CN103509895B

CN103509895B - 一种trt静叶与减压阀组组合的高炉炉顶压力控制方法

Info

Publication number: CN103509895B
Application number: CN201310467246.5A
Authority: CN
Inventors: 蔡栋; 陈志虎
Original assignee: Magang Group Holding Co Ltd; Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Phima Intelligence Technology Co ltd; Magang Group Holding Co Ltd
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2033-10-09
Also published as: CN103509895A

Abstract

本发明公开了一种TRT静叶与减压阀组组合的高炉炉顶压力控制方法，通过减压阀组顶压控制、TRT升转速控制、TRT升功率控制、TRT转顶压控制、TRT正常停机控制和TRT紧急停机控制六个步骤，实现对高炉炉顶压力的控制，在TRT升功率阶段和正常停机阶段，可控制在五分钟；通过减压阀组与透平机静叶的一体化设计，做到了升功率阶段和转顶压控制阶段的炉顶压力控制功能统一，正常停机和减压阀组顶压控制阶段的炉顶压力控制功能统一，减少了中间环节，避免了炉顶压力在切换时的波动。旁通快开阀组的设计，比单一的旁通快开阀更安全，投资少，并且可以在紧急停机结束后直接介入炉顶压力调节，避免了调节回路的多次切换。

Description

一种TRT静叶与减压阀组组合的高炉炉顶压力控制方法

技术领域

本发明涉及一种高炉炉顶压力控制方法，尤其是一种TRT静叶与减压阀组组合的高炉炉顶压力控制方法。

背景技术

TRT是炉顶煤气余压透平发电装置的简称，它是将原来减压阀组中损失的高炉煤气能量，经过透平膨胀做功带动发电机发电的一种装置。

根据《高炉炼铁工艺设计规范》（GB50427—2008）规定：高炉必须设置炉顶煤气余压发电装置，并应与高炉同步投产。现在TRT装置已成为高炉的必备配套设施，高炉生产过程中产生的高压高炉煤气有两个通道并入公司煤气管网，一个通道是通过减压阀组后接入公司煤气管网，另一个通道是通过TRT装置透平机膨胀做功后接入公司煤气管网。由于这两个通道都可以影响高炉炉顶压力，因此协调好这两种顶压调节功能对炉顶压力的稳定至关重要。

在现有技术中，减压阀组与透平机静叶属于两个不同的炉顶压力控制回路，当触发条件满足时可在两个控制回路之间通过参数关联的方式进行切换。

触发条件：指TRT装置启机升转速、并网升功率、转顶压调节、正常停机、紧急停机等各种运行状态。

参数关联：减压阀组与透平机静叶两个不同的炉顶压力控制回路，其测量值是同一个炉顶压力，减压阀组的炉顶压力设定值由操作员设定，而TRT装置的炉顶压力设定值在不同运行状态下根据减压阀组的炉顶压力设定值运算得来。当TRT装置运行时，在透平机静叶控制回路上将炉顶压力设定值减去一个压差（一般小于10kPa）作为静叶调节炉顶压力的设定值，进而迫使静叶角度不断打开，减压阀组不断关闭，最终形成减压阀组退出炉顶压力调节。反之，当TRT装置停机时，在透平机静叶控制回路上将炉顶压力设定值加上一个压差（一般小于10kPa）作为静叶调节炉顶压力的设定值，目的也是形成由减压阀组来调节炉顶压力。

这种方式的设计简单，参数调试方便，并且这两个控制回路可以分布在高炉和TRT两个不同的控制系统内。但是它们之间的独立性强、关联度不高，所以其协同效应差，存在以下问题：

（1）遇到TRT紧急停机状况时，减压阀组往往来不及反应，只能依靠TRT装置的旁通快开阀补偿透平机静叶全关造成的煤气流突变，造成炉顶压力波动大；在停机结束后，还要将炉顶压力控制权从旁通快开阀向减压阀组转换，并且过渡时间长，往往影响高炉操作。

（2）在并网升功率阶段，炉顶压力控制权从减压阀组切换到透平机静叶，需要的时间长（一般30分钟左右），并且在此阶段减压阀组和静叶同时调节炉顶压力，不利于高炉顶压的稳定。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种TRT静叶与减压阀组组合的高炉炉顶压力控制方法。根据现在TRT装置同高炉同期建设的特点，将减压阀组和透平机静叶这两个炉顶压力调节回路组合在一起，构建一个炉顶压力调节一体化方案，克服原先两个调节回路之间协同性差的不足，设计出能够缩短并网升功率阶段的时间、减小TRT紧急停机情况下的炉顶压力波动的新方法，即提供一种TRT静叶与减压阀组组合的高炉炉顶压力控制方法，既满足TRT装置发电需要，又保证高炉炉顶压力稳定。

一种TRT静叶与减压阀组组合的高炉炉顶压力控制方法，实现这种方法由减压阀组和一种TRT透平机静叶装置完成，减压阀组包括一号阀、二号阀和三号阀；其步骤如下：步骤一、减压阀组顶压控制阶段；步骤二、TRT升转速控制阶段；步骤三、TRT升功率控制阶段；步骤四、TRT转顶压控制阶段；步骤五、TRT正常停机控制阶段；所述TRT升功率控制阶段，是将透平机静叶与减压阀组看成一个整体，炉顶压力测量值与设定值经过PID(2)运算产生输出OUT2,其中OUT2的0%～50%对应透平机静叶控制；然后对减压阀组的三个阀位进行锁定，依照秩序慢关一号阀→二号阀→三号阀，炉顶压力由透平机静叶按照PID(2)的输出进行调节。

所述减压阀组顶压控制阶段，是将炉顶压力测量值与设定值经过PID(1)运算产生输出OUT1的0%～50%送至所述减压阀组控制一号阀和二号阀的输出，炉顶压力测量值与设定值经过PID(1)运算产生的输出OUT1，其特征在于：其中OUT1的0%～25%对应一号阀控制，OUT1的25%～50%对应二号阀控制。

所述TRT升转速控制阶段，控制方式与所述减压阀组顶压控制方式相同，是将透平机转速设定值与测量值经过PID(3)运算产生输出OUT3送至所述透平机静叶控制转速。

所述TRT转顶压控制阶段，控制程序释放对减压阀组3个阀门的锁定，透平机静叶和减压阀组组成一个整体来参与炉顶压力的控制，具体就是炉顶压力测量值与设定值经过PID（2）运算产生输出OUT2。

所述TRT正常停机控制阶段，是将煤气流从透平机静叶转向减压阀组，将透平机静叶与减压阀组看成一个整体，具体就是炉顶压力测量值与设定值经过PID(1)运算产生输出OUT1的0%～50%送减压阀组控制一号阀和二号阀的输出；在进入正常停机阶段后，立即对透平机静叶位置进行锁定，按照时序控制要求慢关透平机静叶，炉顶压力调节由减压阀组按照PID(1)的运算控制。

该方法在突发情况下，还包括TRT紧急停机控制，是利用减压阀组的一号阀和二号阀，构建旁通快开阀组,TRT入口煤气流量判断打开旁通快开阀组的方式为：Q<Q0：用电磁阀快速打开旁通快开阀组的一号阀，一号阀根据条件停止；Q>Q0：用电磁阀快速打开旁通快开阀组的一号阀、二号阀，其中一号阀全开，二号阀根据条件停止。

所述TRT升功率控制阶段，对减压阀组的控制采用时序控制方式。

所述转顶压控制阶段，炉顶压力测量值与设定值经过PID（2）运算产生的输出OUT2，其中OUT2的0%～50%对应透平机静叶控制，OUT2的50%～100%对应减压阀组一号、二号阀控制。

所述TRT正常停机控制阶段，对透平机静叶的控制采用时序控制方式。

所述TRT正常停机阶段，炉顶压力测量值与设定值经过PID（1）运算产生的输出OUT1，其中OUT1的0%～25%对应一号阀控制，OUT1的25%～50%对应二号阀控制。

本发明具有以下优点：（1）在TRT升功率阶段和正常停机阶段，做到了时间可控，一般可控制在五分钟。（2）通过减压阀组与透平机静叶的一体化设计，做到了升功率阶段和转顶压控制阶段的炉顶压力控制功能统一，正常停机阶段和减压阀组顶压控制阶段的炉顶压力控制功能统一，减少了中间过渡环节，避免了炉顶压力在切换过程中的波动。（3）旁通快开阀组的设计，比单一的旁通快开阀提高了紧急停机情况下的安全性，节省了设备投资，并且可以在紧急停机结束后直接介入炉顶压力调节，避免了调节回路的多次切换，减少了炉顶压力的扰动。

附图说明

图1为TRT装置工艺流程图；

图2为炉顶压力控制功能图；

其中，1.高炉，2.煤气清洗，3.减压阀组，4.入口蝶阀，5.入口插板阀，6紧急切断阀，7.透平机，8.发电机，9.出口插板阀，10.一号阀，11.二号阀，12.三号阀。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式所涉及的发明方法、各步骤的作用及工作原理、工作流程等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

由图1可知，从高炉1炉顶产生的高炉煤气经煤气清洗2后，一个通道是通过减压阀组3后并入公司煤气管网；另一个通道就是经入口蝶阀4、入口插板阀5、紧急切断阀6，进入透平机7膨胀做功，透平机带动发电机8发电，膨胀做功后的高炉煤气经出口插板阀9后并入公司煤气管网。

由图2可知，炉顶压力的控制功能主要包括减压阀组顶压控制、TRT升转速控制、TRT升功率控制、TRT转顶压控制、TRT正常停机控制、TRT紧急停机控制六个阶段。

下面以一座4000m3高炉配套20000kW功率TRT装置为例说明这六个阶段的炉顶压力控制过程，炉顶压力220kPa，煤气流量56万m3/h。

步骤一、减压阀组顶压控制

减压阀组由一号阀10、二号阀11、三号阀12组成，其中一号、二号为液压调节阀。三号阀作为量程阀，一号、二号阀作为调节阀。炉顶压力测量值与设定值经过PID(1)运算产生输出OUT1的0%～50%送减压阀组控制一号阀和二号阀的输出，其中OUT1的0%～25%对应一号阀控制，OUT1的25%～50%对应二号阀控制。

炉顶压力测量值与设定值经过PID(1)运算产生输出OUT1为34%，三号阀位30%。

一号阀控制输出：因OUT1>25%，故一号阀控制输出OUT11=100%。

二号阀控制输出：OUT12=4*（OUT1-25%）=36%。

三号阀位：v3=30%。

静叶位置：v4=0%。

步骤二、TRT升转速控制

在升转速阶段，只需要非常少的高炉煤气推动透平机静叶，而大多数的高炉煤气仍从减压阀组通过，因此在此阶段，炉顶压力的调节仍由减压阀组承担，具体控制方式参见减压阀组顶压控制。透平机转速设定值与测量值经过PID(3)运算产生输出OUT3送透平机静叶控制转速。

由于流经透平机的煤气非常少，这个阶段的炉顶压力调节仍由减压阀组承担，具体控制方式参见减压阀组顶压控制。透平机静叶参与转速控制，转速3000转/分，静叶控制角度=10%。

炉顶压力测量值与设定值经过PID(1)运算产生输出OUT1为31%，三号阀位30%。

一号阀控制输出：因OUT1>25%，故一号阀控制输出OUT11=100%。

二号阀控制输出：OUT12=4*（OUT1-25%）=24%。

三号阀位：v3=30%。

静叶位置：v4=10%。

步骤三、TRT升功率控制

当TRT装置升转速并网发电后，就转入升功率阶段了，此阶段的主要目的是快速提升发电功率。具体做法是将透平机静叶与减压阀组看成一个整体，炉顶压力测量值与设定值经过PID(2)运算产生输出OUT2，其中OUT2的0%～50%对应透平机静叶控制。为了缩短升功率阶段的时间尽快达到最大发电功率，本阶段对减压阀组的控制采用时序控制方式,，做到升功率时间可控。在进入升功率阶段后，立即对减压阀组的3个阀位进行锁定，按照时序控制要求依照秩序慢关一号阀→二号阀→三号阀，炉顶压力由透平机静叶按照PID(2)的输出进行调节。一旦减压阀组3个阀门全关完毕，就意味着升功率阶段结束，进入转顶压调节阶段，从控制程序来说，不需要任何切换就可实现转顶压调节。

t_{V} = \frac{v 1 + v 2 + v 3}{k_{V}}

公式（1）

上式中：t_V——升功率时间，单位秒；v1,v2,v3——减压阀组3个阀的阀位，0%～100%；k_V——阀门关闭速率，单位1/秒。

在PID(2)运算前跟踪升转速的静叶位置10%，因此PID(2)的初始输出为5%。阀门关闭速率k_V=1/秒。

公式（1）

经过154秒的时间，减压阀组3个阀门全部关闭，PID(2)运算输出达到38%，静叶实际角度76%，炉顶压力全部由静叶调节，透平机发电功率12800kW/h。

步骤四、TRT转顶压控制

当减压阀组3个阀门都全关以后，TRT装置就进入转顶压控制阶段了，进入这个阶段后，控制程序释放对减压阀组3个阀门的锁定，透平机静叶和减压阀组组成一个整体来参与炉顶压力的控制。具体就是炉顶压力测量值与设定值经过PID（2）运算产生输出OUT2，其中OUT2的0%～50%对应透平机静叶控制，OUT2的50%～100%对应减压阀组一号、二号阀控制。

在此阶段时序控制功能解除对减压阀组3个阀的锁定状态，减压阀组的一号阀和二号阀可以由PID(2)控制。PID(2)运算输出OUT2的0%～50%对应透平机静叶控制，OUT2的50%～100%对应减压阀组一号、二号阀控制。从升功率阶段最后结果看，透平机静叶可以独立完成炉顶压力的调节功能，只有在透平机静叶固定在某个较低的开度下，减压阀组才能进入炉顶压力调节功能。

步骤五、TRT正常停机控制

TRT正常停机控制是将煤气流从透平机静叶转向减压阀组，最终实现TRT安全停机的目的。将透平机静叶与减压阀组看成一个整体，具体就是炉顶压力测量值与设定值经过PID(1)运算产生输出OUT1的0%～50%送减压阀组控制一号阀和二号阀的输出，其中OUT1的0%～25%对应一号阀控制，OUT1的25%～50%对应二号阀控制。为了缩短正常停机过程，本阶段对透平机静叶的控制采用时序控制方式，做到正常停机时间可控。在进入正常停机阶段后，立即对透平机静叶位置进行锁定，按照时序控制要求慢关透平机静叶，炉顶压力调节由减压阀组按照PID(1)的运算控制。一旦透平机静叶按要求全关后，就意味着TRT正常停机结束，这时进入“减压阀组顶压控制”阶段，从控制程序来说，不需要任何切换。

t_{T} = \frac{v 4}{k_{T}}

公式（2）

上式中：t_T——正常停机时间，单位秒；v4——透平机静叶角度，0%～100%；k_T——透平机静叶关闭速率，单位1/秒。

在“TRT转顶压控制”阶段PID(1)的输出一直跟踪减压阀组一号阀和二号阀的位置，进入TRT正常停机控制阶段时，PID(1)就可以在减压阀组已有开度上进行运算控制，从而实现无扰动切换。透平机静叶关闭速率k_T=0.5/秒。

公式（2）

经过152秒时间，透平机静叶实现全关闭，完成了炉顶压力控制权从透平机静叶向减压阀组转换的过程。

步骤六、TRT紧急停机控制

所谓紧急停机控制，就是当TRT正常运行时，遇到突发事件而需要紧急停止的控制过程。在此利用减压阀组的2个液压调节阀，构建旁通快开阀组，代替传统意义上的TRT旁通快开阀。一旦发生TRT紧急停机事件，根据TRT入口煤气流量判断打开旁通快开阀组的方式。旁通快开阀组的构建节约了成本，并且在紧急停机后不需要切换炉顶压力调节回路。

Q<Q₀：用电磁阀快速打开旁通快开阀组的一号阀，一号阀根据条件（(P_SP-ΔP)≤P≤(P_SP+ΔP)）停止。

Q>Q₀：用电磁阀快速打开旁通快开阀组的一号阀、二号阀，其中一号阀全开，二号阀根据条件（(P_SP-ΔP)≤P≤(P_SP+ΔP)）停止。

上式中：Q——TRT入口煤气流量；

Q₀——一号阀煤气流通量；

P——炉顶压力测量值；

P_SP——炉顶压力设定值；

ΔP——炉顶压力波动差。

由于旁通快开阀组本身是减压阀组的组成部分，在紧急停机结束后，直接进入“减压阀组顶压控制”阶段，减压阀组的2个液压调节阀不需要做任何切换就可以无扰地直接调节炉顶压力。

一号阀煤气流通量Q₀=30万m³/h。本例中Q=56万m³/h，所以Q>Q₀。

当处于TRT装置运行，发生紧急停机事件时，旁通快开阀组一号阀用电磁阀快速打开到全开位置；而二号阀也用电磁阀快速打开，当P-P_SP的绝对值小于ΔP时停止，取值为2kPa。在紧急停机过程中PID(1)一直跟踪一号阀和二号阀的位置反馈，当紧急停机结束时，一号阀位置100%，二号阀位置64%，得到OUT1=(100%+64%)/4=41%。然后PID(1)就在此基础上进行炉顶压力控制，从而不需任何动作就直接进入“减压阀组顶压控制”阶段。

Claims

1.一种TRT静叶与减压阀组组合的高炉炉顶压力控制方法，实现这种方法由减压阀组和一种TRT透平机静叶装置完成，减压阀组包括1#阀、2#阀和3#阀；其步骤如下：

①减压阀组顶压控制阶段；

②TRT升转速控制阶段；

③TRT升功率控制阶段；

④TRT转顶压控制阶段；

⑤TRT正常停机控制阶段；所述TRT升功率控制阶段，是将透平机静叶与减压阀组看成一个整体，炉顶压力测量值与设定值经过PID(2)运算产生输出OUT2，其中OUT2的0％～50％对应透平机静叶控制；然后对减压阀组的3个阀位进行锁定，依照秩序慢关1#阀→2#阀→3#阀，炉顶压力由透平机静叶按照PID(2)的输出进行调节，减压阀组的控制采用时序控制方式，所述减压阀组顶压控制阶段，是将炉顶压力测量值与设定值经过PID(1)运算产生输出OUT1的0％～50％送至所述减压阀组控制1#阀和2#阀的输出，所述TRT升转速控制阶段，控制方式与所述减压阀组顶压控制方式相同，是将透平机转速设定值与测量值经过PID(3)运算产生输出OUT3送至所述透平机静叶控制转速。

2.如权利要求1所述的TRT静叶与减压阀组组合的高炉炉顶压力控制方法，所述TRT转顶压控制阶段，控制程序释放对减压阀组3个阀门的锁定，透平机静叶和减压阀组组成一个整体来参与炉顶压力的控制，具体就是炉顶压力测量值与设定值经过PID(2)运算产生输出OUT2。

3.如权利要求1所述的TRT静叶与减压阀组组合的高炉炉顶压力控制方法，所述TRT正常停机控制阶段，是将煤气流从透平机静叶转向减压阀组，将透平机静叶与减压阀组看成一个整体，具体就是炉顶压力测量值与设定值经过PID(1)运算产生输出OUT1的0％～50％送减压阀组控制1#阀和2#阀的输出；在进入正常停机阶段后，立即对透平机静叶位置进行锁定，按照时序控制要求关透平机静叶，炉顶压力调节由减压阀组按照PID(1)的运算控制。

4.如权利要求1所述的TRT静叶与减压阀组组合的高炉炉顶压力控制方法，所述减压阀组顶压控制阶段，炉顶压力测量值与设定值经过PID(1)运算产生的输出OUT1，其特征在于：其中OUT1的0％～25％对应1#阀控制，OUT1的25％～50％对应2#阀控制。

5.如权利要求1所述的TRT静叶与减压阀组组合的高炉炉顶压力控制方法，在突发情况下，还包括TRT紧急停机控制，是利用减压阀组的1#阀和2#阀，构建旁通快开阀组，TRT入口煤气流量判断打开旁通快开阀组的方式为：

Q＜Q₀：用电磁阀快速打开旁通快开阀组的1#阀，1#阀根据条件停止；

Q＞Q₀：用电磁阀快速打开旁通快开阀组的1#阀、2#阀，其中1#阀全开，2#阀根据条件停止。

6.如权利要求3所述的TRT静叶与减压阀组组合的高炉炉顶压力控制方法，所述转顶压控制阶段，炉顶压力测量值与设定值经过PID(2)运算产生的输出OUT2，其特征在于：其中OUT2的0％～50％对应透平机静叶控制，OUT2的50％～100％对应减压阀组1#、2#阀控制。

7.如权利要求4所述的TRT静叶与减压阀组组合的高炉炉顶压力控制方法，所述TRT正常停机阶段，炉顶压力测量值与设定值经过PID(1)运算产生的输出OUT1，其特征在于：其中OUT1的0％～25％对应1#阀控制，OUT1的25％～50％对应2#阀控制。