苑文乾
(中鋼設備有限公司)
摘 要：針對常規的全常開控制模式和部分閥門連鎖控制模式槽下除塵系統存在的問題，通過不斷總結工程設計經驗和現場操作經驗等，設計人員提出了改進型槽下除塵點與工藝設施全連鎖控制方案，并實際應用于某 1 080 m3 高爐工程中。應用表明，相比于全部為常開點的情況，除塵風量明顯降低，節能節電效果顯著。
關鍵詞:高爐；上料；除塵；連鎖
在高爐上料過程中，物料多次轉運及篩分產生大量的礦物粉塵，不僅危害人體健康，而且容易引起工藝設備故障，降低工藝設備使用壽命。完善的除塵系統應當與工藝運行操作緊密聯系，設計合理的除塵操作制度，保證除塵效果的同時，盡量降低系統對于能源的消耗，促進冶金流程向可持續方向發展。
1 槽下工藝及常規除塵系統設計
某 1 080 m3 高爐槽下上料系統槽下篩分配料工藝為分散篩分、分散稱量的工藝流程，采取全常開控制模式。該礦槽共設置燒結礦槽 4 個，球團礦槽 3 個，焦炭槽 4 個，塊礦槽及雜礦槽各1 個，總計 13 個儲礦 ( 焦) 槽。
每個礦 ( 焦) 槽下設置 1 臺環保振動篩。振動篩工作時，同時向碎礦 ( 焦) 膠帶機及稱量漏斗內進料。稱量斗內的物料根據工藝放料要求，向運礦 ( 焦) 膠帶進行卸料。因此，每個礦 ( 焦) 槽分別對應稱量斗除塵點、碎礦 ( 焦) 膠帶受料除塵點及運礦 ( 焦) 膠帶受料除塵點 3處除塵點位，13 個礦 ( 焦) 槽下，總計 39 處除塵點。由于工藝設施分別在地面、3. 700 標高平臺和 7. 000 標高平臺分層布置，因此除塵管道同樣分 3 層布置，各層分別匯總對應除塵點，設手動閥門平衡風量后匯總至除塵主管道，全常開控制模式除塵系統流程見圖 1。
該除塵系統不考慮工藝設施同時工作的影響，所有除塵點僅設置手動閥門進行風量平衡調節。其優點在于: 管路與工藝設施均分層布設，便于管路敷設; 就近接入除塵點，管路較為平順，轉彎少，系統阻力低; 管道內流速較為恒定，除塵管網運行穩定。但實際工藝設施間斷運行，即使工藝設施未工作，除塵點依舊抽吸除塵，導致除塵系統能源消耗較大。
2 除塵點全連鎖控制需解決的問題
2. 1 明確工藝設施工作制度
由于高爐冶煉的不穩定性，上料系統處于不斷動態調整過程中。當高爐冶煉負荷最高時，最多為 5 個礦物振動篩和 3 個焦炭振動篩同時工作; 當高爐生產負荷較低時，僅 1 ～ 3 個振動篩同時工作。同樣，稱量漏斗向運礦 ( 焦) 膠帶卸料的點數在 1 ～ 8 個間變動。直接將手動閥門全部替換為自動化控制閥門，并與對應工藝設施連鎖，會導致系統風量波動，整個除塵系統紊亂。
為了解決這一問題，在實踐中普遍保留一定數量的除塵支管手動閥門，將槽下 30% ～ 60%除塵點閥門更換為自動化控制閥門，并與對應工藝設施進行連鎖控制。此種做法雖然風量波動有所緩解，但是仍然難以滿足各種工況條件下的除塵要求。積灰堵管以及流速過大磨損管道比全常開控制模式除塵系統更為頻繁和普遍。同時為了保證高強度冶煉條件下的除塵效果，除塵設計能力一般為全常開系統的 90% 左右，整個除塵系統能耗降低效果不佳。有些工程將除塵風機電機配套變頻器，經濟地滿足高爐生產負荷較低時的除塵風量。但是，過度降低除塵系統風量，反而增加了管路系統積灰的風險，不及時清理積灰，很可能引發除塵管道垮塌墜落事故。
2. 2 確保抽塵點除塵效果
工藝設施排料瞬間煙氣量大，除塵閥門開啟不及時，容易造成煙氣外逸，污染工作環境。常規連鎖控制方式為稱量斗處除塵支管安裝的自動化控制閥門與振動篩電機進行連鎖，當振動電機收到啟動信號時，該信號同時被閥門接收，此時閥門開啟; 振動電機收到停止信號時，該信號同時被閥門接收，閥門延時若干秒后關閉。運礦(焦) 膠帶受料點處的除塵閥門與稱量漏斗底部排料閘板運行電機連鎖: 排料閥開啟排料時，信號同步傳送至除塵閥門，除塵閥門同步開啟; 排料結束后，排料閥收到關閉信號，除塵閥門同步接收關閉信號，并延時數秒后關閉。
這種連鎖方式信號源明確，連鎖簡單。但是在振動篩啟動瞬間以及排料閘板打開瞬間，產生大量煙塵，而除塵閥門全開需要 15 ～ 20 s，因此仍有煙塵不能被有效捕集而外溢。
2. 3 除塵管網的流量保持平衡
槽下近端與遠端距離百米以上，除塵點阻力損失相差較大。傳統手動全常開控制模式的除塵系統，通過調整除塵支管閥門開度，增加近端除塵支管局部阻力損失，使各支管阻力損失趨于一 致，以達到風量平衡的目的。常規設計中除塵閥門全部與工藝設施連鎖的情況下，當最遠端與最近端工藝設施同時工作時，則對應的除塵閥門同時開啟，必然造成近端除塵支管流量超過設計值，將大量物料抽入除塵管道內，而遠端除塵支管流量遠低于設計值，無法有效吸收粉塵的情況。
在工程實踐中，為了解決這一難題，一般采用兩種技術措施。 ( 1) 手動常開閥門與自動化連鎖閥門并用的方式，只對部分除塵支管采用自動化閥門連鎖控制啟閉，另一部分除塵支管設手動常開閥門，即部分閥門連鎖控制模式。雖然能降低管網風量的波動，但是由于工藝設施運行的不確定性，部分支管道磨損和部分支管道積灰嚴重的問題仍比較普遍; ( 2) 每根除塵支管串接 1 個手動閥門和 1 個自動化控制閥門，分別用于調節支管局部阻力損失和連鎖工藝設施。這種設計方案風量不平衡的問題大為改善，但是受限于工藝設施運行數量、運行點位的多重不確定性，風量失衡的問題仍然偶有發生。另外，串接兩個除塵閥門，可能需要加長部分管道，容易造成支管道與混凝土結構梁或電纜橋架的干涉，管道布置存在一定困難。
3 槽下除塵點自動化全連鎖控制的新思路
隨著時代的發展與科技的進步，高爐上料系統的自動化程度不斷加深，可編程邏輯控制器( PLC) 廣泛應用于高爐上料的自動化控制系統中。筆者與煉鐵工藝專業、電氣自動化專業的多位同事及專家多次探討與實踐，提出了改進型高爐上料系統的槽下除塵點與工藝設施自動化全連鎖控制的新思路。
以某 1 080 m3 高爐礦槽為例，由于采用分散篩分、分散稱量的工藝流程，料倉的物料流向見圖 2。
該礦槽總計 13 個儲礦 ( 焦) 槽，每個料倉的物料流向均相同，因此在設計除塵系統時，將每個料倉及其對應的工藝設施，如振動篩、稱量斗、碎礦 ( 焦) 膠帶機、運礦 ( 焦) 膠帶機作為 1 個除塵單元進行考慮。整個槽下系統主體劃分為 13 個除塵單元。
分析物料排料流程，可以發現工藝設施運行的一些固定規律特點。稱量斗一般處于滿料待排放狀態，在接收到排料指令后，從卸料閥開啟進行排料至稱量斗料滿進入待排料狀態為 1 個完整的循環流程，即整個排料流程。該過程完全由PLC 進行自動化控制，順序執行排料、篩分、待機過程。對于每個獨立的除塵單元，運礦 ( 焦)膠帶機受料點除塵與稱量斗排料過程同步運行; 碎礦 ( 焦) 膠帶機受料點除塵、稱量斗除塵與篩分過程同步運行。由于排料與篩分按先后順序運行，因此運礦 ( 焦) 膠帶機受料點除塵與碎礦 ( 焦) 膠帶機受料點除塵、稱量斗除塵同樣為先后順序運行關系。根據以上分析，將槽下除塵與工藝設施運行統一進行連鎖考慮，得出改進型信號連鎖關系見圖 3。
根據上述連鎖信號流程，對傳統常開除塵系統管網布置形式進行調整，改進型槽下除塵全連鎖系統流程如圖 4 所示。
改進型全連鎖除塵系統，根據槽下礦 ( 焦) 槽數量，將整個槽下除塵系統劃分為 13 個除塵單元，每個除塵單元包括 3 個除塵點，3 個除塵點分別設自動化連鎖閥門，并根據圖 3 所示信號流程與相關工藝設施進行連鎖設計。每個除塵單元的 3 個除塵點匯總到 1 根支管道上，并設手動調節閥門。在每個除塵單元內部，實現了除塵點與工藝設施的連鎖動作，保證了除塵設施與工藝排料、篩分設施的同步運行，提高除塵效果。而13 個除塵單元形成并列關系，通過支管道手動調節閥門平衡各自的阻力損失，以平衡各除塵單元的除塵風量。
根據圖 3 所示的連鎖運行關系，當工藝篩分系統完成篩分作業，稱量漏斗進入待排料狀態時，與篩分相關的兩處除塵點自動化控制閥門延時關閉，同時運礦 ( 焦) 膠帶機受料除塵點自動化閥門則開啟。此時，稱量斗處于待排料狀態，膠帶機受料點并無粉塵，而開啟此處除塵閥門的作用為: ( 1) 有利于下次稱量斗排料時瞬時粉塵的收集治理; ( 2) 保證每 1 個除塵單元內均有除塵風量，使得整個除塵系統在全連鎖狀態下，仍能保持除塵風量的恒定，避免除塵風量波動造成的管道磨損或管道積灰; ( 3) 近年環保要求，礦槽槽下均按照封閉處理，因此礦槽車間內仍需保證一定的除塵風量，以保證礦槽車間內的通風換氣。
分別在全常開控制模式、部分閥門連鎖控制模式、改進型全連鎖控制模式 3 種方案下，計算槽下除塵風量、礦槽除塵系統風量、礦槽除塵系統高壓電機用電量并進行對比，見表 1。
改進型全連鎖控制模式比全常開控制模式，槽下除塵風量降低 33% ，礦槽除塵系統風量降低約 15% ，風機高壓用電量降低 16% ，節能節電效果顯著。同時，槽下除塵風管在連鎖切換過程中基本保持了風量的平衡和穩定，既避免了局部流速過高磨損管道及局部流速過低管道積灰堵塞的難題，又可以取消風機變頻調速裝置，降低一次投資以及長期維護費用。
4 工程實際應用
將改進型全連鎖控制方式應用于某 1 080 m3高爐礦槽除塵系統設計。項目投產 1 年，取得了良好的經濟效益和社會效益。
( 1) 節能節電效果顯著
相比廠區另一座現有 1 780 m3 高爐，礦槽除塵系統電耗降低 10% 以上。一般高爐區域除塵系統 10 kV 高壓電用電量約占全廠高壓電用電量的 15% ～ 25% 。高爐區域所有除塵系統高壓電用量占全廠總用量的 16. 58% ，處于較低的水平，對于降低電氣設施的一次投資費用起到重要作用。
( 2) 管網運行平穩
在切換過程中，改進型全連鎖控制模式保持系統總體風量基本處于穩定狀態，管網流速波動小，管道暫時無磨漏破損的情況。通過多個檢修人孔的檢查，管道積灰率總體保持在 5% 左右，遠小于 15% 的設計積灰荷載。支架、吊架無明顯變形，管網不存在積灰超載而斷裂墜落的風險。
( 3) 自動化程度高
全部自動化控制閥門進入除塵系統 PLC，進行集中編程控制，并將系統運行畫面遠傳至高爐主控樓操作臺，整個除塵系統正常工況下為無人值守狀態。當發生故障時，自動化控制閥門或除塵系統其他自動化部件可以在主控室進行聲光報警提示，不僅能夠使操作人員及時發現并處理故障點，而且大大降低了日常巡檢的工作量。
同時，在設計、施工和投運過程中，仍有一些問題需要關注:
①除塵管網管路系統較為復雜，管網設計應注意與工藝設施、土建梁柱、電纜橋架的避讓; ②系統連鎖關系復雜，除塵工藝設計人員需要與電氣自動化設計人員充分溝通，以便電氣自動化設計人員能夠充分理解連鎖關系，并對 PLC進行正確的編程; ③全部連鎖后自動化控制閥門啟閉頻繁，因此對連鎖控制的自動化控制閥門質量要求高。
參考文獻
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