李曉賓

摘要：本文介紹了山東萊鋼并流蓄熱式MAERZ石灰窯使用西門子S7-400 PLC系統(tǒng)實現(xiàn)并流蓄熱式MAERZ石灰窯原料成品系統(tǒng)、窯本體系統(tǒng)、煤氣混合及加壓系統(tǒng)、助燃空氣系統(tǒng)、廢氣排出系統(tǒng)的自動化控制。

關鍵詞：并流蓄熱式；西門子PLC；自動控制

萊鋼并流蓄熱式MAERZ石灰窯是萊鋼大型冶金輔料項目的主體，是以高爐和焦爐的混合煤氣為燃料，30mm-70mm的優(yōu)質石灰石為原料，煅燒低活性石灰的裝備。石灰窯系統(tǒng)的生產(chǎn)過程采用西門子PLC系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制，以及使用WINCC軟件監(jiān)控與石灰窯操作有關的所有檢測系統(tǒng)和設備運行，自投入運行以來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，操作維護方便，為冶金輔料的正常生產(chǎn)提供了可靠的保證。

1.工藝描述

萊鋼并流蓄熱式MAERZ石灰窯使用了先進的工藝，全部實現(xiàn)了原料成品系統(tǒng)、窯本體系統(tǒng)、煤氣混合及加壓系統(tǒng)、助燃空氣系統(tǒng)、廢氣排出系統(tǒng)的自動化控制。同時MAERZ石灰窯采用并z`流蓄熱式方式，即兩個窯筒輪流加熱、蓄熱、裝出料，熱能利用充分，大大提高了成品石灰的活性。

1.1原料成品系統(tǒng)

原料系統(tǒng)由以下幾個部分組成：原料運進、貯存、篩分、合格料入窯、碎石灰石外運等。為了保證石灰石的煅燒質量，在每個貯倉的下面設置有篩分裝置進行篩分，這樣石灰石經(jīng)篩分后分成兩種粒級：30-80mm的篩上料和30mm以下的碎料，碎料由膠帶機運送到碎料倉中，篩上料由傳送皮帶送至窯的上料小車，在由小車將石灰石供應給窯筒頂部的卸料料斗，按照要求進行給料。

成品系統(tǒng)由成品運轉、貯存、制粉、風送組成。燒好的石灰在窯底部經(jīng)震動給料機均勻下到兩條傳送皮帶上，經(jīng)篩分后運到石灰倉，石灰倉上設有兩個破碎機，大于3mm的石灰運到破碎機繼續(xù)破碎，小于3mm的送到粉灰倉中貯存。

1.2窯本體系統(tǒng)

窯本體主要由窯殼和耐火內襯組成。一個窯本體分為兩個窯筒，采用并流蓄熱式方式，即兩個窯筒輪流加熱、蓄熱、裝出料兩窯筒的功能（煅燒和蓄熱）交替互換，兩個窯筒的作用也隨之互換。

1.3燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)通過助燃風機鼓風使經(jīng)過煤氣混合和加壓后的煤氣與空氣按照一定的比例混合，并進行充分的燃燒。該石灰窯為雙筒豎窯，煅燒石灰為兩筒交替進行，因此石灰窯的操作過程是：煅燒→停窯→加出料→換向→點火煅燒的循環(huán)過程。

1.4廢氣排出系統(tǒng)設計

廢氣排出系統(tǒng)所包括的設備有除塵器和廢氣管道。廢氣風機用于石灰窯煅燒時產(chǎn)生的廢氣排出的動力源，風機的流量為165000m3/h，風壓3300kPa。廢氣溫度為180°C。風機用電機為變頻調速，通過它可以調節(jié)廢氣流量。在生產(chǎn)過程中廢氣流經(jīng)過換向閥，經(jīng)廢氣除塵器和廢氣風機和煙囪從窯頂排出。在煅燒石灰時，廢氣只從排氣筒排出，在停窯時，窯頂廢氣管路均為開啟，以使定部窯筒內處于負壓狀態(tài)，免除窯頂廢氣外泄。

2.系統(tǒng)配置

萊鋼并流蓄熱式MAERZ石灰窯自動控制系統(tǒng)采用Siemens STEP7系列PLC硬件組成基礎自動化系統(tǒng)，上位機采用工控機，配置20英寸TFT；采用WINCC監(jiān)控軟件，Windows 2000作為系統(tǒng)平臺界面，組成計算機化的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)人機通訊；編程器采用IBM筆記本?？刂普九c站之間采用Profibus總線進行通訊，控制器與上位機之間采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊。

整個控制系統(tǒng)有3套西門子S7-400 PLC，來完成原料成品系統(tǒng)、窯本體系統(tǒng)、煤氣混合及加壓系統(tǒng)、助燃空氣系統(tǒng)的自動化控制。1套西門子S7-200 PLC系統(tǒng)完成廢氣排出系統(tǒng)的自動化控制功能。其中每套PLC系統(tǒng)中都只有一塊CPU模板，與西門子軟件兼容，通過電纜連接IM通訊模板完成遠程I/O點與CPU的通訊功能。

在軟件方面，它使用以太網(wǎng) TCP/IP協(xié)議與操作員站、工程師站以及其它的組成部分完成外部通訊。在硬件方面 采用環(huán)網(wǎng)通訊，每一個系統(tǒng)有一個尾纖盒，通過光纖進行通訊，采用環(huán)網(wǎng)通訊的好處是當其中的某一條連接系統(tǒng)的光纖出現(xiàn)故障時，操作站可以通過選擇其他路徑訪問系統(tǒng)，使通訊不受影響。

3.系統(tǒng)控制功能實現(xiàn)

根據(jù)以上生產(chǎn)工藝概述可知，萊鋼并流蓄熱式MAERZ石灰窯自動控制系統(tǒng)主要由原料成品系統(tǒng)、窯本體系統(tǒng)、煤氣混合及加壓系統(tǒng)、助燃空氣系統(tǒng)和廢氣排出系統(tǒng)組成。因為MAERZ石灰窯采用并流蓄熱式方式，即兩個窯筒輪流加熱、蓄熱、裝出料，所以本系統(tǒng)的難點在于煤氣混合、加壓以及助燃空氣系統(tǒng)的自動化控制上。

3.1煤氣混合系統(tǒng)自動化控制功能實現(xiàn)

萊鋼并流蓄熱式MAERZ石灰窯是一個雙輸入（高爐煤氣輸入量、焦爐煤氣輸入量），單輸出（混合煤氣壓力）的多變量系統(tǒng)。由于煤氣變化復雜，不可預見的因素很多，無法得到精確的數(shù)學模型，因此，采用三個單回路閉合系統(tǒng)的PID控制方法。

煤氣混合站采用四個蝶閥的流量配比調節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)混合煤氣的壓力和兩種煤氣流量的配比，進行自動調節(jié)，其方法是保持兩種煤氣的體積混合比和混合后的壓力不變。

系統(tǒng)的動作原理簡述如下： 在每組需混合的煤氣管道上，為使兩種不同發(fā)熱量的煤氣流量成一定的比例及保持混合后煤氣壓力的穩(wěn)定，設有一套壓力調節(jié)裝置T1和兩套壓差調節(jié)裝置T2和T3。在焦爐煤氣和高爐煤氣管道上各裝有兩個蝶閥。其中蝶閥b和蝶閥c具有相同的流量特性，即在保持蝶閥前后壓差恒定的條件下，蝶閥的相對開度和蝶閥的相對流量之間的關系相同。通過選擇蝶閥b和c的直徑可以達到此要求。當?shù)yb和c同步運行以保持開度相同，并用壓差調節(jié)裝置以保持蝶閥b和c前后壓差恒定時，便可實現(xiàn)通過兩個蝶閥的煤氣流量比例不變。

四個蝶閥調節(jié)系統(tǒng)的動作過程是： 當用戶減量時，混合煤氣壓力偏離給定值，壓力調節(jié)器T1輸出改變，作用于執(zhí)行機構，使蝶閥a關小，減少高爐煤氣流量。這時，蝶閥b上的壓差變小，此信號使壓差調節(jié)器T2的輸出改變，作用于執(zhí)行機構，使蝶閥b關小，直至蝶閥b上的壓差恢復到原來的給定值為止。由于蝶閥b和c系同步運行，因此在蝶閥b關小的同時，蝶閥c也關小，而壓差變大。此信號使壓差調節(jié)器T3的輸出改變，作用于執(zhí)行機構，使蝶閥d關小，直至蝶閥d上的壓差恢復到原來的給定值為止。這樣，蝶閥a 、b 、 c和d都因用戶的減量而關小，但是兩煤氣的流量配比卻依然保持不變。四個蝶閥調節(jié)系統(tǒng)的特點是調節(jié)性能穩(wěn)定，操作可靠，既有穩(wěn)壓的作用，又有調比的作用。如圖1所示：

（1）ΔPb.ΔPc壓差設定值為400Pa

（2）流量配比達到：高爐煤氣：焦爐煤氣=2：1

目標：讓P恒定，ΔP也恒定，若F減小，導致ΔP變大，所以將a閥關小，導致ΔPb變小，將b閥關小，使ΔPb恢復成設定值。同時c關小，導致ΔPc變大，所以控制將d閥關小，直至ΔPc恢復成設定值。

3.2煤氣加壓系統(tǒng)自動化控制功能實現(xiàn)

萊鋼并流蓄熱式MAERZ石灰窯設計了3臺加壓機，兩用一備。加壓機電機均采用變頻電機以使風機可以調節(jié)煤氣流量。 正常工作時，1#，2# 加壓機處于正常運轉狀態(tài)，并且它們的進出口管道閥門及附件也都處于開啟狀態(tài)，但由于3#加壓機是備用機，因此它及其進出口管道的閥門、附件都處于關閉狀態(tài)。當1#或2#加壓機檢修時，3#加壓機開始運轉，其進出口管道的閥門、附件及手動蝶閥也同時打開。

由于MAERZ石灰窯為雙筒并流式豎窯，兩個窯筒各有一套煤氣燃燒系統(tǒng)，煅燒石灰是兩個窯體交替進行，間隔時間為12-15分鐘，交換時有1分鐘時間停止向石灰窯供煤氣，這一分鐘時間內要求高壓煤氣回流到煤氣主管中。因此，當窯處于交換狀態(tài)時，主管道上氣動蝶閥打開，通向窯體的氣動蝶閥關閉。當石灰窯檢修時，則加壓機全部停止，其進出口管道閥門關閉。

3.3燃燒系統(tǒng)自動化控制功能

MAERZ石灰窯采用并流蓄熱式方式，如圖1所示，每隔12分鐘換向一次，在第一個燃燒周期，燃燒空氣從窯筒1的頂部進入，在風機的抽力下向下流動，同時被熱得石灰石預熱。在到達煅燒段時，與此處噴槍輸送來的煤氣混合，接觸到赤熱的石灰石立即燃燒，空氣和煤氣的混合物一邊燃燒一邊與石灰向下移動，這個過程稱為并流煅燒。同時生成的石灰進入冷卻段，從窯底供入的石灰冷卻空氣將石灰冷卻到100攝氏度以下時，石灰從窯底卸出。冷卻空氣被石灰加熱后上升到連接通道處，與燃燒廢氣混合進入窯筒2。

進入窯筒2的混合氣體在廢氣除塵風機作用下，上升穿過煅燒帶進入預熱帶，將剛裝入的石灰石進行預熱。把熱量釋放給石灰石后混合氣體溫度降低，從窯頂廢氣管經(jīng)除塵系統(tǒng)后從煙囪排出。一個周期完成后，各種氣體停止流動，相應的設備開始換向，換向時間40-50秒，換向期間石灰從每個窯筒底部卸出。正常生產(chǎn)時，兩個窯筒交替裝料，而燒好的石灰均勻連續(xù)地由兩個窯筒卸出。

助燃空氣的流向取決于助燃空氣管道上換向閥的閥板位置。助燃空氣通過Φ864換向閥進入兩臺Φ1220換向閥，其中一臺Φ1220換向閥的上口是關閉狀態(tài)，助燃空氣進入煅燒窯筒，此時另一臺Φ1220換向閥的側口是關閉狀態(tài)，助燃空氣無法進入。在停窯換向時，Φ864換向閥的上口關閉空氣放散。Φ1220換向閥對于助燃空氣是關閉的，窯頂?shù)臒煔饨?jīng)過Φ1220換向閥排出。

助燃空氣量的計算：

CO+1/2O2=CO2 H2+1/2O2=H2O CH4+2O2=CO2+2H2O

為了使煤氣充分燃燒，并考慮安全操作，取空氣過剩系數(shù)11%，實際生產(chǎn)時，煤氣量根據(jù)實際熱值計算，燃燒空氣量要根據(jù)煤氣的可燃成分和用量來計算。

燃燒空氣量==（CO占煤氣中體積數(shù)/2+ H2占煤氣中體積數(shù)/2+ CH4占煤氣中體積數(shù)/2）×（每期耗量/小時）×（1/氧氣占空氣分數(shù)×空氣過剩率）

考慮到每小時換向時間約為5分鐘，以環(huán)境溫度250C，海拔高度111米修正風機風量：Ve=燃燒空氣量×（60/55） ×（1.013/1.000） ×（298/273）

在實際操作中，還要根據(jù)大氣溫度、壓力修正計算風機風量。

調節(jié)過量的空氣系數(shù)，它在某種程度上控制燃燒空氣的量，這使兩個豎窯內沿燃燒區(qū)的溫度均勻分布（通常，Maerz PFR石灰窯燃燒區(qū)的溫度在燃燒區(qū)的任何點應為約950C。太多的過量空氣導致燃燒區(qū)上部的燃燒溫度太高，這很危險，因為它可能導致塊形成，并損壞燒嘴噴槍，噴槍保護箱和耐火襯里。過量空氣太少導致通道溫度高或離開氣體的一氧化碳含量高，這也很危險，因為它可能導致窯通道的溫度太高，廢氣管道或布袋收塵室的一氧化碳排放過高或有爆炸危險。在窯運行期間，仔細觀察安裝在窯連接通道中的光學高溫計溫度讀數(shù)，從而確定過量空氣的正確值。

4.結束語

綜上所述，該控制系統(tǒng)在大型冶金輔料的實際應用中，性能穩(wěn)定可靠，網(wǎng)絡技術較成熟，能夠滿足生產(chǎn)的需要。