-800 mm，低水位二次报警，氧枪倾动PLC通过通讯接收报警连锁信号，提氧枪。-300～-10 mm为汽包启动水位（汽包中心线为0），为许可下氧枪位。汽包水位≥-350 mm时，氧枪倾动系统通信接收连锁信号，允许下氧枪。

4 结语

通过对转炉余热锅炉汽包水位优化自动控制系统的研究发现，利用网络资源的优势，将生产工艺进行有效的控制，所用的控制手段包括工控网络通信、控制软件接口、工控数据冗余检测等各种技术手段。其目的就是为了有效控制汽包水位的变化，从而保证生产的顺利进行。在这个变化的过程中，所采用的技术手段也要讲究科学性，使数值范围控制在合理的范围内。这样不仅能减少工艺的繁杂程度、节约能耗，更能保证生产的质量和品质。