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大型高炉除尘风机变频PLC控制系统开发

所属分类:公司新闻 点击次数:20977 发布日期:2021-08-19

  某高炉一次、二次除尘系统由2台高压异步电动机和2台风机设备等组成。采用人工手动操作方式,通过人工对吸尘点电动阀的开闭来控制扬尘点的除尘,调节风量只能调节除尘管道风门,但实际情况风机风门只能在全关或全开两种状态运行,除尘风机处于24 h全负荷运行状态。这种除尘控制系统与实际生产工艺需求不匹配,不仅造成较大电能浪费,还严重影响电动机绝缘性能和系统设备使用寿命。

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  为了使除尘系统控制方式与高炉出铁工艺流程更加匹配,保证生产环境的清洁,减少能源的浪费,通过高炉出铁工艺调研、出铁流程系统监控、风机变速损伤分析等方法提出高炉除尘风机PLC变频节能控制系统开发方案,对该高炉除尘风机进行匹配现场工艺的控制系统改造,达到节能环保的要求。

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  1 高炉出铁场除尘风机控制系统

  某高炉出铁场除尘风机系统由一、二次风机系统和脱硅风机系统组成,控制系统概况如图1所示,脱硅风机系统与一、二次风机系统相对独立。该系统主要用于捕集和处理出铁过程中从铁口、撇渣器、铁沟、铁罐、炉顶等扬尘点散发的烟气和粉尘。

  该高炉有4个出铁口,分布在南北出铁场,每个出铁口的标准出铁周期为2.5~3 h,正常情况下,每次只有1个出铁口出铁,出铁周期结束后进入下一个铁口的出铁周期,前后2个出铁口有约30 min的重叠出铁时间。按现行出铁制度,各出铁口和炉顶的吸尘管道都安装有手动或电动阀门,在一个标准出铁周期内,1/3的时间需要风机全负荷运行,其余2/3的时间只需风机低负荷运行即可满足现场出铁工艺除尘需求。

  另外,两台风机始终处于高负荷运行,风量不变,当系统只有一个出铁口出铁时,由于对应的停止出铁的吸尘阀门的关闭,相应的风量几乎全部从炉顶和仍在出铁的出铁口进入,这时在炉顶吸入点由于风速和压差的增大,炉顶相对较大的焦炭及矿石也被吸入除尘管道,由于被吸入焦炭及矿石总量、系统除尘管径变化和管道高低差等原因使得在炉顶被吸入的焦炭及矿石停留在总管与炉顶支管的交接处,管网系统特性出现恶性循环,管网风量很难调整和稳定。

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  2 变频控制系统设计

  2.1 系统概述

  针对风机运行控制方式与出铁场工艺制度不匹配造成除尘风机运行耗能浪费巨大,管网系统存在堵塞、泄漏造成系统能耗增加和岗位粉尘浓度控制难度增加两大问题,结合高炉出铁除尘工艺特点对一、二次风机系统进行改造。在不影响现有系统基本控制功能和基本运行需要的基础上,制定软件设计和调试方案,将新增设备与原系统进行关联,完成新增设备及其与旧设备连锁的集中控制功能,增加新设备、仪表信号的监控画面并对老系统相关部分进行功能完善,实现改造后整个控制系统的升级及功能优化。

  2.2 系统组成

  高炉除尘风机PLC变频节能控制系统采用三电一体化(EIC)技术,由监控系统(HMI)、PLC控制器、变频器系统、电能计量系统、在线诊断系统和网络设备组成,如图2所示。控制系统主要负载设备参数为:两台电动机额定功率1 400 kW 、额定电压3 kV、额定电流321A、额定转速980 r/min、效率0.95;两台除尘风机额定风量11 000 m3/min、风压5 500 Pa。

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  图2中,HMI监控具有完备的组态开发环境和调试环境[1],用于对现场出铁工艺情况的操作监控;可编程控制器采用S7-300系列PLC和ET200M硬件。

  V5.4控制系统开发软件,用于实现不同工况下的除尘风机变频控制;变频器系统采用东方日立高压变频器,用于除尘风机调速控制;电能计量系统采用综合电力监控仪对出铁除尘系统用电情况进行计量,为节能效果考核提供原始数据;在线诊断系统采用本公司的自主研发产品,用于采集除尘风机和电动机现场运行的设备信息,及时掌握风机电动机等设备状态。

  本系统中PLC控制系统与监控系统、在线诊断系统之间的通讯方式为TCP/IP协议,中央控制器PLC与远程I/O站之间的通讯方式为现场总线,远程I/O站与变频器系统之间采用点对点的硬线连接方式。建立的高炉除尘风机PLC变频节能控制系统具有动态随动功能,可以与现场工艺需求高度匹配,有效优化设备运行状态,有效减少能源浪费。

  3 变频控制系统功能

  高炉除尘风机变频PLC控制系统主要实现匹配工艺切换操作模式切换功能、电动机风机速度控制功能、设备动态监控功能等。控制系统采用高压变频器直接与电动机连接,变频拖动方式为“一拖一”,变频器系统结构如图3所示。

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  3.1 切换功能

  根据现场工艺控制需求,开发的除尘风机变频PLC控制系统具有机旁操作盘现场/中央、工频/变频选择方式切换功能,用于应对变频节能除尘系统正常、异常情况下的不同操作需求;出铁现场操作箱设置自动/手动切换功能,用于人工干预时的风速调节需求。

  3.1.1 现场/中央切换

  风机现场操作盘上选择现场操作模式即通过手动方式控制风机启停及功能切换,是主要操作模式。选择中央操作模式即通过中央控制室的计算机操作界面对风机的启停与功能切换进行操作,是备用操作模式。

  3.1.2 变频/工频切换

  风机现场操作盘上选择变频运行模式即风机在变频器控制下进行启动、运行与停止,由PLC对风机进行逻辑控制,是正常状态下的运行模式;选择工频运行模式即风机通过高压开关进行电抗器降压启动,控制主要由继电器回路完成,此时PLC主要负责变频/工频的判断,并对信号端口进行封锁(避免PLC控制与继电器回路控制的混乱),是一种紧急运行的后备运行模式。

  3.1.3 自动/手动切换

  出铁现场操作箱自动控制方式用于正常出铁、强化出铁、下渣异常、放残铁、大沟检修、休风等六种操作方式。单铁口出铁时,风机低速运行;多铁口出铁时,风机高速运行,是主要控制方式。手动控制方式用于单铁口出铁时,一旦出现低速运行不能满足需求(粉尘较大出铁异常)等情况下,人工干预改变风机运行速度,是一种备用控制方式。

  3.2 控制功能

  3.2.1 启停控制

  启停控制功能,主要包括变频运行时风机在变频器控制下进行启动、运行与停止。PLC根据现场工况条件设计了变频启停过程控制程序,以1台风机控制为例,变频停止流程如图4所示。

  由PLC控制系统对风机进行逻辑控制,包括:风机启动条件/停止条件、启动、切换挡板控制、高压开关合闸/分闸、故障信号判断、变频器状态监控与控制、现场与中央判断、变频与工频判断、高压开关连锁、信号指示灯输出、监控画面等。


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