0 前言

      高爐噴煤就是從高爐風(fēng)口向爐內(nèi)直接噴吹磨細(xì)了的無煙煤粉、煙煤粉或兩者的混合煤粉，以代替部分焦炭提供熱量和還原劑。高爐噴煤后，可以擴(kuò)展風(fēng)口前的回旋區(qū)，縮小呆滯區(qū)；可以降低風(fēng)口前的理論燃燒溫度，有利于提高風(fēng)溫使用水平和富氧鼓風(fēng)；可以改善高爐爐缸的工作狀態(tài)，有利于高爐的穩(wěn)定順行。高爐噴煤成為高爐煉鐵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的核心。

      煤粉計(jì)量結(jié)果既決定著噴煤操作及設(shè)備配置的形式，又是高爐操作人員掌握和了解噴煤效果，并根據(jù)爐況變化實(shí)施調(diào)節(jié)的重要依據(jù)。如何對各風(fēng)口支管噴煤流量加以檢測和控制，對噴煤流量計(jì)進(jìn)行深入的研究，就顯得非常必要。

      1 煤粉流量計(jì)的測量原理

      1.1 氣固兩相流測量的基本原理

      煤粉在管道內(nèi)氣固兩相流動過程中，其離散相的尺寸、空間分布和流動狀態(tài)是隨機(jī)變化的，利用氣固兩相電學(xué)特性，介電常數(shù)的隨機(jī)變化對電容探頭極板施加電場的隨機(jī)調(diào)制作用，造成電容探頭電容量的隨機(jī)變化，電容探頭電容量的變化不僅與氣固兩相混合物中兩相流體的體積流量百分比有關(guān)，而且與離散相的局部濃度有關(guān)^[1]。通過對電容探頭檢測到的流動噪聲信號進(jìn)入深入分析，發(fā)現(xiàn)流動噪聲信號對時間的變化率與被測兩相流體中離散相的質(zhì)量流量之間有確定關(guān)系。因此，在一定條件下可以根據(jù)流動噪聲信號對時間變化率的幅度分析和頻譜分析，確定氣固兩相流中離散相質(zhì)量流量的大小。

      1.2 電容測頭的電容量變化與時間的變化率

      當(dāng)氣固兩相流流過電容測頭的敏感體積時，測頭的電容量C（t）將隨著流體中離散相濃度η（t）的變化而產(chǎn)生相應(yīng)變化，即

      c（t）=f[η（t）]^[2]

      一般C（t）與η（t）之間為非線性關(guān)系均方根輸出電壓信號與質(zhì)量流量成比例，與離散相的介電常數(shù)和密度有關(guān)。

      2 煤粉流量計(jì)在高爐噴煤系統(tǒng)中的應(yīng)用

      2.1 煤粉流量計(jì)在高爐噴煤系統(tǒng)中的應(yīng)用

      在高爐噴吹自動控制系統(tǒng)中，將煤粉流量計(jì)作為控制系統(tǒng)的控制依據(jù)，效果很好。

      噴煤量的調(diào)節(jié)，是噴吹控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。噴煤量的大小，是根據(jù)高爐爐況的不同而需不斷地變化，而它又與罐壓及補(bǔ)氣量有密切的關(guān)系。在沒有采用噴煤流量計(jì)的控制系統(tǒng)中，多是手動設(shè)定噴吹罐的壓力，并根據(jù)噴煤罐重的減少量近似地計(jì)算出一個流量，再以它作為PID調(diào)節(jié)的實(shí)際流量值PV。在控制系統(tǒng)中，PV的值是一個不確切的數(shù)值，將它與噴煤量設(shè)定值SV的差值作為控制依據(jù)，必然會產(chǎn)生較大的誤差，使補(bǔ)氣調(diào)節(jié)閥的開度不能較好地適應(yīng)噴煤量的需要。

      采用煤粉流量計(jì)后，可以確切地計(jì)量出氣體中實(shí)際的煤粉質(zhì)量，以它作為PID調(diào)節(jié)的實(shí)際值的輸入，進(jìn)行噴煤量的回路控制。

      由于各噴煤系統(tǒng)設(shè)備的不同，煤粉流量計(jì)的具體應(yīng)用也有些差別，但最根本的還是它的PID控制。在常規(guī)PID控制中，變更設(shè)定值時，設(shè)定值與測量體之間的偏差會出現(xiàn)瞬間突變抖動。這種抖動的微分運(yùn)算輸出變化劇烈，使整個控制系統(tǒng)產(chǎn)生微分沖擊，不利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。為了消除這種現(xiàn)象，使微分運(yùn)算對噴煤量的設(shè)定值變動不起作用，單對測量值的變化產(chǎn)生微分超前控制作用，在噴煤量的回路控制中，采用了微分先行PID，又叫追值控制PID，即PI-D控制。將煤粉流量計(jì)的測量信號輸入至PLC的模擬量輸入模板，經(jīng)模板處理后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號PV，將操作人員在上位機(jī)設(shè)定的小時噴煤量SV及煤粉流量的測量值PV輸入下位機(jī)控制軟件的PID功能塊，定義相應(yīng)的比例帶P、積分時間常數(shù)TI、微分時間常數(shù)TD等參數(shù)，PID塊的輸出，則為控制操作信號輸出MV，經(jīng)PLC模擬量輸出模板輸出為4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號去直接控制補(bǔ)氣調(diào)節(jié)閥的啟閉。

      拉氏變換象函數(shù)表達(dá)式：

      式中：SV（S）與PV（S）― 小時煤量設(shè)定值與煤粉流量實(shí)際值；
               MV（S）― PID調(diào)節(jié)輸出的控制操作信號；
               S― 拉氏運(yùn)算子；
               P與T₁― 比例帶（%）與積分時間；
               T_D與k_D― 微分時間與微分增益。

      在計(jì)算機(jī)自動控制系統(tǒng)中，也可以將噴吹罐罐壓引入噴煤量回路控制中，采用串級回路控制。采用煤粉流量計(jì)的噴煤自動控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)完全的計(jì)算機(jī)自動控制，大大減輕了操作人員的工作量，滿足連續(xù)、穩(wěn)定、大噴吹量的要求。

      2.2 單支管煤粉流量計(jì)在安鋼高爐噴煤系統(tǒng)的應(yīng)用

      從1995年9月，安鋼5×350m³高爐先后開始噴吹煤粉。高爐經(jīng)過由不適應(yīng)到適應(yīng)的探索階段后，高爐噴煤節(jié)能降耗、提高產(chǎn)量的技術(shù)優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來。尤其通過對噴煤控制系統(tǒng)的改造和濃相輸煤、噴煤技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，通過原燃料條件、高爐冶煉強(qiáng)度和操作技術(shù)水平的整體提高，高爐各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得到全面優(yōu)化。

      由于爐前煤粉分配器對應(yīng)高爐12個風(fēng)口的12根噴槍支管，距離每一個風(fēng)口的長度不同，而且差別很大，導(dǎo)致每個風(fēng)口的噴煤量不同，尤其是距離分配器最遠(yuǎn)與最近的風(fēng)口處差別最為懸殊，給高爐爐況的順行造成一定影響。

      如何采取措施保證每根噴煤支管的流量、濃度均勻，保證高爐爐況長期穩(wěn)定順行成為當(dāng)務(wù)之急。通過調(diào)整進(jìn)入各支管的吹掃風(fēng)量，改變各支管內(nèi)氣固兩相流的流速和煤粉的濃度，可以起到一定的作用；通過優(yōu)化煤粉分配器各支管與12個風(fēng)口之間的組合，即把離高爐最近的噴煤支管連接到離分配器最遠(yuǎn)的風(fēng)口，把離高爐最遠(yuǎn)的噴煤支管連接到離分配器最近的風(fēng)口，實(shí)行“遠(yuǎn)”“近”搭配組合，使每根噴煤支管的當(dāng)量長度基本相等，也可以起到一定的作用。但這些方法都必須由專人不間斷地觀察各風(fēng)口處煤粉的燃燒情況，隨時加大或者減少各支管的流化風(fēng)量才能夠?qū)崿F(xiàn)，完全依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)判斷和手動調(diào)節(jié)，所以都不太可靠不太理想。最終，還是通過把單支管煤粉流量計(jì)安裝到分配器的12根噴煤支管，實(shí)現(xiàn)各支管流量與濃度的在線自動檢測和調(diào)節(jié)以后，才較好地解決了使每個風(fēng)口均勻噴煤的難題。

      2.3 煤粉流量計(jì)的誤差分析和應(yīng)用效果

      2.3.1 誤差分析

      在單位時間內(nèi)，將12根噴煤支管上所安裝12個單支管煤粉流量計(jì)的累計(jì)煤粉量，與噴煤罐在對應(yīng)時間內(nèi)所減少的量相比較，分析煤粉流量計(jì)的誤差和相對誤差值，從而判斷其測量的準(zhǔn)確度。表1為5號高爐連續(xù)10天的煤粉流量計(jì)的累計(jì)煤粉量與噴煤罐稱重值對比情況。

表1 煤粉流量計(jì)的累計(jì)量與噴煤罐稱重值對比  t

測量組 累計(jì)值 稱重值 累計(jì)值 稱重值 A 137.6 139.1 139.5 136.3 B 135.1 136.8 137.4 138.5 C 139.9 136.3 139.2 138.6 D 137.4 139.2 136.7 137.4 E 135.7 138.3 136.3 137.1

      由表1可以計(jì)算出，這10天噴煤量的平均誤差為1.76t，最大誤差為3.6t；平均相對誤差為1.3%，最大相對誤差為2.64%，小于5%。這說明煤粉流量計(jì)的測量精度比較高，完全可以滿足高爐噴煤生產(chǎn)的需要。

      2.3.2 應(yīng)用效果

      使用煤粉流量計(jì)后，高爐噴煤自動控制系統(tǒng)控制效果好。煤粉調(diào)節(jié)均勻、穩(wěn)定，操作人員可以根據(jù)系統(tǒng)控制信號，很方便地調(diào)整噴煤罐壓力、補(bǔ)氣量，從而有效地避免輸煤管道、噴煤支管堵煤和堵槍事故的發(fā)生，風(fēng)口前煤粉燃燒均勻，保證了高爐爐況的穩(wěn)定順行，明顯地提高了產(chǎn)量、風(fēng)溫使用水平及煤氣利用率。

      3 結(jié)束語

      1）電容探頭式流量計(jì)適用于氣固兩相流中固體介質(zhì)流量的測定，而且測量精度較高；
      2）高爐噴煤量的調(diào)節(jié)，可以通過粗調(diào)和精調(diào)相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)。但能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵還在于煤粉流量計(jì)計(jì)量結(jié)果是否準(zhǔn)確以及噴煤自動控制系統(tǒng)的PID控制模型設(shè)計(jì)；
      3）煤粉流量計(jì)在高爐噴煤系統(tǒng)，特別是在計(jì)算機(jī)自動控制中，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

      4 參考文獻(xiàn)

      [1] 康文進(jìn).我國高爐噴煤計(jì)量工藝改進(jìn)的設(shè)想.鋼鐵，1992，14（10）：8~10
      [2] Helm，A.H，F(xiàn)luid  P0wer Tr0ubleshoothing，Murce Dekker，Lnc，1995.126~135