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1 背景及改造必要性
中小型加热炉于1996年投产，近几年数次发生动水梁漏水事故，水梁、炉墙、炉顶、烧嘴均存在较大隐患。为彻底解决加热炉水梁存在的问题，在不对现有加热炉结构做较大变动的条件下，决定对中小型加热炉水梁进行汽化冷却改造。
2 工艺流程
汽化冷却主要利用水变成蒸汽时吸收大量的汽化潜热，使冷却构件得到充分冷却。工艺流程为：软水通过软水泵由软水箱送入除氧器，再经给水泵进入汽包，补充汽包损失的水量。循环采用集下单上系统，软水由内径较大的下降管沿汽包底部下降到下联箱、并经柔性组件，上联箱进入固定梁、步进活动梁等冷却构件，吸收热量后，从上联箱、柔性组件，下联箱再经上升管回到汽包，组成一个汽化冷却闭环循环系统。汽水混合物回到汽包后，进行汽水分离，蒸汽送到用汽单位，水则贮存于汽包下部，与补充水一起参加再循环。
3 汽包液位控制原理
为了确保汽包与加热炉的冷却循环水安全正常生产，需要维持系统的给水量与送出的蒸汽量的平衡，即可以通过控制汽包补充新水流量大小来控制汽包的水位相对稳定在一定范围内，适应各种工况的运行。
影响汽包液位的因素除了加热汽化外，还有蒸汽和给水流量的波动。当负荷突然增大，汽包压力突然降低，水就会急剧汽化，出现大量气泡，形成了“虚假液位”。这时调节器就会误以为液位升高而关小供水阀门，影响生产甚至造成危险。为避免这种情况的发生，需要计算汽包出汽量、进水量以及汽包的平均液位，进行对比验证，克服汽包水位波动。我们采用三冲量控制方式对汽包进行连续补水（图2）。
稳定状态下，液位测量信号等于给定值，液位调节器的输出，蒸汽流量及给水流量等三个信号，通过加法器得到的输出参数为：
I0=K1 I1-K2 I2+K3 I3
I1为液位调节器的输出参数（汽包给水流量采用电磁流量计，4-20mA信号送控制系统。）
I2为蒸汽流量变送器的参数（汽包送出蒸汽流量采用孔板测量，流量信号送控制系统。）
I3为给水流量变送器的参数（汽包水位信号送控制系统，设有两套独立的远传水位信号指示。当汽包水位过低时，发出联锁停炉信号。）
K1、K2、K3分别为加法器各通道的衰减系数。设计K2 I2=K3 I3此时I0正是调节阀处于正常开度时所需要的值。假定在某一时刻，蒸汽负荷突然增加，蒸汽流量变送器的输出值I2相应增加，加法器的输出值I0就减少，从而开大给水调节阀。但是与此同时出现了假液位现象，液位调节器输出值I1将增大。由于进入加法器的两个信号相反，蒸汽流量变送器的输出值I2会抵消一部分假液位输出值I1，假液位所带来的影响将局部或全部被克服。
待假液位过去，水位开始下降，液位调节器输出值I1开始减小，此时，它与蒸汽流量信号变化的方向相反，因此加法器的输出值I0减小，意味着要求增加给水量，以适应新的负荷需要并补充液位的不足。调节过程进行到液面重新稳定在给定值，给水量和蒸发量达到新的平衡为止。当蒸汽负荷不变，给水量本身因压力波动而变化时，加法器的输出相应变化，去调节阀门开度，直至给水量恢复到所需的数值为止。由于引进了蒸汽流量和给水流量两个辅助冲量，起到了“超前信号”的作用，使给水阀一开始就向正确的方向移动，因而大大减小了液位的波动幅度，抵消了虚假液位的影响，并缩短了过渡过程时间。
此外，加热炉还有固定梁及其立柱以及活动梁及其立柱串联形成8个循环冷却回路。循环水进入每组冷却构件都需在进水管上配置压力、温度、流量测量及流量调节装置，根据负荷进行水量分配。用于核对各支管流量的测量准确性，确保运行中对各冷却回路的参数监控。
4 控制系统实施方案
汽化冷却系统控制系统按照加热炉的整体配置分成仪表和电气控制部分，采用S7-400PLC控制系统作为系统主控制器，I/O采用分布式控制结构ET200M系统，现场总线采用PROFIBUS-DP总线结构将主控制器和ET200M系统相连接，工作站（HMI）与控制器连接方式采用工业以太网形式组成。仪表PLC控制器用于生产过程的逻辑和顺序控制，闭环调节控制、数据采集、计算和过程I/O处理等。工作站用于参数设定、操作和修改、报警和事故显示、过程画面显示、系统状态显示等。电气PLC控制器用于汽化冷却系统中的低压供配电设备、电气传动装置等设备逻辑控制。两套PLC系统之间采用以太网通讯，进行数据的交互。
控制系统系统如图3：
5 改造效果
（1）改造后，系统能稳定运行，能够保证工艺线稳定顺行，生产效率提高1%，按年产量90万吨、吨钢利润200元计算：90×5%×200=900（万元）;
（2）减少氧化烧损和节约煤气，煤耗降低0.02GJ/t，按年产量90万吨、40元/GJ计算，则年节约煤气：90×0.02%×40=72（万元）是节能减排的项目;
（3）氧化烧损降低0.05%，按年产量90万吨、3000元/t钢计算，则年创效益：90×0.05%×3000=135（万元）。
（4）操作人员仅通过设在操作室内的HMI上的监视画面及键盘、鼠标即可进行操作、监控。同时设有辅助打印机和存储设备，便于操作数据和控制数据的管理;
（5）控制系统设置了UPS不间断电源，区域停电时UPS系统提供大于30分钟的供电时间。
中小型加热炉于1996年投产，近几年数次发生动水梁漏水事故，水梁、炉墙、炉顶、烧嘴均存在较大隐患。为彻底解决加热炉水梁存在的问题，在不对现有加热炉结构做较大变动的条件下，决定对中小型加热炉水梁进行汽化冷却改造。
2 工艺流程
汽化冷却主要利用水变成蒸汽时吸收大量的汽化潜热，使冷却构件得到充分冷却。工艺流程为：软水通过软水泵由软水箱送入除氧器，再经给水泵进入汽包，补充汽包损失的水量。循环采用集下单上系统，软水由内径较大的下降管沿汽包底部下降到下联箱、并经柔性组件，上联箱进入固定梁、步进活动梁等冷却构件，吸收热量后，从上联箱、柔性组件，下联箱再经上升管回到汽包，组成一个汽化冷却闭环循环系统。汽水混合物回到汽包后，进行汽水分离，蒸汽送到用汽单位，水则贮存于汽包下部，与补充水一起参加再循环。
3 汽包液位控制原理
为了确保汽包与加热炉的冷却循环水安全正常生产，需要维持系统的给水量与送出的蒸汽量的平衡，即可以通过控制汽包补充新水流量大小来控制汽包的水位相对稳定在一定范围内，适应各种工况的运行。
影响汽包液位的因素除了加热汽化外，还有蒸汽和给水流量的波动。当负荷突然增大，汽包压力突然降低，水就会急剧汽化，出现大量气泡，形成了“虚假液位”。这时调节器就会误以为液位升高而关小供水阀门，影响生产甚至造成危险。为避免这种情况的发生，需要计算汽包出汽量、进水量以及汽包的平均液位，进行对比验证，克服汽包水位波动。我们采用三冲量控制方式对汽包进行连续补水（图2）。
稳定状态下，液位测量信号等于给定值，液位调节器的输出，蒸汽流量及给水流量等三个信号，通过加法器得到的输出参数为：
I0=K1 I1-K2 I2+K3 I3
I1为液位调节器的输出参数（汽包给水流量采用电磁流量计，4-20mA信号送控制系统。）
I2为蒸汽流量变送器的参数（汽包送出蒸汽流量采用孔板测量，流量信号送控制系统。）
I3为给水流量变送器的参数（汽包水位信号送控制系统，设有两套独立的远传水位信号指示。当汽包水位过低时，发出联锁停炉信号。）
K1、K2、K3分别为加法器各通道的衰减系数。设计K2 I2=K3 I3此时I0正是调节阀处于正常开度时所需要的值。假定在某一时刻，蒸汽负荷突然增加，蒸汽流量变送器的输出值I2相应增加，加法器的输出值I0就减少，从而开大给水调节阀。但是与此同时出现了假液位现象，液位调节器输出值I1将增大。由于进入加法器的两个信号相反，蒸汽流量变送器的输出值I2会抵消一部分假液位输出值I1，假液位所带来的影响将局部或全部被克服。
待假液位过去，水位开始下降，液位调节器输出值I1开始减小，此时，它与蒸汽流量信号变化的方向相反，因此加法器的输出值I0减小，意味着要求增加给水量，以适应新的负荷需要并补充液位的不足。调节过程进行到液面重新稳定在给定值，给水量和蒸发量达到新的平衡为止。当蒸汽负荷不变，给水量本身因压力波动而变化时，加法器的输出相应变化，去调节阀门开度，直至给水量恢复到所需的数值为止。由于引进了蒸汽流量和给水流量两个辅助冲量，起到了“超前信号”的作用，使给水阀一开始就向正确的方向移动，因而大大减小了液位的波动幅度，抵消了虚假液位的影响，并缩短了过渡过程时间。
此外，加热炉还有固定梁及其立柱以及活动梁及其立柱串联形成8个循环冷却回路。循环水进入每组冷却构件都需在进水管上配置压力、温度、流量测量及流量调节装置，根据负荷进行水量分配。用于核对各支管流量的测量准确性，确保运行中对各冷却回路的参数监控。
4 控制系统实施方案
汽化冷却系统控制系统按照加热炉的整体配置分成仪表和电气控制部分，采用S7-400PLC控制系统作为系统主控制器，I/O采用分布式控制结构ET200M系统，现场总线采用PROFIBUS-DP总线结构将主控制器和ET200M系统相连接，工作站（HMI）与控制器连接方式采用工业以太网形式组成。仪表PLC控制器用于生产过程的逻辑和顺序控制，闭环调节控制、数据采集、计算和过程I/O处理等。工作站用于参数设定、操作和修改、报警和事故显示、过程画面显示、系统状态显示等。电气PLC控制器用于汽化冷却系统中的低压供配电设备、电气传动装置等设备逻辑控制。两套PLC系统之间采用以太网通讯，进行数据的交互。
控制系统系统如图3：
5 改造效果
（1）改造后，系统能稳定运行，能够保证工艺线稳定顺行，生产效率提高1%，按年产量90万吨、吨钢利润200元计算：90×5%×200=900（万元）;
（2）减少氧化烧损和节约煤气，煤耗降低0.02GJ/t，按年产量90万吨、40元/GJ计算，则年节约煤气：90×0.02%×40=72（万元）是节能减排的项目;
（3）氧化烧损降低0.05%，按年产量90万吨、3000元/t钢计算，则年创效益：90×0.05%×3000=135（万元）。
（4）操作人员仅通过设在操作室内的HMI上的监视画面及键盘、鼠标即可进行操作、监控。同时设有辅助打印机和存储设备，便于操作数据和控制数据的管理;
（5）控制系统设置了UPS不间断电源，区域停电时UPS系统提供大于30分钟的供电时间。