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1、高炉喷煤控制系统的研究摘 要随着自动化水平的提高，我国的钢铁企业为了节约生产成本，探索了多种节能降耗的手段，而高炉喷煤是钢铁企业降焦比增效益的有效途径。我国对高炉喷煤技术的开发和应用尽管较早，但从近几年的发展情况来看，己不再处于领先地位，国外不少高炉的喷煤量越来越高，而且多数高炉是喷吹烟煤。本文的控制对象为喷吹量，为了保证喷吹量的稳定，需保持喷吹速度稳定，论文分析了高炉喷煤过程中的喷煤量、喷煤速度控制曲线，并用积分分段PID控制算法对系统速度进行调节。用MATLAB软件对整个系统模型进行了仿真分析,单回路控制系统与串级回路控制系统相比较，仿真效果表明本文设计的串级回路控制系统具有良好的动态和稳
2、态性能。关键词:节能降耗;高炉喷煤;串级控制Pulverized Coal Injection Control SystemAbstractWith the improvement of the automation level, Chinas steel enterprises in order to save the cost of production, explore the Duo Zhong saving energy and reducing consumption, and the means of pulverized coal is a steel enterprise d
3、rop of coke to increase performance in an effective way. Our country to pulverized coal technology development and application despite earlier, but in recent years the development of the situation, has no longer is in the lead, foreign many of the blast furnace pulverized coal injection rate more an
4、d more high, and most of the blast furnace is bituminous coal injection. This paper of control objects for injection quantity, in order to ensure the stability of the injection quantity, need to keep injection speed stability, this paper analyses the process of pulverized coal in the pulverized coal
5、 injection rate and coal injection speed control curve, and subsection integral PID control algorithm, the velocity of the system adjustment.MATLAB software with the system model simulation analysis, single-loop control system and cascade loop control system compared to the simulation results show t
6、hat the design of the cascade loop control system has good dynamic and static performance.Keywords:Saving energy and reducing consumption;Pulverized coal; Cascade control目录1 绪论11.1 课题研究背景11.2 课题研究的意义21.3 高炉喷煤技术的现状及发展趋势51.4 本文主要工作82 高炉喷煤工艺与控制102.1 喷煤工艺介绍102.1.1 喷煤系统的组成102.1.2 喷煤工艺流程的分类及特点122.2 本论文高炉喷
7、煤系统介绍132.3 系统主要功能142.3.1 喷吹控制152.3.2 煤粉的喷吹速度的调节162.3.3 煤粉计量172.3.4 中间罐与喷吹罐压力控制192.3.5 喷煤罐的称量的实现213 PID控制在高炉喷煤控制系统中的应用及仿真223.1 PID控制基本原理223.1.1 PID控制规律223.1.2 PI控制规律233.1.3 PID控制算法243.1.4 积分分离与积分分段PID算法263.2 PID串级回路控制系统273.3 Matlab仿真及PID参数整定283.3.1 串级回路控制系统283.3.2 串级回路与单回路的比较34结 论36致 谢37参考文献381 绪论1.1
8、 课题研究背景目前，高炉喷煤存在手动调节喷煤和自动喷煤两种方式。手动调节喷煤，喷煤量不均匀，造成高炉热制度经常性波动，不利于高炉炉况的稳定及煤比的进一步提高，采用自动喷煤技术可实现入炉煤粉量精滩，喷吹均匀，达到稳定炉况的目的，进而为提高煤比创造条件。因此，国内企业结合自身特点，近几年正在逐步实施自动喷煤技术。高炉喷煤系统布置形式大体分为并联罐和串联罐两种系列，并联罐布置形式比较容易实现自动喷吹，国内外都有相应技术，如采用国外技术的有：宝钢(除三高炉)、武钢、鞍钢等，采用的是荷兰的自动喷吹技术。首钢迁钢2高炉采用的是达涅利技术；采用国内天硕钢铁(福建)有限公司开发的自动喷吹技术的企业有：济钢、邯
9、钢等。对于串联罐布置形式，国内均是手动喷吹，还未开发出成功的自动喷煤技术。首钢炼铁厂和首秦公司炼铁部高炉的喷煤系统布置形式为串联罐，目前采用手动调节喷煤。由于人工调节喷煤量的误差，首钢炼铁厂喷吹量有时误差达到15%以上，带来高炉喷煤量的不均匀，严重影响了高炉热制度稳定，不利于高炉产量及煤比的进一步提高。这种影响在目前煤比150kg/t-160kg/t的情况下更加明显。因此，进行串联罐高炉自动喷煤技术研究与开发是非常有必要的。如今，随着IT业总体水平的提升，软件工程的思想被融入到各种软件开发技术中。而20世纪60年代开始发展起来的计算机系统工程，是计算机硬件、软件、数据通信装置、数据存储设备、规
10、章制度和有关人员的统一体。它广泛存在于医疗、机械、电力、钢铁冶金及制造业等领域内，在各个领域有着广泛的应用，如计算机辅助设计(CAD)系统、计算机辅助制造(CAM)系统、计算机辅助教学系统、计算机辅助医疗系统、军用的计算机指挥系统、通信软件工程、公用或专用的现代通信系统和信息服务系统都各具特色，管理软件是一类最具代表性的软件工程1。基于计算机的系统是“某些要素的一个集合，这些要素被组织起来以实现某种方法、过程或借助处理信息进行控制”2。图1.1给出了基于计算机系统的系统要素及相互之间关系。因此，基于计算机的自动控制软件系统设计，是“计算机系统工程”中的一个活动。它指与构造基于计算机系统有关的过
11、程、方法和技术，它是一种问题求解活动，目的是揭示、分析所期望的功能，并把它们分配到各个单独的系统要求中去。系统过程文档数据库人硬件软件图1.1基于计算机系统的系统要素及相互之间的关系高炉喷煤自动控制系统是一个计算机系统工程，它来源于首钢炼铁公司炼铁厂，是由首钢公司炼铁厂自行开发设计的项目。它作为一个计算机系统工程，具有上述的几方面的要素，即喷煤工艺过程、计算机自动控制系统、相关人、硬件系统、控制软件、文档及实时数据库等，它是一个繁杂的大型控制系统，通过计算机系统，将控制软件、数据库及硬件系统等要求有机地结合起完成一定的工艺要求及生产控制过程。在以往类似的高炉喷煤自动控制软件系统设计中，没有按照
12、软件工程的思想将工程化应用于整个系统的设计过程，并且不能够有效地应用计算机科学、数学及管理科学等原理，构造模型与算法，为系统提供良好的控制功能，以达到提高质量，降低成本，对将来的生产运行过程产生指导性意义的目的，因此，在这种背景下，我们提出了本研究课题，它将对今后的基于计算机系统的工业自动控制软件系统设计发挥有效的促进作用。1.2 课题研究的意义当前，钢铁冶金行业遭遇到全球性的原料价格上涨，焦炭、矿石的价格涨幅惊人，冶炼成本普遍提高，这给高炉炼铁业带来更大的困难。因此，降低冶炼成本成了高炉作业的重要目标。其中，降低焦比，尤其重要。同时国家产业政策对高能源消耗进行了限制，高炉要想在激烈的竞争环境
13、中取得生存和发展，只有努力寻求技术创新和进步，着力降低能耗，提高经济效益，减少和控制污染。焦炭在高炉内主要有三大作用：提供热量、还原剂和料柱骨架。焦炭生产过程相对复杂，对于原料有特殊要求，由于资源和设备投资方面的因素，这些年来焦炭价格不断上涨，成为炼铁成本上升的主要原因。从高炉风口向高炉的炉内喷吹煤粉，由于具有和焦炭同样的碳素，可以部分替代焦炭，且低廉许多，从而可以在很大程度降低生铁生产成本。高炉喷煤后，除了焦比大幅度降低外，还给高炉操作增加了一个调剂手段，高炉操作人员可以利用控制喷煤量来控制高炉的热状态;喷煤后，山于煤比焦炭具有更多的挥发分，从而增加了煤气中氢的含量，煤气还原能力增强，有利于
14、发展间接还原，这实际上也是降低焦比的原因之一。一般来说，喷煤会降低风口前理论燃烧温度，这样为进一步提高风温和富氧创造了条件，促进焦比进一步降低。高炉喷煤就是从高炉风口向炉内直接吹磨细了的无烟煤粉、烟煤粉或两者的混合煤粉，以代替部分焦炭提供热量和还原剂。高炉喷煤后，可以扩展风口前的回旋区，缩小呆滞区;可以降低风口前的理论燃烧温度，有利于提高风温使用水平和富氧鼓风;可以改善高炉炉缸的工作状态，有利于高炉的稳定顺行3。因此，高炉喷煤成为高炉炼铁系统结构优化的核心。衡量高炉喷煤技术水平的高低，除了要看它的喷煤量高低之外，还要考察它的稳定性。影响高炉喷煤量高低的因素很多，除了喷煤罐罐内压力、输送煤粉的气
15、量之外，还包括喷吹的煤利、喷煤罐内煤粉的温度、贮存时间、贮存量等诸多因素的影响。而喷煤工艺、装备水平、检测手段和自动控制模型则决定了喷煤量的稳定水平。而从某种意义上:来说，自动控制软件及其控制模型的设计，在最大程度上制约了喷煤技术的发展水平，成为喷煤生产水平进一步提高的瓶颈。我国对高炉喷煤技术的开发和应用尽管较一早，但从近几年的发展情况来看，已不再处于领先地位，国外不少高炉的喷煤量越来越高，而且多数高炉是喷吹烟煤。目前，我国与日木和西欧一些喷煤先进国家相比，尚有如下几方面的差距:喷煤量和喷煤高炉少，煤焦置换比低，喷吹煤种单一，自动控制水平低，而烟煤喷吹、浓相输送和单支管计量等虽已开发成功，但还
16、有待于进一步完善和推广。高炉喷煤技术对于我国钢铁工业乃至国民经济都具有十分重要的意义，而现阶段，我国的软件行业正在如火如茶地发展着，但是无论从规模还是从年限都无法和发达国家相比4。就喷煤生产自动化控制方面而言，我国的大部分企业也都实现了控制功能，但是随着钢铁工业的迅猛发展，在现代喷煤技术中，煤粉喷吹稳定性、喷吹准确性是高炉喷煤量调节操作的基本要求，这对于高炉操作的优化及炉况的顺行有重要的意义5。在高炉喷煤自动控制软件系统设计中，如何实现喷吹的稳定性和准确性，成为喷煤自动控制系统的关键因素。自动控制首先是基本控制功能的实现，即所控制设备的动作次序等符合工艺的要求;其次是控制模型的设计及应用;再者
17、，是人机交互界面的方便与人性化。而要实现这一过程，最主要的便是控制模型的设计及应用，在欧洲、日本1989年己实现200kg/t.Fe的高喷煤示范作业，1991年5-6月喷煤量增加到300kg/t.Fe，目前，正在进行喷煤量目标值为400kg/t.Fe的探索试验，取得这些成果的关键因素是其自动化控制水平很高6。目前，我们国内的一些大中型钢铁企业在喷煤生产自动控制方面也投入了大量的资金，但却收效甚微，总结原因，是没有采用一个较好的开发方法与控制模型来设计喷煤自动控制软件。实现一般的开关逻辑控制，不能成为一个成功的自动控制软件系统，目前，高炉喷煤最主要的一个参数，便是小时喷煤量，即每小时喷入高炉内的
18、煤粉量，控制它的稳定性，就成为了喷煤自动控制的关键。在高炉喷煤自动控制软年系统的开发设计及调试投运过程中，我们本着先进性和适用性的原则，在实现基本控制功能的基础上，希望能够有效的利用喷煤自动控制模型，为我们的系统提供良好的控制功能，通过模块化的设计和所开发设计的煤量计算模型，使喷煤自动控制系统能够实现均匀、稳定、大喷吹，对将来的生产运行过程产生指导性意义。本课提是为了更好的建立高质量的控制程序而提出的。在对软件工程专业知识有了一定的学习和掌握之后，希望在工程项目的全过程中有意识的应用软件工程设计模式来建立高质量的控制系统，按照建立和使用一套合理的工程化原则，将系统化的，严格约束的可量化的方法应
19、用于软件的开发、运行和维护，即将工程化应用于软件7。有针对性地使用结构化方法与面向对象的方法来改善整个系统设计，为系统提供良好的系统架构。在项目进行过程中以及调试投运后，采集大量的实验数据，来分析研究应用煤量计算模型的高炉喷煤自动控制系统的具体应用及效果。1.3 高炉喷煤技术的现状及发展趋势高炉喷煤是大幅度降低然比和生铁成本的重大技术措施，是推动炼铁系统技术进步的核心力量。自80年代初高炉喷煤技术在世界范围内广泛开发应用以来，世界各国钢铁厂的高炉喷煤量不断地提高。其中西欧、日本等国发展尤其迅猛，在1993年左右就有部分高炉的喷煤比达到200kg/t铁，在世界处于领先地位，目前部分高炉年均喷煤比
20、已达160200kg/t铁，最高月平均喷煤比达到210250kg/t铁。经过最近十年来的研究和实践，高炉喷煤技术水平日益提高，获得了一大批研究成果。1)富氧喷煤技术得到普遍应用。富氧鼓风不仅操作简单，而且还可以充分利用炼钢余氧资源，提高风口前理论燃烧温度，增加喷煤量和生铁产量8。尤其是在目前风温水平难以进一步大幅度提高的情况下，富氧喷煤已成为许多高炉增铁节焦的重要手段，且技术成熟，操作简单，运行费用低，因而应用相当普遍。2)氧煤喷吹技术日益成熟。氧煤喷吹技术是20世纪80年代末期才开始开发并得到应用的一项新技术。通过氧煤喷吹可以显著地改善煤粉颗粒在风口前的燃烧条件，显著提高煤粉的燃烧率，大幅度
21、增加喷煤量9。因此发展氧煤喷吹已经成为喷煤技术的一个发展方向。3)喷煤工艺简化，便于监控。传统的制系统通常是采用一、二级旋风分离器加布袋除尘器，而最近设计的制粉系统多采用一级旋风分离器加布袋除尘器，或者干脆取消一、二级旋风分离器而采用一级布袋分离器，并应用新型流化技术减少排粉机的数目。此外，广泛采用新型检测传感器和计算机控制等技术10，不断提高煤粉监视的精确度和诸如温度、氧浓度、CO浓度等参数的在线监测水平，这样既能实现喷煤量的均匀调节，也能增加系统的严密安全连锁控制。4)粒煤喷吹和配煤混合喷吹技术引人注目。粒煤通常是指粒径在0.22mm之间(平均粒度约0.6mm)的颗粒煤11。粒煤喷吹可以获
22、得较好的经济效益，同煤粉制粉相比仅磨煤系统设备投资就可节约一半，且粒煤制备的成木也很低。配煤混合喷吹是以煤种性能的互补性为基础，旨在改善喷吹煤粉特性如可燃性、可爆性等，以促进喷煤效果而采用的一种喷煤技术。迄今国内外许多学者都进行了配煤混合喷吹方面的基础研究，有些成果己在一些高炉喷吹实践中得到了应用，是一种具有推广价值的高炉喷吹新技术12。事实上，随着喷煤技术的不断发展，许多相关的或与喷煤并用的技术都取得了重大进展。这些技术涉及到了诸如煤粉的浓相输送技术、煤粉在高炉内气化燃烧及炉况调节等的基础研究、喷煤高炉数学模型及计算机控制等13。进入21世纪，随着各行业的高度发展，对能源需求将更加提高。高炉
23、冶炼技术也要适应这种要求，朝着进一步节约能源和减少环境污染的方向发展。以上述要求为中心，对高炉喷煤技术提出了更新更高的要求，重点发展了以下儿项技术:1)超量喷吹煤粉近年来，国外一些先进高炉喷煤量己达到200kg/t以上，如荷兰霍高文高炉1997年月平均喷煤量210kg/t，日本钢管福山厂4号高炉(4288m3) 1994年10月喷煤量达218kg/t，日本神户制钢加工厂1号高炉1998年3月喷煤量己达到254kg/t 。我国高炉喷煤量近年来也有较大提高，1998年重点企业高炉平均喷煤量已达到109kg/t,宝钢三座高炉喷煤量己先后达到200kg/t,其中一号高炉已达到250kg/t。但绝大多数
24、高炉喷煤量只有100kg/t左右，距世界先进水平尚有较大差距。按21世纪发展高炉喷煤技术的要求，大部分高炉喷煤量应达到200kg/t，一些条件较好的先进高炉应达到250kg/t以上，使高炉喷煤量等于甚至超过焦炭使用量。达到上述要求，每年可少用焦炭600-700万吨(折合焦煤12001400万吨)，相当于少建1520座大型焦炉，将产生巨大的经济效益和环境效益。要达到这个水平，首先需要改进高炉原燃料质量，提高焦炭强度，降低焦炭灰分，提高入炉矿石品位，降低渣量，改善烧结，球团矿冶炼性能，其次提高喷煤装备和控制水平，改进喷吹工艺，等等。2)喷吹回收的废旧塑料随着人们生活水平提高，生活垃圾产生量日益增加
25、。我国仅北京、上海两市每年产生生活垃圾约1000万吨，其中废旧塑料约80100万吨，如能从生活垃圾中分离出废塑料，经粉碎后喷入高炉，将为废塑料处理开辟一个新途径。近年来，德国、日本开始向高炉喷吹废塑料。由于塑料基本上是C-H化合物，塑料中灰分含量1%、比煤粉灰分(10%15%)低得多。喷吹lkg废塑料，至少相当于1.2kg煤粉，而且使高炉冶炼每吨铁的渣量降低，喷吹废塑料100kg/t，可降低渣量3040kg/t。废塑料的发热值与煤粉比较约高47%。塑料与煤粉主要成分及发热值比较:% C H O A(灰分) QM ( J/kg)塑料 84.3 12.6 1.2 0.3 43 .2煤粉 74.1
26、4.7 8.5 10.4 29.3大部分废塑料的主要成分为乙烯(C2H4)，从风口喷入后，在热风和2000的高温下迅速分解，气化为CO和H2，参加高炉内的还原反应。由于高炉自身的热效率高达80%，废塑料喷入高炉其热能利用率达80%，而一般焚烧炉的热效率只有30%40%。另外，从环境保护方面看，高炉是一个密闭系统，废塑料在高炉内分解、气化和参加还原反应，从炉内排出，产生对环境有害的二恶烷(Dio x ine)只有0.001Ng/m3，远远低于焚烧炉废气中二恶烷含量0.1 Ng/m3。因此，将废塑料粉碎后喷入高炉，仅从北京、上海两市城市垃圾中回收废塑料80100万吨，可代替煤粉%一120万吨，与焚
27、烧炉处理比较，热效率更高，对环境产生的二次污染最小，可以说是处理废塑料的最佳途径。1993年以来，德国不来梅钢铁厂先后在两座高炉上试验喷吹废塑料粉，1996年8月喷吹废塑料量已达到5000t/m，德国环保部认为完全符合环保标准的要求。日本钢管公司1996年10月在京汉厂4093m3高炉建成喷吹废塑料装置，喷吹废塑料成功。川崎、神户制钢也在建喷吹废塑料装置，并拟对部分含氯塑料先期处理，脱氯后再喷入高炉。日本钢铁联盟宣布，到2010年废塑料的喷吹量要达到100万吨。3)高炉喷吹粒煤高炉喷吹粒度2mm左右的粒煤，与传统的喷吹粉煤(74m占80%)相比有许多优点。首先煤粉磨煤机的投资大，每台高达200
28、300万元以上，粒煤粉碎机则不会超过100万元，改为喷粒煤可节约大量投资;其次加工粒煤消耗电能比粉煤约低30%40%，另外，粒煤与粉煤相比，不如粉煤易燃、易爆，有利于安全喷吹。近年来，法国的洛林厂一也喷吹粒煤成功。1996年美国伯利恒公司C高炉从英国引进技术，1998年粒煤喷吹量已达到136kg/t。因此，高炉喷吹粒煤应是高炉喷煤技术的发展方向之一。4)高炉喷吹含铁粉料为适应21世纪冶炼纯净钢的需要，高炉应为炼钢提供低硅低硫铁水，要使铁水含硅量降到低于0.15%，只靠高炉操作人员用常规的调节操作方法难以达到。为此，日本等国己先后在高炉风口喷吹含铁粉料(如铁矿粉、烧结粉尘等)冶炼低硅铁成功。高炉
29、喷吹含铁粉料，抑制炉缸内硅的还原，以便在不降低铁水温度的条件下，冶炼出含硅0.15%以下的低硅铁水，为炼钢冶炼高级钢创造条件，另外，降低铁水含硅量还有利于炼钢降低造渣量消耗，延长转炉炉龄等好处。近年来高炉喷煤系统采用高新技术有:1)风口喷煤量在线计量在高炉喷煤系统中，煤粉输送是气流与煤粉两相流在管道中以较高速度流动，在线测量管道中煤粉的瞬时流量难度相当大，目前国内外已有的压差测量法，电容噪声法，相关电容法等，其测量误差都相当大，建议采用激光透射法，即在管道两侧分别装设激光发射及接收装置，测量激光通过管道内煤粉后不同煤粉浓度时激光强度的变化，以确定煤粉流量。2)微机自动控制喷煤量在高炉喷煤量达到
30、200kg/t甚至250kg/t以上时，煤粉在高炉燃料中所占的比例达40%S0%甚至更高。因此，实现微机自动控制喷煤量是大量喷吹煤粉所必需，也是进一步实现微机闭环控制高炉冶炼过程所必需。微机控制作为一种通用技术，己是一种很成熟的控制方法，但是实现微机自动控制喷煤量，必须解决两个关键问题:一是连续和准确地计量煤粉喷吹总量，以便为微机控制提供准确的信号，尤其是对于串联罐系统的连续计量仍是一个有待解决的问题;二是连续和准确地调节煤粉喷吹量的调节装置，该装置并能及时接受微机的指令进行调节。上面是指对喷吹总量的自动控制，如果在此基础上再对各风口的喷煤量进行控制，除了要具有前述风口喷煤量在线计量，还需要测
31、定各风口的热风流量，高炉风温高达1200以上在线计量有相当的难度。在实现各风口热风流量的在线计-量和各风口喷煤量的在线计量，并将各自的测量信号输给微机、再由微机发出控制指令调节各风口的喷煤量。3)高炉风口图像显示系统 高炉风口是高炉唯一可以从外面窥视高炉内部的窗口，历来高炉操作人员将其视为观察高炉冶炼状况的重要手段。在高炉喷吹煤粉的情况下，观察风口还可以观察煤粉输送状况，及时发现某个风口因管道堵塞而中断喷煤，并及时处理。另外，还可根据风口亮度等判断煤粉在风口内的燃烧状况。大型高炉风口数量多达3040个，为了及时了解风口的有关状况，有必要研制高炉风口的图像显示系统。1.4 本文主要工作喷煤工艺系
32、统中常常以每小时的喷煤量反映喷吹能力的大小及均匀性，而传统的喷煤自动控制软件设计，不能按照一定的开发模型进行系统的开发，缺乏一个有效的数学模型控制喷煤星，导致喷煤系统控制不能真正达到均匀、稳定。本文应用软件工程的思想，利用统计学多元回归原理，采用结构化方法，提出了一种新的煤量控制算法模型，并完成了高炉喷煤自动控制软件系统的开发，采用建模工具MATLAB对控制效果进行了测试。具体而言，论文的研究内容主要有:l)针对高炉喷煤串罐工艺自动控制系统的特点，实际应用领域和背景，深入分析了传统的喷煤控制软件系统，归纳总结出系统设计与开发的难点和特点，并针对难点和特点，结合系统工艺，确定了本系统的难点和特点
33、，并针对难点和特点，结合系统工艺，确定了系统的软硬件平台。2)针对喷煤串罐工艺自动控制系统中的关键控制数据“喷煤量”，即喷煤量的控制难题，倒罐过程喷煤量的均匀性问题，利用结构化分析技术，建立了小时煤量计算模型，应用输入处理输出( IPO)模型及数学分析原理提出实时煤量计算模型算法思路，并在整个系统设计与开发中得到具体应用。3)采用多元线性回归分析方法建立喷煤量计算和控制模型，解决多变量动态输入及多输出策略控制难题。4)自动控制系统的具体设计及实现。应用所设计的煤量计算模型，解决了工艺系统中没有气固两相流测量元件的问题，同时，对喷煤量的均匀稳定控制起到了关键作用。2 高炉喷煤工艺与控制2.1 喷
34、煤工艺介绍2.1.1 喷煤系统的组成高炉喷煤工艺流程包括原煤贮运系统、制粉系统、煤粉的输送、喷吹系统、供气系统、煤粉计量、控制系统等。工艺流程如图2.1所示。煤场原煤仓中速磨煤粉收集器煤粉仓燃烧炉引风机储煤罐喷吹罐给煤器分配器高炉喷吹气泡氮气包图2.1喷煤工艺流程框图1)原煤贮运系统该系统应包括综合煤场、煤棚、贮运方式。综合煤场的设计，一般要充分考虑能分别堆放两种或两种以上原煤及其他喷吹物，并方便存取或按工艺需要进行配煤作业。煤棚主要用于原煤的风干，以便于制粉，其设置应尽可能靠近制粉车间。煤场与煤棚间的运输方式可以采用火车、汽车或皮带，而煤棚至制粉间通常采用皮带运输。为控制原煤粒度和除去原煤中
35、的杂物，在原煤贮运过程中还须设置筛分破碎装置和除铁器14。2)制粉系统煤粉制备是通过磨煤机将原煤加工成粒度和含水量均符合高炉喷吹需要的煤粉。制粉系统主要由给料、干燥与研磨、收粉与除尘儿部分组成。在烟煤制粉中，还必须设置相应的惰化、防爆、抑爆及监测控制装置。3)煤粉的输送煤粉的输送有两种方式可供选择，即采用煤粉罐装专用卡车或采用管道气力输送。依据粉气比的不同，管道气力输送又分为浓相输送(50kg/kg)和稀相输送(=1030kg/kg)。4)喷吹系统喷吹系统由不同形式的喷吹罐组和相应的钟阀、流化装置等组成。煤粉喷吹通常是在喷吹罐组内充以压缩空气，再自混合器引入二次压缩空气将煤粉经管道和喷枪喷入高
36、炉风口。喷吹罐组可以采用并列式布置亘深用重叠式布置，底罐只做喷煤罐。5)供气系统高炉喷煤工艺系统中主要涉及压缩空气、氮气、氧气和少量的蒸汽。压缩空气主要用于煤的输送和喷吹，同时也为一些气动设备提供动力。氮气和蒸汽主要用于维持系统的安全正常运行。氧气则用于富氧鼓风或氧煤喷吹15。6)煤粉计量目前煤粉计量主要有喷吹罐计量和单支管计量两大类。喷吹罐计量，尤其是重叠罐的计量，是高炉实现喷煤自动化的前提。单支管计量技术则是实现风口均匀喷吹或根据炉况变化实施自动调节的重要保证。7)控制系统高炉喷煤系统广泛采用了计算机控制和自动化操作。控制系统可以将制粉与喷吹分开，形成两个相对独立的控制站，再经高炉中央控制
37、中心用计算机加以分类控制;也可以将制粉和喷吹设计为一个操作控制站，集中在高炉中央控制中心，与高炉采用同一方式控制。2.1.2 喷煤工艺流程的分类及特点1)按喷吹方式分：直接喷吹和间接喷吹。直接喷吹方式是将喷吹罐设置在制粉系统的煤仓下面，直接将煤粉喷入高炉风口，高炉附近无需喷吹站。其特点是节省喷吹站的投资及相应的操作维护费用。间接喷吹则是将制备好的煤粉，经专用输煤管道或罐车送入高炉附近的喷吹站，再由喷吹站将煤粉喷入高炉。其特点是投资较大，设备配置复杂，除喷吹罐组外，还必须配制相应的收粉、除尘装置。2)按喷吹罐布置形式分：并列式喷吹和串罐式喷吹。为便于处理喷吹事故，通常并列罐数最好为3个。并列式喷
38、吹若采用顺序倒罐，则对喷吹的稳定性会产生一定的影响;而采用交叉倒罐则可改善喷吹的稳定性，但必须配备精确的测量和控制手段。另外，并列式喷吹占地面积大，但喷吹罐称量简单，投资较重叠式的要小。因此，常用于小高炉直接喷吹流程系统。串罐式喷吹是指将两个主休罐重叠设置而形成的喷吹系统。其中，下罐也称为喷吹罐，它总是处于向高炉喷煤的高压工作状态。而上罐也称为加料罐，它仅当向下罐装粉时才处于与下罐相连通的高压状态，而其本身在装粉称量时，则处于常压状态。装卸煤粉的倒罐操作须通过连接上下罐的均排压装置来实现。根据实际需要，串罐可以采用单系列，也可采用多系列，以满足大型高炉多风口喷煤的需要。串罐式喷吹装置占地小，喷
39、吹距离短，喷吹稳定性好，但称量复杂，投资也较大。这种喷吹装置是目前国内外大型高炉采用较多的一种喷吹装置。3)按喷吹管路形式分：多管式喷吹和单管路加分配器方式喷吹。(1)多管方式喷吹，是指喷吹罐直接与同风口数目相等的支管相连接而形成的喷吹系统。一般一根支竹连接一个风口。其主要特点有:每根支管均可装煤粉流量计，用以自动测量和调节每个风口的喷煤量。其调节手段灵活，误差小，有利于实现高炉均匀喷吹和大喷煤量的操作调节。喷吹距离受到限制，一般要求不超过200300m。这是因为在喷吹距离相同的条件下，多管方式的管道管径小，阻力损失大，过长的喷吹距离将导致系统压力的增加，从而使压力超过喷吹罐的允许罐压极限。单
40、支管流量计数目多，仪表和控制系统复杂，因此投资亦较大。支管数目多，需要转向的阀门太多，因此多管喷吹仅适用于串罐方式，而不适用于并列式。(2)单管加分配器方式，是指每个喷吹罐内接出一根总管，总管经设在高炉附近的煤粉分配器分成若干根支管，每根支管分别接到每个风口上。其主要特点有:一般在分配器后的支管上不装流量计，通过各风口的煤粉分配关系在安装试车时一次调整完毕，因此不能进行生产过程中的自动调节。此外，通过分配器对各支管煤粉量的控制精度不仅取决于分配器的结构设计，而且还受运行过程中分配器的各个喷嘴不等量磨损的影响。因此，需要经常加以检查和调整。系统的阻力损失较少，喷吹距离可达600m。支管不必安装流
41、量计，控制系统相对简化，投资较少。对喷吹罐的安装形式无特殊要求，既适用于并列式，又可用于串罐式。2.2 本论文高炉喷煤系统介绍本次喷煤全部采用球磨机集中制粉、仓式泵输送、串联罐多管路间接喷吹的工艺。喷吹煤种为单一无烟煤，采用了串联罐喷吹总管加分配器的喷吹技术，并试用了可调煤粉给料机、盘式分配器等新设备。成中速磨制粉、一次布袋收粉、串联罐单管路喷吹、炉前分配器的新喷煤系统。该系统按喷吹烟煤设计，设计喷煤比200kg/t。高炉喷煤系统的主要工艺控制图如图2.2所示，高炉喷煤系统采用的串罐方式向高炉喷吹煤粉。主要由煤粉仓、储煤罐、喷煤罐、给料器及各控制阀组成。粉仓电子秤的量程为0125t，不设定压力
42、;储煤罐电子秤的量程为025t，储煤罐压力范围为00.85MPa;喷煤罐电子秤的量程为030t，喷煤罐压力范围为00.85MPa。图2.2工艺流程示意图1.煤粉仓 2.中间罐 3.喷吹罐 4.氮气贮罐 5.灭火氮气阀 6.煤粉仓放散阀 7.煤粉仓流化阀 8.煤粉仓下锥形阀 9.中间罐上锥形阀 10.中间罐放散阀 11.中间罐充压阀 12.中间罐流化阀 13.中间罐下锥形阀 14.喷吹罐上锥形阀 15.两罐均压阀 16.喷吹罐充压阀 17.喷吹罐放散阀 18.喷吹罐流化阀 19.喷吹罐卸粉阀 20.喷吹罐补气阀 21.空气储罐 22.给料器 23.喷吹罐下煤球阀 24.喷枪 25.电子秤2.3
43、系统主要功能随着喷煤量的增加，喷煤系统的设备启动频率增高，操作间隙时间减少，喷吹操作周期缩短，手动操作已不能适应生产要求，尤其是当高炉喷吹烟煤或采用多煤种配煤混合喷吹时，高炉喷煤系统广泛采用了计算机控制和自动化操作。根据实际生产条件，控制系统可以将制粉与喷吹分开，形成两个相对独立的控制站，再经高炉中央控制中心用计算机加以分类控制；也可以将制粉和喷吹设计为一个操作控制站，集中在高炉中央控制中心，与高炉采用同一方式控制。 喷煤控制系统有不同的工艺及喷吹方式，摘重叠正出料多管路喷吹工艺过程中，不仅能实现总喷吹量的自动控制，而且单支管加分配器喷吹，提高了喷吹量，实现各个风口的个别控制，灵活性好，对高炉
44、操作很方便。2.3.1 喷吹控制3412Pt1一喷吹罐;2一加压氮气;3一二次风;4一高炉图2.3喷吹原理示意图煤粉从喷吹罐经二次风输送至高炉风口，具有下列压力平衡关系式:P1=Px+PG+Ph (2.1)式中P1一喷吹罐压力，MPa;Ph一风口前压力，MPaPx一输送中煤粉压力损失;PG一输送中二次风压力损失;从式2.1知道，P1,Ph一定的情况下,PG增加(即二次风量增加)则Px减小(即煤粉喷量减小)，反之亦然。因此煤粉的喷吹量的关系曲线是一定的，如图2.4所示。因此煤粉的喷吹量控制可通过控制二次风量来实现。图2.4喷吹量与二次风量关系曲线图W危险流速区设定QNQN2.3.2 煤粉的喷吹速
45、度的调节煤粉喷吹速度是煤粉工艺的重要参数，要求喷吹站均匀地向高炉喷吹煤粉，达到改善高炉冶炼性能，节约焦碳的目的。喷吹量的调节是喷吹站控制系统的难点。通过压力控制来调节喷吹速率，这样的调节系统是串级调节系统，喷吹速率的调节是主调节，压力的调节是负调节，调节原理如下图2.5图2.5煤粉喷吹速度调节原理图PIPI调节阀喷吹罐压力变送滤波Vi=重量V0evP0ep压力煤粉重量速度调节是对速度V与实际喷吹速度Vi比较求出偏差ev=V0一Vi，进行PI运算，设作用于喷吹罐压力，Po和实际压力Pi比较求出ep，进行PI运算，输出给调节阀，调节压力作用于喷吹罐，达到调节喷吹速度的目的。2.3.3 煤粉计量在重
46、叠罐多管路上出料喷吹工艺中，煤粉的计量是中间罐进行的，中间罐的重量呈周期性变化，将每次从煤粉仓中受粉的重量积累即为总的喷吹煤粉重量，可将其作为能源管理及计量使用。每次受粉重量计算如图2.6所示。 卸料排气受粉W1W2重量(t)时间(h)图2.6受粉重量计算W3W4将受粉前的重量记为W1，受粉结束后的重量记为W2，那么这次受粉的煤粉量为W2-W1 。在控制系统中，煤粉喷吹量是指喷吹速率，也就是喷吹罐煤粉重量的变化率，是被控参数。由于电子秤只能测量喷煤罐煤粉的重量，因此必须通过运算处理求得煤粉喷吹速率为（dW/dt）i= (2.2)显然其精确度受t的影响，t越小精确度越高。在实际中t取得大小会给运
47、算处理带来一定的困难。但是为了保证精确度及其变化比较平滑，采取移动平均算法进行处理。以一定取样周期，计算过去n个点的变化率的移动平均值，即在某一时刻i的变化率为:= (2.3)吹罐压力的影响而变形，在垂直方向掌产生两个相等方向的力，从而使得中间罐与喷吹罐的称量产生误差，必须进行补正。补正曲线如图所示2.7，具体处理应对其进行多点折线线性化处理。重量(t)压力（MPa）（a）0 重量(t)压力（MPa）0（b）图2.7重量压力补正曲线图(a)中间罐:(b)喷吹罐2.3.4 中间罐与喷吹罐压力控制中间罐设置，一是为了能准确地对煤粉进行计量，二是将从煤粉仓中的煤粉稳定地向喷吹罐内输送从而实现煤粉的连续喷吹。喷吹罐处于高压状态，中间罐在高压与常压之间交
