重庆钢铁750 m3高炉TRT控制系统应用

2007-12-11 10:02:03

     1、概述及工艺流程

     利用高炉煤气余压发电，是钢铁企业一项有效的能源回收措施，高炉煤气余压透平发电装置（Top Gas pressure Recovery Turbine简称TRT）是国际、国内公认的钢铁企业重大能量回收装置。它是利用高炉煤气所具有的压力能、热能，把煤气导入透平机膨胀机，使压力能、热能转化为机械能，驱动发电机发电的一种装置。这种装置既回收了减压阀组白白泄放的能量，又净化了煤气、降低噪音，大大改善了高炉炉顶压力的控制品质。它具有结构简单、污染少、容量大、寿命长和节能显著等优点。因此，在能源综合利用上获得了越来越广泛的应用。TRT技术是先进的、成熟的，具有良好的发展前景。

     重钢750m3高炉TRT工艺流程如图1，从高炉送出的高压煤气经重力除尘器处理后，送到一级文氏管和二级文氏管，在文氏管内对煤气进行喷水冷却，同时再次捕集煤气中的灰尘。经过降温和除尘处理的煤气，送到煤气透平发电装置和减压阀组。从煤气透平和减压阀组出来的低压煤气再送到高炉煤气柜和用户。

     炉顶压力回收效率，很大程度上决定于透平的额定效率和高炉煤气量。在能量回收方式上分为：部分回收方式、平均回收方式和全部回收方式三种类型。

     （1）、部分回收方式。是使通过透平的最大设计煤气流量，保持在比高炉煤气最小流量还要小的数值，使通过透平的煤气量为一常数，同时炉顶压力由减压阀组来控制；

     （2）、全部回收方式。是使通过透平的最大设计煤气流量，比最大的高炉煤气流量还要大，炉顶压力靠透平调速阀或可动静叶来控制；

     （3）、平均回收方式。是使通过透平的最大设计煤气流量，为高炉正常生产时的平均煤气量。高炉炉顶压力靠透平调速阀和高炉减压阀组共同协调控制。当高炉煤气量小于透平设计流量时，减压阀组全闭，由调速阀来控制炉压。当高炉煤气量大于透平设计流量时，超出透平设计煤气量的那部分煤气，通过减压阀组。此时，炉顶压力由调速阀和减压阀组共同协调控制。

     2、TRT的计算机控制系统

     TRT的控制采用施耐德PLC控制系统，该系统将所有模拟量信号和电气专业的联锁及控制信号全部纳入PLC系统，实现了自动化仪表、电气及计算机的一体化控制，取消了以往几个专业之间的联系信号的接线，方便了维护，提高了系统的可靠性。

     控制系统的硬件配置如图2，本控制系统最大的特点就是采用了冗余方式，首先是网络冗余，网络采用的是MB+网。然后是控制站的CPU、通讯模块、电源模块的冗余，但是I/O模块不冗余。同时还配备了的2台Pc站，其一为操作员站，另一台为工程师站。

     软件配置：操作员站采用iFIX监控软件，PLC控制站采用Concept 2.2编程软件。

     3、控制策略

     TRT控制系统设计的原则是在确保高炉炉顶压力稳定，保证高炉正常生产的前提下，最大限度的回收高炉煤气压力的潜在能量，同时具有适应高炉异常时控制炉顶压力的能力。

     以下内容是TRT的核心部分，是根据TRT的运行特点设计的控制策略，它的功能通过软件实现。

     3.1、炉顶压力调节及控制

     本系统利用可调静叶实现自动控制炉顶压力，在不改变高炉操作的情况下，实现由TRT控制炉顶压力。可调静叶在事故状态下还能实现快速关闭。

     TRT与减压阀组并列运行时，送入TRT控制系统的炉顶压力测量值是同一信号；经过炉顶压力设定值偏差运算后，作为TRT控制系统的炉顶压力控制回路的设定值。这样就能使TRT控制系统跟踪高炉设定值，同时也决定了高炉顶压的设定权仍在高炉方面，高炉炉顶压力可由 TRT控制，也可由减压阀组控制，有时是两者同时进行炉顶压力的控制。

     3.2、前馈控制

     在本系统内设置了旁通快开阀，通过前馈控制系统实现紧急停机情况下TRT与高炉控制系统的平稳过渡。

     当发生透平紧急停机时，透平入口处的紧急切断阀立即关闭，为防止炉顶压力剧烈波动，需将旁通快开阀迅速打开，因该阀的信号超前于炉顶压力的变化，故称之前馈信号。前馈信号处于待机状态，一旦紧急切断阀关闭，前馈信号立即接入旁通快开阀，并令其开到相应的开度。旁通快开阀从全关到全开约需3s。因煤气清洗系统及管网会使顶压的变化存在容积滞后，减压阀组的调节作用要等5～10s后才使顶压有反应，故可用旁通快开阀的快开慢关动作来保持炉顶压力的稳定，并使炉顶压力的控制由TRT过渡到减压阀组。

     3.3、阀位开度控制

     可调静叶的开度停留在事先设定的任一位置上，以限制流过的煤气量，进而控制发电机的转速和输出功率，以防止可调静叶开过头。可调静叶在未参加自动调节时，是通过开度设定来控制其开度的。其余的调节阀有启动调节阀、1#旁通调节阀、2#旁通调节阀，它们都在仪表盘上设置了手操器，同时阀位有反馈信号到控制系统。

     3.4、负荷调节及控制

     负荷控制功能是为防止电网发生故障使发电机超负荷，使透平发电机输出功率在设计允许范围内波动。

     透平机组起动时，首先是调速阀开度设定器的设定信号成为电子调速器的输出信号。这种状态一直要持续到透平的转速达到转速设定值的下限（15%）为止，然后系统转为速度控制，当转速上升到预定的转速时，发电机组自动投入装置动作，进行自整步。转速调到3000r/min左右，待发电机周波与电网相一致时，发电机自动或手动并网。于是，电子调速器选中负荷控制信号。发电机初期负荷值为负荷设定值的下限。系统开始进行负荷控制，负荷设定值增加，电子调速器的输出信号增加，发电机负荷上升。若炉压控制信号此时高于负荷控制信号，则发电机满负荷运行。如图3为升功率/功率控制功能框图。

图3 升功率/功率控制功能框图

     3.5、机组轴监测控制

     为保证透平机组的安全启动，设置了透平转速、透平位移、透平振动、发电机振动等监测项目。其中，转速关系到发电机与电网的同步和安全运行，也关系到其它辅机的起停，当转速过高要跳闸而紧急停机。其它的监测项目也有高限及低限报警，高高限及低低限连锁的功能。

     3.6、 报警及安全联锁控制

     通过软件编程，使各种参数的超限及设备的故障都能发出报警信号，并将超限的参数和故障发生的部位显示出来。紧急情况下TRT能实现自动停机，并记录打印停机事故原因。除上述由计算机实现的安全联锁外，还设计了独立于计算机的安全联锁系统，并能实现自动和手动操作。上述功能是将PID控制回路、模拟量报警、特殊功能编程及梯级逻辑编程等功能结合起来实现的。

     4、TRT的运转控制

     透平发电机从起动、升速直至并网发电、正常停机和紧急停机，均在TRT操作室内操作（设有手动、半自动和全自动三种控制方式）。另外在机旁设有紧急停机操作按钮。

     （1）、起动

     TRT开始准备起动时，先开启润滑油系统和液压系统，然后开启出口插板阀、入口插板阀和紧急切断阀，完成各项起动前的准备工作后，选择手动、半自动或全自动起动方式。

     （2）、停机

     可选择手动停机、半自动停机、全自动正常停机及全自动紧急停机方式。这些操作方式可以任意组合，如手动+半自动，手动+全自动，半自动+全自动，操作非常灵活。

     （3）、电动运行

     当高炉出现故障需要短时休风时，为避免透平不必要的频繁启动，电机需由电网带着作电动运行，电机作电动运行时TRT就相当于鼓风机。

     （1）、 高炉休风

     高炉休风时，需与TRT取得联系，并发出休风信号。此时TRT有如下几种操作方式：

     TRT炉顶压力控制调节保持串级控制方式，由高炉主控制室改变高炉顶压的设定值，使炉顶压力测量值始终高于设定值，以便使可调静叶在电机作电动运行期间始终打开。

     人工将TRT处于保持位置，并将TRT炉顶压力控制调节器由串级控制方式切换到手动控制方式，使可调静叶保持原开度。

     人工将TRT炉顶压力控制调节器由串级控制方式切换到手动控制方式，使调速阀和可调静叶保持原开度。当高炉紧急休风时，TRT将炉顶压力由串级控制方式自动切换到手动控制方式，使可调静叶保持原开度。

     （2）、高炉复风

     当高炉故障排除需要复风时，需与TRT取得联系，并发出复风信号，此时TRT有如下几种操作方式：

     TRT炉顶压力控制调节器保持串级控制方式，由高炉主控制室改变顶压的设定值，高炉顶压由TRT调节逐渐升高。

     人工解除TRT保持状态，改变TRT控制系统的输出值将阀位开度减小，高炉顶压由高炉减压阀组调节。待顶压恢复正常后，将TRT炉顶压力控制调节器由手动控制方式切换到串级控制方式，使顶压控制由高炉减压阀组控制逐渐移到由TRT控制。

     发出复风信号，以消除紧急休风信号，其它操作与前相同。

     5、控制系统的投运情况

     TRT计算机控制系统于2004年1月投入使用后，能准确及时地采集PLC的数据，并能实时地将历史数据保存。操作人员能方便实时查看生产信息，进行操作设定，查询历史数据，并能方便地打印多种数据报表。该系统各种功能完善，极大地提高了生产效率及管理水平。

     6、结束语

     TRT计算机控制系统具有如下特点：

     （1）、可靠性提高。由于整个控制系统采用三电一体化设计、编程，减少了控制元件及接线， TRT投入运行两年以来，控制系统没发生过故障；

     （2）、投资少。由于整个控制系统采用三电一体化设计的方式，因此减少了控制元件和备品备件。另外，控制方案的改进，只需修改软件，不需要增加设备和投资；

     （3）、经济效益显著。TRT在投运过程中发电功率很容易就达到4500kW，减压阀组若是全部关闭，发电量还可以更高。