一种TRT高炉顶压控制系统

 一种TRT高炉顶压控制系统

吴,靖

武汉武钢大数据产业园有限公司  湖北武汉 430080

摘 要：本文分别针对传统并联、串联式TRT高炉炉顶压力控制工艺，提出了一种结构简单的、基于控制信号精确计算分配的、具有容错功能的TRT高炉顶压控制系统方案。该方案能较好的解决由于多回路炉顶压力控制装置配合不良而导致的导致炉顶压力波动较大甚至控制失败问题，并就该方案应对各种紧急状况，进行了分析和探讨，有效地提高炉顶压力控制的可靠性和稳定性。

关键词：高炉；TRT；炉顶压力

引言

现代高炉冶炼生产，采用高压操作，对稳定炉顶压力有较高的要求，如果炉顶压力波动较大，会造成炉况不稳，甚至可能对高炉正常生产总成严重不利影响。与高炉配套的TRT（高炉煤气余压透平发电）装置，运行时应在控制高炉炉顶压力稳定的前提下，尽可能的达到最大的发电功率；同时，TRT启动、停机过程中，不仅要保障机组自身安全，还要通过调节或控制各阀门状态，保证高炉炉顶压力不致出现大的波动。

一、TRT高炉炉顶压力控制工艺及可能发生的紧急情况

TRT与调压阀组配合调节高炉炉顶压力，在工艺上，即TRT透平主机与调压阀组的安装位置，有并联和串联两种方式。

1.并联式

采用湿式双文洗涤或干式布袋除尘传统的高炉煤气除尘工艺，在除尘器的出口管道上，设置一套减压阀组，由高炉本体运行控制。TRT不运行时，高炉煤气通过减压阀组（一般为四个阀）减压后，送煤气管网；TRT运行时，减压阀组全关，煤气通过TRT膨胀做功发电后，送煤气管网。另外，在TRT系统，还配置有一台辅助透平主机组运行的具有快开慢关功能的旁通快开阀，同减压阀组、透平主机并联在煤气管道上（如图1所示）。

图1  并联式炉顶压力控制工艺图2  串联式炉顶压力控制工艺

2.串联式

采用湿式环缝洗涤器（AGS）的高炉煤气除尘系统，其洗涤塔中部三个并联的锥形环缝装置（AGE），即为高炉炉顶压力控制的调压阀组。TRT主机组及其并联的旁通快开阀串接在环缝调压阀组的出口后方的管道上，并与主旁通阀并联（如图2所示）。

当TRT运行时，主旁通阀关闭，有两种控制模式可供选择：AGE控制高炉顶压，TRT控制前压；TRT控制高炉顶压，AGE控制差压。在保证一定的差压下，可保证除尘效果。当TRT不运行时，AGS同时完成炉顶压力调节和煤气清洗的双重任务，净煤气从全开的主旁通阀流向管网。

3.可能发生的紧急情况

高炉本体与TRT（含煤气除尘）系统一般由不同的生产岗位或不同的生产单位负责。

1)对于传统的并联式炉顶压力控制系统，高炉本体根据生产需要，实施升降压操作以及炉况波动，TRT系统也可能由于自身原因，跳机或停机处理故障，都需要TRT系统与减压阀组双方人员及设备协调操作、配合控制，而且减压阀组与TRT系统控制炉顶压力分别采用各自计算机控制系统内的控制回路。虽然为了避免抢调，TRT侧顶压设定值，为高炉侧设定值减去一个差值（一般为4kPa），但实际上仍然会存在两者之间的协调操作、配合控制容易出现问题的情况，也将导致炉顶压力波动较大甚至控制失败。

2)对于串联式炉顶压力控制系统，传统上有“AGE控制高炉顶压、TRT控制前压（AGS系统后，TRT入口前的压力）”，“TRT控制高炉顶压、AGE控制差压”，两种模式可选，也可实现两种模式的无扰动切换，但后者为双闭环嵌套的控制模式，控制模型的稳定性较差。TRT部分关于压力的控制方案，将比单纯的AGE只控制高炉顶压，TRT只控制前压的分段式控制方案复杂，整体的稳定性也较差。

3)由于高炉本体控制柜送到TRT控制柜的炉顶压力测量值信号和设定值信号经过的环节较多、距离较远，如变送器、隔离器、电缆等出现故障，不可避免地出现TRT停机，炉顶压力控制失败，导致高炉顶压过高冲顶和炉顶放散等严重情况发生。

二、实施方案[1]

1. 并联式TRT高炉炉顶压力系统解决方案

如图3所示，为并联式TRT高炉炉顶压力系统解决方案，与传统工艺相比，取消了减压阀组。高炉炉顶压力1、2，除尘器入口压力3，炉顶压力设定值4、5；TRT转速控制信号6，TRT功率控制信号7，切换信号8，报警器9，阻尼器11，顶压测量值选择器12，顶压设定值选择器13，调节器14，第一乘法器15，低选器16，第一运算器17，第二乘法器18，第二运算器19，选择开关20，步进控制器21；旁通快开阀31，量程阀32，TRT透平主机静叶33。

从压力信号1、2、3和炉顶压力设定值4、5的信号输入，到旁通快开阀31、量程阀32和 TRT透平主机静叶33的动作信号的输出均在同一计算机控制系统内部完成，不会增加故障点。

来自高炉炉顶不同取压点的压力检测单元1、2的压力信号，通过顶压测量值选择器12，分别设定了坏值自动切换和手动切换功能，然后将选择后的数值，再与除尘器入口压力检测单元3的压力信号，进行选择，作为调节器14的测量值。这样始终都有可靠的测量值供选择，即使两路取自高炉本体的炉顶压力压点信号都掉线了，顶压的波动也很小。增强炉顶压力调节测量值信号的可靠性。

来自高炉本体计算机控制系统同一设定器经不同模块送出的两路炉顶压力设定值4、5，通过顶压设定值选择器13，分别设定了坏值自动切换和手动切换功能，以及与测量值偏差异常切换功能；当两路炉顶压力设定值信号均为坏值时，则选定除尘器入口压力经过阻尼器11处理后的信号，作为调节器14的设定值，应急使用。当两路炉顶压力设定值信号间偏差大于某个值时，送出报警提醒及时处理。增强炉顶压力调节设定值信号的可靠性和可维修性。

调节器14是一个正作用PID调节器，对顶压测量值选择器12、顶压设定值选择器13分别送来的测量值和设定值进行比较，根据调节规律，输出顶压控制信号，此信号默认为旁通快开阀31的动作信号。调节器输出的顶压控制信号经第一乘法器15，折算为同等工况下TRT透平主机静叶33的顶压控制信号，与TRT转速控制信号6、TRT功率控制信号7，经低选器输出最低值控制TRT透平主机静叶33的动作。TRT透平主机静叶33的动作信号通过第一运算器17又折算回旁通快开阀31的动作信号，并用调节器输出的顶压控制信号值减去上述折算回的动作信号值，得到的结果去控制旁通快开阀31和量程阀32。

第一运算器17的输出控制信号，为旁通快开阀和量程阀组成的阀组的组合开度控制信号，经第二乘法器18，折算为同等工况下量程阀32的控制信号（若旁通快开阀31和量程阀32大小规格相同，则此处折算系数为1），并根据两阀门的大小再乘以一个系数（0.5～0.8）, 得到量程阀32的动作信号A。当TRT停机或机组发电机解列的瞬间，即切换信号8为“1”，选择器20选中动作信号A，去控制量程阀32的迅速动作到某个开度，避免高炉顶压升高。当切换信号8为“0”，选择器20选中步进控制器21发出的动作信号B，去控制量程阀32的动作；当高炉顶压波动较大，超过旁通快开阀31 或TRT透平主机静叶33的调节能力时，量程阀32的步进动作，有效稳定高炉顶压。

量程阀32的动作信号通过第二运算器19又折算回旁通快开阀31的动作信号，并用第一运算器17的输出控制信号减去上述折算回的动作信号值，得到旁通快开阀31的最终动作信号，去控制旁通快开阀31的动作。

图3  并联式TRT高炉炉顶压力系统解决方案        图4  串联式TRT高炉炉顶压力系统解决方案

2. 串联式TRT高炉炉顶压力系统解决方案

如图所示，为串联式TRT高炉炉顶压力系统解决方案。高炉炉顶压力1、2，除尘器入口压力3，炉顶压力设定值4、5，多点TRT前压测量信号8；TRT转速控制信号6，TRT功率控制信号7，报警器9，阻尼器11，顶压测量值选择器12，顶压设定值选择器13，顶压调节器14，乘法器15，低选器16，运算器17，第二乘法器18，减法器19，TRT顶压调节器20，逻辑控制器21；AGE调压阀组30，旁通快开阀31，主旁通阀32，TRT透平主机静叶33。

此方案与并联式不同的是，在同一套计算机控制系统内，顶压调节器14发出控制信号，控制AGE调压阀组30各阀同步动作，调节炉顶压力。而TRT前压调节器20，其压力设定值，炉顶压力设定值通过减法器19，减去一个可保证AGS除尘效果所需的差压值得到；其压力测量值，由AGS出口到TRT三叉点这一段管道上设置的多个压力检测信号，通过选择器18得到,2个压力信号高选，3个及以上中选均可。而调节器20输出的控制信号经乘法器15，折算为同等工况下TRT透平主机静叶33的控制信号，与TRT转速控制信号6、TRT功率控制信号7，经低选器输出最低值控制TRT透平主机静叶33的动作。TRT透平主机静叶33的动作信号通过运算器17又折算回旁通快开阀31的动作信号，并用调节器输出的前压控制信号值减去上述折算回的动作信号值，得到的结果去控制旁通快开阀31。

TRT正常运行时，主旁通阀32全关并处于自动模式。当高炉出现异常，或者突然出现的煤气流量超过TRT透平主机静叶33或旁得通快开阀31的调节能力时，以TRT前压偏差（偏差=测量值-设定值）送入逻辑控制器21，偏差“高高”则打开主旁通阀32，主旁通阀32开后，压力下降，偏差减小到“高”以下，主旁通阀32停止动作，开度保持不变；偏差降低到“低低”以下，主旁通阀32开始关小，使压力回升；若压力回归正常，而此时主旁通阀32还未全关，将其打手动，慢慢关闭后再投自动。主旁通阀32分流多余煤气，有效稳定压力控制。由于主旁通阀32阀门较大（如，主旁通阀直径1800mm，旁通快开阀直径1000mm），作为紧急情况下的可靠后备保护，非常有效。其中，“高高”、 “高”和“低低”的值，可参考各阀门的流通能力预设参考值，然后由现场调试后确认。

3.关于阀门动作信号的折算

不同阀门动作信号之间的折算，是根据各阀门的流通能力即Cv值来进行的。例如，在某个设计运行点，阀门A的动作信号折算成阀门B的动作信号的折算如下：

TRT透平主机和各阀门的“开度—Cv值”曲线、流量特性曲线，可由其生产厂家提供，也可以通过实验绘制。例如，阀门的Cv值可通过测量流入阀门的煤气流量、煤气温度和阀门前、后的煤气压力，结合相关常数，计算得到。气体计算公式是把液体计算公式的比重，经过换算后得出的，见式1。通过算得的几个主要开度点的Cv值，即可标出该阀门的“开度—Cv值”曲线。

其中，Cv：流通能力，km3/h；

F：标况下的高炉煤气流量，Nm3/h；

K：高炉煤气与液体的体积比，为1:287；

      ρ：高炉煤气介质密度，g/cm3；

      P0：标准大气压，kg/cm2；

P1：TRT入口煤气压力，kg/cm2；

P2：TRT出口煤气压力，kg/cm2；

三、实施方案的优点和效果

1.并联、串联式TRT高炉炉顶压力系统解决方案的共同优点和效果

1）两种工艺的解决方案，控制信号通过计算后分配给各执行机构，能确保整个系统配合精确，TRT机组达到能量全量回收，提高发电水平。

2）两种工艺的解决方案，均通过顶压测量值选择器、设定值选择器。这样始终都有可靠的测量值供选择，即使两个炉顶压力信号都掉线了，顶压的波动也很小。同样，当两个顶压设定值信号均为坏值时，有应急使用的设定值信号。

2.并联式TRT高炉炉顶压力系统解决方案的优点和效果

1)把各执行机构（透平主机静叶、旁通快开阀及量程阀）作为一个整体，将一个单回路调节的输出控制信号，通过精确计算分配控制，在高炉升降压、TRT启动、停机等各种工况下，不存在设备协调操作、配合控制不到位或抢调的问题。TRT运行时，也不会因避免抢调，而实际降低了约4kPa的炉顶压力操作水平。

2)仅包含一个单回路调节系统。结构简单，不存在高炉调压阀组与TRT旁通控制阀门双重配置的情况，减少了投资成本。

3.串联式TRT高炉炉顶压力系统解决方案的优点和效果

1）分段式压力控制，控制系统简单，增强了系统运行的稳定性和可靠性。

2）主旁通阀参与压力调节，既稳定了TRT前压，即稳定了高炉顶压，保护了TRT机组安全运行，由此减少了不必要的停机，保证了发电量。

四、结束语

   本文分别针对传统并联、串联式TRT高炉炉顶压力控制工艺，提出了一种结构简单的、基于控制信号精确计算分配的、具有容错功能的TRT高炉顶压控制方案。该方案能较好的解决由于多回路炉顶压力控制装置配合不良而导致的导致炉顶压力波动较大甚至控制失败问题，并从应对炉顶压力测量值信号、设定值信号故障等紧急状况，进行分析和探讨，有效地提高炉顶压力控制的可靠性和稳定性，促进高炉本体、TRT系统的统一集中管理，优势明显[2]。

参考文献：

[1] 吴靖等.一种高炉顶压控制装置 [P].中国：201520797916.4,2016-04-13.

[2] 杜凤祥等.高炉炉顶压力倒换装置[P].中国：200820192552.7,2009-08-19.