沈乾（天津天鐵冶金集團(tuán)動力廠，河北涉縣 056404）

天鐵集團(tuán)6#高爐TRT控制技術(shù)的改進(jìn)

沈乾（天津天鐵冶金集團(tuán)動力廠，河北涉縣 056404）

對天鐵集團(tuán)6#高爐TRT出現(xiàn)的沖轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速控制精度不夠、高爐塌料造成機(jī)組超負(fù)荷保護(hù)停機(jī)、高爐頂壓控制波動過大等問題的原因進(jìn)行了分析，通過采取增加沖轉(zhuǎn)旁通閥、限制靜葉開度、改進(jìn)高爐頂壓控制等措施，有效解決了上述問題。

高爐 頂壓 靜葉 超速 超負(fù)荷 控制

1 前言

6#TRT是天鐵集團(tuán)6#2 800 m3高爐配套余壓發(fā)電裝置，其主要作用是通過調(diào)節(jié)透平機(jī)靜葉開度控制6#高爐的頂壓以及高爐煤氣余壓回收發(fā)電。

6#TRT透平機(jī)型號為MPG20.0-280/180，設(shè)計(jì)高爐頂壓250 kPa，煤氣量558 600 Nm3/h，機(jī)組入口壓力220 kPa，透平軸功率14 650 kW，最大軸功率19 550 kW，發(fā)電機(jī)功率為25 000 kW，控制系統(tǒng)采用GE的PAC Systems RX3i雙CPU軟冗余系統(tǒng)。高爐煤氣經(jīng)高爐及重力除塵設(shè)備依次通過TRT入口蝶閥、入口插板閥、快切閥進(jìn)入透平機(jī)膨脹做功，做功后的煤氣通過出口插板閥和出口蝶閥進(jìn)入煤氣管網(wǎng)。透平機(jī)將煤氣內(nèi)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。旁通閥用于協(xié)助靜葉進(jìn)行高爐頂壓調(diào)節(jié)和機(jī)組急停時(shí)的前饋頂壓控制。

2 投運(yùn)后機(jī)組出現(xiàn)的幾個(gè)問題

TRT主體工藝設(shè)備示意圖見圖1。TRT機(jī)組由于制作和安裝要求相對于汽輪機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)等大型轉(zhuǎn)動設(shè)備較寬松，并且其生產(chǎn)狀態(tài)受高爐爐況影響較大。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的一些偶然因素可能對TRT生產(chǎn)造成很大的困難。6#TRT機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況為高爐頂壓220 kPa，煤氣流量為600 000 Nm3/h，負(fù)荷在12 000 kW左右，基本能滿足生產(chǎn)要求。但是自2009年6月6#TRT隨6#高爐同步投產(chǎn)運(yùn)行以來，透平機(jī)組入口煤氣量大、靜葉間隙過大造成機(jī)組沖轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速控制精度不夠、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)困難，高爐爐況波動、塌料造成機(jī)組超負(fù)荷停機(jī)及頂壓控制不佳，這些問題對6#TRT的運(yùn)行造成了很大困難。

2.1 沖轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速控制精度不夠

6#TRT第一次開機(jī)時(shí)就出現(xiàn)了沖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速控制精度不夠的情況。按照正常開機(jī)程序，靜葉在開度為零時(shí)仍能將透平機(jī)沖至超速，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)相當(dāng)困難。同時(shí)，由于并列快切閥安裝的均壓閥為電動閥，不具備快關(guān)功能，在開機(jī)過程中不能用它來節(jié)流沖轉(zhuǎn)。因此只能通過調(diào)節(jié)煤氣入口電動蝶閥來控制轉(zhuǎn)速，但是該閥缺點(diǎn)很明顯，由于閥門直徑大，動作響應(yīng)不夠快，不能很好地控制住煤氣流量和轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)運(yùn)行工經(jīng)常是手忙腳亂，甚至造成轉(zhuǎn)速與勵磁電壓不匹配而跳閘，嚴(yán)重?fù)p害透平機(jī)組設(shè)備。

圖1 TRT主體設(shè)備示意圖

2.2 超負(fù)荷

2010年以來，至少出現(xiàn)了6次因?yàn)楦郀t塌料導(dǎo)致的煤氣量劇烈變化，造成6#TRT出現(xiàn)間歇性超負(fù)荷運(yùn)行，負(fù)荷由正常12 000 kW瞬間升至20 000 kW以上，控制系統(tǒng)中透平機(jī)的振動、軸向位移以及瓦溫均發(fā)出危險(xiǎn)運(yùn)行信號而停機(jī)。高爐塌料在高爐生產(chǎn)過程中是不可避免的，且難以預(yù)見。高爐一次塌料往往會持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，這會對發(fā)電量造成非常大的損失，如何保護(hù)機(jī)組在高爐爐況異常時(shí)的安全運(yùn)行就顯得非常重要。因此，TRT機(jī)組必須具備超負(fù)荷保護(hù)功能。

2.3 高爐頂壓調(diào)節(jié)精度不夠

高爐頂壓作為高爐爐況穩(wěn)定最重要的前提條件和表征參數(shù)之一，直接關(guān)系到高爐的產(chǎn)量、焦比和煤氣產(chǎn)量，是TRT機(jī)組長期高效發(fā)電的保證?，F(xiàn)代高爐生產(chǎn)中頂壓調(diào)節(jié)采用TRT直接調(diào)節(jié)的方式已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且普遍應(yīng)用于干式煤氣除塵的高爐生產(chǎn)中。通常要求高爐頂壓控制在頂壓設(shè)定值±5 kPa以內(nèi)波動。

天鐵集團(tuán)6#高爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)差值高壓在+5 kPa以上，并且旁通閥還參與了泄壓調(diào)節(jié)，低壓最大時(shí)甚至到達(dá)-20 kPa。整個(gè)調(diào)壓系統(tǒng)，特別是TRT的靜葉調(diào)節(jié)效果對6#高爐的生產(chǎn)造成了很大的影響。

3 原因分析、解決方案及實(shí)施效果

3.1 增加沖轉(zhuǎn)旁通閥

6#TRT沖轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速控制精度不夠的主要原因有兩個(gè)：一是入口煤氣量大，缺少節(jié)流控制設(shè)備；二是機(jī)組靜葉間隙大，靜葉本身對轉(zhuǎn)速的控制功能喪失。對于靜葉間隙的問題，需要合適的檢修機(jī)會，計(jì)劃在機(jī)組大修時(shí)重新測量和校正，而增加節(jié)流控制設(shè)備的方案實(shí)施起來相對簡單，將原均壓閥改為一個(gè)具有快切功能的液壓旁通閥，管道直徑由300 mm改為500 mm，見圖1中透平機(jī)入口煤氣管道中較細(xì)的一顆管道。TRT開機(jī)時(shí)關(guān)閉快切閥，打開此旁通閥進(jìn)行沖轉(zhuǎn)，沖轉(zhuǎn)完成后打開快切閥，再關(guān)閉此閥，TRT投入正常生產(chǎn)。

改造后的旁通閥遠(yuǎn)程操作必須具備開度調(diào)節(jié)、快速切斷、游動試驗(yàn)、故障檢測等功能。根據(jù)要求選擇了型號為QYKD741H-25C的快速切斷閥，帶獨(dú)立動力油站。根據(jù)其控制原理，編寫PLC控制程序。如圖2所示，圖2（a）為閥門控制梯形圖，圖2（b）為封裝后功能塊示意圖。PLC系統(tǒng)需要增加的I/O點(diǎn)為：DI點(diǎn)7個(gè)，分別是遠(yuǎn)程操作（REMOTE）、就地操作（LOCAL）、開到位（KDW）、關(guān)到位（GDW）、主電源故障、控制電源故障、綜合故障；DO（無源脈沖信號）點(diǎn)5個(gè)，分別為慢開（MK）、慢關(guān)（MG）、游動（YD）、快關(guān)（KG）、停止（T）；中間變量M點(diǎn)4個(gè)，用于人機(jī)界面的操作，分別是慢開（MK_M）、慢關(guān)（MG_M）、游動（YD_M）、快關(guān)（KG_M）。

圖2 旁通閥控制梯形圖及其封裝后功能塊示意圖

TRT啟動條件由快切閥開到位改為快切閥開到位或沖轉(zhuǎn)旁通閥開到位，停機(jī)條件由快切閥關(guān)到位改為快切閥關(guān)到位與沖轉(zhuǎn)旁通閥關(guān)到位，停機(jī)指令由發(fā)出快切閥快關(guān)改為快切閥和沖轉(zhuǎn)旁通閥同時(shí)快關(guān)。同時(shí)增加一個(gè)急停按鈕，直接對旁通閥進(jìn)行就地泄油壓快關(guān)閥門。

6#TRT增加沖轉(zhuǎn)旁通閥后，開機(jī)由旁通閥沖轉(zhuǎn)，主快切閥處于關(guān)閉狀態(tài)，煤氣節(jié)流后沖轉(zhuǎn)升速能控制在個(gè)位數(shù)以內(nèi)，并網(wǎng)時(shí)轉(zhuǎn)速能長期穩(wěn)定在（3 000±5）r/ mim以內(nèi)，使機(jī)組開機(jī)沖轉(zhuǎn)的過程更加輕松，同時(shí)旁通閥具有快速關(guān)閉功能，在緊急情況下能快速實(shí)現(xiàn)保護(hù)停機(jī)。

3.2 限制靜葉開度

高爐塌料時(shí)，高爐底部風(fēng)壓上穿料層，導(dǎo)致爐頂高煤壓力和流量突增，TRT靜葉在自動情況下快速打開來調(diào)節(jié)高爐頂壓，就會出現(xiàn)機(jī)組超出額定功率運(yùn)行，機(jī)組振動、軸位移、瓦溫均超出允許范圍的情況，使機(jī)組處于非常危險(xiǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。高爐塌料往往具有連續(xù)性，爐況波動至少要持續(xù)4 h以上才能穩(wěn)定，TRT方能投入運(yùn)行，否則機(jī)組會反復(fù)進(jìn)入危險(xiǎn)運(yùn)行狀態(tài)而遭受巨大損傷。爐況波動是高爐生產(chǎn)中無法杜絕的現(xiàn)象，煤氣量和煤氣壓力的劇烈波動也不可避免，但是TRT的發(fā)電負(fù)荷卻是可以通過對靜葉開度的限制來進(jìn)行控制的。根據(jù)6#TRT以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)頂壓為220 kPa時(shí)，靜葉開度在25%以上就會出現(xiàn)超負(fù)荷現(xiàn)象。因此，我們只需要限制靜葉的最大開度為25%，機(jī)組就能避開高爐爐況波動所帶來的沖擊。此時(shí)過高的頂壓交由旁通閥和高爐減壓閥控制。圖3為靜葉的PID控制及最大開度限制。其中，PID_ISA為PID控制器；SP為頂壓設(shè)定值，由高爐設(shè)定；PV為高爐頂壓實(shí)際測量值；MAN為控制器的手自動投切；UP為靜葉手動開；DN為靜葉手動關(guān)。MOV塊為控制器的最大輸出限制值，通過R00651[09]參數(shù)進(jìn)行賦值，8192對應(yīng)為最大開度32767的25%。

圖3 靜葉的PID控制及最大開度限制

靜葉開度的限制完全杜絕了TRT超負(fù)荷的現(xiàn)象。發(fā)生塌料時(shí)，由于限制了靜葉開度，通過透平機(jī)的最大煤氣量同時(shí)得到限制，發(fā)電機(jī)的最大負(fù)荷也限制在了一個(gè)合理的范圍內(nèi)，除了過高的頂壓通過旁通閥打開調(diào)整以外，其它狀態(tài)都非常平穩(wěn)，實(shí)施效果非常理想，解決了高爐塌料時(shí)TRT保護(hù)停機(jī)的問題，為TRT的生產(chǎn)挽回了巨大的損失。

3.3 高爐頂壓控制的改進(jìn)

高爐頂壓的調(diào)節(jié)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程。TRT開機(jī)并網(wǎng)成功后即參與頂壓調(diào)節(jié)，直接將高爐頂壓設(shè)定值GL_DY_SP賦值給靜葉調(diào)節(jié)器的SP，將GL_DY_SP+3賦值給主控旁通閥調(diào)節(jié)器的SP，將GL_DY_SP+5賦值給從控旁通閥及高爐減壓閥調(diào)節(jié)器的SP，從而區(qū)分各自的操作權(quán)限。

高爐頂壓調(diào)節(jié)困難的主要因素有：（1）高爐在布料過程中爐頂對料倉的均壓及爐料對風(fēng)口的遮擋造成頂壓脈沖式的下降；（2）長距離的煤氣管道增加了靜葉調(diào)節(jié)頂壓的響應(yīng)時(shí)間；（3）管道中的煤氣振蕩擾動了頂壓的調(diào)節(jié)；（4）高爐熱風(fēng)爐換爐及送風(fēng)壓力波動對高爐頂壓的擾動。圖4為6#高爐頂壓趨勢圖，采用目前最常用也是最有效的PID控制技術(shù)，控制效果從圖中可看出，在大部分時(shí)間內(nèi)靜葉調(diào)節(jié)頂壓的效果很好，但是在高爐布料周期上還是出現(xiàn)了脈沖式的頂壓下降，圖中時(shí)間坐標(biāo)處的最大偏差甚至達(dá)到-20 kPa。無論對PID參數(shù)怎樣調(diào)整，始終無法將頂壓調(diào)好，已經(jīng)嚴(yán)重影響到了高爐的正常生產(chǎn)。

圖4 改進(jìn)前6#高爐頂壓控制趨勢圖

因此引入偏差控制+PID控制的控制方式，控制邏輯圖見圖5。在頂壓出現(xiàn)大的偏差時(shí)，偏差控制器能快速響應(yīng)進(jìn)行靜葉調(diào)節(jié)，而當(dāng)偏差較小時(shí)，由于積分作用，PID控制器能實(shí)現(xiàn)較好的靜差控制。將PID控制器輸出值CV與偏差控制值求和后賦值給靜葉開度指令PIC_OUT來控制靜葉。

改進(jìn)后的頂壓控制趨勢見圖6，頂壓控制效果非常平穩(wěn)，圖中時(shí)間坐標(biāo)處的高爐頂壓最大偏差甚至在1.5 kPa以內(nèi)。

圖5 增加偏差控制后的控制邏輯圖

圖6 改進(jìn)后的6#高爐頂壓控制趨勢圖

在引入偏差控制后，高爐頂壓已經(jīng)完全能控制在±3 kPa以內(nèi)，按高爐正常生產(chǎn)時(shí)頂壓設(shè)定值在220 kPa，6#高爐有效頂壓相比之前提高2.5 kPa左右，對提高發(fā)電量、增加煉鐵產(chǎn)量和降低焦比意義非常明顯；同時(shí)由于靜葉控制更加合理，濾除掉旁通閥和減壓閥組的頂壓調(diào)節(jié)，減少了煤氣余能浪費(fèi)，通過對生產(chǎn)報(bào)表的長期跟蹤，發(fā)現(xiàn)6#TRT提高發(fā)電功率200 kW以上，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

沖轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速控制精度不夠、高爐塌料造成TRT超負(fù)荷、高爐頂壓控制效果不佳等是困擾TRT生產(chǎn)最常見的問題，在國內(nèi)冶金行業(yè)中普遍存在，常常因?yàn)檎也坏捷^有效的解決辦法而深受其害。本文對這些問題的存在原因、解決方案和實(shí)施效果進(jìn)行了闡述，可靠、有效地解決了這幾個(gè)難題。

[1]周傳典.高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002：8.

Modification of Tiantie Group BF 6 TRT Control Technology

Shen Qian

The author analyzes the problems of poor speed precision during rolling,stoppage due to machine overload caused by BF slippage and big BF top pressure fluctuation at BF 6 TRT, Tiantie Group.These problems were effectively solved by adding rolling by-pass valve,limiting stationary blade opening and improving top pressure.

BF,top pressure,stationary blade,overspeed,overload,control

（收稿 2011－10－08責(zé)編潘娜）

沈乾，男，工程師，主要從事高爐供風(fēng)、噴煤及TRT的自動化方面的相關(guān)工作。