高爐TRT靜葉控制功能研究與優(yōu)化

萬利平，朱雪蓮

（攀鋼釩能源動(dòng)力分公司，四川攀枝花 617062）

引言

高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置(簡稱TRT)是國內(nèi)外公認(rèn)的冶金企業(yè)重大節(jié)能裝置。它是利用高爐爐頂煤氣的余壓和余熱，把煤氣導(dǎo)入一臺(tái)透平膨脹機(jī)，將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的一種能量回收裝置。相對(duì)一般設(shè)備的控制功能來說，高爐TRT 靜葉控制功能既要保證TRT 發(fā)電，又要保證高爐安全生產(chǎn)，它的安全性及穩(wěn)定性顯得尤為重要。攀鋼高爐頂壓控制在引進(jìn)TRT 前采用常規(guī)的四閥組進(jìn)行控制，四閥組對(duì)頂壓的控制實(shí)際就是通過四閥組的翻板開度控制高爐排氣流量，保持高爐頂壓實(shí)際值跟隨頂壓設(shè)定值，從而，保證高爐的正常生產(chǎn)。這樣，高爐高壓煤氣通過四閥組減壓損失了大量勢(shì)能，基于上述原因，從能源回收利用方面考慮，引進(jìn)了利用透平發(fā)電（TRT）來回收能源，控制高爐頂壓的高爐煤氣余壓發(fā)電工程。

該工程在高爐正常生產(chǎn)時(shí)，利用TRT 透平靜葉控制高爐頂壓，取代了使用四閥組控制頂壓的方式，在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)高爐頂壓的控制的安全性和穩(wěn)定性比用四閥組好。

1 TRT靜葉控制功能

過程分為TRT開機(jī)過程、正常運(yùn)行過程、TRT停機(jī)過程，其中，開機(jī)過程最為復(fù)雜，開機(jī)過程首先是轉(zhuǎn)速控制、并上網(wǎng)后轉(zhuǎn)為功率控制、升功率完成后進(jìn)入頂壓控制，不論是轉(zhuǎn)速控制、功率控制、頂壓控制，都是通過透平靜葉調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的，在開機(jī)過程中怎樣協(xié)調(diào)好它們?nèi)咧g的關(guān)系，是提高TRT 開機(jī)成功率的關(guān)鍵；TRT 正常運(yùn)行過程中主要是頂壓控制，在高爐正常生產(chǎn)時(shí)，利用透平靜葉開度控制高爐頂壓，取代了使用四閥組控制頂壓的方式。

2 TRT靜葉自動(dòng)控制原理

自動(dòng)控制系統(tǒng)是指用一些自動(dòng)控制裝置[比如輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)：伺服控制器（伺服控制模塊）、伺服閥、靜葉],對(duì)生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)（轉(zhuǎn)速、功率、頂壓）進(jìn)行自動(dòng)控制，使它們?cè)谑艿酵饨绺蓴_影響而偏離正常狀態(tài)時(shí),能夠被自動(dòng)地調(diào)節(jié)而回到工藝所要求的數(shù)值范圍內(nèi),TRT 靜葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)控制原理見圖1。

圖1 TRT靜葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)控制原理圖

高爐TRT 靜葉控制功能主要通過靜葉自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，靜葉自動(dòng)控制系統(tǒng)包含：

（1）被調(diào)參量采集：轉(zhuǎn)速、功率、頂壓設(shè)定值、測(cè)量值的檢測(cè)（變送器）、計(jì)算機(jī)輸入模塊。

（2）DCS內(nèi)部自動(dòng)控制邏輯。

（3）相關(guān)調(diào)節(jié)參量的引入。

（4）輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)：計(jì)算機(jī)輸出模件、伺服控制器（或伺服控制模塊）、伺服閥、靜葉。

3 TRT靜葉控制功能研究

TRT 靜葉控制系統(tǒng)主要控制功能有三個(gè)：（1）TRT開機(jī)時(shí)的轉(zhuǎn)速控制；（2）TRT剛并上網(wǎng)時(shí)的功率控制；（3）TRT正常運(yùn)行過程中的頂壓控制。

3.1 TRT開機(jī)時(shí)的轉(zhuǎn)速控制功能優(yōu)化

轉(zhuǎn)速控制原理：按照TRT 靜葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)控制原理圖。轉(zhuǎn)速作為被調(diào)對(duì)象（目標(biāo)值），靜葉作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.1.1 存在問題

3.1.1.1 轉(zhuǎn)速信號(hào)不可靠會(huì)造成轉(zhuǎn)速控制不穩(wěn)定。

3.1.1.2 目前使用的國產(chǎn)TRT，靜葉的調(diào)速精度不高，僅靠靜葉調(diào)速是達(dá)不到工藝需要的，如果只是單純的靜葉控制，沒有啟動(dòng)閥的輔助控制，會(huì)造成TRT 靜葉控制不住轉(zhuǎn)速，機(jī)組一次性啟動(dòng)成功率較低。

3.1.2 優(yōu)化措施一

3.1.2.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量信號(hào)（被調(diào)對(duì)象）的可靠性處理。

(1)采集3個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量值信號(hào)；

(2)每一個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量信號(hào)故障或者采集這個(gè)轉(zhuǎn)速的輸入模板通道故障，都判斷為這個(gè)轉(zhuǎn)速故障；

(3)3 個(gè)轉(zhuǎn)速其中任意2 個(gè)轉(zhuǎn)速故障才判斷為系統(tǒng)轉(zhuǎn)速故障；

(4)3 個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行3 取中處理后定義為系統(tǒng)轉(zhuǎn)速。

3.1.2.2 將系統(tǒng)轉(zhuǎn)速作壞質(zhì)量判斷后再用來調(diào)節(jié)。

壞質(zhì)量判斷方法采?。寒?dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速值2 s內(nèi)從+500 r/min變化到-500 r/min，判斷為系統(tǒng)轉(zhuǎn)速故障。

3.1.3 優(yōu)化措施二

3.1.3.1 采用DCS 內(nèi)部（和利時(shí)系統(tǒng)）PID 調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)；

3.1.3.2 轉(zhuǎn)速設(shè)定值的處理：分段控制，設(shè)定升速率，實(shí)際升速率分三個(gè)階段：2000 r/min 以前升速率為180 r/min；2000～2900 r/min 之間為120 r/min；2900 r/min以上為60 r/min。

3.1.4 優(yōu)化措施三

啟動(dòng)閥+靜葉控制程序優(yōu)化,即通過啟動(dòng)閥在TRT 剛開機(jī)時(shí)沖轉(zhuǎn)透平機(jī)到一定轉(zhuǎn)速后，與透平機(jī)的靜葉配合調(diào)速，在此期間控制透平機(jī)的振動(dòng)不能超標(biāo)，起到輔助控制轉(zhuǎn)速的作用。增加啟動(dòng)閥的輔助控制功能，優(yōu)化開機(jī)過程中轉(zhuǎn)速控制程序。

在TRT 啟動(dòng)畫面上設(shè)置“啟動(dòng)閥轉(zhuǎn)速自動(dòng)按鈕”“靜葉轉(zhuǎn)速自動(dòng)”“轉(zhuǎn)速控制/轉(zhuǎn)速保持”三個(gè)按鈕；啟動(dòng)條件滿足后，操作“啟動(dòng)TRT”按鈕,啟動(dòng)閥位手動(dòng)給定一定開度、靜葉手動(dòng)給定3%，轉(zhuǎn)速低于200 r/min，盤車脫開，操作畫面操作“靜葉轉(zhuǎn)速自動(dòng)”，操作畫面確認(rèn)透平進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制；目標(biāo)轉(zhuǎn)速給定3000 r/min，自動(dòng)開啟動(dòng)閥至18%，實(shí)際轉(zhuǎn)速升至800～1000 r/min；轉(zhuǎn)速自動(dòng)保持，透平入口與BDC出口及透平出口溫差小于25 ℃暖機(jī)結(jié)束，操作“轉(zhuǎn)速保持按鈕”；實(shí)際轉(zhuǎn)速上升至2386 r/min轉(zhuǎn)速自動(dòng)保持，檢查軸溫、軸振運(yùn)行正常,確認(rèn)后操作“轉(zhuǎn)速保持按鈕”；實(shí)際轉(zhuǎn)速上升至2850 r/min 轉(zhuǎn)速自動(dòng)保持，且同期允許燈亮，并自動(dòng)停輔助潤滑油泵倒至主油泵運(yùn)行，潤滑油系統(tǒng)排氣結(jié)束進(jìn)行倒泵，操作“轉(zhuǎn)速保持按鈕，實(shí)際轉(zhuǎn)速上升至3000 r/min,通知高爐、調(diào)度、電調(diào)準(zhǔn)備并網(wǎng)，同意后通知電氣人員操作勵(lì)磁建勵(lì)并進(jìn)行同期并網(wǎng)。

3.1.5 轉(zhuǎn)速PID參數(shù)優(yōu)化。

3.2 TRT剛并上網(wǎng)時(shí)的功率控制功能優(yōu)化

功率控制原理：按照TRT 靜葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)控制原理圖。功率作為被調(diào)對(duì)象（目標(biāo)值），靜葉作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2.1 存在問題

(1)功率信號(hào)不可靠會(huì)造成功率控制不穩(wěn)定。

(2)TRT 啟動(dòng)過程中，當(dāng)TRT 剛并網(wǎng)時(shí)功率控制與頂壓控制未協(xié)調(diào)好，容易影起高爐頂壓波動(dòng)大，影響高爐生產(chǎn)。

3.2.2 優(yōu)化措施一功率測(cè)量信號(hào)（被調(diào)對(duì)象）的可靠性處理。A：采集2個(gè)功率測(cè)量值信號(hào)；

B：每一個(gè)功率測(cè)量信號(hào)故障或者采集這個(gè)功率的輸入模板通道故障，都判斷為是這個(gè)功率故障；

C：2 個(gè)功率信號(hào)進(jìn)行2 取平均處理后定義為系統(tǒng)功率。

3.2.3 優(yōu)化措施二

功率自動(dòng)控制邏輯優(yōu)化。

(1)功率控制的被控對(duì)象只是靜葉的開度。

(2)按一定的升/降速斜率升/降功率，并且升/降功率的條件兼顧頂壓，頂壓偏差在3.5 kPa 以內(nèi)升功率，大于3.5 kPa 保持當(dāng)前的靜葉開度，保證穩(wěn)定地升功率，不影響高爐的頂壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的精準(zhǔn)控制。

（3）增加一個(gè)“強(qiáng)制進(jìn)入頂壓控制”按鈕，可在緊急情況下強(qiáng)制進(jìn)入頂壓控制，保證高爐正常生產(chǎn)。

3.2.4 功率PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 TRT正常運(yùn)行過程中的頂壓控制功能優(yōu)化

頂壓控制原理：按照TRT 靜葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)控制原理圖，見圖1。頂壓作為被調(diào)對(duì)象（目標(biāo)值），靜葉作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.3.1 存在問題

（1）頂壓實(shí)際值、測(cè)量值信號(hào)不可靠會(huì)造成調(diào)節(jié)功能失控。

（2）TRT 靜葉和減壓閥組均為高爐爐頂壓力控制設(shè)備，兩者并聯(lián)運(yùn)行，相互協(xié)調(diào)不好會(huì)造成頂壓調(diào)節(jié)波動(dòng)。

（3）高爐工藝（高爐上料系統(tǒng)的均壓、下密信號(hào)）對(duì)TRT靜葉頂壓調(diào)節(jié)干擾大。

3.3.2 優(yōu)化措施一（1）頂壓實(shí)際值、設(shè)定值信號(hào)的可靠性處理

TRT 靜葉調(diào)節(jié)的高爐頂壓實(shí)際值、設(shè)定值都是從高爐傳輸?shù)絋RT的，均需做信號(hào)的可靠性處理。

A：采集2個(gè)頂壓實(shí)際值信號(hào)；

B：高爐送往TRT 的頂壓實(shí)際值、設(shè)定值輸出都加隔離器進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

C：TRT 采集到的頂壓實(shí)際值信號(hào)先作高選處理（二選高）。

(2)頂壓實(shí)際值、設(shè)定值進(jìn)行壞質(zhì)量判斷處理

頂壓實(shí)際值、設(shè)定值均進(jìn)行壞質(zhì)量判斷處理，只要判定為壞質(zhì)量故障，靜葉調(diào)節(jié)切手動(dòng)，并且輸出一個(gè)固定開度，控制權(quán)交高爐調(diào)節(jié)頂壓。

A：采集的2 個(gè)頂壓實(shí)際值任意1 個(gè)的輸入模板通道故障，都判斷為是這個(gè)頂壓實(shí)際值為壞質(zhì)量；

B：在頂壓控制投入模式下，且TRT 為并網(wǎng)狀態(tài)，且無聯(lián)鎖停機(jī)信號(hào)，此時(shí)如果檢測(cè)到透平入口壓力高于155 kPa（可調(diào)）時(shí)，發(fā)出語音報(bào)警；判斷為信號(hào)壞質(zhì)量。

C：在TRT 頂壓調(diào)節(jié)時(shí)，當(dāng)高爐2 個(gè)測(cè)量值高選后在3 s 內(nèi)由90 kPa 以上突降至50 kPa 以下時(shí)，判斷為信號(hào)壞質(zhì)量。

D：在TRT 頂壓調(diào)節(jié)時(shí)，當(dāng)高爐設(shè)定值在3 s 內(nèi)由90 kPa 以上突降至50 kPa 以下時(shí)，判斷為信號(hào)壞質(zhì)量。

3.3.3 優(yōu)化措施二

針對(duì)TRT 靜葉和減壓閥組調(diào)節(jié)爐頂壓力重疊，造成高爐爐頂壓力波動(dòng)大的問題，以TRT 運(yùn)行模式為區(qū)別，將減壓閥組頂壓調(diào)節(jié)的PID 設(shè)置為雙PID調(diào)節(jié)參數(shù)。TRT 模式時(shí)，高爐減壓閥組調(diào)節(jié)采用弱PID，高爐模式時(shí)，高爐減壓閥組調(diào)節(jié)采用強(qiáng)PID。

3.3.4 優(yōu)化措施三

建立有料鐘高爐TRT頂壓自動(dòng)控制模型。

(1)建立TRT爐頂壓力的常規(guī)控制模型

以高爐爐頂壓力設(shè)定值減去0.8～1.5 kPa 作為TRT 控制高爐爐頂壓力的設(shè)定值，優(yōu)化TRT 靜葉調(diào)節(jié)PID 參數(shù)，使其能夠滿足正常情況下對(duì)高爐爐頂壓力的控制要求。

(2)建立高爐均壓信號(hào)及料流信號(hào)干擾高爐爐頂壓力的TRT頂壓控制模型

將高爐爐頂均壓閥動(dòng)作信號(hào)、高爐爐頂料流閥動(dòng)作信號(hào)引入有料鐘高爐TRT 爐頂壓力的控制模型，根據(jù)工藝變化情況，針對(duì)高爐控制模式，將高爐的與上料有關(guān)的左右均壓、下密信號(hào)引入TRT 作為高爐頂壓調(diào)節(jié)補(bǔ)償條件，自定義頂壓調(diào)節(jié)補(bǔ)償功能塊，并調(diào)試、投運(yùn)正常。

4 結(jié)束語

通過對(duì)攀鋼1#～5#高爐TRT 靜葉控制功能研究與優(yōu)化，解決了高爐爐頂壓力波動(dòng)大，TRT一次性開機(jī)成功率不高，控制模式不合理及控制精度不高等問題。每座高爐工藝上料方式的不同(主要分為有料鐘高爐與無料鐘高爐),對(duì)高爐爐頂壓力的控制增加了難度，為確保高爐爐頂壓力波動(dòng)范圍在設(shè)計(jì)值內(nèi)，經(jīng)過不斷摸索，現(xiàn)場不斷調(diào)整機(jī)械設(shè)備控制模式，系統(tǒng)參數(shù)控制模式優(yōu)化，優(yōu)化TRT 頂壓自動(dòng)控制模型，增加控制參數(shù)邏輯及控制參數(shù)優(yōu)先選擇等措施，確保每座高爐爐頂壓力控制達(dá)到高爐爐頂壓力生產(chǎn)需求波動(dòng)范圍。做好了TRT 的安全保產(chǎn)工作，保證TRT 多發(fā)電。在國內(nèi)眾多國產(chǎn)的TRT 裝置中，控制系統(tǒng)采用國產(chǎn)的DCS 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全干式運(yùn)行，達(dá)到了當(dāng)今國際先進(jìn)水平，具有良好的示范及推廣價(jià)值。