CN100365135C - 一种基于阻力系数等效的炉顶压力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阻力系数等效的炉顶压力控制方法，该方法包括测试与存储旁通阀特性曲线；根据旁通阀特性曲线计算旁通阀的前馈开度并修正旁通阀特性曲线；静叶和旁通阀根据所计算出的旁通阀前馈开度δ_v，并通过引入时间变量Δt协同控制炉顶压力等步骤。采用本发明的方法明显减少了TRT系统紧急停机过程中顶压扰动，顶压稳定性大大提高，实际控制精度达到±2Kpa左右。

Description

一种基于阻力系数等效的炉顶压力控制方法

技术领域

本发明涉及炉顶压力控制方法，属于炼铁高炉炉顶煤气余压透平发电系统领域，尤其涉及一种基于阻力系数等效的炉顶压力控制方法。

背景技术

高炉煤气余压透平发电装置(Blast Furnace Top Gas Pressure RecoveryTurbine Unit简称TRT装置)是通过将高炉炉顶煤气导入一台透平膨胀机(煤气透平)作功，使高炉煤气的压力能及热能转化为机械能，再驱动发电机的一种二次能量回收装置。

如图1所示，传统的高炉工艺流程中，鼓风机7提供的风量经过热风炉1输送给高炉2，保证高炉冶炼所需的含氧量。高炉冶炼所产生的炉顶煤气(压力150～300Kpa)在通过集尘器3和湿式除尘器4除尘后再经过减压阀组5减压到10Kpa左右，排入储气罐6供工厂热风炉作为燃料用。原高炉煤气所具有的压力能和热能被白白地浪费在减压阀组(或比肖夫除尘器)上，造成大量的能源浪费和噪声污染，噪声达105db(A)以上。

如图2所示，采用TRT装置替代减压阀组5(减压阀组备用)，不改变原高炉煤气的品质，也不影响煤气用户的正常使用，却回收了被减压阀组白白释放的能量，又净化了煤气，降低了噪音，从而改善了高炉的操作条件，该装置在运行过程中不产生污染，几乎没有能源消耗，发电成本低，具有显著的经济效益和社会效益。利用TRT装置进行发电，用户往往担心TRT系统会降低高炉顶压的稳定性，尤其担心在TRT系统紧急停机时对高炉顶压产生的巨大扰动，从而影响高炉炼铁的主工艺流程。

为保证透平机组的安全，现有TRT系统在透平机入口前均安装有紧急切断阀。当TRT系统紧急停机时，该紧急切断阀将快速关闭，切断通向透平机的煤气，但是由于高炉减压阀组的调节作用和机械特性都比较慢，高炉煤气流量的突变势必会造成炉顶压力的上升，对高炉造成很大影响，甚至危及高炉安全。因此，现有TRT装置在紧急切断阀前到透平机出口后，并联有旁通阀81和旁通阀82，作为TRT系统紧急停机时补偿TRT流量突变之用，以确保炉顶压力不出现过大波动。现有TRT装置的旁通阀前馈控制作用正是在关闭切断阀的同时，快速打开旁通阀，使原先从透平机流过的煤气经由旁通阀流过，从而避免对高炉造成冲击。但旁通阀的前馈开度到底设为多少呢？现有方法往往由经验决定。要么设为一个固定的开度，如25％，要么由停机瞬间前的静叶开度或煤气流量经过经验补偿后确定。

现有的旁通阀前馈控制方法缺乏足够的理论依据，况且引起高炉顶压不稳定的原因是多方面的，主要因素有：高炉内多种介质的高温、多相流动、物理和化学变化；高炉进风的鼓风机的压力与流量变化；除尘器积尘，管路泄漏等引起流动阻尼改变的一些随机因素。由于上述因素大多具有不确定性，并且对炉顶压力变化的影响具有非线性特点。因此，完全依靠经验来确定旁通阀前馈开度的控制方法，其控制精度一般在±8Kpa左右，难以满足高炉稳定生产的要求(±3Kpa)。

发明内容

本发明的目的是针对TRT系统紧急停机过程中顶压波动过大的问题，提供一种基于阻力系数等效的炉顶压力控制方法。该方法在由透平机静叶控制顶压向旁通阀控制顶压切换过程中，在保证管道阻力系数等效的前提下，通过静叶与旁通阀的协同控制，实现顶压稳定性控制。

本发明的具体实现方案如下：一种基于阻力系数等效的炉顶压力控制方法，高炉冶炼所产生的炉顶煤气在通过集尘器和湿式除尘器除尘后引入高炉煤气余压透平发电装置，所述高炉煤气余压透平发电装置在紧急切断阀前到透平机出口后，并联有旁通阀，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

(1)试与存储旁通阀特性曲线；

(2)根据旁通阀特性曲线计算旁通阀的前馈开度并修正旁通阀特性曲线；

(3)静叶和旁通阀根据所计算出的旁通阀前馈开度δ_v，并通过引入时间变量Δt协同控制炉顶压力。

本发明的有益效果是：采用本发明的方法明显减少了TRT系统紧急停机过程中顶压扰动，顶压稳定性大大提高，实际控制精度达到±2Kpa左右。

附图说明

图1是没有安装TRT装置的高炉炼铁流程图；

图2是安装湿式TRT装置的高炉炼铁流程图；

图3是旁通阀智能切换控制方法示意图。

具体实施方式

下面详细说明本发明。本发明的方法具体包括如下步骤：

一.测试与存储旁通阀特性曲线：

如图2所示，考虑旁通阀组8由旁通阀81和旁通阀82组成，一主一备；即旁通阀81作主阀；另外旁通阀82作为备用阀，仅在主阀出现故障时投入使用。由于两阀的型号规格一样，阀门特性基本一致，故只需测试任一旁通阀特性曲线ξ＝f(δ_v)。式中，ξ为阻力系数，δ_v为旁通阀开度。假设测试旁通阀81，将其开度从0％按照一定的步长(如2.5％)增大至100％，每增加一个开度，等待系统稳定时按下式计算阻力系数ξ：

$\mathrm{\ξ}=\frac{2\mathrm{\ΔP}{S}^2}{\mathrm{\ρ}{Q}^2}=\frac{2\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ρ}{\mathrm{\υ}}^2}$

式中，Q为流量，S为进口截面积，ρ为介质密度，ν为流速，ΔP为压差。

为了便于系统实现，本方法将旁通阀特性曲线ξ＝f(δ_v)存放在一张二维数据表(ξ_i，δ_i)，i＝0，1，…，40中，以备查询。

二.旁通阀的前馈开度计算与特性曲线修正：

TRT机组紧急停机时，根据当时的旁通阀前后压差ΔP^*和引入TRT系统的煤气流速ν^*等参数计算出阻力系数ξ^*：

${\mathrm{\ξ}}^{*}=\frac{2\mathrm{\Δ}{P}^{*}}{\mathrm{\ρ}{\left({\mathrm{\υ}}^{*}\right)}^2}$

在二维数据表(ξ_i，δ_i)，i＝0，1，…，40中确定ξ^*所属区间，假设ξ^*∈[ξ_j+1，ξ_j]，计算对应旁通阀开度为：

${\mathrm{\δ}}^{*}=0.025\×j+2.5\×\left(\frac{{\mathrm{\ξ}}_j-{\mathrm{\ξ}}^{*}}{{\mathrm{\ξ}}_j-{\mathrm{\ξ}}_{j+1}}\right)$

在紧急停机时将旁通阀计算开度δ^*转化为控制信号直接输出给旁通阀，等待系统稳态时测量旁通阀前后压差ΔP^*′和引入TRT系统的煤气流量Q^*′，计算实际阻力系数ξ^*′及阻力系数计算偏差Δξ^*：

${\mathrm{\ξ}}^{{*}^{\′}}=\frac{2\mathrm{\Δ}{P}^{{*}^{\′}}{S}^2}{\mathrm{\ρ}{\left(Q^{{*}^{\′}}\right)}^2}$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ξ}}^{*}={\mathrm{\ξ}}^{{*}^{\′}}-{\mathrm{\ξ}}^{*}$

根据阻力系数计算偏差来修正存放在二维数据表(ξ_i，δ_i)，i＝0，1，…，40中的阻力系数：

ξ_j←ξ_j+α×Δξ^*

ξ_j+1←ξ_j+1+α×Δξ^*

式中，α∈[0，1]，为修正系数。

三.静叶和旁通阀协同控制炉顶压力：

由于静叶和旁通阀的操作均有一定的机械滞后，因此静叶和旁通阀的不协调动作会导致煤气管路的气容效应，从而对炉顶压力造成很大影响。譬如旁通阀打开得太晚会使顶压陡然升高，打开得太早又会使顶压太低。为了保证TRT系统紧急停机时顶压切换控制的稳定性，本方法中考虑静叶和旁通阀协同控制，在静叶关闭和旁通阀开启两个动作之间引入时间变量Δt，该变量表示静叶关闭和旁通阀开启两个控制指令发出的时间间隔。该变量Δt可以是正数，表示旁通阀开启指令比静叶关闭指令发出时间晚；也可以是负数，表示旁通阀开启指令比静叶关闭指令发出时间早。变量Δt为正数时，其值越大表示旁通阀开启指令相对静叶关闭指令发出时间越晚，其值越小表示旁通阀开启指令发出时间越接近静叶关闭指令。变量Δt为负数时，其值越小表示旁通阀开启指令相对静叶关闭指令发出时间越早，其值越大表示旁通阀开启指令发出时间越接近静叶关闭指令。

根据TRT系统现场调试和运行所积累的知识库，在控制程序的运行中自动计算出旁通阀开度δ_v及其指令发出时间变量Δt等控制参数，依据δ_v和Δt对旁通阀实施控制，即在Δt时刻发出旁通阀开度指令信号δ_v，并采用反馈校正的方法对控制参数进行修正，不断提高顶压控制的精度。当δ_v和Δt的控制效果使顶压偏高时，一方面将Δt适当减小，另一方面计算实际阻力系统ξ^*及阻力系统计算偏差Δξ^*，根据阻力系数计算偏差来修正旁通阀特性曲线ξ＝f(δ_v)；当δ_v和Δt的控制效果使顶压偏高，一方面将Δt适当加大，另一方面也根据阻力系数计算偏差来修正旁通阀特性曲线ξ＝f(δ_v)。

本方法主要处理流程(如图3)可以概括如下：首先初始化有关参数，如煤气介质密度ρ、煤气进口截面积S；然后通过流量计和压差变送器实时检测引入TRT系统的煤气总流量Q和旁通阀前后压差ΔP，计算当前阻力系数ξ；再根据阻力系数ξ和旁通阀特性曲线ξ＝f(δ_v)来计算旁通阀对应开度δ_v；根据知识库中相关规则获取指令提前量Δt；依据δ_v和Δt实施控制，即在Δt时刻发出旁通阀开度指令信号δ_v；检测顶压控制性能，修正知识库。

Claims (1)

1.一种基于阻力系数等效的炉顶压力控制方法，高炉冶炼所产生的炉顶煤气在通过集尘器和湿式除尘器除尘后引入高炉煤气余压透平发电装置，所述高炉煤气余压透平发电装置在紧急切断阀前到透平机出口后，并联有旁通阀，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

(1)测试与存储旁通阀特性曲线；

(2)根据旁通阀特性曲线计算旁通阀的前馈开度并修正旁通阀特性曲线；

(3)静叶和旁通阀根据所计算出的旁通阀前馈开度δ_v，并通过引入时间变量Δt协同控制炉顶压力；

所述步骤(1)具体为，将旁通阀开度δ_v从0％按照一定的步长增大至100％，每增加一个开度，等待系统稳定时按下式计算阻力系数ξ：

$\mathrm{\ξ}=\frac{{2\mathrm{\ΔPS}}^2}{{\mathrm{\ρQ}}^2}=\frac{2\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ρ}{\mathrm{\υ}}^2}$

式中，Q为流量，S为进口截面积，ρ为介质密度，v为流速，ΔP为压差；从而测试出旁通阀特性曲线ξ＝f(δ_v)，并将旁通阀特性曲线ξ＝f(δ_v)存放在二维数据表(ξ_i，δ_i)，i＝0，1，…，40中；

所述步骤(2)具体为，当机组紧急停机时，根据当时的旁通阀前后压差ΔP^*、

介质密度ρ和引入高炉煤气余压透平发电装置的煤气流速v^*计算出阻力系数ξ^*：

${\mathrm{\ξ}}^{*}=\frac{{2\mathrm{\ΔP}}^{*}}{\mathrm{\ρ}{\left({\mathrm{\υ}}^{*}\right)}^2}$

在二维数据表(ξ_i，δ_i)，i＝0，1，…，40中确定ξ^*所属区间ξ_i，ξ_j+1，计算对应旁通阀开度为：

${\mathrm{\δ}}^{*}=0.025\×j+2.5\×\left(\frac{{\mathrm{\ξ}}_j-{\mathrm{\ξ}}^{*}}{{\mathrm{\ξ}}_j-{\mathrm{\ξ}}_{j+1}}\right)$

在紧急停机时将旁通阀计算开度δ^*转化为控制信号直接输出给旁通阀，等待系统稳态时测量旁通阀前后压差ΔP^*′和引入高炉煤气余压透平发电装置的煤气流量Q^*′，计算实际阻力系数ξ^*′及阻力系数计算偏差Δξ^*：

${\mathrm{\ξ}}^{{*}^{\′}}=\frac{2\mathrm{\Δ}{P}^{{*}^{\′}}{S}^2}{\mathrm{\ρ}{\left(Q^{{*}^{\′}}\right)}^2}$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ξ}}^{*}={\mathrm{\ξ}}^{{*}^{\′}}-{\mathrm{\ξ}}^{*}$

根据阻力系数计算偏差来修正存放在二维数据表(ξ_i，δ_i)，i=0，1，…，40中的阻力系数：

ξ_j←ξ_j+α×Δξ^*

ξ_j+1←ξ_j+1+α×Δ^*

式中，α∈[0，1]，为修正系数；

所述步骤(3)具体为：在静叶关闭和旁通阀开启两个动作之间引入时间变量Δt，该变量表示静叶关闭和旁通阀开启两个控制指令发出的时间间隔；根据高炉煤气余压透平发电装置现场调试和运行所积累的知识库，在控制程序的运行中自动计算出旁通阀开度δ_v及其指令发出时间变量Δt；依据δ_v和Δt对旁通阀实施控制，即在Δt时刻发出旁通阀开度指令信号δ_v；检测顶压实际控制性能，采用反馈校正的方法修正知识库，不断提高项压控制的精度。

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