CN111471822A - 一种转炉汽化冷却系统控制方法 - Google Patents

一种转炉汽化冷却系统控制方法 Download PDF

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CN111471822A CN201911340138.5A CN201911340138A CN111471822A CN 111471822 A CN111471822 A CN 111471822A CN 201911340138 A CN201911340138 A CN 201911340138A CN 111471822 A CN111471822 A CN 111471822A
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Abstract

一种转炉汽化冷却系统控制方法，属于炼钢自动化控制技术领域。由冷态模块和炼钢模分开控制实现汽化冷却系统的稳定性。本发明实现汽包液位的稳定所采用的技术方案是通过分段测量，计算出氧枪吹炼过程中各个阶段所需的供水流量来调节汽包的液位控制和除氧器的控制。有效的解决了炼钢吹炼过程中汽包液位波动大除氧效果差的问题，同时很好的满足了炼钢的生产节奏，提高了生产效率。

Description

一种转炉汽化冷却系统控制方法
技术领域
本发明属于炼钢自动化控制技术领域，特别涉及汽化冷却的冷态模块、炼钢模块、汽包液位和除氧器的自动控制方法。
背景技术
转炉汽化冷却系统是炼钢中的重要组成部分，转炉汽化冷却系统稳定安全的运行是保证炼钢转炉正常生产的重要条件之一。由于实际炼钢的复杂性，汽化冷却系统会暴露出很多问题。如液位控制不准确，管道内部氧化腐蚀、堵塞严重，蒸汽回收不充分。
转炉在吹炼期间，罩裙给汽包的热量增加，导致汽包中的除盐水大量汽化，使水位虚假增高；另一方面由于出口蒸汽流量的突然增加也会造成汽包内压力的下降，使得汽包的蒸汽量突然增多，水位也会上升造成虚假液位。水位偏低时，汽包内除盐水冷沫变多，膨胀变大烟道管束内易结垢。水位偏高时，在转炉吹炼期间，水位迅速升高，上涨至汽水分离板下部病猛烈撞击汽水分离板。一但发生上述情况，会造成蒸汽的湿度增大。严重的时候回引发蒸汽输出管道水击事故。对于汽化冷却的液位控制目前最常用的是三冲量调节。但是三冲量调节需要精准的参数，给实际工程带来很大的难度，实际应用并不能满足现场需求。
转炉汽化冷却系统除氧器中的除盐水溶解一定的氧气、二氧化碳及微量的氢等气体，其中二氧化碳及氧气的存在容易引起转炉汽化冷却系统的管网，泵组及汽包等设备内部的腐蚀，氧气的存在是腐蚀的主要原因。除氧器在生产过程中要控制水温和除氧器的温度，任何气体在水中的溶解度取决于水温和压力，水温越高气体的溶解度就越小.。大多数的汽化冷却系统在控制温度和压力的同时，往往忽视了除氧器除盐水的入口流量大小的控制，使得除氧器除氧效果不理想。汽化冷却系统长期受到腐蚀，会减少设备的寿命，还会造成管道的堵塞和受热不均引起的爆管漏水事故。因此，解决除氧器除氧问题是汽化冷却系统安全高效运行的重要工作。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种汽化冷却系统的自动控制方法。从冷态模块、炼钢模块、汽包液位和除氧器入手实现汽化冷却系统的全自动控制。
本发明由冷态模块和炼钢模块分开控制实现汽化冷却系统的稳定性。本发明实现汽包液位的稳定所采用的技术方案是通过分段测量，计算出氧枪吹炼过程中各个阶段所需的供水流量来调节汽包的液位控制和除氧器的控制。有效的解决了炼钢吹炼过程中汽包液位波动大除氧效果差的问题，同时很好的满足了炼钢的生产节奏，提高了生产效率。工艺步骤为：
一种转炉汽化冷却系统控制方法包括组态汽包液位控制模块、除氧气控制模块、冷态模块和炼钢模块。
所述的组态汽包液位智能控制模块包括液位标准化和液位智能补水，详细步骤如下：步骤一、对汽包液位的进行标准化，汽包的真实液位的方程式如下：
Figure RE-GDA0002519268900000021
其中，h为当前测量出的沸水液位值，hs为测量点之间的距离(喷嘴距离)，ρw为当前压力下沸水的密度，ρw1为设计压力下沸水的密度，ρd为当前压力下饱和蒸汽的密度，ρd1为设计压力下的饱和蒸汽密度；
公式说明
hs为汽包液位的量程为2000mm；
ρw为当前压力下沸水的密度通过饱和水的物性参数表计算，经过自定义功能块转换出计算压力下的沸水密度。
ρd当前压力下饱和蒸汽的密度通过饱和水蒸气的物性参数计算，经过自定义功能块转换出计算压力下饱和蒸汽的密度。
步骤二、对两台变频给水泵进行控制一台作为主泵，一台作为备用泵，在生产期间经过自定义功能使供水压力始终大于汽包压力；当主泵的供水压力不大于汽包压力并且持续一定时间，主泵保持当前的频率并启动备用泵；两个变频泵在手动模式是设最低运行频率，防止操作工误操作使供水压力不够导致报警提枪；
步骤二、汽包水位智能控制，当开始吹炼时，先固定设定值保持给水流量不变，一段时间后供水量根据水位切换不同的设定值，汽包液位能够得到和好的控制，汽包设计三个液位，汽包中的隔板将汽包分成一个高液位、两个低液位；
步骤四、吹炼分段供水量设定值得确定方法依据：
先找出吹炼过程中平均产生的蒸汽量т，平均补水量＝蒸汽量，
Figure RE-GDA0002519268900000022
其中，
蒸汽吨钢量
Figure RE-GDA0002519268900000023
每炉钢的钢水重量β＝200t；
氧气吨钢量г＝45m3；
正常吹炼氧气流量设定值λ，流量设定值λ＝42000m3/h；
步骤五、根据不同情况控制汽包补水量：
情况一：氧枪吹炼初期30s内，汽包中的温度较低，蒸发量较少，补水量设定值<平均补水量；
情况二：氧枪吹炼初期30s-60s之间，汽包中的温度升高，蒸发量较多，补水量设定值>平均补水量；
情况三：氧枪吹炼期间，在吹炼开始60s后，应以汽包液位判断补水量，汽包液位太高会引起报警提枪；液位距离报警提枪液位高度大于设定距离时，，增大供水量；当液位距离报警提枪液位高度等于设定距离时，液位过高将补水流量减小到平均补水流量以下，用以降低液位；以液位高度距离报警提枪液位高度近于设定距离时,自动关补水阀；
步骤六、初步确定在吹炼过程中，汽包的液位周期：
氧阀开，启动定时器1和定时器2，定时器2时间结束后，以液位作为确定供水调节阀设定值的依据具体如下所示：
定时器1(0-30秒)结束后，设定值为60吨/小时。
定时器2(30-60秒)结束后，设定值为105吨/小时。
水平限值H1＝300毫米时设定值达到145吨/小时。
水平限值H2＝400毫米设定值达到100吨/小时。
水平限值H3＝500毫米设定值达到65吨/小时。
水平限值H4＝600毫米供水调节阀关闭。
氧阀关，立即关闭供水调节阀。
氧阀关闭5分钟后，判断汽包的低液位，如果液位大于设定高液位时，汽包排污阀自动打开，汽包液位低于设定正常液位时，自动关闭。如果液位低于最低吹氧液位供水调节阀以一定的流量供水，当液位大于等于正常停止供水。
所述的除氧器安装两个液位,液位能够切换，保证除氧器选取的液位始终正常；
所述的除氧器主要包括液位控制和除氧控制。液位补水调节阀通供水流量间接控制除氧器的液位,当除氧器液位小于正常液位时，补水调节阀流量以一定的设定值补水，当除氧器流量大于正常液位时，补水调节阀流量设定值为0t/h。根据除氧器蒸汽入口调节阀的除氧能力确定补水流量。
所述的除氧器设一个排污阀，只有在非吹炼的时候打开或者关闭，当除氧器液位大于高报警液位700mm时，排污阀自动打开，当除氧器液位正常时650mm除氧器自动关闭。
所述的除氧器的除氧过程需要控制除氧器内部压力。用一个除氧器蒸汽入口调节阀和一个除氧器放散调节阀共同调节除氧器的压力。
所述的冷态模块炼钢模块冷态模块是炼钢前的准备阶段，汽包和除氧器中无水，通过该模式实现给除氧器和汽包自动灌水，使汽包和除氧器的液位、高压循环泵、低压循环泵、给水泵等设备运转正常，使汽化冷却系统符合，炼钢条件。
所述的冷态模块开工完成，符合条件后方可进入炼钢模块。
所述的炼钢模块是正常生产炼钢阶段，在此阶段实现汽包液位分段控制，和除氧器的压力及液位等控制。
本发明有益效果：
本发明是用于转炉汽化冷却系统过程的自动控制，以汽包补调节阀、汽包排污阀、汽包放散阀、除氧器补水阀、除氧器蒸汽入口调节阀、除氧器放散阀、除氧器排污阀为控制对象从汽包液位分段控制，除氧器除氧效果，除氧器液位入手，以实现汽化冷却系统的全自动控制。提高了汽化冷却系统的稳定性，满足了炼钢的生产节奏。
本发明采用液位分段自动控制方案，解决了吹炼过程中汽包液位波动大控制效果不理想的问题，最大限度的避免了人为干预，减轻操作员的工作强度，实现了汽包液位的精准控制。
本发明给水泵在生产期间在自动模式下经过自定义功能使供水压力始终大于汽包压力 0.5MPa。既能达到供水效果，又能达到节能目的。
本发明通过对除氧器的压力控制和除氧器补水流量的控制，实现了理想的除氧效果。
具体实施方式
本发明提供一种汽化冷却系统的自动控制方法。采用冷态模块和炼钢模块分开控制，实现汽化冷却系统的不同阶段的不同控制。液位控制采用分段自动控制方案，汽包供水采用变频压力差补水控制。除氧器的压力控制用一个蒸汽入口调节阀和一个除氧器蒸汽出口放散调节阀实现，除氧器补水流量的控制通过除氧器补水调节阀实现。下面以一个具体的炼钢转炉汽化冷却系统为实例详细说明对其化冷却系统的自动控制的全过程。下面详细说明整个实施过程的具体步骤。
1.安装并组态所需的控制硬件、软件和以太网等。
2.组态汽包液位智能控制内容：包括液位标准化和液位智能补水，HMI上画液面标准化按钮，按钮底色为绿时汽包液位正在进行标准化，为灰颜色是汽包液位未进行标准化。详细步骤如下。
(1)对汽包液位的进行标准化，编写功能块。由于吹炼过程中释放大量的热量，汽包压力温度变化较大，且产生大量气泡。测量值必须跟据当前汽包压力进行校正。，将当前压力下沸水的密度和当前压力下饱和蒸汽的密度算出，再将工艺提供的值代入以下方程算出汽包的实际液位：
Figure RE-GDA0002519268900000051
h当前测量出的沸水液位值；
hs测量点之间的距离(喷嘴距离)；
ρw当前压力下沸水的密度；
ρw1设计压力下沸水的密度；
ρd当前压力下饱和蒸汽的密度；
ρd1设计压力下的饱和蒸汽密度；
Hs为汽包液位的量程为2000mm；
ρw(当前压力下沸水的密度)通过饱和水的物性参数，经过自定义功能块转换出计算压力下的沸水密度。
ρw1(设计压力下沸水的密度)值为791.94；
ρd(当前压力下饱和蒸汽的密度)通过饱和水蒸汽的物性参数，经过自定义功能块转换出计算压力下饱和蒸汽的密度。
ρd1(设计压力下的饱和蒸汽密度)值为21.74。
(2)用以太网连接施耐德变频器并通过GSD文件在PLC中组态变频器，用两台变频给水泵进行补水。一台作为主泵，一台作为备用泵。在生产期间在自动模式下经过自定义功能使供水压力始终大于汽包压力0.5MPa。这样既能达到供水效果，又能达到节能目的。当主泵的供水压力不大于汽包压力0.5MPa并且持续时间大于40秒，主泵保持当前的频率并启动备用泵。变频泵在手动模式是设最低运行频率20HZ,防止操作工误操作使供水压力不够导致吹炼期间报警提枪。
(3)汽包水位智能控制。汽包液位设3个液位，一个高液位两个低液位。汽包液位量程为-1000mm-+1000mm。根据经验值先固定设定值保持给水流量不变。一段时间后供水量根据高液位切换不同的设定值。
(4)吹炼分段供水量设定值得确定方法依据：
先找出吹炼过程中平均产生的蒸汽量т。平均补水量＝蒸汽量。
Figure RE-GDA0002519268900000061
公式说明：
根据设计图纸找到蒸汽吨钢量
Figure RE-GDA0002519268900000062
(毎炼一吨钢水产生的蒸汽量)，
蒸汽吨钢量
Figure RE-GDA0002519268900000063
确定每炉钢的钢水重量，钢水重量β＝200t。
根据设计图纸找到氧气吨钢量г(毎炼一吨钢水所需的氧气量)，
氧气吨钢量г＝45m3。
正常吹炼氧气流量设定值λ，流量设定值λ＝42000m3/h。
根据公式
T＝79.3
所以平均补水量＝79.3
在吹炼期间转炉释放大量热量，蒸汽出口流量并不是以恒定的速率流出，一直以平均补水量进行补水并不能很好的控制汽包液位，所以要根据不同情况控制汽包补水量。
情况一：氧枪吹炼初期30s内，汽包中的温度较低，蒸发量较少补水量设定值<平均补水量。补水量设定值＝60t/h。
情况二：氧枪吹炼初期30s-60s之间，汽包中的温度升高，蒸发量较多补水量设定值>平均补水量，补水量设定值＝100t/h。
情况三：氧枪吹炼期间，在吹炼开始60s后，应以汽包液位判断补水量，汽包液位太高会引起报警提枪。只需在汽包液位合理范围内控制补水流量，液位300mm时，距离报警提枪液位高度800mm较远可以增大供水量，补水量设定值＝105t/h。当液位＝报警提枪液位高度- 300mm＝500mm时，液位过高将补水流量减小到平均补水流量以下，用以降低液位，补水量设定值＝60t/h。。以报警提枪液位高度-200mm＝600mm,为自动关补水阀的条件。
在吹炼过程中，汽包的液位周期如下：
氧阀开，启动定时器1和定时器2，定时器2时间结束后，以液位作为确定供水调节阀设定值的依据具体如下所示：
开吹，设定值为60吨/小时。
定时器2(30-60秒)结束后，设定值为100吨/小时。
水平限值H1＝300毫米时设定值达到105吨/小时。
水平限值H2＝400毫米设定值达到100吨/小时。
水平限值H3＝500毫米设定值达到60吨/小时。
水平限值H4＝600毫米供水调节阀关闭。
氧阀关，立即关闭供水调节阀。
序号 区间判断 补水流量设定
1 开吹T1 60
2 T2(30S-60S) 100
3 汽包液位300mm 105
4 汽包液位400mm 100
5 汽包液位500mm 60
6 汽包液位600mm 0
表1液位分段控制
通过实验汽包液位在吹炼期间用以上策略补水，能过保持液位稳定。
3.除氧器的控制：除氧器安装两个液位量程为-1100mm-+1100mm,液位能够智能切换，保证除氧器选取的液位始终正常。
(1)除氧器主要包括液位控制和除氧控制。通过补水调节阀用来调节液位，补水调节阀 PID调节液位时，如果以除氧器液位为PV值，直接设定液位为设定值SP＝600mm,虽然能过保持液位高度，但是补水流量太大，水和蒸汽的接触表面积太小，溶解气体的排除速度不够，除氧效果不理想。解决办法：液位补水调节阀通供水流量间接控制除氧器的液位,当除氧器液位小于600mm时补水调节阀流量设定值为22t\h，当除氧器流量大于600mm时，补水调节阀流量设定值为0t\h，此控制既能达到控制液位的效果，又能保证除氧效果。根据除氧器蒸汽入口调节阀的除氧能力确定补水流量的设定值22t\h。
(2)除氧器设一个排污阀只有在非吹炼的时候打开或者关闭，当除氧器液位大于650mm 时，排污阀打开，当除氧器液位小于600时除氧器关闭。
(3)除氧器的除氧过程需要控制除氧器内部压力。用一个除氧器蒸汽入口调节阀和一个除氧器放散调节阀共同调节除氧器的压力，入口调节阀设定值＝300kPa，放散调节阀设定值＝350kPa。
4.冷态模块和炼钢模块
在HMI上建两个按钮(冷态模块、炼钢模块)，点击画面冷态模块按钮，弹出画面后点击进入冷态模块(有弹出窗口进行二次确认)，当自动开工过程中遇到故障，解决完故障以后，按重新启动走步自动进行。
冷态模块：
(1)点击冷态模块开工开始后，所有出口阀全部自动打开，汽包和除氧器的调节阀自动打到100％，除氧器液位调节阀SP＝600mm,压力调节阀SP＝0.3MPa.
(2)除氧器液位到达580mm时，自动关闭低压循环泵和给水泵的出口阀。
(3)汽包高液位到达180mm时，自动关闭高压循环泵的两个出口阀。
(4)汽包高液位到达200mm时，自动启动高压循环泵和低压循环泵，泵启动后延时2s 两个出口阀自动打开。延时10S汽包排污阀自动打开,汽包低液位到达-400mm时自动关闭
(5)开工完成。
炼钢模块：
高压循环泵、高压循环泵出口电动阀、低压循环泵、低压循环泵出口电动阀、给水泵、给水泵出口电动阀全部自动，且运行正常，流量无低报警后，点击“进入炼钢模块”才能进入炼钢模块(炼钢模块按钮变绿)。

Claims (3)

1.一种转炉汽化冷却系统控制方法，其特征在于：该控制方法包括组态汽包液位控制模块、除氧气控制模块、冷态模块和炼钢模块；
所述的组态汽包液位智能控制模块包括液位标准化和液位智能补水，详细步骤如下：
步骤一、对汽包液位的进行标准化，汽包的真实液位的方程式如下：
Figure FDA0002332033750000011
其中，h为当前测量出的沸水液位值，hs为测量点之间的距离，ρw为当前压力下沸水的密度，ρw1为设计压力下沸水的密度，ρd为当前压力下饱和蒸汽的密度，ρd1为设计压力下的饱和蒸汽密度；
步骤二、对两台变频给水泵进行控制一台作为主泵，一台作为备用泵，在生产期间经过自定义功能使供水压力始终大于汽包压力；当主泵的供水压力不大于汽包压力并且持续一定时间，主泵保持当前的频率并启动备用泵；两个变频泵在手动模式是设最低运行频率，防止操作工误操作使供水压力不够导致报警提枪；
步骤三、汽包水位智能控制，当开始吹炼时，先固定设定值保持给水流量不变，一段时间后供水量根据水位切换不同的设定值，汽包液位能够得到和好的控制，汽包设计三个液位，汽包中的隔板将汽包分成一个高液位、两个低液位；
步骤四、吹炼分段供水量设定值得确定方法依据：
先找出吹炼过程中平均产生的蒸汽量т，平均补水量＝蒸汽量，
Figure FDA0002332033750000012
其中，
蒸汽吨钢量
Figure FDA0002332033750000013
每炉钢的钢水重量β＝200t；
氧气吨钢量г＝45m3；
正常吹炼氧气流量设定值λ，流量设定值λ＝42000m3/h；
步骤五、根据不同情况控制汽包补水量：
情况一：氧枪吹炼初期30s内，汽包中的温度较低，蒸发量较少，补水量设定值<平均补水量；
情况二：氧枪吹炼初期30s-60s之间，汽包中的温度升高，蒸发量较多，补水量设定值>平均补水量；
情况三：氧枪吹炼期间，在吹炼开始60s后，应以汽包液位判断补水量，汽包液位太高会引起报警提枪；液位距离报警提枪液位高度大于设定距离时，，增大供水量；当液位距离报警提枪液位高度等于设定距离时，液位过高将补水流量减小到平均补水流量以下，用以降低液位；以液位高度距离报警提枪液位高度近于设定距离时,自动关补水阀；
步骤六、初步确定在吹炼过程中，汽包的液位周期：
氧阀开，启动定时器1和定时器2，定时器2时间结束后，以液位作为确定供水调节阀设定值的依据；
氧阀关，立即关闭供水调节阀；氧阀关闭5分钟后，判断汽包的低液位，如果液位大于设定高液位时，汽包排污阀自动打开，汽包液位低于设定正常液位时，自动关闭；如果液位低于最低吹氧液位供水调节阀以一定的流量供水，当液位大于等于正常停止供水；
所述的除氧器主要包括液位控制和除氧控制；液位补水调节阀通供水流量间接控制除氧器的液位，当除氧器液位小于正常液位时，补水调节阀流量以一定的设定值补水，当除氧器流量大于正常液位时，补水调节阀流量设定值为0t/h；根据除氧器蒸汽入口调节阀的除氧能力确定补水流量；
所述的除氧器设一个排污阀，只有在非吹炼的时候打开或者关闭，当除氧器液位大于高报警液位时，排污阀自动打开，当除氧器液位正常时除氧器自动关闭；
所述的冷态模块炼钢模块冷态模块是炼钢前的准备阶段，汽包和除氧器中无水，通过该模式实现给除氧器和汽包自动灌水，使汽包和除氧器的液位、高压循环泵、低压循环泵、给水泵等设备运转正常，使汽化冷却系统符合，炼钢条件；
所述的冷态模块开工完成，符合条件后方可进入炼钢模块；
所述的炼钢模块是正常生产炼钢阶段，在此阶段实现汽包液位分段控制，和除氧器的压力及液位等控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的以液位作为确定供水调节阀设定值的依据，具体数据如下：
定时器1为0-30秒，设定值为60吨/小时；
定时器2为30-60秒，设定值为105吨/小时；
水平限值H1＝300毫米时设定值达到145吨/小时；
水平限值H2＝400毫米设定值达到100吨/小时；
水平限值H3＝500毫米设定值达到65吨/小时；
水平限值H4＝600毫米供水调节阀关闭。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的除氧器的除氧过程需要控制除氧器内部压力；用一个除氧器蒸汽入口调节阀和一个除氧器放散调节阀共同调节除氧器的压力。
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