1、概述及工藝流程

     利用高爐煤氣余壓發(fā)電，是鋼鐵企業(yè)一項(xiàng)有效的能源回收措施，高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置（Top Gas pressure Recovery Turbine簡(jiǎn)稱TRT）是國(guó)際、國(guó)內(nèi)公認(rèn)的鋼鐵企業(yè)重大能量回收裝置。它是利用高爐煤氣所具有的壓力能、熱能，把煤氣導(dǎo)入透平機(jī)膨脹機(jī)，使壓力能、熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的一種裝置。這種裝置既回收了減壓閥組白白泄放的能量，又凈化了煤氣、降低噪音，大大改善了高爐爐頂壓力的控制品質(zhì)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、污染少、容量大、壽命長(zhǎng)和節(jié)能顯著等優(yōu)點(diǎn)。因此，在能源綜合利用上獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。TRT技術(shù)是先進(jìn)的、成熟的，具有良好的發(fā)展前景。

     重鋼750m3高爐TRT工藝流程如圖1，從高爐送出的高壓煤氣經(jīng)重力除塵器處理后，送到一級(jí)文氏管和二級(jí)文氏管，在文氏管內(nèi)對(duì)煤氣進(jìn)行噴水冷卻，同時(shí)再次捕集煤氣中的灰塵。經(jīng)過降溫和除塵處理的煤氣，送到煤氣透平發(fā)電裝置和減壓閥組。從煤氣透平和減壓閥組出來的低壓煤氣再送到高爐煤氣柜和用戶。

     爐頂壓力回收效率，很大程度上決定于透平的額定效率和高爐煤氣量。在能量回收方式上分為：部分回收方式、平均回收方式和全部回收方式三種類型。

     （1）、部分回收方式。是使通過透平的最大設(shè)計(jì)煤氣流量，保持在比高爐煤氣最小流量還要小的數(shù)值，使通過透平的煤氣量為一常數(shù)，同時(shí)爐頂壓力由減壓閥組來控制；

     （2）、全部回收方式。是使通過透平的最大設(shè)計(jì)煤氣流量，比最大的高爐煤氣流量還要大，爐頂壓力靠透平調(diào)速閥或可動(dòng)靜葉來控制；

     （3）、平均回收方式。是使通過透平的最大設(shè)計(jì)煤氣流量，為高爐正常生產(chǎn)時(shí)的平均煤氣量。高爐爐頂壓力靠透平調(diào)速閥和高爐減壓閥組共同協(xié)調(diào)控制。當(dāng)高爐煤氣量小于透平設(shè)計(jì)流量時(shí)，減壓閥組全閉，由調(diào)速閥來控制爐壓。當(dāng)高爐煤氣量大于透平設(shè)計(jì)流量時(shí)，超出透平設(shè)計(jì)煤氣量的那部分煤氣，通過減壓閥組。此時(shí)，爐頂壓力由調(diào)速閥和減壓閥組共同協(xié)調(diào)控制。

     2、TRT的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

     TRT的控制采用施耐德PLC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將所有模擬量信號(hào)和電氣專業(yè)的聯(lián)鎖及控制信號(hào)全部納入PLC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化儀表、電氣及計(jì)算機(jī)的一體化控制，取消了以往幾個(gè)專業(yè)之間的聯(lián)系信號(hào)的接線，方便了維護(hù)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

     控制系統(tǒng)的硬件配置如圖2，本控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是采用了冗余方式，首先是網(wǎng)絡(luò)冗余，網(wǎng)絡(luò)采用的是MB+網(wǎng)。然后是控制站的CPU、通訊模塊、電源模塊的冗余，但是I/O模塊不冗余。同時(shí)還配備了的2臺(tái)Pc站，其一為操作員站，另一臺(tái)為工程師站。

     軟件配置：操作員站采用iFIX監(jiān)控軟件，PLC控制站采用Concept 2.2編程軟件。

     3、控制策略

     TRT控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則是在確保高爐爐頂壓力穩(wěn)定，保證高爐正常生產(chǎn)的前提下，最大限度的回收高爐煤氣壓力的潛在能量，同時(shí)具有適應(yīng)高爐異常時(shí)控制爐頂壓力的能力。

     以下內(nèi)容是TRT的核心部分，是根據(jù)TRT的運(yùn)行特點(diǎn)設(shè)計(jì)的控制策略，它的功能通過軟件實(shí)現(xiàn)。

     3.1、爐頂壓力調(diào)節(jié)及控制

     本系統(tǒng)利用可調(diào)靜葉實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制爐頂壓力，在不改變高爐操作的情況下，實(shí)現(xiàn)由TRT控制爐頂壓力�？烧{(diào)靜葉在事故狀態(tài)下還能實(shí)現(xiàn)快速關(guān)閉。

     TRT與減壓閥組并列運(yùn)行時(shí)，送入TRT控制系統(tǒng)的爐頂壓力測(cè)量值是同一信號(hào)；經(jīng)過爐頂壓力設(shè)定值偏差運(yùn)算后，作為TRT控制系統(tǒng)的爐頂壓力控制回路的設(shè)定值。這樣就能使TRT控制系統(tǒng)跟蹤高爐設(shè)定值，同時(shí)也決定了高爐頂壓的設(shè)定權(quán)仍在高爐方面，高爐爐頂壓力可由 TRT控制，也可由減壓閥組控制，有時(shí)是兩者同時(shí)進(jìn)行爐頂壓力的控制。

     3.2、前饋控制

     在本系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了旁通快開閥，通過前饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)情況下TRT與高爐控制系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡。

     當(dāng)發(fā)生透平緊急停機(jī)時(shí)，透平入口處的緊急切斷閥立即關(guān)閉，為防止?fàn)t頂壓力劇烈波動(dòng)，需將旁通快開閥迅速打開，因該閥的信號(hào)超前于爐頂壓力的變化，故稱之前饋信號(hào)。前饋信號(hào)處于待機(jī)狀態(tài)，一旦緊急切斷閥關(guān)閉，前饋信號(hào)立即接入旁通快開閥，并令其開到相應(yīng)的開度。旁通快開閥從全關(guān)到全開約需3s。因煤氣清洗系統(tǒng)及管網(wǎng)會(huì)使頂壓的變化存在容積滯后，減壓閥組的調(diào)節(jié)作用要等5～10s后才使頂壓有反應(yīng)，故可用旁通快開閥的快開慢關(guān)動(dòng)作來保持爐頂壓力的穩(wěn)定，并使?fàn)t頂壓力的控制由TRT過渡到減壓閥組。

     3.3、閥位開度控制

     可調(diào)靜葉的開度停留在事先設(shè)定的任一位置上，以限制流過的煤氣量，進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率，以防止可調(diào)靜葉開過頭�？烧{(diào)靜葉在未參加自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，是通過開度設(shè)定來控制其開度的。其余的調(diào)節(jié)閥有啟動(dòng)調(diào)節(jié)閥、1#旁通調(diào)節(jié)閥、2#旁通調(diào)節(jié)閥，它們都在儀表盤上設(shè)置了手操器，同時(shí)閥位有反饋信號(hào)到控制系統(tǒng)。

     3.4、負(fù)荷調(diào)節(jié)及控制

     負(fù)荷控制功能是為防止電網(wǎng)發(fā)生故障使發(fā)電機(jī)超負(fù)荷，使透平發(fā)電機(jī)輸出功率在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)波動(dòng)。

     透平機(jī)組起動(dòng)時(shí)，首先是調(diào)速閥開度設(shè)定器的設(shè)定信號(hào)成為電子調(diào)速器的輸出信號(hào)。這種狀態(tài)一直要持續(xù)到透平的轉(zhuǎn)速達(dá)到轉(zhuǎn)速設(shè)定值的下限（15%）為止，然后系統(tǒng)轉(zhuǎn)為速度控制，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到預(yù)定的轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)組自動(dòng)投入裝置動(dòng)作，進(jìn)行自整步。轉(zhuǎn)速調(diào)到3000r/min左右，待發(fā)電機(jī)周波與電網(wǎng)相一致時(shí)，發(fā)電機(jī)自動(dòng)或手動(dòng)并網(wǎng)。于是，電子調(diào)速器選中負(fù)荷控制信號(hào)。發(fā)電機(jī)初期負(fù)荷值為負(fù)荷設(shè)定值的下限。系統(tǒng)開始進(jìn)行負(fù)荷控制，負(fù)荷設(shè)定值增加，電子調(diào)速器的輸出信號(hào)增加，發(fā)電機(jī)負(fù)荷上升。若爐壓控制信號(hào)此時(shí)高于負(fù)荷控制信號(hào)，則發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行。如圖3為升功率/功率控制功能框圖。

圖3 升功率/功率控制功能框圖

     3.5、機(jī)組軸監(jiān)測(cè)控制

     為保證透平機(jī)組的安全啟動(dòng)，設(shè)置了透平轉(zhuǎn)速、透平位移、透平振動(dòng)、發(fā)電機(jī)振動(dòng)等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。其中，轉(zhuǎn)速關(guān)系到發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的同步和安全運(yùn)行，也關(guān)系到其它輔機(jī)的起停，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高要跳閘而緊急停機(jī)。其它的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目也有高限及低限報(bào)警，高高限及低低限連鎖的功能。

     3.6、 報(bào)警及安全聯(lián)鎖控制

     通過軟件編程，使各種參數(shù)的超限及設(shè)備的故障都能發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并將超限的參數(shù)和故障發(fā)生的部位顯示出來。緊急情況下TRT能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)，并記錄打印停機(jī)事故原因。除上述由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的安全聯(lián)鎖外，還設(shè)計(jì)了獨(dú)立于計(jì)算機(jī)的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)操作。上述功能是將PID控制回路、模擬量報(bào)警、特殊功能編程及梯級(jí)邏輯編程等功能結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)的。

     4、TRT的運(yùn)轉(zhuǎn)控制

     透平發(fā)電機(jī)從起動(dòng)、升速直至并網(wǎng)發(fā)電、正常停機(jī)和緊急停機(jī)，均在TRT操作室內(nèi)操作（設(shè)有手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)三種控制方式）。另外在機(jī)旁設(shè)有緊急停機(jī)操作按鈕。

     （1）、起動(dòng)

     TRT開始準(zhǔn)備起動(dòng)時(shí)，先開啟潤(rùn)滑油系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，然后開啟出口插板閥、入口插板閥和緊急切斷閥，完成各項(xiàng)起動(dòng)前的準(zhǔn)備工作后，選擇手動(dòng)、半自動(dòng)或全自動(dòng)起動(dòng)方式。

     （2）、停機(jī)

     可選擇手動(dòng)停機(jī)、半自動(dòng)停機(jī)、全自動(dòng)正常停機(jī)及全自動(dòng)緊急停機(jī)方式。這些操作方式可以任意組合，如手動(dòng)+半自動(dòng)，手動(dòng)+全自動(dòng)，半自動(dòng)+全自動(dòng)，操作非常靈活。

     （3）、電動(dòng)運(yùn)行

     當(dāng)高爐出現(xiàn)故障需要短時(shí)休風(fēng)時(shí)，為避免透平不必要的頻繁啟動(dòng)，電機(jī)需由電網(wǎng)帶著作電動(dòng)運(yùn)行，電機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行時(shí)TRT就相當(dāng)于鼓風(fēng)機(jī)。

     （1）、 高爐休風(fēng)

     高爐休風(fēng)時(shí)，需與TRT取得聯(lián)系，并發(fā)出休風(fēng)信號(hào)。此時(shí)TRT有如下幾種操作方式：

     TRT爐頂壓力控制調(diào)節(jié)保持串級(jí)控制方式，由高爐主控制室改變高爐頂壓的設(shè)定值，使?fàn)t頂壓力測(cè)量值始終高于設(shè)定值，以便使可調(diào)靜葉在電機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行期間始終打開。

     人工將TRT處于保持位置，并將TRT爐頂壓力控制調(diào)節(jié)器由串級(jí)控制方式切換到手動(dòng)控制方式，使可調(diào)靜葉保持原開度。

     人工將TRT爐頂壓力控制調(diào)節(jié)器由串級(jí)控制方式切換到手動(dòng)控制方式，使調(diào)速閥和可調(diào)靜葉保持原開度。當(dāng)高爐緊急休風(fēng)時(shí)，TRT將爐頂壓力由串級(jí)控制方式自動(dòng)切換到手動(dòng)控制方式，使可調(diào)靜葉保持原開度。

     （2）、高爐復(fù)風(fēng)

     當(dāng)高爐故障排除需要復(fù)風(fēng)時(shí)，需與TRT取得聯(lián)系，并發(fā)出復(fù)風(fēng)信號(hào)，此時(shí)TRT有如下幾種操作方式：

     TRT爐頂壓力控制調(diào)節(jié)器保持串級(jí)控制方式，由高爐主控制室改變頂壓的設(shè)定值，高爐頂壓由TRT調(diào)節(jié)逐漸升高。

     人工解除TRT保持狀態(tài)，改變TRT控制系統(tǒng)的輸出值將閥位開度減小，高爐頂壓由高爐減壓閥組調(diào)節(jié)。待頂壓恢復(fù)正常后，將TRT爐頂壓力控制調(diào)節(jié)器由手動(dòng)控制方式切換到串級(jí)控制方式，使頂壓控制由高爐減壓閥組控制逐漸移到由TRT控制。

     發(fā)出復(fù)風(fēng)信號(hào)，以消除緊急休風(fēng)信號(hào)，其它操作與前相同。

     5、控制系統(tǒng)的投運(yùn)情況

     TRT計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)于2004年1月投入使用后，能準(zhǔn)確及時(shí)地采集PLC的數(shù)據(jù)，并能實(shí)時(shí)地將歷史數(shù)據(jù)保存。操作人員能方便實(shí)時(shí)查看生產(chǎn)信息，進(jìn)行操作設(shè)定，查詢歷史數(shù)據(jù)，并能方便地打印多種數(shù)據(jù)報(bào)表。該系統(tǒng)各種功能完善，極大地提高了生產(chǎn)效率及管理水平。

     6、結(jié)束語

     TRT計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

     （1）、可靠性提高。由于整個(gè)控制系統(tǒng)采用三電一體化設(shè)計(jì)、編程，減少了控制元件及接線， TRT投入運(yùn)行兩年以來，控制系統(tǒng)沒發(fā)生過故障；

     （2）、投資少。由于整個(gè)控制系統(tǒng)采用三電一體化設(shè)計(jì)的方式，因此減少了控制元件和備品備件。另外，控制方案的改進(jìn)，只需修改軟件，不需要增加設(shè)備和投資；

     （3）、經(jīng)濟(jì)效益顯著。TRT在投運(yùn)過程中發(fā)電功率很容易就達(dá)到4500kW，減壓閥組若是全部關(guān)閉，發(fā)電量還可以更高。