寶鋼湛江鋼鐵焦爐智能設備的應用
2024-04-18 09:57:53
1 焦爐背景概況
煉鐵廠是寶鋼湛江鋼鐵重要的組成單位，煉鐵下設高爐、燒結(jié)、焦化、球團、原料5大單元，全流程的煉鐵工藝。其中，煉焦單元一二期為：年產(chǎn)干全焦約340萬t，采用4×65孔JNX2-70-2型復熱式頂裝焦爐，配套4×140t/h干熄焦設施、2×30MW抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機組。三期為：年產(chǎn)干熄焦160萬t，采用2×65孔JNX2-70-2型復熱式頂裝焦爐，配套3×140t/h干熄焦設施。其中一二焦爐配備推焦機、導焦機、裝煤車、有（無）驅(qū)動運載車各3套，為2開1備使用；三焦爐新建推焦機、導焦機、裝煤車和電車各2套，為1開1備使用。采用2-1串序?qū)μ炕疫M行操作，其焦爐移動車輛按焦爐作業(yè)計劃，首先由裝煤車完成從煤塔下取出煉焦煤，裝入炭化室，經(jīng)過1個結(jié)焦周期，由推焦機啟閉機側(cè)焦爐爐門，同時由導焦機啟閉焦側(cè)焦爐爐門，并將成熟的焦炭推出炭化室導入旋轉(zhuǎn)焦罐車，電機車驅(qū)動焦罐運載車到達牽引位，干熄焦牽引橫移焦罐臺車，送至提升機進行熄焦，熄焦直送高爐使用，蒸汽鍋爐利用余熱進行汽輪機發(fā)電。煉焦生產(chǎn)作業(yè)往往人機結(jié)合頻率高，操作環(huán)境惡劣，作業(yè)風險高，容易出現(xiàn)機械傷人、灼傷、中毒等問題。
通過三焦爐智能設備及技術運用，操作人員可以按照手動、自動方式進行操作，結(jié)合焦爐本體的液壓交換機，爐底巡檢機器人，上升管余熱利用及自動開閉和火落判定技術等功能相互配合，完成焦爐無人化生產(chǎn)作業(yè)。
2 三焦爐智能設備及技術應用措施
2.1 煙道廢氣脫硫脫硝凈化裝置
焦爐三期設置1套焦爐煙道廢氣脫硫脫硝凈化裝置，采用NaHCO3干法（SDS）脫硫+低溫選擇性催化劑還原法（SCR）脫硝工藝。該工藝先進行煙氣脫硫，后除塵，然后低溫SCR脫硝，實現(xiàn)焦爐煙道廢氣氮氧化物、二氧化硫、顆粒物、氨氣等有害物排放符合超低排放要求，滿足湛江鋼鐵A級標準。為減少系統(tǒng)阻力，按10萬m3/h考慮煤氣處理量�；玖鞒倘鐖D1所示。
圖 1 焦爐煙氣脫硫脫硝裝置流程
2.2 機車無組織排放達標
在設計時為便于現(xiàn)有車輛的通行及觀察，沒有對爐前擋風罩的后部擋板實行全密封設計，部分空氣通過這些通道進入到爐前，會對爐頭煙的收集產(chǎn)生一定影響。為實現(xiàn)車輛爐頭煙收集全密封效果，滿足超低排放無組織排放要求，對原有車輛進行全封閉改造，并增加機車除塵風機調(diào)節(jié)功能。
無煙裝煤車可通過調(diào)節(jié)氣動執(zhí)行機構改變水封閥盤的開度，達到改變荒煤氣流通截面積的目的，實現(xiàn)炭化室內(nèi)壓力的精確調(diào)節(jié)，保證各炭化室底部在全結(jié)焦周期內(nèi)均處于微正壓狀態(tài)，避免爐門冒煙冒火及炭化室負壓。配合車輛管理系統(tǒng)，完成上升管系統(tǒng)全自動裝煤、推焦操作。
2.3 單孔炭化室壓力控制系統(tǒng)
單孔炭化室壓力控制系統(tǒng)在焦爐裝煤生產(chǎn)操作階段，集氣管負壓配合高壓氨水噴射工藝，有效地控制煙塵的無組織排放。在焦爐結(jié)焦生產(chǎn)操作階段依據(jù)荒煤氣發(fā)生量曲線，把整個結(jié)焦過程分成11段調(diào)節(jié)給定值，更能精確控制炭化室底部壓力在5～50Pa的范圍內(nèi)。在焦爐推焦生產(chǎn)操作階段，炭化室與集氣管完全阻斷，避免推焦過程中吸入大量的空氣，保證焦爐及后續(xù)工藝生產(chǎn)安全。系統(tǒng)與四大車系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)焦爐裝煤、結(jié)焦、推焦過程的自動化。炭化室壓力控制自動調(diào)節(jié)裝置如圖2所示。
圖 2 炭化室壓力控制自動調(diào)節(jié)裝置
2.4 焦爐爐底自動巡檢小車
自動巡檢小車攜帶工業(yè)視覺相機、熱成像相機、CO傳感器和溫濕度傳感器，可按預先設定的計劃進行巡檢，讀取并自動記錄巡檢點的編碼和準確日期，然后完成該巡檢點預先設定的采集內(nèi)容，再對采集的圖像、環(huán)境參數(shù)等進行實時分析計算，將分析得到的設備運行狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)等結(jié)果通過wifi網(wǎng)絡提交給部署在巡檢專用服務器上的巡檢管理系統(tǒng)軟件。通過監(jiān)控和采集爐底數(shù)據(jù)，完成焦爐區(qū)域無人化生產(chǎn)作業(yè)。圖3為機器人巡檢管理系統(tǒng)框架圖。
圖3 機器人巡檢管理系統(tǒng)框架圖
2.5 機車自動化系統(tǒng)
2.5.1 機車相關應用技術
機車自動化系統(tǒng)主要包括以下幾部分。
無人駕駛：粗定位編碼器，通過自動對位系統(tǒng)進行走行距離檢測和速度調(diào)節(jié)完成對位。精定位碼牌，通過碼牌編碼，信號檢測識別爐號并對中，定位精度±1mm。
智能防碰：采用毫米波雷達和激光-時間飛行原理及多重回波技術，非接觸性檢測，建立主動防碰撞系統(tǒng)。系統(tǒng)通過雷達掃描和激光回波，檢測焦爐機車走行區(qū)域內(nèi)人機實時信息，計算得出各車車距及車與障礙物或人的距離，并根據(jù)距離及趨勢聯(lián)鎖車輛報警、減速、制動等車輛動作，避免車輛與周圍目標物發(fā)生碰撞，保障車輛全自動作業(yè)時人機安全。
區(qū)域防控：焦爐整體區(qū)域進行分區(qū)規(guī)劃，電子圍欄，三級限制，分區(qū)管控。
振動擾度測量：在線對推焦桿振動、擾度測量，實時監(jiān)控推焦桿使用情況。
結(jié)次焦檢測：裝煤車結(jié)次焦檢測裝置，為裝煤車爐蓋是否打開提供安全可靠的聯(lián)鎖保障。
小爐門檢測：推焦機平面檢測系統(tǒng)，提供小爐門開閉檢測功能，保證平煤安全可靠。
液壓碟剎：機車定位要求精準，剎車采用液壓碟剎形式。
2.5.2 機車智能決策分析系統(tǒng)
機車智能決策分析系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、推焦過程監(jiān)控、生命周期管理、生產(chǎn)計劃管理、專家診斷管理、能耗管理等。主要介紹以下幾部分。
數(shù)字孿生系統(tǒng)：四大車數(shù)字孿生系統(tǒng)，采用數(shù)字化雙胞胎技術，充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，在虛擬空間中完成映射，實現(xiàn)了焦爐機械設備實體向數(shù)字化模型的反饋，保證數(shù)字化系統(tǒng)與物理實物的協(xié)調(diào)一致。以三維的方式實時動態(tài)顯示設備運行狀態(tài)，實現(xiàn)了以“飛行”、“穿透”等“上帝視角”全方位查看設備的實時狀態(tài)，并結(jié)合機車設備故障診斷系統(tǒng)，對機車設備長期監(jiān)督、判斷、分析等運行數(shù)據(jù)模型分析，提出合理化建議，提醒、輔助設備點檢員對機車設備傾斜性管理。圖4為數(shù)字化雙胞胎技術的三維可視化。
圖4 數(shù)字化雙胞胎技術的三維可視化
專家診斷管理：焦爐機車故障診斷，結(jié)合數(shù)字孿生和全流程監(jiān)控及信息流控制，建立智能化的分析診斷系統(tǒng)，指導焦爐設備生產(chǎn)運行，使焦爐設備保持最佳運行狀態(tài)，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。其中，智能診斷由大數(shù)據(jù)采集、遠程數(shù)據(jù)連接、數(shù)據(jù)分析、專家診斷系統(tǒng)、分析報告輸出等單元組成。其主要任務為關鍵數(shù)據(jù)采集，包括統(tǒng)計主要零部件的軸承、車輪轉(zhuǎn)數(shù)，統(tǒng)計減速機使用時間，統(tǒng)計推焦桿、導焦柵、平煤桿使用次數(shù)，統(tǒng)計爐體溫度、壓力、荒煤氣發(fā)生量，及機車推焦電流或推焦力，最終形成數(shù)據(jù)庫，便于焦爐生產(chǎn)、配煤等系統(tǒng)的優(yōu)化。
能源管理：包括對水、電、氣、液壓介質(zhì)、潤滑介質(zhì)消耗量進行數(shù)據(jù)采集與分析。在線監(jiān)測能源介質(zhì)壓力、流量、清潔度，對能源介質(zhì)消耗監(jiān)控，保證能源量最小；對介質(zhì)清潔度進行監(jiān)控，形成數(shù)據(jù)庫。
生命周期管理：備件周期管理，以寶鋼設備管理為基礎，預知狀態(tài)維修為指導，結(jié)合設備使用說明書的推薦，對設備壽命進行專家系統(tǒng)評測，智能指導維修、保養(yǎng)。對設備進行故障預診斷，形成數(shù)據(jù)庫，便于設備維護保養(yǎng)。
2.6 通訊技術
無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)由控制信號無線數(shù)傳和視頻5G無線數(shù)傳2個部分組成。控制信號無線數(shù)傳用于車上PLC控制系統(tǒng)與地面協(xié)調(diào)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信，視頻無線數(shù)傳用于車上攝像頭信號與車上PLC控制系統(tǒng)的傳輸。無線數(shù)傳系統(tǒng)由地面基站及天線、車載站及天線、數(shù)傳機柜及網(wǎng)絡等設備組成。地面基站及天線的布置應完全覆蓋車輛工作區(qū)域，無信號盲區(qū)，通信寬帶滿足數(shù)據(jù)信號和視頻信號的實時可靠傳輸需求。
爐頂自動控制、地下巡檢機器人、四車綜合聯(lián)鎖，監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸利用5G數(shù)據(jù)完成。
2.7 爐頂輔助功能
爐頂輔助功能包括爐頂測溫、火落判定、加煤口堵塞檢測、上升管余熱回收利用、炭化室單孔調(diào)壓系統(tǒng)等。在加煤口安裝探頭裝置，用溫度判定方法進行檢測，在取蓋機構側(cè)旁安裝紅外激光檢測器，探測每個加煤口，通過溫度判別加煤口蓋是否正常開啟，加煤口是否存在堵塞現(xiàn)象。
3 焦爐無人化前景
隨著設備水平不斷的提高和自動化技術的迅速發(fā)展，煉焦生產(chǎn)工藝自動化研究也越來越深入，雖然實現(xiàn)機車無人駕駛越來越多，但短時自動、監(jiān)控密集、區(qū)域封閉并不是真正的無人駕駛，設備的智能分析、節(jié)能環(huán)保、狀態(tài)保持等因素，直接影響到焦爐機車無人駕駛的實現(xiàn)。
（1）天氣對焦爐設備的制約性。地域特性不同，限制因素多種多樣，黑天、白天、雨天、大霧、大風、雪、臺風等天氣狀況，對焦爐機車生產(chǎn)運行有著很強的制約性。如雨天模式車輛剎車性能下降，大霧天攝像頭視線受阻，黑天部分區(qū)域需自動照明等。焦爐智能化應結(jié)合氣象預報，提前做出預判作業(yè)或不同環(huán)境作業(yè)模型。
（2）智能輔助設備的應用。焦爐生產(chǎn)目前仍需爐體維護、巡檢點檢等人員，利用智能化機器人、紅外熱成像等技術，代替現(xiàn)有輔助人員巡檢作業(yè)，也是無人化需要解決的重要問題之一。
（3）數(shù)字的智能化�，F(xiàn)代化全流程智能信息流控制設備已進入數(shù)字化時代，通過數(shù)據(jù)的分析和判斷，即可做出正確的選擇，但數(shù)字信息的自我校正和糾正如何做到100%，也是無人化的重要一環(huán)。
（4）無人化并非代表無人，但是如何把點檢員變成維護工程師，把生產(chǎn)人員變成流程工程師，高尖端人員的培養(yǎng)和能力，更是不可缺少的關鍵，人機結(jié)合才是完美實現(xiàn)焦化無人生產(chǎn)的最終結(jié)果。
4 結(jié)論
煉鐵廠焦爐通過無人駕駛、智能防碰撞、區(qū)域防控、安全聯(lián)鎖、無線技術、集群操作模式、結(jié)次焦檢查等多種技術的應用，并結(jié)合焦爐本體的防爆液壓交換機、爐底巡檢機器人、上升管余熱回收、上升管自動開閉和火落判定技術等功能相互配合，全流程監(jiān)控智能分析操作及控制，實現(xiàn)焦爐機車的自動化、少人化，同時提高生產(chǎn)作業(yè)效率，確保區(qū)域生產(chǎn)安全，最終實現(xiàn)焦爐區(qū)無人化生產(chǎn)。
