TRT发电自动控制系统的研究与应用
发布时间：2008年9月18日 13:54
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TRT———(BlastFurnaceTopGasRecoveryTurbineUnit，以下简称TRT)高炉煤气余压透平发电装置，是利用高炉冶炼的副产品———高炉炉顶煤气具有的压力能及热能，使煤气通过透平膨胀机做功，将其转化为机械能，驱动发电机或其他装置发电的一种二次能源回收装置。该装置既回收减压阀组泄放的能量，又净化煤气、降低噪音、稳定炉顶压力，改善高炉生产的条件，不产生任何污染，可实现无公害发电，是现代国际、国内钢铁企业公认的节能环保装置。
工艺过程介绍
高炉产生的煤气经重力除尘、净化除尘后，压力为140kPa左右，温度低于200℃。含尘量小于10mg/Nm3的带一定能量的煤气，经过TRT的进口蝶阀、启动阀、全封闭液压入口插板阀、紧急切断阀和可调静叶进入透平膨胀做功，透平带动发电机发电。膨胀后的煤气经过全封闭液压出口插板阀，送到减压阀组后的煤气主管道上。这样，TRT与减压阀组就形成并联关系，实现对高炉顶压的控制。在入口插板阀之后、出口插板阀之前，与TRT并联的地方，有一旁通管及快开慢关旁通阀(简称旁通快开阀)，作为TRT紧急停机时TRT与减压阀之间的平稳过渡之用，以确保高炉炉顶压力不产生大的波动，从TRT和减压阀组出来的低压煤气再送到高炉煤气柜和用户。
TRT的运行工况有启动、正常运行、电动运行、正常停机、紧急停机，能量回收方式分为部分回收方式、平均回收方式和全部回收方式，操作方式分为手动、自动(半自动)、全自动（图一）。
TRT的计算机控制系统
莱钢1号、2号1880m3高炉煤气TRT发电自动化控制系统PLC（可编程序控制利器），选用某公司QUANTUM系列可编程控制器。该系统将所有模拟量信号和电气专业的联锁及控制信号全部纳入其中，实现了自动化仪表、电气及计算机的一体化控制，方便了维护，提高了系统的可靠性。
1.硬件配置
莱钢1号、2号1880m3高炉煤气TRT发电机组、主机架和远程I/O机架都选用16槽结构，CPU选用140CPU5314模块。PLC主机架与扩展机架的连接采用932系列远程I/O模块，为双缆方式连接，从而进一步提高了系统的可靠性。本系统共有2个主机架和2个远程I/O机架，在1台PLC柜中安装。PLC与上位工控机采用标准工业以太网连接。上位系统共有2台工控机，用于系统监控。其结构示意图如图二。
2.软件配置
莱钢1号、2号1880高炉煤气TRT发电自动化控制系统选用Windows2000Professional中文版操作系统。监控系统的上位组态软件采用iFIX3.5，不但可以画出逼真的图形，还能将现场数据快速显示在屏幕上。它可以在屏幕上制造出按钮来取代真正的按钮，以完成对现场设备的操作；能将数据库的数据按时间存放在数据文件里，供历史趋势文件调用显示，这样就能把几小时、几天甚至几个月前的数据用数据曲线的形式展示给工程师，以便分析事故和改进工艺。
控制系统工作原理
高炉炉顶压力不稳，会引起炉内反应的剧烈波动。炉压高于额定值时，会使炉内煤气气流分布不均，引起崩料，严重时会损坏设备。而当炉内压力低于额定值时，会引起炉内煤气体积增大，气流压力损失增大，煤气流速上升，使“炉喉”磨损严重。因此，作为能量回收的TRT设备，投入运行的先决条件是在任何情况下均能保证炉压稳定，即在TRT设备启动、运行和紧急停车时都不能引起炉压过大的波动。
1.炉顶压力调节及控制
高炉炉顶压力控制系统从控制系统的结构上来看，可分为TRT设备启动时、运行时和紧急停车时的控制系统。
正常投运过程———压阀组控制回路，只在原有系统上并联一个调节回路来控制TRT系统中的可调静叶，在不改变高炉操作的情况下，利用可调静叶实现自动控制炉顶压力。正常机组投运-并网-升功率过程中的炉顶压力，由高炉煤气侧计算机控制；升功率结束后，TRT与减压阀组并列运行时，送入TRT侧的炉顶压力测量值与高炉顶压控制回路的测量值为同一信号；将高炉顶压控制回路的设定值减去一个允许的偏差(0～3kPa)后，作为TRT炉顶压力调节回路能自动跟踪高炉的设定值，高炉顶压的设定权仍在高炉，高炉操作同往常一样。高炉炉顶压力可由TRT控制，也可由减压阀组控制。
正常停机过程———正常停机时，与启动过程相反，TRT侧炉顶压力调节回炉的设定值为高炉顶压设定值加上一个偏差(0～3kPa)，这样该控制系统将控制可调静叶慢慢关小。由于高炉侧炉顶压力调节回路始终处于自动控制等待状态，在让可调静叶缓慢关闭的同时，迫使减压阀组逐渐打开。TRT正常停机既为炉顶压力控制，又为减负荷控制，随着可调静叶慢慢关小，减压阀组慢慢打开，当发电机功率达到工艺要求的解列值时，发出解列信号，经人工确认后，使发电机与电网解列，同时自动关闭紧急切断阀和可调静叶，系统停机结束。
2.转速控制
转速关系到发电机与电网的同步和安全运行，也关系到其他辅机的启停问题。为可靠起见，莱钢TRT安装了3套转速测量系统，选择出其中较高信号，作为转速测量信号送入计算机专用调节系统。
转速控制分自动控制和手动控制两种方式，控制对象为静叶。
自动控制———自动升速的控制过程是一个转速PID调节器的设定值随时间不断增大的过程。这个过程的实现是通过互为反函数的静叶控制时间曲线和转速设定升速曲线来实现的。当顶压的测量值和设定值的偏差超过2kPa的时候，转速不允许上升，需要的操作是在画面上将转速自动控制按钮按下、将升速按钮按下。
手动控制———手动升速方式运行时，通过画面设定来控制转速。1号、2号1880m3高炉TRT各带有一套自动准同期并网系统，属于电气控制。当自动准同期装置投入运行的时候，它会在并网过程中，通过对转速的微调实现自动并网。当转速升到2850rpm的时候，PLC发出自动准同期装置投入运行的信号。只有转速控制在自动方式的时候，自动准同期装置对转速的调节才会起作用。如果画面上按下升速按钮（RISESP%000173），自动准同期装置以±5rpm进行升降速控制；当画面上没有按下升速按钮时，自动准同期装置会以±1rpm进行升降速控制。
3.升功率控制
功率控制：功率控制分手动和自动两种方式，控制对象为静叶。当发电机并网后，透平转速与电网频率同步，经人工确认后，系统进入升功率阶段，此时控制系统打开入口蝶阀，关闭启动阀，功率调节系统的输出用于控制可调静叶的开度。功率调节器的设定值以一定的上升速率增大，其上升速率应保证高炉顶压波动不超过±3kPa。随着可调静叶的开度不断增大，发电机输出功率不断增加，减压阀组的开度不断减小，当减压阀组全关后，发电机输出功率不可能再增大，系统就进入了顶压调节阶段。
4.快开旁通阀控制
快开旁通阀共有2个，为液压伺服驱动的阀门。当机组发生重故障停机的时候，计算机发出停机指令，快切阀立刻动作进行快切，然后打开快开旁通阀控制顶压。快开旁通阀在机组停机后的前3秒内，通过煤气流量计算相应的阀门开度，3秒钟后转入顶压自动调节，稳定顶压。一定时间以后，人为设定顶压设定值与顶压测量值有个较大的正偏差，当高炉有所准备，控制快开旁通阀自动关闭，完全由高炉减压阀组来控制顶压。这样就可以实现自动和手动控制。
5.报警及安全联锁控制
通过软件编程，使各种参数的超限及设备的故障诊断都能发出报警信号，并将超限的参数和故障发生的部位显示出来。在紧急停机情况下，该控制系统能实现自动停机，并记录、打印停机事故原因。不管是什么原因引起的停机，其信号都不会自动消除，要等操作工或技术人员排除故障并复位后，才会消除停机信号。
除上述由计算机实现的安全联锁外，还设计了独立于计算机的安全联锁系统，并能实现自动和手动操作。
TRT采用计算机控制具有的特点：
1.可靠性提高———由于整个控制系统采用三电一体化设计、编程、调试，减少了控制元件及接线，避免了不必要的中间环节给系统带来的故障。
2.操作方便———操作方式比以前大为简化，减少了由于操作失误导致事故的可能性；在计算机上的每一步操作均有提示。
3.投资少———由于整个控制系统采用三电一体化设计的方式，因此减少了控制元件和备品备件。另外，控制方式的修改、改进，只需修改软件，不需要增加设备和投资。
4.系统可扩展性强———由于整个软件系统基于WindowsNT操作系统，遵循TCP/IP协议，为将来系