AOD电炉烟气余热回收工程PLC控制系统

[摘 要]介绍电炉烟气余热回收的特点，PLC在锅炉控制中应用，实现对锅筒水位等回路的控制

[关键词]AOD炉，烟气余热回收；PLC控制，锅筒液位控制

中图分类号：TF748.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）05-0117-02

前言：钢铁行业作为高耗能产业，中国钢铁业的单位产出能耗与国际先进水平相比，差距在11%左右[1]。其中AOD电炉在生产过程中产生中产生大量的化学热与物理热，随烟气带走的热量占总投入热量的13%～20%[2]。其排出的烟气过程中又含有大量的粉尘需要对电炉的排放进行除尘处理，电炉末端的除尘器进口温度不高于160℃。因此在烟气管道上加装余热锅炉，即可回收多余的热能降低钢材生产能耗，又可满足除尘器工作温度。

1 70tAOD电炉余热回收锅炉概况

1.1 工艺条件

余热利用成套设备：自然循环、双压余热锅炉设备及与其配套的辅机系统。

余热锅爐进口烟气温度：高温烟气平均630℃（最高900℃、最低500℃）。

单台AOD炉烟气流量：110000Nm3/h

烟气含尘量：≤120g/Nm3

烟气CO含量：<3%

锅炉烟气进出方式：上进下出

烟气流向：通过负压作用把AOD炉吹氧期内的烟尘通过水冷烟罩和保温烟道引入余热锅炉的进口（上进），余热锅炉通过辐射和对流换热后烟尘从余热锅炉底部汇聚后排出。

进气机理：余热锅炉进气时间以90分钟为一周期，依次循环，在一周期内，四十五分钟为高温烟气（锅炉可产汽），剩余时间为低温、常温烟气（锅炉无法产汽）。

单套余锅产汽量：≥12t/h

蒸汽压力1.6MPa（分汽缸出口蒸汽压力）

蒸汽性质饱和蒸汽

出废热锅炉装置烟气温度：≤200℃（烟气进口900℃时）

废热锅炉烟气侧阻力损失：≤1000Pa

1.2 蒸汽锅炉系统

热管式余热锅炉是利用电炉高温尾气与热管换热器进行辐射对流换热，将锅炉内的水转化成饱和蒸汽，进行废弃热能的回收，同时也可以保证除尘器的正常工作，实现环保减排（图1）。

2 余热回收PLC系统

本控制系统需要对50多个模拟量输入点进行监控，并有10个调节回路；并有150多个DIO点，需要对多个水泵以及阀门进行开关控制。低中压汽包与蓄热器分别布置在厂房的两侧，相距距离较远，所以需要分布式布置。综合以上的需求，本系统选用SiemensS7-300系列315-2PNCPU模块，扩展配置了ET200控制器。这样系统预留了以太网接口，方便以后将全厂子系统进行组网，数据监控。

该系统以PLC为控制核心，用仪表采集数据，通过调节阀和变频器实现自动调节的过程，包括中压锅筒水位控制、中压锅筒压力控制、除氧器温度控制、除氧器水位控制、低压锅筒水位控制等。如用双室平衡容器配差压变送器作为测量仪表，将锅筒水位转换成电信号，传至PLC模拟量输入模块经过信号处理及中压锅筒液位调节PI运算，输出电信号给中压锅筒变频器，控制锅筒水位。

2.1 锅炉水位PID调节

AOD炉余热锅炉进气时间以90分钟为一周期，依次循环，在一周期内，四十五分钟为高温烟气（平均630℃，最高900℃、最低500℃），剩余时间为低温、常温烟气（锅炉无法产汽）。在生产过程当中，温度变化很大、汽包的产气量极不稳定，因此锅炉液位容易产生不规律的变化并且伴随着锅炉虚假液位的现象的出现。

2.2 锅炉水位是锅炉控制的重要运行指标，水位过低或者过高都会对生产安全产生影响；水位过低使锅炉内的汽水循环破坏，造成汽包内的水全部汽化，最终损毁锅炉；水位过高会影响汽包内的汽水分离器的工作，继而影响产出水蒸汽的含水量与产出蒸汽的品质，并对后续用汽设备造成影响。将锅炉水位控制在锅筒中心±15mm的区域，可以使锅筒功能最稳定及最大化，稳定的储气、供气、稳定的汽水循环，并且给水可以相对稳定以及减少虚假水位现象的发生。

2.3 锅筒给水采用变频器控制水泵来实现。通过调节变频器的频率来控制水泵转速，实时调节水泵的流量，来最终控制锅筒的水位。由于在生产周期内锅炉来的烟气量和烟气温度有巨大的波动，锅筒的水位调节又具有一定的延时性和惯性，在热负荷阶跃性波动时，会因为虚假水位现象不能立即反应出真实锅筒液位。所以需要根据锅筒的进水量和蒸汽流量设计一套三冲量液位控制系统。

2.4 冲量是指调节器接受的被调量的信号。本系统的锅筒水位三冲量调节系统是由锅筒液位、蒸汽流量、锅筒给水流量及控制器和执行器组成的系统，一个带有前馈信号的串级控制系统，液位控制器作为主调节器、流量控制器作为副调节器。由副调节器对因热负荷变化产生的虚假液位进行修正；这样因为热负荷变化产生的对调节回路形成的干扰，在蒸汽流量的副调节回路的补偿下会改善外部扰动时。副调节器的作用是快速的消除烟气温度变化时虚假液位造成进水量变化的扰动，副变量的引入是控制系统对负荷变化、蒸汽量突变有这较强的抗干扰的能力。当热负荷变化，在烟气温度升高且进水量不变情况下，虽然产气量增大，但是由于锅炉换热管升温汽水循环量增大，水中含汽量升高，锅筒的液位反而变高。引入蒸汽流量作为前馈信号，是液位在不变化或者虚假显示的情况下，是给水流量做出相应的调整，防止虚假液位造成的控制器误动作（图2）。

2.5 通过分析发现，调节器的输入为：a×（汽包液位设定值-汽包液位测量值）+b×（主蒸汽流量-给水流量）。实际运行中由于各种扰动的影响。给水流域和主蒸汽流量几乎不可能相等。为此，采用在三冲量基础上的串级控制方案。如由于副调节器的作用，我们的控制方案较好地消除了静差。endprint

3 鍋筒水位测量

在整套余热回收系统中，水位是至关重要的参数。准确、可靠的测量汽包水位，使水位控制在合理的范围内，对整套AOD炉烟气余热回收系统稳定、安全的运行有着十分重要的意义。

在锅筒液位测量方式上有多种方式，电接点液位计、差压式水位计、电容式液位计及磁翻柱液位计。差压式水位计是通过把水位高度的变化转换压力差的变化，通过压力差值来反应出锅筒中的水位。双室平衡容器配差压变送器主要是用在要求较高的重要设备汽包水位的测量。其正压室的水被管外的负压水冷凝水包围，因此参照水柱的温度恒等于汽包内的饱和水温度；照水柱的温度几乎不受环境温度的影，可减少因正负压室不同水温造成密度不同而造成的测量误差。双室平衡容器中负压室中的水柱为参考水位，在使用之前将其注满之后，液位恒定不变；正压室与锅筒连通，正压室中的水位随锅筒中的水位升降而变化。通过差压变送器将测量出的差压转换成4～20mA信号，在送到PLC中去监控、控制水位。

差压式液位计测量公式如下：

H=g×L-△P×g

H：汽包内水位

L：参照水柱高度

g：重力加速度

△P：差压变送器测量的差压值

双室平衡容器是一种具有一定自我补偿能力的锅筒水位测量装置。这种能力主要体现在当锅筒中的水位越接近于0（平衡容器中心），其输出的差压受汽包压力变化的影响越小，因此对汽包水位测量的偏差越小。毫无疑问，双室平衡容器特性由其自身结构决定的，又称之为固有补偿特性（图3）。[3]

由于锅筒液位测量的复杂性及重要性，所以在本项目中我们选用了双室平衡容器配差压变送器的测量方式。

4 结束语

生产实践表明，在AOD炉烟气回收系统中，PLC控制系统自投运以来软硬件表现可靠，系统安全稳定的自动运行。控制目标（包括水位控制）全部达到预期的效果。a）水位控制精度达到±15mm，汽包压力±0.05Mpa。b）节能效果显著，年产蒸汽150000吨，按蒸汽180元/吨，年创造效益2700万元。AOD电炉既达到了环保排放标准，保护环境，又节约能源，创造了效益。