转炉炼钢煤气回收利用自动控制系统的研究与应用---优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

分类号：_ 密 级：_ ：_ 单位代码：_ 硕士学位论文硕士学位论文 论文题目：转炉炼钢煤气回收利用自动控制 系统的研究与应用 学 号：_ 作 者：_ 专 业 名 称：_ 2012 年 05 月 30 日 张志纲 公开 1 0 1 2 7 控制工程 201002442 tp273 内蒙古科技大学硕士学位论内蒙古科技大学硕士学位论文文 论文题目：论文题目： 作者：作者：_ 指指 导导 教教 师：师： 单位：单位： 协助指导教师：协助指导教师： 单位：单位： 单位：单位： 论文提交日期：论文提交日期：2012 年 05 月 30 日 学位授予单位：内学位授予单位：内 蒙蒙 古古 科科 技技 大大 学学 李伟明 教授级高工 中冶东方工程技术有限公司 崔桂梅 教授 内蒙古科技大学 转炉炼钢煤气回收利用自动控制系统的研究与应用 张志纲 转炉炼钢煤气回收利用自动控制 系统的研究与应用 research and application of gas recovery automatic control system in converter steelmaking 研 究 生 姓 名：张志纲 指导教师姓名：李伟明 内蒙古科技大学信息工程学院 包头 014010，中国 candidate： zhang zhigang supervisor： li weiming school of information engineering inner mongolia university of science and technology baotou 014010，p.r.china 独独 创创 性性 说说 明明 本人郑重声明： 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果， 也不包含为获得内蒙古科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：_ 日期：_ 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定）（保密的论文在解密后应遵循此规定） 签名： _ 导师签名：_ 日期：_ 内蒙古科技大学硕士学位论文 i 摘摘 要要 转炉炼钢作为最主要的炼钢方法，其炼钢效率和质量都优于平炉炼钢，在发 达国家转炉炼钢达 50%以上，到 2010 年为止发达国家的钢材消费年增长率为 0.7%，发展中的中国为 3.8%，太平洋地区增长为 4.57%，钢材消费的持续增长为 中国钢铁工业的发展提供了良好机遇，在我国转炉炼钢占总产量的 65%以上，在 未来几年这个比例也将保持在 60%-70%。 本课题在全面了解转炉炼钢的基础上，以某转炉炼钢厂的实际项目为背景， 对转炉炼钢中的煤气回收系统进行深入研究，设计构建基于西门子 s7-300 的自动 控制系统。深入了解煤气回收工艺流程和回收条件构建以 s7-300 为主站、采用 profibus 进行数据通信的转炉炼钢煤气回收自动控制系统， 并在此基础上以 s7-300 为主站通过 profibus-dp 与变频器从站进行数据通信，用变频器对加压机风进行变 频调速、采用煤气回流控制实现恒压供气。 论文在了解工艺及设备间连锁互锁关系的基础上，深入研究了转炉煤气回收 利用控制系统的硬件组成及软件实现。对煤气加压机控制系统采用模拟量闭环控 制，并针对常规 pid 无法实现参数在线整定的问题，对模糊 pid 进行了延伸学习， 通过 matlab 软件运用 simulink 建模仿真对比了模糊 pid 和普通 pid 的响应曲线。 可以看出模糊 pid 的调节精度更高，稳态性能变的更好，并且在西门子 s7-300 中 模糊 pid 控制完全可以实现。模糊 pid 也越来越多的被应用于工厂实践，控制效 果也很理想，它具有十分广阔的应用前景。 关键字：转炉炼钢；关键字：转炉炼钢；自动自动控制系统；控制系统；煤气回收煤气回收；恒压供气恒压供气 内蒙古科技大学硕士学位论文 ii abstract as one of main steelmaking ,the steelmaking converter is prior to open hearth steelmaking, which is occupied more than 50% in developed countries. and the consuming of steel in developed countries increased by 0.7% every year by2010,3.8% in developing countries,4.57% in pacific area，which is a good chance for the development of steel industry in developing countries. in china, the steelmaking converter is 60% of all steel production，and it will be stay at 60%-70%. this is a further research about gas recovery system of converter steelmaking in a steelmaking plant. and the gas recovery system is designed based on siemens s7-300 automatic control system. the recycling process of gas recovery construct with s7-300 as the main station, transferring data by profibus system . and on the basis of the above, data are transferred between s7-300 and profibus-dp by s7-300 as the main station, and the frequency of the winds of pressure machine are changed with transducer, in the end the gas are supplied continually by controlling gas reflux. on the basis of understanding of technology and equipment chain interlocking relationship, papers study deeply that hardware composition and software implementations of control system ，by which achieves converter gas recovery and utilization.to the gas pressure machine control system adopts analogue closed-loop control, and aimed at the conventional pid parameters cant achieve the problem of setting online. extended learning of fuzzy pid,using simulink modeling and simulation by matlab compare with response curves of the fuzzy pid and ordinary pid. it can be seen that fuzzy pid has higher regulation accuracy and better steady-state performance. and the fuzzy pid control can be realized completely in siemens s7-300. fuzzy pid is also applied to factory practice more and more, and the control effect is also very desired. therefore, it has a very broad application prospect. kay words: converter steelmaking；control system；gas recovery；constant pressure air supply 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目目 录录 摘 要 . i abstract ii 1 绪论 . - 1 - 1.1 转炉炼钢概述 - 1 - 1.2 我国转炉炼钢控制技术的发展 - 3 - 1.3 转炉煤气回收的实际意义 - 4 - 1.4 本课题研究的主要内容 - 5 - 2 转炉煤气回收利用总系统 - 6 - 2.1 转炉煤气回收子系统 - 6 - 2.1.1 煤气回收子系统主要设备组成 . - 8 - 2.1.2 各设备间联锁 - 8 - 2.1.3 煤气回收条件 - 9 - 2.2 转炉煤气加压子系统 - 10 - 2.2.1 煤气加压子系统主要设备组成 . - 11 - 2.2.2 加压机控制原理 . - 12 - 3 煤气回收利用控制系统硬件组成及软件实现 . - 15 - 3.1 煤气回收利用控制系统的硬件组成 . - 15 - 3.1.1 plc 控制系统组成 - 15 - 3.1.2 系统主要控制设备组成 . - 18 - 3.2 煤气回收利用控制系统软件实现 - 21 - 3.2.1 控制系统程序设计 . - 24 - 3.2.2 变频器的参数设置 . - 27 - 4 煤气加压关键环节加压机控制系统的实现及仿真 - 29 - 4.1 传统 pid 控制原理及参数整定 . - 29 - 4.2 加压机 pid 控制系统的实现 . - 31 - 4.3 煤气回收利用系统中模糊 pid 控制算法仿真 . - 39 - 4.3.1 模糊 pid 讨论 . - 39 - 4.3.2 参数自整定模糊 pid 控制器设计 - 41 - 结 论 - 48 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 参 考 文 献 - 49 - 附录 a 接线图 - 51 - 附录 b 模糊控制器程序 . - 52 - 附录 c 盲板阀程序 - 55 - 在学研究成果 - 56 - 致 谢 - 57 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 转炉炼钢转炉炼钢概述概述 转炉炼钢作为最主要的炼钢方法，其炼钢效率和质量都优于平炉炼钢，在发 达国家转炉炼钢达 50%以上，到 2010 年为止发达国家的钢材消费年增长率为 0.7%，发展中的中国为 3.8%，太平洋地区增长率为 4.57%，钢材消费的持续增长 为发展中的中国钢铁工业的发展提供了良好机遇，在我国转炉炼钢占总产量的 65%以上，在未来几年这个比例也将保持在 60%-70%。空气底吹转炉和平炉是氧 气转炉出现以前的主要炼钢设备。炼钢是氧化熔炼过程，空气是自然界氧的主要 来源，然而空气中五分之四的气体是氮气，空气吹炼时，这样多的氮气在炉内穿 行而过，白白带走大量的热量，部分氮气溶解在铁水中，成为恶化低碳钢品质的 重要原因。而在平炉炼钢中，氧在用于燃烧燃料之后，过剩的氧气通过渣层传入 钢水，所以反应速度很慢，这也就增加了热量损失。因此，直接把氧气吹入熔池 炼钢，成为许多冶金专家的愿望。早在 19 世纪，被称为现代炼钢法之父的贝塞麦 (hbessemer)就有了运用纯氧进行炼钢的设想，但因缺少大量廉价氧气而无法实 现。上世纪 20 年代林德弗兰克(lindefrankel)制氧技术开发成功，这项制氧 技术以空气液化、分馏为基础，能够获得廉价的氧气，满足了工业生产使用，这 也使得纯氧炼钢的实现成为可能1。从 1929 年开始，柏林工业大学的丢勒尔教授 (rdurrer)在实验室中开始研究吹氧炼钢，第二次世界大战开始后转到瑞士的冯 罗尔(vroll)公司继续进行研究。19361939 年勒莱普(o.lellep)在奥伯豪森 (oberhausen)进行了底吹氧炼钢的试验，但由于喷嘴常损坏未能成功。1938 年亚 琛(aachen)工业大学的施瓦茨(cvschwarz)提出用超音速射流向下吹氧炼钢， 并在实验室进行了试验，将托马斯生铁吹炼成低氮钢，但因熔池浅而损坏了炉底。 1948 年丢勒尔(rdurrer)等在冯罗尔(vonroll)公司建成 2.5t 的焦油白云石衬的 试验转炉，以 45 度的斜度将水冷喷嘴插入铁水吹氧炼钢，无论贝塞麦生铁或托马 斯生铁都能成功炼成优质钢水，而且认识到喷嘴垂直向下时，最有利于喷嘴和炉 衬的寿命，这样就最后完成了转炉吹氧炼钢的实验室试验。从实验室研究向工业 化试验的进一步发展是由奥地利的沃埃施特(voest)公司完成的。第二次世界大 战后奥地利面临重建钢铁工业的需要，该国因缺少废钢使得平炉或电炉炼钢法缺 乏竞争力。沃埃施特公司注意到了丢勒尔的试验，决心开发一个具有竞争力的新 炼钢方法。1949 年 5 月在奥地利累欧本(leoben)开了一次氧气炼钢的讨论会，决 定由冯罗尔、曼内斯曼(mannesmann)、阿尔派(alpine)和沃埃施特 4 个公司协 作，在沃埃施特的林茨(linz)钢厂作进一步的试验。1949 年 6 月在林茨建成 2t 顶 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 吹氧试验转炉，由苏埃斯(tsuess)和豪特曼(hhauttmann)负责，在丢勒尔参 与下，成功地解决了合适的氧气压力、流量和喷嘴与熔池面距离等工艺操作问题。 之后迅速建立 15t 试验转炉， 广泛研究新炼钢方法所冶炼钢的品质。 由于钢的质量 很好而且炼钢工艺的效率很高，1949 年末该公司决定在林茨投资建设世界第一个 氧气顶吹转炉工厂，并命名该炼钢法为 ld 法。林茨的 30tld 转炉工厂于 1952 年 11 月投产， 翌年春季第 2 个 30tld 转炉工厂在奥地利多纳维兹(onawitz)建成投产。 1950 年由苏埃斯申请得到专利权，推动炼钢工业再次大变革的氧气顶吹转炉炼钢 法登上了历史舞台。该法问世后，数十年内迅速取代了平炉炼钢而成为世界上最 主要的炼钢方法。 在北美，美国是平炉炼钢大国，有平炉熔池吹氧的经验。美国又是第二次世 界大战的最大战胜国，工业基础雄厚。在得知转炉氧气炼钢的信息后，美国麦克 劳斯(mclouth)公司和加拿大多法斯柯(dofasco)公司于 1954 年各迅速建成一 个 35t 氧气顶吹转炉车间并投产。随后 1957 年琼斯一拉弗林(joneslaughlin)公 司阿里奎帕(aliquippa)厂建成当时世界最大的(80t 级)顶吹氧气转炉。美国人没有 购买奥地利的专利，由此发生了关于氧气顶吹转炉炼钢专利权的纠纷，最终美国 方面胜诉。bof 法(basic oxygen furnace 的第一个字母构成)成为北美对氧气顶吹 转炉炼钢的习惯称呼。但美国矿冶工程师协会(aime)主持编写的权威著作bof steelmaking中明确承认丢勒尔(durrer)在开发氧气转炉炼钢上的贡献。 日本对于氧气转炉炼钢非常重视，对转炉吹氧炼钢理论、改进炉衬耐火材料 炉气回收利用技术、计算机自动控制、分解炼钢操作，简化转炉冶炼、配合连铸 机实现全连铸炼钢生产等均进行了深入研究。日本是氧气转炉炼钢技术较发达的 国家。 20 世纪 50 年代中期，中国有远见的科学家叶渚沛大力提倡发展氧气转炉炼 钢技术，北京钢铁研究总院、中国科学院化工冶金研究所、北京钢铁学院(北京科 技大学前身)等也进行了大量实验室内氧气转炉炼钢试验。然而对于中国发展氧气 转炉炼钢的可行性，冶金界没有统一认识。当时以美国为首的西方国家对中国实 行经济封锁，只有前苏联可以提供平炉炼钢成套设备；中国的制氧机制造工业还 十分薄弱；由于这些客观情况，加上一些主观上的原因，中国氧气转炉炼钢发展 比较缓慢。我国的第一座氧气顶吹转炉 1964 年在石景山钢铁厂建成投产。到 70 年代一些地方钢铁厂相继建设了氧气顶吹转炉和把空气侧吹转炉改建为氧气顶吹 转炉，在攀枝花、本溪钢铁公司建成 120t 级的氧气顶吹转炉车间。1979 年我国氧 气转炉炼钢产量首次超过了平炉炼钢产量，八十年代宝山钢铁建成投产了 300t 氧 气顶吹转炉，其技术各项指标都达到国际水准，且建成投产氧气转炉后转炉炼钢 产量达到总产钢量的 50以上。我国在氧气转炉炼钢的基本操作制度、可压缩性 氧气射流结构和多孔喷枪的设计、含钒生铁吹炼工艺、创造不烘炉炼钢操作、改 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 进白云石炉衬质量和研究白云石造渣工艺以提高转炉炉龄等方面，也进行了许多 研究和开发工作。然而有部分转炉还存在装备水平落后、炼出的钢质量差、产品 深加工水平和专业化水平低等问题，这些问题都影响着我国转炉炼钢的国际竞争 力。 转炉吹氧炼钢的普遍过程是：将来自高炉的高温铁水与石灰石（活性石灰起 脱硫作用）和一些其他原料装入转炉内，从转炉顶部插入氧枪向转炉内喷吹氧气， 活性石灰与铁水中的无用杂质粘结成渣从铁水中除去，通过控制含碳量等得到不 同性能的钢种。上世纪 70 年代通过对转炉的改进，出现了顶底复吹的炼钢方法。 发展到现在，转炉顶底复吹炼钢法已经成为了很成熟的炼钢方法。其工艺流程如 图 1.1 所示： 氧气氧气 铁合金铁合金 散装料散装料铁水铁水废钢废钢 氧枪氧枪废钢坑废钢坑 废钢料槽废钢料槽 混铁炉混铁炉 铁水脱硫铁水脱硫 扒渣扒渣 地下料仓地下料仓 高位料仓高位料仓 称量斗称量斗 合金料仓合金料仓 称量斗称量斗 叉车叉车 过渡料仓过渡料仓 旋转溜管旋转溜管 顶顶 底底 复复 吹吹 转转 炉炉 煤气回收煤气回收除尘系统除尘系统炉渣炉渣钢水罐钢水罐 渣罐渣罐吹氩站吹氩站 连铸连铸炉渣跨炉渣跨热泼热泼渣场渣场 图图 1.1 转炉炼钢工艺流程图转炉炼钢工艺流程图 1.2 我国转炉炼钢控制我国转炉炼钢控制技术的发展技术的发展 转炉炼钢的周期比较短（一般是 2540min，其中吹炼时间仅有 1325min）需 要控制的参数很多，是一个反应过程比较复杂、周期性、间断性的生产过程。在 炼钢过程中要控制好各种影响炼钢过程的条件和参数，使它们达到炼钢工艺要求 的范围，保证转炉炼钢过程的安全性，同时还要有可靠的检测元件和合理的控制 系统。检测元件精度是否够高、够灵敏，控制系统是不是完善、可靠、有效，对 转炉炼钢的顺利生产和炼出钢水的质量密切相关。总而言之，转炉炼钢中的仪表 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 测控及控制系统自动化水平的高低是转炉炼钢生产安全、钢水优质、降低能耗等 的重要保证。 我国转炉炼钢起步较晚，但自动化水平发展迅速，上世纪 60 年代起经过了一 个自动化水平由低逐步向高水平发展的过程，上世纪六七十年代，转炉炼钢过程 中的自动化系统， 基本上是采用半人工化， 在 1975 年左右才建成投产 120t 和 150t 的氧气顶吹转炉仪表自动化控制系统。 在 80 年代，仍基本采用仪表自动化控制（只有少数钢厂采用了 dcs 控制系 统） ，后来逐渐发展了由计算机、plc 组成的基础级控制系统，建成投产 300t 和 210t 顶吹转炉自动化控制系统，至此转炉炼钢自动化水平不断提高，转炉炼钢工 艺过程的控制目标得以实现。但检测仪表精度不高、可检测参数太少，仪表检测 系统的可靠性较差，有些参数无法实现控制，不能向工作人员提供炼钢过程的监 控、不能实现简便的操作。 转炉炼钢自动化控制发展到现在，所有炼钢都基本实现了 dcs 控制，并与计 算机控制组成了完善的基础级和过程级完整的转炉炼钢自动化控制系统，系统包 括副枪系统的不倾倒计算机动态控制。在常规检测仪表的模拟控制系统中很难实 现的需将模拟量闭环连续控制和精确的顺序控制融合在一起的转炉顶底复合吹供 气系统能够完满实现。我国转炉炼钢过程自动水平不断提高，已经接近甚至达到 了国际先进水平。在转炉炼钢工艺、自动控制理论，自动化设备不断发展完善的 推动下，转炉炼钢控制系统也将不断的发展和完善。 1.3 转炉煤气回收的实际意义转炉煤气回收的实际意义 转炉炼钢的吹炼过程中氧气与钢水中的碳反应产生以一氧化碳气体、二氧化 碳和氧化铁粉尘为主的大量高温烟气，我们将这种高温烟气称之为转炉煤气，它 的一氧化碳含含量达 8090， 是一种高热值的燃料。 随着转炉炼钢产量的不断 增长，这种高热值的可回收燃气的回收和利用受到冶金行业的普遍重视，随着冶 金自动化、控制理论及设备的不断发展，转炉煤气回收的技术也不断改进和完善， 转炉煤气回收量的多少是衡量转炉及其控制系统工作性能的一个重要指标。转炉 烟气化学热运用煤气回收技术回收利用，转炉高温烟气的物理热利用余热锅炉进 行回收。当炉气回收的总热量大于转炉生产所消耗的能量时(如电力、钢包烘烤燃 料、氧气、氮气等)，就实现了转炉的“负能”炼钢，在国内宝钢、武钢、包钢、 太钢等大型钢铁企业均已实现了 “负能”炼钢，而且先人一步宝钢炼铜厂已实现 了“负能”炼铜。 随着我国节能减排和保护环境目标的不断提高，将来钢厂的技术进步必然与 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 节能减排、保护环境协调发展。对于转炉炼钢而言，增加转炉煤气回收量，实现 负能炼钢，是技术革新的重要方向，与此同时消除放散煤气对大气环境的污染， 做好转炉煤气的烟尘处理，钢厂必须积极运用各种烟气除尘技术（例如静电除尘、 布袋除尘） 。总之通过各种措施减少烟气排放，将炼钢厂建设成为环境污染可忽略 的绿色工厂。 1.4 本课题研究的本课题研究的主要主要内容内容 本设计以某钢厂煤气回收加压系统为背景，深入剖析研究煤气回收及煤气加 压工艺， 认真了解了控制系统主要控制对象的动作原理和控制目标， 构建以 s7-300 为主站、采用 profibus 进行数据通信的转炉炼钢煤气回收自动控制系统，并在此 基础上论文由以下五个章节展开介绍。 1. 论文第一章简要的介绍了转炉炼钢的国内外发展史及现状、 生产工艺流程， 分析了转炉炼钢煤气回收的实际意义，从而体现了本课题选题的价值所在。 2. 论文第二章将煤气回收利用总系统分为“煤气回收”、“煤气加压”两个 子系统进行了分析，阐述了工艺要求、各设备在控制上的连锁互锁关系和主要设 备的控制方法等。 3. 论文第三章着重阐述了转炉炼钢煤气回收控制系统的主要部分硬件组成、 软件实现及部分设备的参数设置。 4论文第四章介绍了在煤气加压机控制系统的闭环控制实现，并在模糊 pid 方面进行了延伸讨论，通过运用 matlab 软件中的 simulink 进行建模仿真，对比了 模糊 pid 和普通 pid 的响应曲线。 5. 论文的第五章总结了整个系统从工艺了解到控制目标实现过程中所做的工 作和一些心得体会及展望。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 6 - 2 转炉煤气回收利用总系统转炉煤气回收利用总系统 本设计针对某炼钢厂的转炉炼钢煤气回收系统进行深入研究，设计搭建了一个基 于西门子plc 的自动控制系统。 文中将控制系统分为两个子系统， 深入了解了煤气回 收工艺流程和回收条件，并在此基础上搭建了一个以 s7-300 为主站、profibus 实现数 据通信、wincc 进行上位机监控的 plc 顺序控制系统。在此基础上以 s7-300 为主站 通过 profibus-dp 挂接西门子 mm430 变频器(从站)， 用变频器对加压风机进行变频 调速、采用煤气回流控制实现恒压供气。系统结构如图 2.1 所示： 煤气加压子系统煤气加压子系统 煤气回收子系统煤气回收子系统 煤气回收利用总煤气回收利用总 控制系统控制系统 放放 散散 点点 火火 装装 置置 三三 通通 阀阀 旁旁 通通 阀阀 水水 封封 逆逆 止止 阀阀 煤煤 气气 鼓鼓 风风 机机 煤煤 气气 分分 析析 仪仪 煤煤 气气 柜柜 蝶蝶 阀阀 盲盲 板板 阀阀 煤煤 气气 加加 压压 机机 图图2.1 系统结构图系统结构图 2.1 转炉煤气回收子系统转炉煤气回收子系统 转炉吹炼时由于鼓入大量氧气，氧气和铁水中的碳发生化学反应，产生大量含 co 的炉气(转炉煤气)，炉气中的主要成分是co。由于其富含的co，亦被称为转炉 煤气，可作为二次能源加以回收，所含的物理热和化学能可以占到炼钢过程放出能量 的 80%，因此回收转炉煤气的能量可以大幅度地降低转炉炼钢工序能耗，是实现负能 炼钢的主要措施之一，并有利于保护环境。 钢包中的铁水装入转炉完毕后，转炉转动到垂直的位置，氧枪下降到位开始吹 氧 ，在氧枪吹氧 23min 后活动烟罩开始降下，当活动烟罩下降到位后开始煤气回 收。其次吹炼过程中根据工艺要求还要分批的加入活性石灰便于造渣和除硫，钢水吹 炼时间为（1325min），在氧气吹入停止前23min，先将活动烟罩提升，在吹氧结 束后还需要对转炉测温取样， 以取样的结果为依据， 决定是否需要补吹氧气再次冶炼。 转炉炼钢煤气回收的具体步骤如下： 1.开始出钢。出钢后，耦合器降速，降速后风机水冲洗电动阀打开。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 7 - 2.兑入铁水。兑入铁水后，耦合器开始升速。 3.开始吹炼。氧枪下降到位，分析仪表开始工作，在分析 co、o2达到工艺要求 时，打开各阀门对转炉炼钢煤气进行回收。 4.煤气回收开始，将水封逆止阀打开，三通阀切换到回收侧，如果水封逆止阀 打开不正常或打开时间大于 20s，则打开旁通阀进行煤气紧急放散。 5.烟罩下降到位，炉口微差压系统运行后，其信号通过液压伺服系统，控制 r-d 阀开度，待到吹炼后期时结束煤气回收。 6.回收结束。气动三通阀由回收转向放散，三通阀动作过程中，三通阀打到放散 位置，水封逆止阀关闭。结束煤气回收。 7.吹炼结束，将氧枪上升到位，各分析仪表停止气体分析，转炉进入出钢状态开 始出钢，接着将执行下一循环。 煤气回收系统图 2.2 所示： 烟烟 囱囱 m pv-0501 o co s zv-0504a s s zv-0504b s pe-1502 1502 pt ae-0501 2 zv-0507 s zv-0505a s zv-0505b s zv-0506a zv-0503 s zv-0508 zv-0509 s hh ll s zv-0501 zv-0502 pe-0501 s zv-0506b hc 0501 hc 0507 hc 0502 d1520x7d1620x7 d1400 d25x2.5 d89x4.5 d25x2.5 d32x2.5 d32x2.5 d32x2.5 d32x2.5 d32x2.5 d32x2.5 紧急放散阀冲洗水紧急放散阀冲洗水 吹扫蒸汽吹扫蒸汽 三通阀冲洗水三通阀冲洗水 氮气氮气 压缩空气压缩空气 氮气氮气 压缩空气压缩空气 氮气氮气 压缩空气压缩空气 煤煤 气气 柜柜 至至加压站加压站 图图 2.2 煤气回收系统图煤气回收系统图 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 8 - 2.1.1 煤气回收子系统煤气回收子系统主要设备主要设备组成组成 三通切换阀是转炉炼钢煤气回收利用控制系统中主管回收煤气和放散烟气的 关键设备，在工厂实际项目中三通切换阀大多用压缩空气驱动(气动三通阀)。由 plc 控制信号控制电磁阀动作电磁阀控制气门来实现三通阀的切换，以此达到控 制煤气回收或放散的作用3。 三通阀由一个三通体和两个结构相同的蝶阀组成。传动部分是由气缸、曲柄、 联杠等部分组成。蝶阀的密封采用阀板与阀座的柔性接触实现，在阀座的侧面所 设的环形供水圈和喷水板起到冲洗工作面粘粘附灰尘的作用，为了保证阀座密封 的清洁和光滑，在每次切换时都进行喷水清洗，这样还有助于长期保持阀门密封 的可靠性。动力气缸和联杆机构，保证了主阀和副阀的切换动作和相互联锁，这 种机械联锁可靠直观3。 旁通阀是一个气动密闭蝶阀（气动蝶阀） ，当三通阀切换出现故障时，旁通阀 打开便于煤气紧急放散。旁通阀安装在三通切换阀前直通放散烟囱，当烟气流向 需要由回收切换到放散侧，而三通切换阀发生故障无法切换时，则可开启旁通阀， 以确保安全2。 水封逆止阀选用 sfnzf 全自动煤气水封逆止阀， sfnzf 全自动煤气水封逆止 阀主要由阀体、回转盖、阀轴、气动装置及注水装置、溢流表、水位控制装置、 加热与保温装置等组成。采用全封闭外壳，操作时介质不向外泄漏，避免环境污 染。在全开位置时，介质通过阀门时的流阻接近为零，在阀门处于关闭位置时， 靠水封实现煤气的自动逆止和可靠隔断。具有自动补水功能，使水位始终保持在 高、低水位之间，且具有高度、极限低水位状态显示、极限低水位报警装置。能 实现运转，并可以通过计算机接口实现就地控制。在转炉烟气净化与煤气回收系 统中，与三通煤气切换和旁通煤气切断阀共用一套控制柜，实现系统连锁自动运 行。 主力平衡阀选用一个 ddf 型电动蝶阀，煤气回收入柜时有一定的压力切换到 放散时压力骤然降低，所以为防止煤气回收过程中由回收切换到放散时压力波动 太大， 对一次除尘风机造成电流冲击， 需要通过阻力平衡阀来减缓压力突变。 ddf 型电动蝶阀主要结构由阀体、阀瓣、阀座、阀杆及传动操作机构等部件组成，阀 座采用可脱卸构造，并可根据不同介质的物理化学特征，选用相应的耐高温、耐 低温、耐腐蚀、耐光、耐老化材质。 2.1.2 各设备间联锁各设备间联锁 1.三通阀与水封逆止阀链锁， 当三通阀切换到回收侧时， 水封逆止阀自动打开， 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 9 - 煤气得以回收。当三通阀切换到放散侧，时水封逆止阀自动关闭。 2.三通阀与旁通阀联锁，旁通阀平时保持关闭状态，当三通阀出现故障无法切 换时旁通阀打开，系统进入煤气发散状态。 3.放散点火装置与三通阀、 旁通阀联锁， 三通阀在放散侧或旁通阀打开时， plc 向点火装置发出点火信号，连点三次。三通阀打到回收侧水封逆止阀打开时，plc 向点火装置发出熄火信号。 4.三通阀、旁通阀、水封逆止阀故障与煤气鼓风机的联锁，三个阀门的两个发 生故障时，风机立即断电停机。 5.水封逆止阀自带有水位检测传感器，传感器有三路输出信号，分别为“高水 位”、“低水位”、“极限水位”，三路水位型号传入 plc，通过 plc 程序控制 自动补水，保持水位一直处于“高水位”、“低水位”之间。 2.1.3 煤气回收条件煤气回收条件 1.煤气分析仪运行正常，co 浓度大于 35%、o2浓度小于 2%。 2.煤气柜发出允许回收信号。 3.煤气鼓风机（除尘风机）出口出煤气温度小于 80 度。 4.三通阀、旁通阀、水封逆止阀运行正常。 5.鼓风机机后压力小于 8000pa。 6.在规定的时间内回收（每炉大约为 1015 分钟） 。 7.吹氧气时间大于 2 分钟、活动烟罩下降到位。 以上七点全满足是三通阀切换到回收位置，系统进入煤气回收状态。反之任 意条件不满足三通阀切换到放散侧，系统进入煤气点火放散。 煤气回收工艺流程图如图 2.3 所示： 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 10 - 除尘风机除尘风机 三通阀三通阀 放散烟囱放散烟囱水封逆止阀水封逆止阀 煤气放散塔煤气放散塔 点火器点火器 u形水封形水封 煤气主管煤气主管 煤气柜煤气柜 机前水封机前水封 加压风机加压风机 机后水封机后水封 防爆水封防爆水封 用户管网用户管网 图图 2.3 煤气回收工艺流程图煤气回收工艺流程图 2.2 转炉煤气加压转炉煤气加压子子系统系统 煤气回收控制系统中的主要设备有煤气柜、蝶阀、盲板阀、煤气加压机、回 流阀等。煤气加压控制系统主要控制目标是实现恒压供气，通过加压机变频调速、 煤气回流阀 pid 调节使得加压站出口压力尽量稳定在目标值。回流调节阀的压力 设定值高于加压站出口压力额定值且低于加压机能承受的压力极限值，在出口压 力波动小得情况下由变频器调节加压机转速来达到稳定，当用户数量急剧减少波 动较大变频器调节作用滞后时，达到回流调节阀压力设定值则回流阀打开煤气回 流入柜。煤气加压系统如图 2.4 所示： 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 11 - d820x7 te-0606 d820x7 2#加压机 d820x7 pe-0606 t ptp pe-0608 d820x7 pt d820x7 1#加压机 m pv-0607 pik 0607 d520x6 0607 pt pe-0607 转炉煤气柜转炉煤气柜 te-0603 ti 0603 pt 0603 prsa pe-0603 at 0605 aia 0605 ae-0605 aia ae-0606 at 0606 0606 ae-0604 aia at 0604 aia ae-0603 at 0603 lrsa lt 0601 0601 le-0601 pe-0613 pt pi 0613 te-0601 tis 0601 hh pe-0601 pt pi 0601 0602 pe-0602 te-0602 0602 tis hh 0602 pt pi hhhh hhhhhh ll hh hh h ae-0601 0601 at ai hh ae-0602 0602 at 0602 ai hh o2 2o p 06010601 t p 06020602 t p t prsa 0606 l ti 0606 prc 0607 te-0607 ti 0607 pi 0608 te-0608 ti 0608 0608 pt 0608 pe-0609 pt te-0609 pi 06090609 ti 0609 p 0609 pe-0610 pt te-0610 pi 06100610 ti 0610 p 0610 t te-0611pe-0611 0611 pt pi 0611 ti 0611 pt 0611 t p p 转炉煤气 d820x7 d1820x8 d108x4 d820x7 d520x6 t 图图 2.4 煤气加压系统图煤气加压系统图 2.2.1 煤气加压煤气加压子子系统主要设备系统主要设备组成组成 在煤气加压控制系统中主要的控制设备是盲板阀、蝶阀，在后续章节中将详 细叙述盲板阀、蝶阀的选型、电气控制原理及接线方式，在本章中只做简要介绍， 除此之外在煤气加压控制系统中还有压力、温度、氧浓度传感器及一些压力、温 度显示仪表，它们在控制系统中起到测量传输信号的作用，是控制信号的来源， 它们的选型及精度对控制目标的实现起关键作用，但在本设计中不作为重点阐述。 在煤气加压控制子系统中除使用变频器调节加压机转速调压外，还引入了煤气回 流泄压阀，在此对煤气回流阀做简要介绍。 煤气回流阀选用一个减压阀，减压阀又叫做泄压安全阀，泄压阀主要由阀座、 阀瓣(阀芯)和加载机构三部分组成，它的主要作用是当介质压力超过规定数值时 开阀泄压、保证安全。本设计中当加压机后管路中的煤气压力超过规定数值时， 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 12 - 减压阀满足开发条件便自动开启，泄去多余的压力。当煤气管路的压力在正常的 压力范围之内时，煤气作用于泄压阀瓣上面的力小于阀体加载机构作用的力，两 者之差压提供了阀瓣与阀座之间的压紧力，使阀瓣紧压着阀座达到密封效果。管 路中煤气压力突然怎大超过正常压力范围，并且达到泄压阀的开启压力时，煤气 作用于阀瓣上面的力大于加载机的力，使阀瓣、阀座分离，泄压阀开启，管路中 的煤气通过阀座回流进入煤气柜，随着泄压过程的进行，压力降回至正常压力是 管路煤气作用在阀瓣上面的力又从新小于小于加载机的力，阀瓣又紧压着阀座泄 压阀关闭停止泄压，泄压阀是通过阀瓣上煤气压力与加载机构作用力相互作用， 自动关闭或开启达到保持压力恒定的目的。 2.2.2 加压机控制原理加压机控制原理 根据转炉炼钢工艺的要求，加压机调速的响应速度需要很快，而且需要频繁 调速，这就对变频装置有很高的要求，在我国大型钢厂大多采用国外进口的变频 装置对风机电机进行变频调速。 本设计中， 通过采用西门子变频器 mm430 对煤气 加压风机进行调速，达到减少故障和节能降耗的目的。mm430 变频器适用于各种 变速驱动装置， 尤其适用于水泵和风机的调速， 与 mm420 相比它具有更多的输入 输出端， （有六个可编程的带电位隔离的数字输入，两个模拟输入，两个可编程模 拟输出） ，它采用模块化的设计，操作面板和通讯模块非常便于更换。可选额定功 率范围从 7.5kw 到 250kw，mm430 采用了 igbt（绝缘栅双极型晶体管具备国际 先进技术）作为输出部件，其运行可靠性很高，功能也很多，其次它的脉冲调制 宽度的开关频率是可选的，这样很好的降低了电动机运行时的噪声。最重要的是 mm430 保护功能全面而完善，对变频器和电动机安全稳定运行提供了保护19。 变频调速的原理如下，交流异步电动机的转速如公式 2.1 所示： 60 (1)/nfsp （式 2.1） 式中:f-电源频率;s-电机转差率;p-电机极对数 以上的参数随便改变任一个，都能使电机的转速改变。由于一般的交流异步 电动机制造出来以后，其转差率 s 和极对数 p 是不变的，变频器就是通过改变电 机的供电电源的频率 f 方式来实现对电机进行调速22。 加压风机是煤气加压子系统的主要设备，加压机的控制直接影响着煤气加压 站的效率，本文中加压机采用变频器调速控制，即实现了恒压供气的控制目标同 时也达到了节能的目的，加压风机控制框如图 2.5 所示： 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 13 - 变频器变频器煤气加压机煤气加压机pid控制器控制器 加压机机后压力加压机机后压力 偏差偏差 压力设定值压力设定值 压力反馈值压力反馈值y +- 图图 2.5 加压风机控制框图加压风机控制框图 煤气加压控制系统中，为了满足恒压供气的要求，煤气加压机运用变频调速 技术，将加压站出口压力引入到 pid 控制器实现反馈调节，pid 控制器将压力设 定值与反馈值的差值作为输入信号，控制变频器输出频率可变的电压从而调节加 压机转速，从而实现压力恒定，风机变频调速控制如图 2.6 所示： 轴承座轴承座风机本体风机本体轴承座轴承座加压机主电机加压机主电机 高压变频器高压变频器 机旁控制室机旁控制室润滑油站润滑油站 风机前风机前 轴温度轴温度 风机前风机前 轴震动轴震动 轴轴 承承 箱箱 进进 油油 轴轴 承承 箱箱 回回 油油 风机风机 后轴后轴 温度温度 风机风机 后轴后轴 震动震动 润滑润滑 油压油压 力力 油泵启停联锁信号油泵启停联锁信号 风机风机 启停启停 保护保护 信号信号 主电机主电机 变频控变频控 制电源制电源 电机电机 前轴前轴 温度温度 电机电机 定子定子 u 温温 度度 电机电机 定子定子 v温温 度度 电机电机 定子定子 w 温温 度度 电机电机 后轴后轴 温度温度 图图 2.6 风机变频调速控制风机变频调速控制图图 煤气加压风机运用变频调速技术对风机进行转速调节控制，根据变频调速原 理通过控制变频器输出电压的频率，达到调节加压风机电机的转速的目的。同时 加压机电机与稀油站相连，稀油站对电机轴承供油，通过控制油压、油量，实现 对轴承的润滑和降温，保证电机轴承不会因温度过高而热烧毁。加压机的电气控 制原理图如图 2.7 所示： 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 14 - 图图 2.7 加压机电气原理图加压机电气原理图 其中加压风机采用模拟量闭环控制系统，如图 2.8 所示： 变频器变频器煤气加压机电机煤气加压机电机 ao ai 速度反馈信号速度反馈信号4-20ma 频率可频率可 变电压变电压 控制信号控制信号 4-20ma 控制器控制器 机后机后 压力压力 图图 2.8 加压机转速闭环控制框图加压机转速闭环控制框图 plc 通过 ao 模块输出 420ma 的速度设定信号， 在 plc 中已经利用 ao 模块 自身功能将 420ma 信号标定为 03000r/min 的速度信号。由 ao 模块内部自动转 换，控制指令按照正常的转速（r/min）发出，ao 模块根据速度大小自动转换为相应 的 420ma 信号输出，控制变频器输出频率可变的电压信号控制风机的转速，同时 加压机后压力变送器输出一个 420ma 的速度反馈信号到 plc 的 ai 模板， ai 模板 自动进行数据转换，将速度反馈信号转换为 03000r/min 的速度值，plc 根据反馈 的速度值确定变频器是否已经达到设定值，若有高低偏差，再进行相应的调整4。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 15 - 3 煤气回收利用控制系统硬件组成煤气回收利用控制系统硬件组成及软件实现及软件实现 3.1 煤气回收利用控制系统的硬件煤气回收利用控制系统的硬件组成组成 本文的控制系统采用西门子 plc 实现。西门子的 plc 具有高性价比的特点，在 我国和国际的市场占有率都很大， 由于西门子的 plc 产品稳定可靠品质一流， 所以我 国很多企业单位都广泛采用它的产品。 西门子plc 为满足不同客户群体的需求， 其产 品的型号很多，按照其控制点数的多少可分为：小型 s7-200、中型 s7-300 和大型的 s7-400，针对不同控制系统的规模进行特性灵活运用，各种工业控制系统都能完成相 应的组态。 本设计中的转炉煤气回收利用自动控制系统采用s7-300plc 就可以很好的 满足，它采用模块式结构，主要由以下几部分组成： 中央处理单元（cpu）用于存储和处理用户程序，控制集中式 i/o 和分布式 i/o， 各种 cpu 有不同的性能，有的集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的集成有 profibus 通信接口。cpu 前面板上有专用故障指示灯、模式选择开关、24v 电源端 子、存储卡插槽