摘要:高炉煤气流速的大小通常取决于高炉工况。煤气流速的瞬间急剧变化往往导致了TRT静叶对高炉顶压失调并造成设备故障或停车。为了解决高炉顶压生产短期内处于不正常的情况,即不使TRT系统停车而又起到对生产进行自动保护的目的,山东莱钢TRT系统对旁通阀采取了选择性控制技术,该技术的应用稳定了高炉炉顶压力,既保证了安全生产,同时增加了经济效益。在国内TRT行业极具推广意义。
1、前言
TRT为高炉煤气余压能量回收透平发电装置的简称。它是利用高炉出口煤气中所蕴含的压力能和热能,使透平膨胀做功,驱动发电机发电的一种能量回收装置,并从而达到节能、降噪、环保的目的。TRT机组发电运行的前提是必须保证不能对高炉造成影响。TRT发电并网后,通过透平静叶来对高炉炉顶压力进行稳定性的调节。一旦出现综合性的事故,例如:电气或机组重故障将会导致TRT机组紧急性停车,此时透平之前的快切阀将迅速切断,同时两个旁通阀(快开阀)根据煤气流量大小与旁通阀对应的特性线性关系进行调节并逐步将高炉顶压控制权交给高炉减压阀组。但是在实际生产中,生产短期内高炉工况发生变化,高炉煤气流速瞬间增大,造成透平静叶开度随之增大,有时甚至透平静叶在全开度情况下仍不能达到调节的目的,会导致高炉“蹩压”,以至停车。因高炉煤气流速急剧过大而造成TRT系统频繁停车,不仅影响了发电量,同时对设备也带来一定的危害。为了克服在生产短期内高炉顶压不正常情况时,既不使设备停车而又起到对生产进行自动保护的目的,就应当增加旁通阀的参与压力调节,让旁通阀根据高炉压力变量进行自动调节,使其在高炉顶压波动大的情况下及时地打开并配合静叶完成对高炉炉顶压力的控制。这样,对于同一种设备旁通阀在不同的情况下,根据两个选择的变量(流量和压力)来进行自动保护性控制,这种控制方式也就是选择性控制。2、TRT系统的自控设计与实现
2.1控制系统的设计要求
高炉炼铁是主体生产设备,而TRT是附属设备。对于高炉顶压的过程控制基本要求如下:
(1)必须保证高炉正常生产情况下,TRT静叶很好的调节高炉顶压,并使高炉炉顶压力波动在一定范围之内。
(2)紧急停车情况下,旁通阀能及时地参与泄压,保证高炉及设备的安全性、稳定性。
(3)高炉顶压异常,煤气流速突然增大时,TRT尽量在不停车的情况下来达到对高炉顶压的调节及多发电的目的。
2.2 TRT系统对高炉顶压的调节的控制方案
高炉煤气发生量流速瞬间增大在国内钢铁行业已是一个普遍现象,由于TRT系统仅靠透平静叶的调节很难解决煤气发生量瞬间增大所造成的高炉“蹩压”问题,因此国内一些TRT发电行业纷纷进行了控制系统的改造,改造方案大致共分为3类:
(1)在旁通阀或者减压阀组旁边并上一个液动或气动阀门,专门应付煤气流速迅速增大时压力的泄压。这种改造方式首先是增加了设备的投资,提高了生产的成本。另外如果让增加的阀门随时参与高炉炉顶压力调节,将会大大减少发电量,减少了经济效益。
(2)取两个旁通阀之一参与高炉压力异常时的自动调节。这种方案对于仅仅只有两个旁通阀的TRT系统,一旦任何一个阀门故障或打不开将会导致事故的发生,像阀门“犯卡”、过力矩现象在生产过程中是经常存在的。因此这种控制存在着一定的缺陷。
(3)采用选择性控制。对于高炉煤气流速瞬间过大现象,我们可视之为生产短期内的不正常的情况,当生产操作趋向极限条件时,有高炉压力调节将取代正常情况的流量调节控制,直到生产操作重新回到安全范围。采用选择性控制技术,首先减少了设备方面不必要的投资。其次两个阀门同时工作并在不同的情况下参与两种功能调节,增加了设备的安全性能。提高了发电产量,降低了设备和能量损耗。
采用选择性控制技术是目前TRT行业极为先进的控制方案,并且具有极大的推广意义。3、选择性控制在TRT系统中的应用
3.1选择性控制应用原理
选择性控制技术选择控制系统从控制结构上来说,一般分为开关型选择性控制和连续型选择性控制[1]。开关型选择性控制一般在取代作用发生以后,阀门出现立即全开或全关,而连续型选择性控制是在原有开度基础上继续进行控制,因此对于旁通阀来说,控制作用是连续的。在连续型选择性控制系统中,有两个PID控制器,它们的输出通过一只选择器(低选器)后,送往控制阀。其中这两只控制其一只在高炉压力正常情况下工作,另一只在高炉压力非正常情况下工作。在生产处于正常情况时,系统由正常情况下工作的控制器进行控制,阀门动作通常是停机以后根据高炉煤气流量大小与旁通阀开度特性曲线对应的关系进行自动调节。一旦高炉煤气流速瞬间过大,顶压迅速增大,不正常情况下工作的控制器将取代正常情况下工作的控制器,对生产过程进行控制,直到生产恢复到正常情况。图1是高炉煤气流量与高炉煤气压力选择性控制系统方块图。
图1 高炉煤气流量与高炉煤气压力
选择性控制系统方块图
图中:PID1为流量控制器,PID2为压力控制器;
LS为低选器
GV(s)为控制阀(旁通阀)的传递函数
P1为被控变量高炉炉顶压力
低选器输出pY与pA 、 pB的关系如下:
当pA
当pA〉pB时,pY=pB
现在分析该选择控制系统的工作情况。为了便于分析,我们先承认这两只控制器均选为反作用,其中PID1为正常情况下工作的控制器,PID2为非正常情况下工作的控制器,而且是窄比例的(即比例倍数很大)。
在正常情况下,来自于高炉事故或TRT机组的重故障信号时,PID1使能端有效,pB为高信号,高炉炉顶压力的自控调节构成了由流量调节回路执行,低选器LS将PID1的输出pA送往控制阀。
在异常情况下,高炉煤气流速瞬间增大,此时高炉煤气压力瞬间增大,当高炉顶压大于某个压力值,此时低选器LS就改选PID2的输出送往旁通阀,高炉顶压的调节有压力调节回路执行,当高炉顶压下降到低于给定值,pB又迅速上升为高信号,而PID1控制器的输出pA相对而言又成了低信号,为低选器重新选中送往控制阀,重新构成了高炉顶压的自动调节。
3.2选择性控制技术在调节过程中注意的事项
(1)由于选择控制系统涉及到两个控制回路,因此在控制回路切换过程中,两个PID对一个阀门进行控制,要注意无扰切换,防止阀门动作时大扰动。在设计过程中,尽量做到严密无缝。
(2)选择控制系统与静叶之间的连锁
在高炉正常情况下,高炉煤气压力调节有透平静叶进行调节。当压力高于175 kPa, 高炉顶压异常,透平静叶锁定。两个旁通快开阀参与对炉顶压力的调节,当炉顶压力低于165 kPa时开始关闭旁通阀,完全关闭后顶压维持在165 kPa及以下,静叶解锁,高炉顶压调节控制权就交给了静叶。在整个连锁控制中,要尽量避免透平静叶和旁通阀同时动作,防止自动调节过程中有失调现象。
(3)选择控制系统与高炉减压阀组之间的连锁控制
高炉顶压异常阶段(高炉压力超过某个设定值),如果旁通阀在选择控制中根据压力调节仍然不能改变压力的变化,出于对高炉保护,减压阀组则必须及时地打开,否则,高炉将憋压。因此做好高炉与TRT系统之间的良好通讯及软保护连锁是重要的一个环节。
4、应用实例
在山东莱钢银前TRT过程控制系统中,采用了这种选择性控制方案,该系统在投运初期因为高炉煤气发生量瞬间过大而导致的停机率每月1次以上。实施选择性技术,由于两个旁通阀自动参与压力的调节,使设备因煤气流速增大而造成的停机率减少到零。图2为TRT系统调节高炉顶压的主控制画面。
图2 TRT主煤气系统画面
5、实施效果
(1)本项目已于2007年1月投入实际运行。整个工艺系统运行稳定,控制精度高,操作方便,显示直观,操作强度低;生产连续稳定,给公司带来了良好的经济效益。
(2)由于山东莱钢银前高炉TRT系统采用了对高炉顶压的选择性控制技术,从根本上解决了目前国内普遍的因高炉煤气流速瞬间过大而导致的TRT机组跳车现象。从实施效果来看,对高炉顶压的调解效果良好,故障停机率低,达到了节能、降噪、环保目的。
(2)由于投入选择性自动控制技术,使发电产量提高了1倍,降低了装置的损耗,经济效益巨大。参考文献:
[1]翁维勤 周庆海 过程控制系统及工程 1996年 化学工业出版社
作者简介:焦守林,1972年生,工程师,主要研究方向是计算机、仪表、自动化控制。
楚志发,1983年生,工程师助理,主要研究方向是仪表、工业过程控制。