煤粉流量计在高炉喷煤系统中的应用
0 前言
高炉喷煤就是从高炉风口向炉内直接喷吹磨细了的无烟煤粉、烟煤粉或两者的混合煤粉,以代替部分焦炭提供热量和还原剂。高炉喷煤后,可以扩展风口前的回旋区,缩小呆滞区;可以降低风口前的理论燃烧温度,有利于提高风温使用水平和富氧鼓风;可以改善高炉炉缸的工作状态,有利于高炉的稳定顺行。高炉喷煤成为高炉炼铁系统结构优化的核心。
煤粉计量结果既决定着喷煤操作及设备配置的形式,又是高炉操作人员掌握和了解喷煤效果,并根据炉况变化实施调节的重要依据。如何对各风口支管喷煤流量加以检测和控制,对喷煤流量计进行深入的研究,就显得非常必要。
1 煤粉流量计的测量原理
1.1 气固两相流测量的基本原理
煤粉在管道内气固两相流动过程中,其离散相的尺寸、空间分布和流动状态是随机变化的,利用气固两相电学特性,介电常数的随机变化对电容探头极板施加电场的随机调制作用,造成电容探头电容量的随机变化,电容探头电容量的变化不仅与气固两相混合物中两相流体的体积流量百分比有关,而且与离散相的局部浓度有关[1]。通过对电容探头检测到的流动噪声信号进入深入分析,发现流动噪声信号对时间的变化率与被测两相流体中离散相的质量流量之间有确定关系。因此,在一定条件下可以根据流动噪声信号对时间变化率的幅度分析和频谱分析,确定气固两相流中离散相质量流量的大小。
1.2 电容测头的电容量变化与时间的变化率
当气固两相流流过电容测头的敏感体积时,测头的电容量C(t)将随着流体中离散相浓度η(t)的变化而产生相应变化,即
c(t)=f[η(t)][2]
一般C(t)与η(t)之间为非线性关系均方根输出电压信号与质量流量成比例,与离散相的介电常数和密度有关。
2 煤粉流量计在高炉喷煤系统中的应用
2.1 煤粉流量计在高炉喷煤系统中的应用
在高炉喷吹自动控制系统中,将煤粉流量计作为控制系统的控制依据,效果很好。
喷煤量的调节,是喷吹控制系统的关键。喷煤量的大小,是根据高炉炉况的不同而需不断地变化,而它又与罐压及补气量有密切的关系。在没有采用喷煤流量计的控制系统中,多是手动设定喷吹罐的压力,并根据喷煤罐重的减少量近似地计算出一个流量,再以它作为PID调节的实际流量值PV。在控制系统中,PV的值是一个不确切的数值,将它与喷煤量设定值SV的差值作为控制依据,必然会产生较大的误差,使补气调节阀的开度不能较好地适应喷煤量的需要。
采用煤粉流量计后,可以确切地计量出气体中实际的煤粉质量,以它作为PID调节的实际值的输入,进行喷煤量的回路控制。
由于各喷煤系统设备的不同,煤粉流量计的具体应用也有些差别,但最根本的还是它的PID控制。在常规PID控制中,变更设定值时,设定值与测量体之间的偏差会出现瞬间突变抖动。这种抖动的微分运算输出变化剧烈,使整个控制系统产生微分冲击,不利于控制系统的稳定。为了消除这种现象,使微分运算对喷煤量的设定值变动不起作用,单对测量值的变化产生微分超前控制作用,在喷煤量的回路控制中,采用了微分先行PID,又叫追值控制PID,即PI-D控制。将煤粉流量计的测量信号输入至PLC的模拟量输入模板,经模板处理后,转换为数字量信号PV,将操作人员在上位机设定的小时喷煤量SV及煤粉流量的测量值PV输入下位机控制软件的PID功能块,定义相应的比例带P、积分时间常数TI、微分时间常数TD等参数,PID块的输出,则为控制操作信号输出MV,经PLC模拟量输出模板输出为4~20mA的标准信号去直接控制补气调节阀的启闭。
拉氏变换象函数表达式:
式中:SV(S)与PV(S)― 小时煤量设定值与煤粉流量实际值;
MV(S)― PID调节输出的控制操作信号;
S― 拉氏运算子;
P与T1― 比例带(%)与积分时间;
TD与kD― 微分时间与微分增益。
在计算机自动控制系统中,也可以将喷吹罐罐压引入喷煤量回路控制中,采用串级回路控制。采用煤粉流量计的喷煤自动控制系统,能够实现完全的计算机自动控制,大大减轻了操作人员的工作量,满足连续、稳定、大喷吹量的要求。
2.2 单支管煤粉流量计在安钢高炉喷煤系统的应用
从1995年9月,安钢5×350m3高炉先后开始喷吹煤粉。高炉经过由不适应到适应的探索阶段后,高炉喷煤节能降耗、提高产量的技术优势逐渐显现出来。尤其通过对喷煤控制系统的改造和浓相输煤、喷煤技术的开发与应用,通过原燃料条件、高炉冶炼强度和操作技术水平的整体提高,高炉各项技术经济指标得到全面优化。
由于炉前煤粉分配器对应高炉12个风口的12根喷枪支管,距离每一个风口的长度不同,而且差别很大,导致每个风口的喷煤量不同,尤其是距离分配器最远与最近的风口处差别最为悬殊,给高炉炉况的顺行造成一定影响。
如何采取措施保证每根喷煤支管的流量、浓度均匀,保证高炉炉况长期稳定顺行成为当务之急。通过调整进入各支管的吹扫风量,改变各支管内气固两相流的流速和煤粉的浓度,可以起到一定的作用;通过优化煤粉分配器各支管与12个风口之间的组合,即把离高炉最近的喷煤支管连接到离分配器最远的风口,把离高炉最远的喷煤支管连接到离分配器最近的风口,实行“远”“近”搭配组合,使每根喷煤支管的当量长度基本相等,也可以起到一定的作用。但这些方法都必须由专人不间断地观察各风口处煤粉的燃烧情况,随时加大或者减少各支管的流化风量才能够实现,完全依靠操作人员的经验判断和手动调节,所以都不太可靠不太理想。最终,还是通过把单支管煤粉流量计安装到分配器的12根喷煤支管,实现各支管流量与浓度的在线自动检测和调节以后,才较好地解决了使每个风口均匀喷煤的难题。
2.3 煤粉流量计的误差分析和应用效果
2.3.1 误差分析
在单位时间内,将12根喷煤支管上所安装12个单支管煤粉流量计的累计煤粉量,与喷煤罐在对应时间内所减少的量相比较,分析煤粉流量计的误差和相对误差值,从而判断其测量的准确度。表1为5号高炉连续10天的煤粉流量计的累计煤粉量与喷煤罐称重值对比情况。
表1 煤粉流量计的累计量与喷煤罐称重值对比 t
测量组 累计值 称重值 累计值 称重值 A 137.6 139.1 139.5 136.3 B 135.1 136.8 137.4 138.5 C 139.9 136.3 139.2 138.6 D 137.4 139.2 136.7 137.4 E 135.7 138.3 136.3 137.1
由表1可以计算出,这10天喷煤量的平均误差为1.76t,最大误差为3.6t;平均相对误差为1.3%,最大相对误差为2.64%,小于5%。这说明煤粉流量计的测量精度比较高,完全可以满足高炉喷煤生产的需要。
2.3.2 应用效果
使用煤粉流量计后,高炉喷煤自动控制系统控制效果好。煤粉调节均匀、稳定,操作人员可以根据系统控制信号,很方便地调整喷煤罐压力、补气量,从而有效地避免输煤管道、喷煤支管堵煤和堵枪事故的发生,风口前煤粉燃烧均匀,保证了高炉炉况的稳定顺行,明显地提高了产量、风温使用水平及煤气利用率。
3 结束语
1)电容探头式流量计适用于气固两相流中固体介质流量的测定,而且测量精度较高;
2)高炉喷煤量的调节,可以通过粗调和精调相结合的方式来实现。但能否实现的关键还在于煤粉流量计计量结果是否准确以及喷煤自动控制系统的PID控制模型设计;
3)煤粉流量计在高炉喷煤系统,特别是在计算机自动控制中,具有广泛的推广应用价值。
4 参考文献
[1] 康文进.我国高炉喷煤计量工艺改进的设想.钢铁,1992,14(10):8~10
[2] Helm,A.H,Fluid P0wer Tr0ubleshoothing,Murce Dekker,Lnc,1995.126~135