天鐵集團6#高爐TRT控制技術的改進

沈乾（天津天鐵冶金集團動力廠，河北涉縣 056404）

天鐵集團6#高爐TRT控制技術的改進

沈乾（天津天鐵冶金集團動力廠，河北涉縣 056404）

對天鐵集團6#高爐TRT出現的沖轉時轉速控制精度不夠、高爐塌料造成機組超負荷保護停機、高爐頂壓控制波動過大等問題的原因進行了分析，通過采取增加沖轉旁通閥、限制靜葉開度、改進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 超負荷 控制

1 前言

6#TRT是天鐵集團6#2 800 m3高爐配套余壓發電裝置，其主要作用是通過調節透平機靜葉開度控制6#高爐的頂壓以及高爐煤氣余壓回收發電。

6#TRT透平機型號為MPG20.0-280/180，設計高爐頂壓250 kPa，煤氣量558 600 Nm3/h，機組入口壓力220 kPa，透平軸功率14 650 kW，最大軸功率19 550 kW，發電機功率為25 000 kW，控制系統采用GE的PAC Systems RX3i雙CPU軟冗余系統。高爐煤氣經高爐及重力除塵設備依次通過TRT入口蝶閥、入口插板閥、快切閥進入透平機膨脹做功，做功后的煤氣通過出口插板閥和出口蝶閥進入煤氣管網。透平機將煤氣內能轉換為旋轉的機械能，帶動發電機發電。旁通閥用于協助靜葉進行高爐頂壓調節和機組急停時的前饋頂壓控制。

2 投運后機組出現的幾個問題

TRT主體工藝設備示意圖見圖1。TRT機組由于制作和安裝要求相對于汽輪機、軸流風機等大型轉動設備較寬松，并且其生產狀態受高爐爐況影響較大。因此，在實際生產過程中出現的一些偶然因素可能對TRT生產造成很大的困難。6#TRT機組實際運行工況為高爐頂壓220 kPa，煤氣流量為600 000 Nm3/h，負荷在12 000 kW左右，基本能滿足生產要求。但是自2009年6月6#TRT隨6#高爐同步投產運行以來，透平機組入口煤氣量大、靜葉間隙過大造成機組沖轉時轉速控制精度不夠、發電機并網困難，高爐爐況波動、塌料造成機組超負荷停機及頂壓控制不佳，這些問題對6#TRT的運行造成了很大困難。

2.1 沖轉時轉速控制精度不夠

6#TRT第一次開機時就出現了沖轉轉速控制精度不夠的情況。按照正常開機程序，靜葉在開度為零時仍能將透平機沖至超速，發電機并網相當困難。同時，由于并列快切閥安裝的均壓閥為電動閥，不具備快關功能，在開機過程中不能用它來節流沖轉。因此只能通過調節煤氣入口電動蝶閥來控制轉速，但是該閥缺點很明顯，由于閥門直徑大，動作響應不夠快，不能很好地控制住煤氣流量和轉速。發電機并網時運行工經常是手忙腳亂，甚至造成轉速與勵磁電壓不匹配而跳閘，嚴重損害透平機組設備。

圖1 TRT主體設備示意圖

2.2 超負荷

2010年以來，至少出現了6次因為高爐塌料導致的煤氣量劇烈變化，造成6#TRT出現間歇性超負荷運行，負荷由正常12 000 kW瞬間升至20 000 kW以上，控制系統中透平機的振動、軸向位移以及瓦溫均發出危險運行信號而停機。高爐塌料在高爐生產過程中是不可避免的，且難以預見。高爐一次塌料往往會持續幾個小時，這會對發電量造成非常大的損失，如何保護機組在高爐爐況異常時的安全運行就顯得非常重要。因此，TRT機組必須具備超負荷保護功能。

2.3 高爐頂壓調節精度不夠

高爐頂壓作為高爐爐況穩定最重要的前提條件和表征參數之一，直接關系到高爐的產量、焦比和煤氣產量，是TRT機組長期高效發電的保證?，F代高爐生產中頂壓調節采用TRT直接調節的方式已經相當成熟，并且普遍應用于干式煤氣除塵的高爐生產中。通常要求高爐頂壓控制在頂壓設定值±5 kPa以內波動。

天鐵集團6#高爐實際運行時差值高壓在+5 kPa以上，并且旁通閥還參與了泄壓調節，低壓最大時甚至到達-20 kPa。整個調壓系統，特別是TRT的靜葉調節效果對6#高爐的生產造成了很大的影響。

3 原因分析、解決方案及實施效果

3.1 增加沖轉旁通閥

6#TRT沖轉時轉速控制精度不夠的主要原因有兩個：一是入口煤氣量大，缺少節流控制設備；二是機組靜葉間隙大，靜葉本身對轉速的控制功能喪失。對于靜葉間隙的問題，需要合適的檢修機會，計劃在機組大修時重新測量和校正，而增加節流控制設備的方案實施起來相對簡單，將原均壓閥改為一個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中透平機入口煤氣管道中較細的一顆管道。TRT開機時關閉快切閥，打開此旁通閥進行沖轉，沖轉完成后打開快切閥，再關閉此閥，TRT投入正常生產。

改造后的旁通閥遠程操作必須具備開度調節、快速切斷、游動試驗、故障檢測等功能。根據要求選擇了型號為QYKD741H-25C的快速切斷閥，帶獨立動力油站。根據其控制原理，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系統需要增加的I/O點為：DI點7個，分別是遠程操作（REMOTE）、就地操作（LOCAL）、開到位（KDW）、關到位（GDW）、主電源故障、控制電源故障、綜合故障；DO（無源脈沖信號）點5個，分別為慢開（MK）、慢關（MG）、游動（YD）、快關（KG）、停止（T）；中間變量M點4個，用于人機界面的操作，分別是慢開（MK_M）、慢關（MG_M）、游動（YD_M）、快關（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旁通閥開到位，停機條件由快切閥關到位改為快切閥關到位與沖轉旁通閥關到位，停機指令由發出快切閥快關改為快切閥和沖轉旁通閥同時快關。同時增加一個急停按鈕，直接對旁通閥進行就地泄油壓快關閥門。

6#TRT增加沖轉旁通閥后，開機由旁通閥沖轉，主快切閥處于關閉狀態，煤氣節流后沖轉升速能控制在個位數以內，并網時轉速能長期穩定在（3 000±5）r/ mim以內，使機組開機沖轉的過程更加輕松，同時旁通閥具有快速關閉功能，在緊急情況下能快速實現保護停機。

3.2 限制靜葉開度

高爐塌料時，高爐底部風壓上穿料層，導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節高爐頂壓，就會出現機組超出額定功率運行，機組振動、軸位移、瓦溫均超出允許范圍的情況，使機組處于非常危險的運行狀態。高爐塌料往往具有連續性，爐況波動至少要持續4 h以上才能穩定，TRT方能投入運行，否則機組會反復進入危險運行狀態而遭受巨大損傷。爐況波動是高爐生產中無法杜絕的現象，煤氣量和煤氣壓力的劇烈波動也不可避免，但是TRT的發電負荷卻是可以通過對靜葉開度的限制來進行控制的。根據6#TRT以往的運行經驗，當頂壓為220 kPa時，靜葉開度在25%以上就會出現超負荷現象。因此，我們只需要限制靜葉的最大開度為25%，機組就能避開高爐爐況波動所帶來的沖擊。此時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為頂壓設定值，由高爐設定；PV為高爐頂壓實際測量值；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。MOV塊為控制器的最大輸出限制值，通過R00651[09]參數進行賦值，8192對應為最大開度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超負荷的現象。發生塌料時，由于限制了靜葉開度，通過透平機的最大煤氣量同時得到限制，發電機的最大負荷也限制在了一個合理的范圍內，除了過高的頂壓通過旁通閥打開調整以外，其它狀態都非常平穩，實施效果非常理想，解決了高爐塌料時TRT保護停機的問題，為TRT的生產挽回了巨大的損失。

3.3 高爐頂壓控制的改進

高爐頂壓的調節是一個相當復雜的過程。TRT開機并網成功后即參與頂壓調節，直接將高爐頂壓設定值GL_DY_SP賦值給靜葉調節器的SP，將GL_DY_SP+3賦值給主控旁通閥調節器的SP，將GL_DY_SP+5賦值給從控旁通閥及高爐減壓閥調節器的SP，從而區分各自的操作權限。

高爐頂壓調節困難的主要因素有：（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節頂壓的響應時間；（3）管道中的煤氣振蕩擾動了頂壓的調節；（4）高爐熱風爐換爐及送風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，控制效果從圖中可看出，在大部分時間內靜葉調節頂壓的效果很好，但是在高爐布料周期上還是出現了脈沖式的頂壓下降，圖中時間坐標處的最大偏差甚至達到-20 kPa。無論對PID參數怎樣調整，始終無法將頂壓調好，已經嚴重影響到了高爐的正常生產。

圖4 改進前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。在頂壓出現大的偏差時，偏差控制器能快速響應進行靜葉調節，而當偏差較小時，由于積分作用，PID控制器能實現較好的靜差控制。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。

改進后的頂壓控制趨勢見圖6，頂壓控制效果非常平穩，圖中時間坐標處的高爐頂壓最大偏差甚至在1.5 kPa以內。

圖5 增加偏差控制后的控制邏輯圖

圖6 改進后的6#高爐頂壓控制趨勢圖

在引入偏差控制后，高爐頂壓已經完全能控制在±3 kPa以內，按高爐正常生產時頂壓設定值在220 kPa，6#高爐有效頂壓相比之前提高2.5 kPa左右，對提高發電量、增加煉鐵產量和降低焦比意義非常明顯；同時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節，減少了煤氣余能浪費，通過對生產報表的長期跟蹤，發現6#TRT提高發電功率200 kW以上，具有很好的經濟效益。

4 結束語

沖轉時轉速控制精度不夠、高爐塌料造成TRT超負荷、高爐頂壓控制效果不佳等是困擾TRT生產最常見的問題，在國內冶金行業中普遍存在，常常因為找不到較有效的解決辦法而深受其害。本文對這些問題的存在原因、解決方案和實施效果進行了闡述，可靠、有效地解決了這幾個難題。

[1]周傳典.高爐煉鐵生產技術手冊[M].北京：冶金工業出版社，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責編潘娜）

沈乾，男，工程師，主要從事高爐供風、噴煤及TRT的自動化方面的相關工作。