趙有福  石義偉  李 高  童榮斌

（昆鋼新區(qū)自動(dòng)化部）

摘要:干法除塵是轉(zhuǎn)爐的關(guān)鍵設(shè)備，一旦出現(xiàn)問(wèn)題將造成轉(zhuǎn)爐停產(chǎn)。通過(guò)對(duì)煉鋼廠干法除塵控制系統(tǒng)發(fā)生的故障進(jìn)行分析，查找故障原因，針對(duì)存在的問(wèn)題制訂整改措施。對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)施優(yōu)化改造，實(shí)現(xiàn)了新增一臺(tái)變頻器對(duì)已投運(yùn)的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻器完成備用切換，裝置出現(xiàn)故障時(shí)可任意切換替代其中的一臺(tái)裝置，保障風(fēng)機(jī)設(shè)備的連續(xù)有效運(yùn)行，有效降低了故障停機(jī)時(shí)間。

關(guān)鍵詞: 干法除塵；風(fēng)機(jī)；變頻器；控制系統(tǒng)；改造

1  前言

干法除塵系統(tǒng)是轉(zhuǎn)爐的關(guān)鍵設(shè)備，一旦出現(xiàn)問(wèn)題將造成轉(zhuǎn)爐停產(chǎn)。昆鋼新區(qū)煉鋼廠，配置兩座120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，每座轉(zhuǎn)爐均配置煤氣干法凈化及回收除塵系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱干法除塵）一套，由于新區(qū)分公司為“一罐到底”連續(xù)作業(yè)的生產(chǎn)方式，一旦轉(zhuǎn)爐停產(chǎn)，煉鐵廠生產(chǎn)的鐵水無(wú)法正常冶煉，必然迫使上游煉鐵廠封堵鐵口減產(chǎn)及大量鑄鐵，影響高爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。下游棒材廠及型材廠由于煉鋼轉(zhuǎn)爐停產(chǎn)又造成原料不足無(wú)法正常生產(chǎn)，對(duì)新區(qū)的生產(chǎn)組織影響較大。2013年5月由于干法除塵系統(tǒng)電機(jī)故障，造成2^#轉(zhuǎn)爐停產(chǎn)達(dá)118.5小時(shí)，嚴(yán)重影響新區(qū)的生產(chǎn)組織工作。所以對(duì)干法除塵控制系統(tǒng)進(jìn)行分析找準(zhǔn)問(wèn)題實(shí)施優(yōu)化改造勢(shì)在必行。

2  干法除塵控制系統(tǒng)故障分析

2.1  干法除塵控制系統(tǒng)概述

在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中，氧氣和碳之間反應(yīng)產(chǎn)生含有高濃度CO的高溫廢氣，俗稱荒煤氣，是一種含塵氣體。轉(zhuǎn)爐煤氣干法凈化及回收除塵系統(tǒng)是對(duì)轉(zhuǎn)爐荒煤氣進(jìn)行處理，利用引風(fēng)機(jī)把荒煤氣送到冷卻及凈化回收系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)荒煤氣的冷卻及凈化，回收含有CO的氣體，實(shí)現(xiàn)負(fù)能煉鋼。同時(shí)，生產(chǎn)時(shí)必須同步啟用除塵系統(tǒng)，否則生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的煤氣大量聚集，極易引發(fā)中毒、爆炸等安全事故。轉(zhuǎn)爐干法除塵控制系統(tǒng)由除塵主工藝線控制系統(tǒng)、煙氣放散點(diǎn)火燃燒裝置控制系統(tǒng)及煙氣成分分析控制系統(tǒng)三部分組成。除塵主工藝線控制系統(tǒng)由PLC主站、引風(fēng)機(jī)變頻器、現(xiàn)場(chǎng)的I/O遠(yuǎn)程站及操作室HMI操作站、電氣室工程師站等設(shè)備組成。

2.2  故障分析

根據(jù)對(duì)新區(qū)煉鋼控制系統(tǒng)投產(chǎn)兩年以來(lái)的故障情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)除塵系統(tǒng)占轉(zhuǎn)爐故障的50%，除塵風(fēng)機(jī)故障又占到除塵系統(tǒng)故障的50%，分析故障原因如下：

1）變頻器過(guò)電流、過(guò)載、電機(jī)過(guò)溫等故障，主要原因是機(jī)械卡阻或風(fēng)機(jī)電機(jī)故障，如電機(jī)匝間短路或電機(jī)接地（可修理，更換電機(jī)需要20小時(shí)）。

2）變頻器報(bào)故障F07902（矢量控制模式下，系統(tǒng)辨識(shí)電機(jī)處于停轉(zhuǎn)的時(shí)間超過(guò)了設(shè)定值）。這類故障主要原因是與變頻器連接的編碼器故障，如線路短路、開路、編碼器松動(dòng)或編碼器損壞（可修理，處理時(shí)間4小時(shí)）。

3）變頻器故障，如通訊故障、DRIVE-CLiQ通訊錯(cuò)誤等，主要原因是通訊電纜短路、開路或接觸不良（可修理，處理時(shí)間3小時(shí)）。

4）變頻器存在一個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)是投產(chǎn)以來(lái)處于無(wú)備件狀態(tài)，一旦功率單元出現(xiàn)問(wèn)題，通常采用更換備件來(lái)排除故障，處理時(shí)間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以上處理故障的時(shí)間。經(jīng)過(guò)與西門子公司技術(shù)人員咨詢，G150型變頻器具有獨(dú)特性，為整體成套設(shè)備，不提供單件設(shè)備備件。根據(jù)存在的制約因素，綜合分析，我們需要對(duì)干法除塵風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的獨(dú)特性和重要性重新進(jìn)行評(píng)估，解決備件不完善帶來(lái)的較大風(fēng)險(xiǎn)。

2.3  優(yōu)化思路

在進(jìn)行主要故障分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)易出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)，電機(jī)及編碼器均已準(zhǔn)備備件，但最關(guān)鍵的設(shè)備變頻器無(wú)備件，一旦出現(xiàn)大的問(wèn)題將非常被動(dòng)。通過(guò)調(diào)查分析，目前現(xiàn)場(chǎng)已應(yīng)用兩臺(tái)西門子6SL3710-2GH41-4AA3 型G150變頻傳動(dòng)柜，額定電壓690V，額定電流1 360 A，額定功率為1 350 kW，兩臺(tái)變頻器各由一臺(tái)整流變壓器提供電能，變頻裝置具備12脈沖整流功能，每臺(tái)變頻器各驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)，型號(hào)為3-MOT．1LA4 454-4AM90-Z，額定電壓690 V，額定電流1000 A、額定功率1020 kW，額定頻率77.5 Hz，額定轉(zhuǎn)速2318轉(zhuǎn)/分，為西門子雙繞組變頻調(diào)速電機(jī)。每臺(tái)變頻器控制一臺(tái)引風(fēng)機(jī)各對(duì)應(yīng)一座轉(zhuǎn)爐使用。

優(yōu)化改造通過(guò)增加一套西門子6SL3710-2GH41-4AA3 型G150變頻傳動(dòng)柜、一套雙路電源切換柜、一臺(tái)整流變壓器及相應(yīng)控制系統(tǒng)作為對(duì)已投運(yùn)的兩臺(tái)G150型變頻傳動(dòng)柜的備用柜，并建立兩套轉(zhuǎn)爐干法除塵S7-400型PLC系統(tǒng)之間的S7通訊，實(shí)現(xiàn)PLC之間的數(shù)據(jù)交換，通過(guò)控制程序的修改優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)備用變頻器切換控制，當(dāng)其中任何一臺(tái)變頻器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以立即啟用備用柜，從而減少故障停機(jī)時(shí)間，保障引風(fēng)機(jī)連續(xù)有效安全運(yùn)行。改造后系統(tǒng)配置情況如圖1所示。

圖 1  改造后系統(tǒng)配置情況

3  優(yōu)化改造實(shí)施

3.1  針對(duì)故障部分采取的措施

根據(jù)發(fā)生的故障，采取了以下措施來(lái)減少故障的發(fā)生或降低故障可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

1）針對(duì)電機(jī)故障，我們通過(guò)定期檢查、保養(yǎng)電機(jī)來(lái)減少故障，并準(zhǔn)備一臺(tái)備用電機(jī)來(lái)降低故障帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

2）針對(duì)編碼器故障，我們通過(guò)定期檢修，檢查維護(hù)編碼器線路，對(duì)編碼器安裝緊固情況進(jìn)行檢查來(lái)減少故障發(fā)生，并準(zhǔn)備了一臺(tái)編碼器備件。

3）是針對(duì)所發(fā)生的變頻器故障，通過(guò)檢查緊固通訊電纜，更換DRIVE-CLiQ通訊電纜等來(lái)解決故障。

3.2  新增部分的實(shí)施

3.2.1 新增G150變頻傳動(dòng)裝置

現(xiàn)場(chǎng)已應(yīng)用兩臺(tái)G150變頻器，改造中新增一套西門子6SL3710-2GH41-4AA3 型G150變頻傳動(dòng)裝置。備用變頻器輸出到電源切換柜，通過(guò)雙路電源切換開關(guān)選擇驅(qū)動(dòng)一臺(tái)雙繞組電機(jī)。

啟動(dòng)方式為風(fēng)機(jī)完全停機(jī)后再啟動(dòng)或風(fēng)機(jī)未完全停機(jī)的捕捉再啟動(dòng)。捕捉再啟動(dòng)的設(shè)置在“Functions”菜單下，“Flying-restart”下拉列表中選擇“^[1] Flying restart always active(start in set point direction)”選項(xiàng)，使用自動(dòng)捕捉再啟動(dòng)方式在設(shè)定值方向啟動(dòng)系統(tǒng)。該功能允許將變頻器連接到正在旋轉(zhuǎn)的電機(jī)。

捕捉再啟動(dòng)功能是在變頻器啟動(dòng)時(shí)，先檢測(cè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度，然后變頻器根據(jù)檢測(cè)結(jié)果輸出一個(gè)與電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向匹配的頻率啟動(dòng)電機(jī)，檢測(cè)后再調(diào)整，通過(guò)快速改變變頻器的輸出頻率，直至與電機(jī)實(shí)際速度同步，從而將變頻器接到仍在旋轉(zhuǎn)的電機(jī)上，隨后電機(jī)采用上升斜坡時(shí)間運(yùn)行至設(shè)定值^[1]。在電機(jī)可能仍在旋轉(zhuǎn)（例如瞬時(shí)斷電、變頻器故障）或者可能由負(fù)載驅(qū)動(dòng)的情況下必須使用捕捉再啟動(dòng)功能。因?yàn)閱?dòng)電機(jī)時(shí)磁通必須預(yù)先建立并相應(yīng)設(shè)置電機(jī)速度的開環(huán)/閉環(huán)控制，不使用捕捉再啟動(dòng)功能會(huì)導(dǎo)致過(guò)電流故障跳閘，或者由于負(fù)載過(guò)電壓、過(guò)電流、機(jī)械沖擊過(guò)大而損壞設(shè)備。

3.2.2 新增電源切換柜

輸出電源切換柜主要由兩臺(tái)雙路電源切換開關(guān)和控制電路組成。雙路電源開關(guān)具備機(jī)械聯(lián)鎖功能，每臺(tái)風(fēng)機(jī)電機(jī)只能在原有的變頻器和備用變頻器之間選擇一臺(tái)作為驅(qū)動(dòng)電源。電源切換柜轉(zhuǎn)換開關(guān)共有三個(gè)選擇檔位，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇位置1時(shí)，設(shè)置為“M1正常供電”，此時(shí)選擇原來(lái)的風(fēng)機(jī)變頻器供電。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇位置2時(shí)，設(shè)置為“M1電源斷開”，電源切換開關(guān)轉(zhuǎn)到中間位置，此時(shí)沒(méi)有選擇變頻器供電。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇位置3時(shí)，設(shè)置為“M1備用供電”，電源切換開關(guān)備用電源供電位置接通，此時(shí)選擇備用變頻器供電。兩臺(tái)風(fēng)機(jī)之間的備用供電開關(guān)位置通過(guò)繼電器設(shè)置電氣聯(lián)鎖，備用變頻器只能選擇為其中一臺(tái)除塵風(fēng)機(jī)供電。電源切換開關(guān)的位置狀態(tài)接入到PLC進(jìn)行判斷和處理。

3.3  控制程序修改優(yōu)化

3.3.1 硬件組態(tài)

首先對(duì)新增的備用變頻器進(jìn)行硬件組態(tài)，設(shè)置為3^#變頻器，組態(tài)到1^#除塵S7-400PLC中，如圖2所示。需要轉(zhuǎn)換為替換2^#除塵風(fēng)機(jī)變頻器時(shí)，2^#除塵PLC通過(guò)與1^#除塵PLC通訊來(lái)控制3^#變頻器。

圖 2  3^#變頻器進(jìn)行硬件組態(tài)

3.3.2 建立PLC之間的S7通訊

通過(guò)建立兩套轉(zhuǎn)爐干法除塵S7-400型PLC系統(tǒng)之間的S7通訊，實(shí)現(xiàn)PLC之間的數(shù)據(jù)交換，用于切換開關(guān)位置判斷，根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)兩套PLC系統(tǒng)對(duì)3^#變頻器的控制，并把3^#變頻器的運(yùn)行狀態(tài)反饋到兩套PLC系統(tǒng)。S7 通訊（S7-communication）主要用于S7-400/400、S7-400/300 PLC之間的通訊，是S7 系列PLC 基于 MPI、PROFIBUS 和工業(yè)以太網(wǎng)的一種優(yōu)化的通訊協(xié)議^[2]。

3.3.3 控制功能修改完善

當(dāng)其中一臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻器故障停機(jī)后，故障信號(hào)傳送到PLC。維護(hù)人員確認(rèn)是變頻器故障后，在傳動(dòng)室現(xiàn)場(chǎng)切換備用變頻器切換開關(guān)后，由操作工在人機(jī)界面上選擇啟用備用變頻器，PLC經(jīng)過(guò)對(duì)主變頻器狀態(tài)、備用變頻器狀態(tài)及切換柜位置信號(hào)判斷無(wú)誤后，通過(guò)操作畫面選擇和操作，啟動(dòng)備用變頻器運(yùn)行。

1）電源切換開關(guān)選擇判斷

（1）當(dāng)1^#變頻器電源切換開關(guān)置于“M1正常供電” 位置，并且沒(méi)有選擇使用3^#變頻器控制1^#除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)時(shí)，選擇使用1^#變頻器控制1^#除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)。

（2）當(dāng)1^#變頻器電源切換開關(guān)置于“M1備用供電” 位置，并且沒(méi)有選擇使用1^#變頻器控制1^#電機(jī)和3^#變頻器控制2^#除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)時(shí)，選擇使用3^#變頻器控制1^#除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)。

（3）當(dāng)2^#變頻器電源切換開關(guān)置于“M2正常供電” 位置，并且沒(méi)有選擇使用3^#變頻器控制2^#除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)時(shí)，選擇使用2^#變頻器控制2^#除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)。

（4）當(dāng)2^#變頻器電源切換開關(guān)置于“M2備用供電” 位置，并且沒(méi)有選擇使用2^#變頻器控制2^#電機(jī)和3^#變頻器控制1^#除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)時(shí)，選擇使用3^#變頻器控制2^#除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)。

2）操作畫面選擇

當(dāng)在傳動(dòng)柜現(xiàn)場(chǎng)電源切換開關(guān)轉(zhuǎn)換后，還需要操作人員在操作畫面上選擇確認(rèn)相應(yīng)的變頻器。現(xiàn)場(chǎng)切換開關(guān)切換后，開關(guān)位置信號(hào)傳送到控制程序，并在操作畫面上顯示現(xiàn)場(chǎng)選擇的是哪一臺(tái)變頻器，然后由操作人員通過(guò)畫面上的轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇確認(rèn)。操作畫面選擇后，在控制程序中進(jìn)行相應(yīng)修改，當(dāng)電源切換開關(guān)位置正確、變頻器無(wú)故障并且變頻器準(zhǔn)備好后，允許操作人員進(jìn)行合閘操作。

3）變頻器控制程序修改

改造后，可以使用1^#變頻器或新增的3^#變頻器控制1^#除塵風(fēng)機(jī)。當(dāng)選擇為1^#變頻器控制1^#電機(jī)時(shí)，1^#變頻器地址為“W^#16^#2B0”，1^#除塵系統(tǒng)控制程序把控制字及速度設(shè)定傳送給1^#變頻器，同時(shí)把1^#變頻器的狀態(tài)字讀取到控制程序進(jìn)行控制、計(jì)算，并傳送到操作畫面上顯示。控制程序如圖3所示。

圖 3  1^#變頻器控制1^#電機(jī)控制程序

當(dāng)選擇為3^#變頻器控制1^#電機(jī)時(shí)，3^#變頻器地址為“W^#16^#2CC”，1^#除塵系統(tǒng)控制程序把控制字及速度設(shè)定傳送給3^#變頻器，同時(shí)把3#變頻器的狀態(tài)字讀取到控制程序進(jìn)行控制、計(jì)算，并傳送到操作畫面上顯示。

改造后，也可以使用原2^#變頻器或新增的3^#變頻器控制2^#除塵風(fēng)機(jī)，2^#除塵風(fēng)機(jī)控制流程圖如圖4所示。

圖 4  2^#除塵風(fēng)機(jī)控制流程圖

當(dāng)選擇為2^#變頻器控制2^#電機(jī)時(shí)，2^#變頻器地址為“W^#16^#2B0”，2^#除塵系統(tǒng)PLC把控制字及速度設(shè)定傳送給2^#變頻器，同時(shí)把2^#變頻器的狀態(tài)字讀取到控制程序進(jìn)行控制、計(jì)算，并傳送到操作畫面上顯示。

當(dāng)選擇為3^#變頻器控制2^#電機(jī)時(shí)，3^#變頻器地址為“W^#16^#2CC”，2^#除塵系統(tǒng)PLC把控制字及速度設(shè)定通過(guò)通訊傳送到1^#除塵系統(tǒng)PLC，再通過(guò)1^#除塵系統(tǒng)PLC把控制字及速度設(shè)定傳送給3^#變頻器，同時(shí)1^#除塵系統(tǒng)PLC把3^#變頻器的狀態(tài)字讀取到控制程序，再通過(guò)通訊發(fā)送給2^#除塵系統(tǒng)PLC進(jìn)行控制、計(jì)算，并傳送到操作畫面上顯示。

4  實(shí)施效果

4.1  優(yōu)化改造后達(dá)到的效果

通過(guò)以上改造，實(shí)現(xiàn)了新增3#變頻器對(duì)已投運(yùn)的1^#、2^#變頻器的備用切換，當(dāng)其中任何一臺(tái)變頻器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以立即啟用備用變頻器，減少故障停機(jī)時(shí)間。

4.2  經(jīng)濟(jì)效益分析

若該設(shè)備發(fā)生故障，造成轉(zhuǎn)爐不能正常煉鋼，煤氣不能正常回收，修復(fù)該故障至少需要1天。因轉(zhuǎn)爐不能運(yùn)行造成的煤氣回收損失，鐵水鑄鐵損耗，上游煉鐵、燒結(jié)減產(chǎn)損失，下游棒材、型材影響生產(chǎn)等綜合損失為550元/噸，每爐容量150噸，每天平均煉鋼15爐，避免一次故障的效益為150噸×15爐×550元＝123.75萬(wàn)元。

5  結(jié)語(yǔ)

干法除塵控制系統(tǒng)優(yōu)化改造后，通過(guò)增加一套變頻傳動(dòng)裝置、一套雙路電源切換柜以及對(duì)相應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，實(shí)現(xiàn)變頻裝置在線切換和兩套轉(zhuǎn)爐干法除塵系統(tǒng)之間的通訊控制功能，新增一臺(tái)變頻器對(duì)已投運(yùn)的兩臺(tái)G150變頻器完成備用切換。對(duì)維護(hù)和操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，熟練掌握備用裝置的切換流程，定期進(jìn)行備用裝置切換操作，對(duì)轉(zhuǎn)為備用的裝置進(jìn)行檢修，保證備用設(shè)備處于正常待機(jī)狀態(tài)。工作中加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的點(diǎn)巡檢，發(fā)現(xiàn)隱患后不等到變頻器故障停機(jī)，合理利用轉(zhuǎn)爐吹煉的間隙時(shí)間，維護(hù)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，與操作人員聯(lián)系好后快速切換，避免故障擴(kuò)大或生產(chǎn)過(guò)程中故障停機(jī)影響生產(chǎn)，保障風(fēng)機(jī)設(shè)備的連續(xù)有效運(yùn)行，有效降低了故障停機(jī)時(shí)間。由于干法除塵系統(tǒng)與轉(zhuǎn)爐冶煉工藝及操作之間聯(lián)系密切、相輔相成、互為保證，因此還需要除塵系統(tǒng)與轉(zhuǎn)爐有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，規(guī)范操作流程，提高設(shè)備管理水平，保證系統(tǒng)穩(wěn)定順行，充分發(fā)揮干法除塵系統(tǒng)環(huán)保、節(jié)能、降耗的優(yōu)勢(shì)，降低生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)

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