姜開(kāi)林

（銅陵有色股份有限公司金冠銅業(yè)分公司，安徽銅陵244100）

銅陵有色股份有限公司金冠銅業(yè)分公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)金冠銅業(yè)）奧爐工程是銅陵有色銅冶煉工藝技術(shù)升級(jí)改造項(xiàng)目，該工程采用銅精礦配料—圓盤(pán)制粒—富氧頂吹熔池熔煉—智能數(shù)控吹煉—回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐精煉—PC電解精煉的銅冶煉工藝。冶煉煙氣制酸采用二轉(zhuǎn)二吸工藝+離子液脫硫工藝，冶煉環(huán)集煙氣經(jīng)布袋除塵后，采用離子液脫硫+鈉堿法脫硫工藝。奧爐工程于2015年設(shè)計(jì)，2018年正式投料，實(shí)現(xiàn)當(dāng)年投產(chǎn)、當(dāng)年盈利的佳績(jī)[1-3]。

1 奧爐工程典型工況下煙氣組分

奧爐工程硫酸系統(tǒng)采用二轉(zhuǎn)二吸工藝流程，典型工況下煙氣組分見(jiàn)表1。

表1 奧爐工程典型工況下煙氣組分

工況點(diǎn)1煙氣風(fēng)量247 271 m3/h，工況點(diǎn)2煙氣風(fēng)量224 791 m3/h，工況點(diǎn)3煙氣風(fēng)量144 273 m3/h，工況點(diǎn)4煙氣風(fēng)量139 120 m3/h，工況點(diǎn)5煙氣風(fēng)量92 402 m3/h。

金冠銅業(yè)奧爐工程硫酸系統(tǒng)最大煙氣量組合為奧爐+吹煉爐造渣期+側(cè)吹爐氧化期；最小煙氣量組合為奧爐+吹煉爐高排風(fēng)機(jī)抽入空氣（吹煉爐工藝停風(fēng)，高排風(fēng)機(jī)入口漏入空氣取經(jīng)驗(yàn)值2×104m3/h）；最大硫酸產(chǎn)量（高濃度SO2）組合為奧爐+吹煉爐造銅期+側(cè)吹爐氧化期；最小硫酸產(chǎn)量（低濃度SO2）組合為奧爐換槍+吹煉爐造渣2期+側(cè)吹爐還原期。平均煙氣量組合為奧爐+吹煉爐平均煙氣量+側(cè)吹爐平均煙氣量（按主系統(tǒng)工作制度折算）。

2 KKK公司設(shè)計(jì)的SO2控制方法

因煙氣組分需要控制的風(fēng)量范圍較大，僅采用變頻控制或入口導(dǎo)葉控制中的一種調(diào)節(jié)方式很難滿足硫酸風(fēng)量的大范圍控制要求，德國(guó)KKK公司經(jīng)招標(biāo)中標(biāo)，風(fēng)量控制采用變頻與入口導(dǎo)葉聯(lián)合調(diào)節(jié)控制方式，配套提供西門(mén)子PLC S7-1500作為整個(gè)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)。

KKK公司根據(jù)金冠銅業(yè)提供的6種典型情況下煙氣風(fēng)量，設(shè)置變頻器-入口導(dǎo)葉控制方法，采用分層控制方式。由DCS給出0到100%風(fēng)量進(jìn)行控制，通過(guò)PLC控制變頻器限幅，首先將變頻器限幅輸出到92%，再由入口導(dǎo)葉（以下簡(jiǎn)稱(chēng)IGV）根據(jù)需要逐漸從0開(kāi)到100%，然后再調(diào)整。DCS輸出信號(hào)分層控制見(jiàn)表2。

表2 DCS輸出信號(hào)分層控制

KKK公司的PLC接到DCS的4~20 mA信號(hào)進(jìn)行分段控制調(diào)節(jié)風(fēng)量，首先啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，變頻器直接升到1 377 r/min（要求變頻器最低限幅為46 Hz，即1 377/1 500≈92%），調(diào)節(jié)IGV，待DCS輸出到15.9 mA，IGV全部打開(kāi)，DCS輸出繼續(xù)提高，開(kāi)始調(diào)節(jié)變頻器，直到變頻器輸出50 Hz。

3 控制方法的優(yōu)化和改進(jìn)策略

3.1 初步優(yōu)化控制

2018年1月SO2風(fēng)機(jī)安裝到位進(jìn)行調(diào)試，變頻器需要設(shè)置最低限幅，但變頻器自身無(wú)法實(shí)現(xiàn)，采取的解決方案是將PLC輸出到變頻器的信號(hào)送到DCS系統(tǒng)，由DCS系統(tǒng)加限幅器，對(duì)變頻器進(jìn)行控制。由此進(jìn)行了第一次對(duì)控制系統(tǒng)的優(yōu)化。

盡管奧爐設(shè)計(jì)規(guī)模為200 kt/a 電解銅，但SO2風(fēng)機(jī)風(fēng)量是按300 kt/a電解銅規(guī)模進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以前期生產(chǎn)中風(fēng)機(jī)余量較大，奧爐前期最大投料量為120 t/h，SO2風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量最高約83%，大部分時(shí)間低于80%運(yùn)行。KKK公司的控制方法是首先將變頻器啟動(dòng)到92%，基本靠IGV進(jìn)行調(diào)節(jié)，變頻器只有在投料量提高到一定程度時(shí)才調(diào)節(jié)，不僅浪費(fèi)能源，而且整個(gè)控制范圍非常窄。通過(guò)DCS調(diào)整限幅比較方便，為了節(jié)能，同時(shí)使變頻器調(diào)速范圍有所擴(kuò)大，金冠銅業(yè)與KKK技術(shù)調(diào)試人員溝通，PLC的控制不變，通過(guò)對(duì)DCS優(yōu)化控制，將變頻器限幅降低到80%。DCS優(yōu)化控制采用計(jì)算方式進(jìn)行限幅和控制優(yōu)化，按公式(1)計(jì)算：

式中：Y——DCS輸出到變頻器的最終輸出信號(hào)；

A——變頻器的限幅，取0.8；

B——除去限幅后的調(diào)節(jié)范圍，取0.2；

X——PLC輸出到變頻器的控制限幅，0~100%。

按照KKK公司要求，IGV和變頻器最終都由KKK公司的PLC控制，這樣可保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，而KKK公司的PLC程序經(jīng)過(guò)加密，控制參數(shù)不允許修改，只有借助DCS系統(tǒng)的優(yōu)化控制才能向下調(diào)整變頻器限幅。

通過(guò)優(yōu)化控制改造，并通過(guò)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)際調(diào)試，DCS輸出從0到100%，風(fēng)機(jī)一直正常運(yùn)行，軸承振動(dòng)和機(jī)殼振動(dòng)、風(fēng)機(jī)電流、風(fēng)壓等各項(xiàng)指標(biāo)均正常。由于調(diào)試期間，奧爐排風(fēng)機(jī)和轉(zhuǎn)爐排風(fēng)機(jī)不具備開(kāi)啟條件，處于停止?fàn)顟B(tài)，SO2風(fēng)機(jī)只對(duì)本機(jī)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，風(fēng)量無(wú)法達(dá)到最大，后通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化控制的SO2風(fēng)機(jī)控制良好，實(shí)際風(fēng)量最高達(dá)到83%，這樣真正實(shí)現(xiàn)了變頻器控制從92%降低到80%限幅，相對(duì)于KKK公司的風(fēng)機(jī)控制方案，限幅節(jié)約了近10%。以SO2風(fēng)機(jī)電機(jī)功率為5 600 kW計(jì)，1年至少節(jié)約電費(fèi)300萬(wàn)元。

3.2 進(jìn)一步優(yōu)化控制

經(jīng)過(guò)優(yōu)化控制的奧爐SO2風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行一段時(shí)間后，硫酸工藝又提出新需求，風(fēng)機(jī)在奧爐、轉(zhuǎn)爐停風(fēng)后，由于變頻器輸出最低限制為80%，這時(shí)將IGV全部關(guān)閉也有較大的風(fēng)量（實(shí)際上為了保證風(fēng)機(jī)啟動(dòng)需要一定風(fēng)量，IGV并未完全關(guān)閉，而是留有10%開(kāi)度），此時(shí)電機(jī)運(yùn)行功率約為1 000 kW，為了保證凈化和轉(zhuǎn)化工序管道的壓力維持在正常范圍內(nèi)，需要將電除霧器稀釋風(fēng)打開(kāi)到40%左右，方能滿足工藝的管道壓力平衡。由于冷風(fēng)被帶到轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，需要啟動(dòng)開(kāi)工爐，將帶進(jìn)來(lái)的冷風(fēng)加熱到轉(zhuǎn)化層需要的溫度，否則將影響催化劑性能。如果能將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速再降低一些，能夠滿足轉(zhuǎn)化工序和干吸工序之間的內(nèi)部循環(huán)，將不需要再啟動(dòng)開(kāi)工爐，這樣SO2風(fēng)機(jī)不僅節(jié)能，開(kāi)工爐整套系統(tǒng)也無(wú)需開(kāi)啟。由于SO2風(fēng)機(jī)以低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)可能引起風(fēng)機(jī)喘振，所以KKK公司設(shè)計(jì)了變頻器限幅啟動(dòng)，以防止風(fēng)機(jī)喘振。但是SO2風(fēng)機(jī)的電機(jī)和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變比值為2.2，為此，在IGV全開(kāi)的情況下，變頻器在24~26 Hz和30~35 Hz振動(dòng)值較高，尤其是24~26 Hz要盡量避免，至于是否會(huì)喘振，因?yàn)槭腔旌险{(diào)節(jié)，KKK公司并沒(méi)有給出低轉(zhuǎn)速的喘振曲線圖，最終要通過(guò)試驗(yàn)獲知。

變頻器限幅易實(shí)現(xiàn)，但是要將一段控制區(qū)間進(jìn)行屏蔽較為麻煩。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)是在KKK公司的PLC控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的，只要PLC控制系統(tǒng)不作調(diào)整，整個(gè)風(fēng)機(jī)的聯(lián)鎖保護(hù)都在投運(yùn)中，如果在試驗(yàn)時(shí)風(fēng)機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)，風(fēng)機(jī)會(huì)自動(dòng)跳機(jī)，所以試驗(yàn)不會(huì)造成風(fēng)機(jī)損壞。

PLC對(duì)變頻器和IGV分開(kāi)控制，PLC不能改變對(duì)IGV的控制，只能通過(guò)改變DCS對(duì)變頻器的輸入進(jìn)行控制。通過(guò)分析，在DCS系統(tǒng)上采用分段控制（即多線段方法），可以將可能產(chǎn)生風(fēng)機(jī)喘振的區(qū)間屏蔽，從而避免發(fā)生喘振危險(xiǎn)。DCS，PLC信號(hào)分層控制見(jiàn)表3。

表3 DCS、PLC信號(hào)分層控制

PLC輸出到DCS，是KKK公司的PLC輸出對(duì)變頻器的控制，此次優(yōu)化將變頻器限幅在最低20 Hz；變頻輸入值從40%調(diào)節(jié)到100%。PLC輸出的調(diào)節(jié)是0到100%，二者都是線性關(guān)系，通過(guò)分段控制中間將24~27 Hz和30~35 Hz屏蔽，達(dá)到防喘振的目的。

雖然變頻器限幅值下降，但是整個(gè)DCS輸出的控制卻不再呈線性，因?yàn)镻LC對(duì)變頻器的控制是在IGV全部打開(kāi)，即接受到閥門(mén)開(kāi)到位的情況下，才輸出對(duì)變頻器的調(diào)節(jié)控制。限幅值調(diào)整過(guò)低，則IGV調(diào)節(jié)被弱化，當(dāng)IGV輸出最大時(shí)，電機(jī)的電壓只有額定電壓的40%，且IGV調(diào)節(jié)過(guò)快，變頻器調(diào)節(jié)過(guò)慢，這樣DCS輸出的調(diào)節(jié)SO2風(fēng)機(jī)風(fēng)量就變成前面的IGV調(diào)節(jié)過(guò)快，后面的變頻器調(diào)節(jié)過(guò)慢的非線性化控制。所以還需要對(duì)PLC風(fēng)量調(diào)節(jié)信號(hào)進(jìn)行特殊處理，讓輸出到PLC的IGV調(diào)節(jié)得過(guò)慢，調(diào)節(jié)的變頻器調(diào)節(jié)得過(guò)快，風(fēng)量的控制基本呈線性，采用的方法依然是分段控制。DCS輸出到PLC信號(hào)的斜率分段調(diào)整見(jiàn)表4。

表4 DCS輸出到PLC信號(hào)的斜率分段調(diào)整

4 實(shí)踐情況

1）奧爐工程于2018年5月試生產(chǎn)，SO2風(fēng)機(jī)經(jīng)1年試生產(chǎn)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行良好， SO2風(fēng)機(jī)的風(fēng)量目前最大運(yùn)行負(fù)荷在83%左右。奧爐于2019年6月13日開(kāi)始大修，7月7日完成控制系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化控制的程序修改，經(jīng)試驗(yàn)可行后投入運(yùn)行。通過(guò)空載試驗(yàn)證明，風(fēng)機(jī)在變頻器輸出到24~35 Hz時(shí)，雖然程序已做屏蔽，但振動(dòng)值仍較高，最高值甚至達(dá)46 μm，不過(guò)離風(fēng)機(jī)跳機(jī)值還相差較遠(yuǎn)（風(fēng)機(jī)振動(dòng)跳機(jī)值為110 μm）。但在后來(lái)的正式帶負(fù)荷生產(chǎn)中，振動(dòng)值反而下降，最高值只有26 μm。原因是試車(chē)期間SO2風(fēng)機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，風(fēng)機(jī)入口壓力達(dá)不到設(shè)計(jì)值，而生產(chǎn)期間，由于奧爐排風(fēng)機(jī)和轉(zhuǎn)爐排風(fēng)機(jī)有推力作用，SO2風(fēng)機(jī)做功變小，氣流比較均勻，所以SO2風(fēng)機(jī)振動(dòng)值反而比試車(chē)期間小很多。

2）節(jié)能效果明顯。2019年7月14日，SO2風(fēng)機(jī)正式運(yùn)行，風(fēng)機(jī)控制最小流量時(shí)，IGV為0，變頻器輸出功率為254 kW，電流為66 A，電壓為3 708 V，后IGV控制在3%左右，一直維持低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，直到7月17日下午正式投料才提速。查找DCS歷史趨勢(shì)，6月14日SO2停機(jī)前，控制流量輸出為4%，功率為955 kW，電壓為7 463 V，電流為94.8 A，如此比較，每小時(shí)節(jié)能600 kWh。

3）由于SO2風(fēng)機(jī)能夠以極低負(fù)荷運(yùn)行，滿足了轉(zhuǎn)化和干吸工序的內(nèi)部風(fēng)量循環(huán)，使得開(kāi)工爐可以不開(kāi)啟，即使開(kāi)啟也只消耗少量的天然氣，開(kāi)工爐總負(fù)荷為250 kW，因而天然氣使用量也大幅降低。

通過(guò)以上一系列優(yōu)化控制改造，金冠銅業(yè)完成了KKK公司沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的真正的變頻器-IGV的聯(lián)合控制，開(kāi)創(chuàng)了變頻器-IGV聯(lián)合控制的先例，大大拓展了SO2風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍，是硫酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的一種新控制方法。

5 結(jié)語(yǔ)

優(yōu)化控制SO2風(fēng)機(jī)，不僅取得了明顯的節(jié)能效果，而且擴(kuò)展了變頻器-IGV控制領(lǐng)域，為硫酸轉(zhuǎn)化和干吸工序內(nèi)部循環(huán)生產(chǎn)創(chuàng)造先例，具有可操作性。但是該SO2風(fēng)機(jī)系統(tǒng)控制優(yōu)化不是最優(yōu)控制，從變頻器調(diào)速的SO2風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)范圍來(lái)看，20 Hz限幅不是最低，與KKK公司技術(shù)人員交流得知，限幅在10 Hz以上都可以。實(shí)踐證明，25~35 Hz的風(fēng)機(jī)振動(dòng)值最大，如果生產(chǎn)需要的風(fēng)量不在這一范圍，可以做較大屏蔽，以保證風(fēng)機(jī)更平穩(wěn)運(yùn)行。由于風(fēng)機(jī)控制程序受KKK公司的PLC控制限制，不能更改PLC內(nèi)部控制邏輯和參數(shù)，若變頻限幅過(guò)低，就弱化了IGV調(diào)節(jié)作用，最好的優(yōu)化控制方法是DCS輸出0~100%，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡偷礁呱仙葘⒆冾l限幅降得很低（如10 Hz），IGV逐步開(kāi)大調(diào)節(jié)，IGV控制到一定開(kāi)度后保持不變（如IGV開(kāi)度到60%），然后調(diào)節(jié)變頻增加到35 Hz后保持不變，將IGV調(diào)整到100%，再調(diào)節(jié)增大變頻器到50 Hz。這樣IGV-變頻器的調(diào)節(jié)作用均加強(qiáng)，聯(lián)合調(diào)節(jié)的范圍更廣，調(diào)節(jié)期間要考慮屏蔽風(fēng)機(jī)易產(chǎn)生喘振范圍內(nèi)的頻率。由于受KKK公司的PLC加密限制，也許聯(lián)合調(diào)節(jié)將會(huì)成為以后的研究方向。