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湿法除尘技术在转炉煤气除尘中的最新应用


《自动化技术与应用》2 0 1 0 年第 2 9 卷第 1 期

经验交流
Technical Com munications

湿法除尘技术在转炉煤气除尘中的最新应用
刘 栋
(西门子工业解决方案集团,广东 广州 510620)
摘 要:本文介绍了湿法除尘在转炉煤气除尘系统中的最新应用,阐述了该领域

当今国际上最先进的控制技术和工艺流程,并特别讲 解了 SIMATIC PCS 7 的 CIS-CK 库的应用 关键词:湿法除尘; P C S7 ; CIS-C K; 冷却塔; O G 风机;阀站 中图分类号:TP29 文献标识码:B 文章编号:1003-7241(2010)01-0118-06

The Latest Application of the Wet Dedust in the Gas Cleaning System
LIU Dong
( Siemens I&S Systems Group, Guangzhou 510620 China )
Abstract: This paper introduces the latest application of the wet dedust in the gas cleaning system, then describe the most advanced control technology and technics process in this field of the world. It introduces the application of CIS-CK library of SIMATIC PCS7 especially. Key words: wet dedust; PCS7; CIS-CK; cooling tower; OG fan; switch over station

1

项目简介
宝钢集团上海梅山钢铁股份有限公司现有三台 158

废气净化系统由以下主要机械设备组成: ◆ 气体冷却塔, 冷却高温炉气, 并净化气体粗渣

吨的转炉, 铁水最大装入量为 155 吨 / 炉, 平均入铁水到 出钢时间为 36 分钟 / 炉, 来自转炉的气体量约为 96250 Nm 3 / h , 如此大的废气量如果不加以净化必将给周边环 境带来严重破坏, 为此梅山钢厂综合成本与现场条件, 决 定使用湿法除尘技术, 西门子工业解决方案集团为其提 供了一整套 PCS7 控制设备及工艺控制流程。

(铁片等合金)

2

项目工艺描述
湿法除尘技术在我国钢铁工业节能减排中已经得

到广泛的应用, 尽管已经是一项成熟的技术, 但是不同 的设备集成商在湿法除尘领域中却得到差次不齐的效 果。西门子工业解决方案集团 VAI 设计的这套湿法除 尘技术是国际上处于领先地位的第四代 OG 湿法除尘技 术。目前在中国国内已经有很多成功的案例。

收稿日期: 2 0 0 9 - 0 8 - 1 1 118 | Techniques of Automation & Applications

图1

气体冷却塔示意图

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切向型喷淋器( 安装在气体冷却塔内), 用于向



气体输送管;

塔内喷水, 冷却气体

废气进入冷却塔下游出口处的湿型废气净化系统。 冷却塔和一次气体净化站之间的接口和封口采用水封, 水封同样允许冷却塔的热膨胀。 废气的净化在两个气体净化站进行。在 1# 气体净 化站, 通过几个喷雾嘴喷射冷却水把废气冷却至饱和温 度, 这些喷雾嘴集中设置为一个在另一个的上面以形成 能够保证气体通过的水雾平面。这些喷嘴中的水来自 于水处理车间的净化水。 气体通过浸透冷却至 75℃以下,同时废气中的大粉 尘颗粒被去除。 通过一个互接管道气体被输送至 2 # 气体净化站 的环形缝隙元件。气体 1 80 °的转弯可以促使液滴在 1 # 气体净化站分离, 从而减少从 1 # 站到 2 # 站的脏 水遗留物。 含尘水被收集在 1 # 气体净化站的底部, 通过管道 流向密封罐, 再流向泥浆水处理车间的泥浆槽进行净 化处理。 密封罐具有特殊设计以防止泥渣积聚。 预净化废气进入 2 # 气体净化站, 在奥钢联锥形环 缝隙元件中进行深度净化。 水通过一些切向管道提供, 这些管道位于奥钢联锥 套管中, 由一个共用水箱供水。废气在环形缝隙中均匀 加速。深度净化受强湍流气 - 洗涤水混合物的影响。 这个锥元是通过液压驱动器动作的。套管和驱动 杆之间的密封是通过填料函的密封来实现。这个密封 位于保护套管内, 因此并不会直接接触洗涤水。 无振动的锥元的垂直运动是通过锥下的一个导向 套管来保证的。 锥体从顶部驱动。 锥元的运动通过烟罩压力控制环控制。依靠烟罩 压力值和烟罩压力设定点, 锥元通过调节控制自动移 动, 以保持预设烟罩压力。洗涤器喉口总的压力下降取 决于废气流量和锥元位置。 煤气和水通过锥元后将进入水排放单元, 这个单元 由底部的水预分离器和移走小水滴的液体分离器组成。 这个垂直的液体分离器是带有切向入口管的一个 圆柱型容器。在转炉炼钢时, 这个发生器会引起一个有 效的使液体分离的涡流。气体则通过中央管道口离开 液体分离器。这种独特的物理结构, 将使液体分离器较 少出现堵塞物。此外, 液体分离器还配有喷水系统。清
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图2


切向型喷淋器外观及喷淋效果图
炉压环缝装置: 用于控制炉压, 环缝 V A I 锥型

洗涤器是重型焊接设计的, 带有一个垂直移动的锥元, 它连接到一个用液压缸推动的推杆上。 这个锥在这个锥形套管内垂直移动, 形成一个环 缝, 环缝的间距可变, 因此压差可变。 工业用水是通过在环缝上面区域的大约 8 个切向 管注入。水从一个总给水管输送到这 8 个支管。切向型 喷嘴的使用, 会使供给水更不易堵塞。 锥元的位置通过一个液压驱动系统自动调节。锥 元和套管使用耐磨材料制造, 以避免在环缝里高速的气 和水引起的磨损和腐蚀。 推杆通过两个不同点支撑 ◆ 可观察到 ◆ 一个导向支撑, 安装在顶部 这种构造对于锥元的最稳定的垂直运动可保证无 任何侧向振动,这个 VAI 锥型单元在环缝套管和锥的顶 部还装备了一个检查口。 一个导向密封, 安装在排水管的底部, 从外面

图3
◆ ◆

VAI 锥型单元外观图

感应引风机(O G 风机), 用于将炉气抽引出来, 具有点火系统的燃烧塔;

风机的转速由炉压来自自动控制,也可以通过手动控制。

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洗将定期进行。 转炉煤气的牵引通是通过一个引风机(俗称 OG 风机) 来保持。这个引风机是一个径向型高压低速(1500rpm)的 大型风机, 风机两侧有入口挡板门, 目的是为了在维护时 清洁叶轮和检查气体温度控制装置, 风扇上方有自动喷 洒系统。 风机转速是通过液压流体联轴器来控制。 在转炉吹氧期间, 废气通过三通阀切换站的阀门输 送到储气罐。 煤气经过回收阶段后将通过火把烟囱。进入大气 层之前废气在火把烟囱的顶部通过一种由三个高压引 火炉头组成的自动点火装置点火燃烧。 废气中的煤气回收系统由以下主要设备组成: ◆ ◆ ◆ ◆ 阀门切换站 水密封止回阀 V 型阀 煤气管, 包括流量计

理程序逻辑与数据。该 CPU 拥有的实时时钟可以使诊 断报文具有日期标签和时间标签, 这样就大大方便了在 调试中诊断各种故障。 2. 每套 PLC 下挂由 PROFIBUSDP 现场总线连接的 三个 ET200M(液压站,阀站,引风管道及冷却装置各一个) 远程站以及气体分析仪 S7 300。417 - 4CPU 自带两个 DP 接口, 同时有 2 个 IF 模块插槽, 自带的 DP 主站接口 能够被用于建立一个高速的分布式自动化系统, 使得编 程大为简化,对于用户而言, 分布式 I/O 单元可以作为一 个集中式单元来对待, 即相同方式的组态, 编址与编程, 这样可以节省大量的通信程序。由于阀站 ET200M 距离 中央 PLC 有近 400 米远,于是使用了 PROFIBUS 光纤网 络将阀站 ET200M 接入,这样即使距离较远也同样可是 很方便使用高于 1.5Mbps 通信速率。ET200M 远程从站 使用了有源底板, 只需要编写简单的程序就可以实现在 运行过程中热拔插 IO 模块, 大大方便了维护。

在 SV AI 的湿式转换站, 从燃烧的到回收的转流是 通过连接阀( 三通阀) 的同时打开和关闭来实现的, 一个 在火把烟囱支路, 一个在回收支路。 在回收支路的切换阀下游是水密封止回阀, 它的作 用是当设备在非回收模式,提供反向储气罐的气压的一 种煤气密封。 在设备出现故障时, 如果切换阀不能移至燃烧位 时, 切换阀旁边的一个旁路管和一个旁通阀会给煤气提 供一个安全出口, 以至于煤气仍然能输送到火把烟囱, 在这种情况下逆止阀将立即关闭。通过使用旁路, 在切 换阀万一出现重大故障时煤气不回收也可能继续炼钢, 回收的气流将被逆止阀隔离。水封逆止阀的下游有一 个 V 型阀。V 型阀的作用是为了防止煤气回收罐的气 体倒灌回水封逆止阀管道。 转换到煤气回收后, 用氮气清通火把烟囱。 整个自动化控制系统按照气体净化及煤气回收的 工艺流程, 分为: 喷淋冷却塔, 环缝控制装置, 水汽分离 器装置, 液压站, OG 风机, 气体分析仪站, 阀站及煤气放 散燃烧塔, 煤气回收装置。其中环缝控制装置与 OG 风 机是整个气体净化中至关重要的主设备之一。 本系统上位机设置工程师站和操作员站, 是一个单 用户系统。组态监控软件采用 PCS7 V7.0PCS7 软件是 西门子公司为实现全集成自动化(TIA)而推出的典型核 心产品, 它为用户提供了极大的方便, 用户在单一个平 台上就可以实现物流, 生产, 企划及过程控制。

图4

控制系统架构图

3

控制系统构成
整个气体净化系统组成: 1. 三套 S7400PLC,由工业以太网连接,构成了过程

工厂自动化,每套 S7 400PLC 负责控制一个转炉的除尘 系统。考虑到整个除尘系统的信号点数多, 信号处理速 度要快,于是采用了 417 - 4CPU,这是一款高性能的处 理器,它处理每条二进制指令的时间小于 0.018 微秒,自 带 30MB RAM(程序与数据各为 15MB),用于高速度处
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过程控制实现

4.1 CIS-CK 功能块库

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CI S- CK 库的使用是此气体净化系统的最大亮点, 也是相比较其它的系统集成商的最大优点之一。CI SCK 库是西门子工业解决方案集团集成在全世界多个复 杂工程的数十年经验基础上开发出来的一套完整的功 能块库, 它可以广泛用于金属, 冶炼, 造纸, 航运, 海洋石 油,水处理等许多领域。PCS7 软件自身已经提供了一套 标准的功能块库, 但是这套标准库远远不能满足现场的 实际需要, 尤其对于特定的行业特定的设备控制。 CIS-CK 功能块库的特点: ◆ CIS -CK 功能块库主要分为两大类, 技术功能 块与基本功能块, 技术功能块分成驱动, 平衡装载控制, 位置控制及仪器数据采集与 PID 控制等。基本功能块分 为数学逻辑运算, I O 驱动, 通信, 数据类型转换, P L C 系 统功能及诊断等。 ◆ 技术功能块( 驱动, 测量及控制功能) 由不同的 独立的小功能块灵活组成, 不再像 PCS7 提供的标准块 那样, 一个功能块控制一种类型的设备。这样做的目的 可大大提高编写程序的灵活性, 并且节约系统资源。 C I S - C K 库相关功能块有一个或几个共用的结构变量 (例如 EXT_CTRL,INT_LINK,EXT_MODE,CROSS),各 个小功能块通过这个结构变量将各自的逻辑运算出来 再汇总到这个结构变量中, 如下图所示 [ 1 ] :

图6

功能块逻辑图

每个功能块只负责独立的功能逻辑处理, 例如马达 的运行时间功能块(FB_OPH)负责处理电机马达的运行时 间与维修停机时间的记录,运行模式功能块(FB_OPMO)负 责自动 / 手动, 就地 / 远程控制源选取, 诊断功能块 (FB_DIAG)用于监控马达的内部 / 外部各种故障及控制 器出现的故障,可视化与信息报警功能块(DRIV_401)用于 在 HMI 人机界面上显示电机的控制对话框及各种来自 现场的报警信息。功能块的结构变量内部仅仅连接所需 要的功能接口,这将减少大量的 WINCC 节点数并且改善 PCS7 所耗用的 PC 资源,每个内部连接自动产生出 HMI 所需要的控制单元。

图7 图5 功能块数据交互示意图


C I S- C K 库功能块公共接口参数 [ 1 ]
C I S - C K 库技术功能块都有一个公共接口参
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数用于决定该功能块的特性, 例如: 马达 / 阀的选取, 输 入信号使用脉冲信号还是连续信号等, 这使得该功能块 功能强大, 能够适应各种使用场合。

风机转速的快慢决定了整个除尘的效果, 为了确保安 全, OG 风机的启 / 停必须在就地操作完成, 不可在上位 机上执行。西门子工业解决方案集团 SVAI 经过长期的 实践经验探索出一套比较合适的 O G 风机转速与炉压 之间关系的数据模型。OG 风机转速的控制使用 PID 速 度控制。

4.2 炉压控制
炉压的大小在转炉炼钢的不同阶段有不同的取值, 在气体回收阶段一般控制在差压大约 15. 6KPa ,炉压的 取样布置如下图。

图 10

HMI 目标值设置人机交互画面

4.4 阀站控制

图8

炉压采样装置图

环缝装置 ZONE 升降由液压站来控制,炉压的大小 取决于 SVAI 环缝装置 ZONE 的位置,整个控制采用 PID 炉压控制,PCS7 程序定义了一个数据块 DB 用于定义不 同炼钢阶段( 进铁水, 添加铝合金, 添加石灰, 吹炼, 倒废 渣, 出钢等) 不同的炉压值, 如图 1 0 所示, 然后在软件中 采用轮询法来提取 PID 炉压控制所需的目标值。

图 11

阀站画面

本阀站共有三通阀, 旁通阀及检修阀, 三通阀用来 控制炉气是流入煤气回收系统还是放散到燃烧塔去燃 烧, 旁通阀用于紧急情况, 一旦三通阀出现故障, 旁通 阀打开, 炉气将从它放散到燃烧塔, 不论在就地模式还 是远程模式下, PL C 程序将严格按照三通阀运行正常,

图9

轮询法程序逻辑图

旁通阀必须关闭, 三通阀出现故障, 旁通阀必须打开的 原则执行。水封逆止阀是一个安全装置, 用于防止煤 气回流到炉气引道管内。阀站的三大阀的开到位, 关

4.3 OG 风机控制
OG 风机转速的控制是整个系统的重点与难点,OG
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到位由接近开关来确定信号, 为 1 表明已到位, 为 0 表 明没到位。 三通阀在下列条件下将自动开到放散位: ◆ ◆ ◆ 检修阀与三通阀开 / 关运行超时( 不到位) 检修阀水位过低 煤气检测仪已经检验车炉气的 CO, H 2 含量已

此系统于 2008 年底开始投入运行,设备运行状态平 稳, 除尘效果良好, 转炉煤气的放散排放量显著减少, 对 周边环境的污染大大减轻,经过除尘后的煤气含尘量能 够控制在低于 10mg/m 3 的水平,转炉煤气的吨钢回收能 力也从原来的平均不足 40m3 提高到现在的 70~80m3。经 济效益显著提升。可见这一项目在梅钢的实施是完全 成功的。

三通阀在下列条件下将自动开到煤气回收位: 经达到用户的要求 ◆ HMI 界面发出煤气回收的命令 ◆ 检修阀与水封逆止阀已打开 每个炉次的结束或者装炉氧枪意外提枪都将有氮 气吹扫三通阀各段管道。

参考文献:
[1] SIEMENS SIMATIC CIS-CK Manual[Z].2008.

作者简介: 刘栋( 1 9 7 6 - ) , 男, 硕士, 工程师, 主要从事自动控

5

运行效果

制项目设计与调试。

(上接第 117 页)

6

变频器参数设定( 表 2 )
表2 变频器参数设定

用西门子公司的 3 T F 系列接触器, 工作电流为 9 0A , 具 体型号: 3 T F 47 22- 0X B0 . 继电器具体型号: 3T H4 0 22 0XB0

8

结束语
PLC 控制和变频调速恒压供水系统投入使用后,完

全能够达到设计要求, 高效节能, 故障低, 调速供水效果 突出, 用户反映良好。同时减少设备损耗, 延长了水泵 和电机的使用寿命. 提高了社会效益。

7

系统各部分的选型
(一) 变频器选型: 通过电机容量选用变频器, 考虑

参考文献:
[ 1 ] 变频调速给水的基本原理[ E B / O L ] . h t t p : / / w w w . askligh t .com /article/ Folder9 / 2 00 7 46 / 6 05 3 4. H t ml. [2] 基于 PLC 的新型变频调速恒压供水系统[EB/OL].http:/ / w w w . au t oo o . n e t / H t m l/ IN V / In v -C as e / 2 0 0 7 -3 / 1 8 / 0731819409.html [3] PLC 及变频调速技术在泵站恒压供水中的应用[EB/OL]. ht tp:/ /ww w.jd37.com/ tech /20 0810 /39 839. html,20 08,1 0. [4] 张燕宾主编.变频调速应用实践[M].北京:机械工业出 版社,2 00 0. [5] 陈勇,陈亚爱主编.电机与拖动基础[M].北京:电子工业 出版社, 2 0 07 , 5 . [6] 西门子 MICROMASTER 440 型产品样本[S].DA51. 2, 20 02 .

安全和余量。采用西门子型号为: 6 S E 6 4 4 0 - 2 A D 3 2 2DA1。功率:22KW.MICROMAST (二) PLC 控制系统及选型:该系统采用三菱 FX2N32ET,I/O 点数为 32 点,继电器输出,PLC 编程采用三菱 PLC 专用编程软件 SWOPC-FX/ WIN-C。 (三) 压力传感器选型: 压力传感器采用昆山双桥 传感器测量技术有限公司. 型号: CYG101 型(低压力传 感器)。量程:0~40~100~400~1000~1600kpa (四) 断路器的选型: 通过电机的功率为 18 . 5 KW 可知,电机额定电流为 36. 1A 一般选取断路器额定电流 为电机的额定电流的 1 . 5 ~ 2 倍为 5 4 . 1 A , 所以选取 Q1~Q3 具体型号:3VL2706-1AE33-0AA0.Q01 (五) 接触器和继电器选型: KM1~ KM6 接触器采

作者简介: 陈成勇( 1 9 7 0 - ) , 男, 助理工程师, 技师, 研究方 向: 变频器和伺服运动等驱动控制。
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