干熄焦余热锅炉蒸汽参数动态调节系统设计与应用

引言

在钢铁企业生产过程中，干熄焦工艺因为有明显的节能效果以及优良的环保性能，被广泛地应用在焦炭冷却过程中。干熄焦余热锅炉是干熄焦工艺中主要设备之一，它可以将红焦的显热转变为高品质的蒸汽，达到对蒸汽的高效回收利用目的。但是由于干熄焦过程工况复杂，存在红焦量大、小波动，循环气体流量及温度发生变化等因素，所以往往会导致余热锅炉生成的蒸汽参数(压力、温度、流量)波动较大，影响了蒸汽的后续使用。同时对锅炉设备的安全稳定运行也构成了威胁，所以应该设计出一套比较完善、可靠的蒸汽参数动态调节系统来，有助于提高干熄焦工艺的能源利用水平以及生产安全。

1 干熄焦工艺及蒸汽参数调节难点

干熄焦工艺是利用惰性气体（主要为氮气）在干熄炉内与红焦进行热交换，将红焦冷却至指定温度，同时被加热的惰性气体进入余热锅炉，与锅炉内的工质进行热量传递，产生一定参数的蒸汽。在这一过程中，红焦的装入量、温度、惰性气体的循环量、流速以及余热锅炉的给水流量、温度等因素都会对蒸汽参数产生影响。

蒸汽参数调节的难度在于： ① 红焦量及温度受上游焦炉的影响较大，波动频繁，干熄炉投入热量无法准确稳定； ② 惰性气体在循环过程中，流量和温度受循环设备工作状态、管道阻力等因素影响而出现变化，使余热锅炉热源点不稳定； ③ 余热锅炉本身是多输入多输出复杂的热力系统，各参数之间相互关联性较强，某个参数单独调节会影响其他参数，增加了调节的困难程度。

2 动态调节系统设计

2.1 系统总体架构

干熄焦余热锅炉蒸汽参数动态调节系统，是按照分层控制的结构组成的，分别是现场检测层、控制层以及监控层。 ① 现场检测层主要是由各类的传感器组成，用于采集蒸汽的压力、温度、流量及余热锅炉给水流量、温度、炉膛压力等关键参数； ② 控制层是以 PLC 为主的核心部件，利用采集来的参数及已设定好的控制策略形成控制命令，并下发给执行机构； ③ 监控层是由工业计算机及监控软件等组成，主要是用于系统工作状态的实时监视、参数设置及历史数据查询等。

2.2 硬件选型

传感器的选择应满足高精度、高可靠性及适应恶劣工业环境条件的技术要求。 ① 蒸汽压力测点采用扩散硅压力变送器（量程： 0～10MPa ;精度等级：0.2 级）。 ② 蒸汽温度测点采用铠装热电偶，型号K 型（量程： 0～600^∘C ；精度等级：1.0 级）。 ③ 蒸汽流量测点采用涡街流量计（量程： 10～100t/h ;精度等级：0.5 级）。 ④ 给水流量测点采用电磁流量计，在任何水质下都可以正常运行。 ⑤ 就执行机构而言，蒸汽压力调节通过电动调节阀来完成，调节响应快、精度高，调节范围在 0～100% ， ⑥ 给水流量调节采用变频调速泵，利用电机转速的改变实现给水流量连续可调，耗能少，调节平稳。⑦ PLC 选择性能稳定、运算能力强、输入输出模块多的产品，能够满足系统控制的要求。

2.3 控制策略设计

考虑到蒸汽参数的多变性与耦合性问题，采用模糊 PID 控制算法为本系统的核心控制策略。 ① 模糊 PID 控制将模糊控制和 PID 控制的优点综合在一起，在某些条件下可以动态地调整 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间，从而很好地弥补了传统的 PID 控制的不足，其系统具有较强

的动态响应能力和抗干扰性。

② 针对蒸汽压力的调节，运用设定压力值与实际压力值之间的差值及变化率，以两者为输入变量来获取模糊控制器输出值，将该模糊输出值进行精确化转换后当作 PID 控制器参数调整值，然后对蒸汽出口的电动调节阀开启程度作出相应的调整，达到调节蒸汽的压力的目的。当蒸汽压力超过设定值时，打开调节阀的开口度增大，加大蒸汽的排岀量；当蒸汽压力小于设定值时，减小调节阀的开度，减小蒸汽的排出量。 ③ 蒸汽温度的调整主要是通过改变余热锅炉的减温水量进行。在实践过程中，通过把蒸汽温度的实际值与给定值之间的偏差及偏差的变化率，送入模糊 PID 控制器中，而后经计算得到减温水调节阀的开度指令值，并改变减温水量大小，从而达到蒸汽温度调节的目的。 ④ 调节给水流量使锅炉水位保持稳定，并随蒸汽流量变化而变化；通过用三冲量控制的方法，即把水位、蒸汽流量、给水流量当作控制信号，经 PID 控制器来调节变频泵的转速，保持给水流量与蒸汽流量匹配，使水位维持在一定的范围内。

3 系统应用与效果分析

3.1 系统实施

应用于某钢铁企业干熄焦生产线上的动态调节系统，在现场调试过程中根据测量精度的要求合理地选用了相应的传感器。同时，对传感器的安装位置进行了适当的选择和调整。在调试中根据现场生产情况，适时对调节控制系统的参数进行整定，保证其满足现场实际生产情况下的工况要求。通过一段时期的试验和优化调整，目前运行状况良好，各项功能指标已达到设计要求。

3.2 应用效果

① 该系统应用以后，蒸汽参数的稳定性更好，蒸汽压力的波动由原来的 ±0.5MPa 降为 ±0.1MPa ；蒸汽温度的波动由原来的 ±10^∘C 降为 ±3^∘C ,蒸汽流量的稳定性也大有改善。这有助于提高蒸汽的质量，以达到后续发电或者工业用汽的要求。此外，并由于参数的波动幅度小，对锅炉设备的冲刷底，因而锅炉设备的寿命就会相应地延长一些。

② 由于蒸汽参数稳定，在充分利用余热的同时蒸汽的使用率有所提高；同时，控制好给水流量避免过多用水，采用变频调速水泵也能够减少电机能量消耗，据测算，在系统投入使用之后，整个干熄焦生产线的蒸汽回收利用率达到百分之五，全年可以节约标准煤一千吨。

③ 系统有监控功能可实现对整个生产过程进行实时监控并记录数据，让操作人员能随时看到当前系统的运行状况，出现异常可以及时处理。这样有利于提高生产的自动化水平，减轻操作人员的体力劳动量。

4 结语

通过干熄焦余热锅炉蒸汽参数动态调节系统，能够解决了蒸汽参数波动大的问题，在一定范围中提高干熄焦工艺中能源的利用效率及生产的安全性。

参考文献：

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