CN102994672A

CN102994672A - 高炉煤气余压透平发电装置trt系统顶压的自动控制方法

Info

Publication number: CN102994672A
Application number: CN2012105053364A
Authority: CN
Inventors: 鲁璐; 章红; 刘志清; 吴靖; 谢俊
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: CN102994672B

Abstract

本发明提供对一种高炉煤气余压透平发电装置TRT系统顶压的自动控制方法，将系统煤气流量转换为Cv值、制作静叶Cv_静与开度关系表和旁通阀Cv_旁与阀门开度关系表；TRT系统由转速PID调节器、功率PID调节器、顶压PID调节器分别控制；TRT系统运行阶段顶压控制：系统功率PID调节器和系统顶压PID调节器通过低选器连接到分程控制器，根据分程控制的原则控制静叶开度和旁通阀的开度：系统接到紧急停机信号后，关闭紧急切断阀，开启旁通阀，控制旁通阀缓慢关闭，转到由减压阀组调节高炉压力。本发明解决了因阀门特性数据不准、TRT设计流通量不够导致TRT调节高炉顶压稳定性低、发电效能不高、调节能力有限、紧急停机过程压力大幅波动等技术问题。

Description

高炉煤气余压透平发电装置TRT系统顶压的自动控制方法

技术领域

本发明属于气体差压发电系统的自动控制技术领域，尤其涉及一种高炉煤气余压透平发电装置TRT系统顶压的自动控制方法。

背景技术

TRT是(Top Gas Pressure Recovery Turbine简称TRT)“高炉煤气余压透平发电装置”的缩写，是国际公认的钢铁企业很有价值的二次能源回收装置，它利用高炉炉顶煤气所具有的压力能和热能，通过透平机膨胀做功转化为机械能，从而驱动发电机发电。这种发电方式既不消耗任何燃料，也不产生环境污染，发电成本极低，是高炉冶炼工序的重大节能项目，经济效益十分显著。TRT装置代替了原来煤气系统的高压阀组，不同的是，原煤气系统的高压阀组将煤气的压力能白白泄漏掉了，而TRT装置可以回收高炉鼓风能量的30%左右。

合理的顶压能使炉料透气性指数在合理的范围内,从而保证煤气流的合理分布,这样才能有炉况的顺行，减少炉尘吹出量,在一定程度上降低焦炭消耗。所以高炉顶压的稳定直接关系到高炉工艺的生产效率、效益，不稳定的压力可能会造成高炉料层的垮塌，出铁质量的下降、能源的浪费。

主流的TRT控制技术，一般采用启动阀（或调速阀）控制TRT启动转速，静叶控制发电功率和高炉顶压，紧急切断阀保护TRT机组，旁通阀排除控制中的扰动。

目前TRT顶压调节控制存在如下问题：

由于高炉生产的复杂性和顶压控制要求极高，其主要控制阀门静叶和旁通阀必须有准确的阀门特性曲线参数，才能实现阀门控制的线性化，保证高炉顶压的精准控制。而标准的阀门特性曲线一般只有通过风洞试验或是在TRT设计时的准确计算才能得到。但这2种方法前者条件困难，后者计算过于复杂容易产生误差，在现场环境下难以实现。且TRT运行后，受到高炉生产影响、调节阀门及管道积灰、液压及机械传动装置变化、积垢等多种原因影响将导致控制阀门特性变化，调节稳定性降低。而特性曲线的不准确直接会影响TRT调节顶压的效果降低。

目前，很多炼铁厂将高炉改造、炉容及压力增加，其配套TRT系统的流通调节能力低于高炉生产要求,企业只有采取追加投入，更换TRT，或者将TRT固定在一段较小开度上恒功率运行，通过其它手段控制炉顶压力。这些方案，从成本和节能上讲是均不可取的。

发明内容

本发明的目的是针对气体差压发电系统的稳定控制问题，设计高炉煤气余压透平发电装置TRT系统顶压的自动控制方法。本发明基于DCS、PLC技术，解决因阀门特性数据不准、变化或TRT设计流通量不够导致TRT调节高炉顶压稳定性偏低、精准度及发电效能不高、调节能力有限、紧急停机过程压力大幅波动等技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明将系统煤气流量转换为Cv值、制作静叶Cv_静与开度关系表和旁通阀的Cv_旁与阀门开度关系表；

TRT系统由转速PID调节器、功率PID调节器、顶压PID调节器分别控制；

1）TRT系统启动阶段：当TRT旋转带动发电机达到并网要求的3000转每分钟时，发电机并网，转为功率控制阶段；发电机发电功率继续增大，静叶继续开大，煤气压力降低，顶压调节器输出减少，当顶压调节器输出Cv值小于功率调节器输出Cv值时，切换至顶压调节器控制；

2）TRT系统运行阶段顶压控制：系统功率PID调节器和系统顶压PID调节器通过低选器连接到分程控制器，分程控制器根据分程控制的原则控制静叶开度和旁通阀的开度：

具体是由功率PID调节器和顶压PID调节器中输出低的一个进行控制，当低选器输出Cv_(op)≤静叶全开时的Cv_静值时，控制静叶开度，旁通阀不开；当Cv_(op)>静叶全开时的Cv_静值时，静叶全开，Cv_(op)减静叶全开时Cv_静值的差为旁通阀的开度控制值；

3）TRT停机过程：系统接到紧急停机信号后，关闭紧急切断阀，开启旁通阀，开启旁通阀后，控制旁通阀缓慢关闭，转到由减压阀组调节高炉压力。

所述的步骤3）TRT停机过程中，旁通阀开启过程采用前馈控制：

RATE速率调节器的输出按固定速率，始终跟踪低选器输出Cv_(op)作为目标值；接到紧急停机信号后，通过通路选择器直接控制旁通阀的开度；

旁通阀缓慢关闭过程，此时低选器输出Cv_(op)降为零，RATE速率调节器的输出速率按照顶压设定值与顶压测量值的差值变化，控制旁通阀的开度；当顶压测量值与顶压设定值的差值大于2～5kPa时，启动顶压补偿PID调节器，顶压补偿PID调节器通过加法器控制RATE速率调节器的输出，满足顶压测量值与顶压设定值的差值小于2～5kPa。

所述的步骤1）TRT系统启动阶段：转速调节器控制启动阀开启，分流进入减压阀组的煤气，推动TRT获得初始转速；控制转速设定值按每秒6转的速度逐渐增加至每分钟3000转每分钟。

所述的步骤3）TRT停机过程:当顶压测量值与顶压设定值的差值大于2～5kPa时，启动顶压补偿PID调节器，顶压补偿PID调节器通过加法器控制RATE速率调节器的输出，满足顶压测量值与顶压设定值的差值小于2～5kPa。

所述的步骤1）TRT系统启动阶段：当发电机并网，转为功率控制阶段时，开启入口电动蝶阀，增大煤气流量，控制功率设定值按15kW~25kW/每秒的速度增加，提升到1500kW；此时控制功率设定值按25kW/每秒的速度增加，直至发电机最大安全功率值。

本发明在高炉顶压控制中，提供一种TRT较高精度调节控制的实践方法，具有以下有益效果：

（1）通过现场试验采集数据及计算的方式高精度的计算出静叶与旁通阀的相对特性曲线。从TRT控制上为得到阀门特性曲线提供了一种安全、可靠、有效的全新途径。

（2）实现TRT调节能力和顶压调节稳定性的提升；

（3）实现TRT紧急停机时过程中，更精确的前馈控制，降低高炉顶压波动。

本发明安全可靠，现场操作性强，可提高调节控制的准确度，并提升TRT调节能力，达到稳定控制高炉顶压，有效提高TRT效率和延长设备生命周期，避免由于TRT紧急停机初期时，前馈控制的准确度不高而极易产生高炉顶压的大幅波动。

附图说明

图1是本发明一种实施例的系统工艺流程及仪表位置图。

图2是TRT自动控制系统控制原理图。

图3是静叶与旁通阀分程控制原理图。

图4是旁通阀前馈控制逻辑和顶压补偿原理图。

具体实施方式

图1是本发明一种实施例的系统工艺流程及仪表位置图：高炉冶炼煤气经除尘后，进入TRT系统。经启动阀、入口电动碟阀、入口电液插板阀，紧急切断阀，TRT静叶，经透平机膨胀作功，带动发电机发电，自透平机出来的煤气，进入低压管网，与煤气系统中减压阀组并联。旁通阀与紧急切断阀、静叶并联。

本发明主要由获取其主要控制阀门的标准阀门特性曲线参数，量化阀门流通能力、分程、前馈控制的转换来实现。

本发明采集关键仪表参数，进行计算比对，获得旁通阀、静叶的Cv开度表值与其开度对应图表（即阀门特性曲线），将顶压调节器的输出信号转换为Cv值，对应阀门Cv值的开度表，实现阀门的线性控制。

首先要将系统煤气流量转换为Cv值、制作静叶Cv_静与开度关系表和旁通阀的Cv_旁与阀门开度关系表。

1）静叶Cv_静值的确定：

在高炉正常生产时，TRT并网的情况下，通过手动控制静叶开度从0%至100%，记录下对应的Cv值。获得TRT静叶开（升功率）和静叶关（降功率）过程中的两组静叶开度与其Cv_静值之间的对应关系值。将获取数据进行加权平均，得到静叶Cv_静与开度关系表：

表1为静叶Cv_静值/开度关系表

本发明以Cv值（阀门相对液体的流通能力）为表现形式，计算旁通阀阀径，选择满足生产的旁通阀。

对旁通阀的选型：

TRT自动控制系统采用的是DCS控制系统，运算Cv值需要检测仪表信号如图1：有TRT入口流量差压表PD0，入口温度T0，TRT前压P0，入口煤气压力P1，出口煤气压力P2；

TRT的Cv值计算是将煤气流量转换为Cv值的形式来对阀门进行尽可能准确的标定。专用Cv值计算公式为：

Cv = \frac{F}{K} \times \sqrt{\frac{ρ (T_{0} + 273)}{{(P_{1} + 1.01)}^{2} - {(P_{2} + 1.01)}^{2}}}

式中所用采集数据有：

Cv：流通能力，Km3/h；

F：TRT煤气补正后流量；根据实际测量装置计算书运算得到；温压补正公式：

P0：TRT前煤气压力，kPa；

K：高炉煤气与液体的体积比，为1：287；

ρ：煤气介质密度，g/cm³，；

T0：煤气温度℃；

P1：TRT入口煤气压力，Kg/cm²；

P2：TRT出口煤气压力，Kg/cm²；

本实施例根据控制要求：计算出当高炉顶压为100kPa时，TRT能保证高炉顶压并满足前馈控制。高炉煤气量达到设计上限，即27万立方每小时，由CV计算公式可得需要最大流通量：

Cv = \frac{F}{K} \times \sqrt{\frac{ρ (T_{0} + 273)}{{(P_{1} + 1.01)}^{2} - {(P_{2} + 1.01)}^{2}}}

= \frac{270000}{287} \times \sqrt{\frac{1.36 (55 + 273)}{{(1.0 + 1.01)}^{2} - {(0.13 + 1.01)}^{2}}}

= 12002

参照标准管径流通量可知，应选用旁通阀为800mm直径，即可满足控制需求。

2）旁通阀的Cv_旁值的确定：

由于旁通阀的流通量大，在不影响高炉生产的前提下，Cv_旁值只能做到40%以下开度，为了获得最准确的Cv_旁转化值模型，实例参考了同等类型阀门的特性曲线表，再此基础上进行了拟合，特性方程计算，获得了阀门的特性关系表。

表2旁通阀Cv_旁值/开度关系表

图2是TRT自动控制系统控制原理图，图3是静叶与旁通阀分程控制原理图：

参与TRT控制的信号有高炉顶压，高炉顶压设定值，TRT转速，发电机有功功率。输出控制信号主要有：启动阀位置控制信号，静叶位置控制信号，旁通阀位置控制信号等。

TRT自动控制系统由转速PID调节器、功率PID调节器、顶压PID调节器分别控制，系统功率PID调节器和系统顶压PID调节器通过低选器连接到分程控制器，分程控制器控制静叶开度和旁通阀的开度；

1）TRT系统启动阶段：启动TRT时：开启电液插板阀、紧急切断阀、出口电动阀，转速PID调节器控制启动阀，当TRT旋转带动发电机达到并网要求的3000转每分钟时，发电机并网，转为功率控制阶段；发电机发电功率继续增大，静叶继续开大，煤气压力降低，顶压调节器输出减少，当顶压调节器输出Cv值小于功率调节器输出Cv值时，切换至顶压调节器控制；

TRT系统启动阶段中，转速调节器控制启动阀开启，分流进入减压阀组的煤气，推动TRT获得初始转速；控制转速设定值按每秒6转的速度逐渐增加至每分钟3000转每分钟。

当发电机并网，转为功率控制阶段时，开启入口电动蝶阀，增大煤气流量，控制功率设定值按15kW~25kW/每秒的速度增加，提升到1500kW以上；此时控制功率设定值按25kW/每秒的速度增加，直至发电机最大安全功率值。

具体是由功率PID调节器和顶压PID调节器中输出低的一个进行控制，当低选器输出Cv_(op)≤静叶全开时的Cv_静值时，控制静叶开度，旁通阀不开；当Cv_(op)>静叶全开时的Cv_静值时，静叶全开，Cv_(op)－静叶全开时Cv_静值的差为旁通阀的开度控制值；

图3是静叶与旁通阀分程控制原理图：

本实施例将功率PID调节器和顶压PID调节器输出的0~100%信号转换成Cv值对应的0至12000数值，经过低选后分别送给2个限幅器。

高位限幅器，用于防止静叶的控制信号超过100%，当控制信号Cv_(op)>9738时（表1中静叶最大流通Cv_静），输出X1强制等于9738。

低位限幅器，当控制信号Cv_(op)<9738时，输出X2强制等于0；Cv_(op)>9738时，X2等于Cv_(op)－9738。

将X1、X2的值通过静叶开度表、旁通阀开度表转换其对应的开度值Y1、Y2，完成线性化控制。

软手操，用于实现静叶、旁通阀的手动开关操作。

所述的步骤3）TRT停机过程中，旁通阀开启过程采用前馈控制：由图2中的前馈控制逻辑模块完成。

图4是旁通阀前馈控制逻辑和顶压补偿原理图：

前馈控制：RATE速率调节器的输出按固定速率，始终跟踪低选器输出Cv_(op)作为目标值；接到紧急停机信号后，通过通路选择器直接控制旁通阀的开度；TRT正常运行时，RATE（速率调节器）跟踪低选器后Cv_(op)值，其变化速率为48000每分钟左右，通过旁通阀Cv_旁值/开度表，实时算出Cv(op)的当前控制开度下所需要对应的旁通阀的实际开度，紧急停机后旁通阀的初始开度。当系统突发停机时，由通路选择器1选择，从0位置切换到1位置，旁通阀按初始开度开启，同时功率调节器和顶压调节器被锁定，低选器输出为0。

旁通阀缓慢关闭过程，此时低选器输出Cv_(op)降为零，RATE速率调节器的输出速率按照顶压设定值与顶压测量值的差值变化，控制旁通阀的开度；

当顶压测量值与顶压设定值的差值大于2～5kPa时，启动顶压补偿PID调节器，顶压补偿PID调节器通过加法器控制RATE速率调节器的输出，满足顶压测量值与顶压设定值的差值小于2～5kPa。

表3旁通阀关闭速度斜率线性表，紧急停机的同时，程序会启动顶压补偿功能，当高炉压力无法控制在顶压设定值时（=高炉炉顶压力+2.5kPa－高炉顶压设定值），补偿PID调节器启动。

高炉顶压偏差值(kPa)	1.5	0	-1	-1.5	-2	-5	-10	-15
									关速度Cv/分钟	0	1000	1250	1500	2000	6500	10000	20000

表3，旁通阀关速度斜率线性表

当高炉顶压偏高或者减压阀组发生调节无效时，旁通阀将会一直控制压力，直待补偿PID调节器输出为0被锁定，减压阀组调节顶压。

Claims

1.一种高炉煤气余压透平发电装置TRT系统顶压的自动控制方法，将系统煤气流量转换为Cv值、制作静叶Cv_静与开度关系表和旁通阀的Cv_旁与阀门开度关系表；

2.根据权利要求1所述的高炉煤气余压透平发电装置TRT系统顶压的自动控制方法，其特征在于：步骤3）TRT停机过程中，旁通阀开启过程采用前馈控制：

3.根据权利要求1或2所述的高炉煤气余压透平发电装置TRT系统顶压的自动控制方法，其特征在于：步骤1）TRT系统启动阶段：转速调节器控制启动阀开启，分流进入减压阀组的煤气，推动TRT获得初始转速；控制转速设定值按每秒6转的速度逐渐增加至每分钟3000转每分钟。

4.根据权利要求1或2所述的高炉煤气余压透平发电装置TRT系统顶压的自动控制方法，其特征在于：步骤3）TRT停机过程:当顶压测量值与顶压设定值的差值大于2～5kPa时，启动顶压补偿PID调节器，顶压补偿PID调节器通过加法器控制RATE速率调节器的输出，满足顶压测量值与顶压设定值的差值小于2～5kPa。

5.根据权利要求1或2所述的高炉煤气余压透平发电装置TRT系统顶压的自动控制方法，其特征在于：步骤1）TRT系统启动阶段：当发电机并网，转为功率控制阶段时，开启入口电动蝶阀，增大煤气流量，控制功率设定值按15kW~25kW/每秒的速度增加，提升到1500kW；此时控制功率设定值按25kW/每秒的速度增加，直至发电机最大安全功率值。