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簡稱TRT）是國際、國內(nèi)公認的鋼鐵企業(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)入透平機膨脹機，使壓力能、熱能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動發(fā)電機發(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)簡單、污染少、容量大、壽命長和節(jié)能顯著等優(yōu)點。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，送到一級文氏管和二級文氏管，在文氏管內(nèi)對煤氣進行噴水冷卻，同時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)速閥或可動靜葉來控制；

     （3）、平均回收方式。是使通過透平的最大設(shè)計煤氣流量，為高爐正常生產(chǎn)時的平均煤氣量。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)計流量時，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)計流量時，超出透平設(shè)計煤氣量的那部分煤氣，通過減壓閥組。此時，爐頂壓力由調(diào)速閥和減壓閥組共同協(xié)調(diào)控制。

     2、TRT的計算機控制系統(tǒng)

     TRT的控制采用施耐德PLC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將所有模擬量信號和電氣專業(yè)的聯(lián)鎖及控制信號全部納入PLC系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動化儀表、電氣及計算機的一體化控制，取消了以往幾個專業(yè)之間的聯(lián)系信號的接線，方便了維護，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。同時還配備了的2臺Pc站，其一為操作員站，另一臺為工程師站。

     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，同時具有適應(yīng)高爐異常時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的運行特點設(shè)計的控制策略，它的功能通過軟件實現(xiàn)。

     3.1、爐頂壓力調(diào)節(jié)及控制

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

     TRT與減壓閥組并列運行時，送入TRT控制系統(tǒng)的爐頂壓力測量值是同一信號；經(jīng)過爐頂壓力設(shè)定值偏差運算后，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，有時是兩者同時進行爐頂壓力的控制。

     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)實現(xiàn)緊急停機情況下TRT與高爐控制系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡。

     當(dāng)發(fā)生透平緊急停機時，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，需將旁通快開閥迅速打開，因該閥的信號超前于爐頂壓力的變化，故稱之前饋信號。前饋信號處于待機狀態(tài)，一旦緊急切斷閥關(guān)閉，前饋信號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，進而控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和輸出功率，以防止可調(diào)靜葉開過頭�？烧{(diào)靜葉在未參加自動調(diào)節(jié)時，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，同時閥位有反饋信號到控制系統(tǒng)。

     3.4、負荷調(diào)節(jié)及控制

     負荷控制功能是為防止電網(wǎng)發(fā)生故障使發(fā)電機超負荷，使透平發(fā)電機輸出功率在設(shè)計允許范圍內(nèi)波動。

     透平機組起動時，首先是調(diào)速閥開度設(shè)定器的設(shè)定信號成為電子調(diào)速器的輸出信號。這種狀態(tài)一直要持續(xù)到透平的轉(zhuǎn)速達到轉(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，發(fā)電機組自動投入裝置動作，進行自整步。轉(zhuǎn)速調(diào)到3000r/min左右，待發(fā)電機周波與電網(wǎng)相一致時，發(fā)電機自動或手動并網(wǎng)。于是，電子調(diào)速器選中負荷控制信號。發(fā)電機初期負荷值為負荷設(shè)定值的下限。系統(tǒng)開始進行負荷控制，負荷設(shè)定值增加，電子調(diào)速器的輸出信號增加，發(fā)電機負荷上升。若爐壓控制信號此時高于負荷控制信號，則發(fā)電機滿負荷運行。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、機組軸監(jiān)測控制

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

     3.6、 報警及安全聯(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)出報警信號，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能實現(xiàn)自動停機，并記錄打印停機事故原因。除上述由計算機實現(xiàn)的安全聯(lián)鎖外，還設(shè)計了獨立于計算機的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，并能實現(xiàn)自動和手動操作。上述功能是將PID控制回路、模擬量報警、特殊功能編程及梯級邏輯編程等功能結(jié)合起來實現(xiàn)的。

     4、TRT的運轉(zhuǎn)控制

     透平發(fā)電機從起動、升速直至并網(wǎng)發(fā)電、正常停機和緊急停機，均在TRT操作室內(nèi)操作（設(shè)有手動、半自動和全自動三種控制方式）。另外在機旁設(shè)有緊急停機操作按鈕。

     （1）、起動

     TRT開始準(zhǔn)備起動時，先開啟潤滑油系統(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，完成各項起動前的準(zhǔn)備工作后，選擇手動、半自動或全自動起動方式。

     （2）、停機

     可選擇手動停機、半自動停機、全自動正常停機及全自動緊急停機方式。這些操作方式可以任意組合，如手動+半自動，手動+全自動，半自動+全自動，操作非常靈活。

     （3）、電動運行

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

     （1）、 高爐休風(fēng)

     高爐休風(fēng)時，需與TRT取得聯(lián)系，并發(fā)出休風(fēng)信號。此時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頂壓力測量值始終高于設(shè)定值，以便使可調(diào)靜葉在電機作電動運行期間始終打開。

     人工將TRT處于保持位置，并將TRT爐頂壓力控制調(diào)節(jié)器由串級控制方式切換到手動控制方式，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)器由串級控制方式切換到手動控制方式，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，TRT將爐頂壓力由串級控制方式自動切換到手動控制方式，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，需與TRT取得聯(lián)系，并發(fā)出復(fù)風(fēng)信號，此時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)器由手動控制方式切換到串級控制方式，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，以消除緊急休風(fēng)信號，其它操作與前相同。

     5、控制系統(tǒng)的投運情況

     TRT計算機控制系統(tǒng)于2004年1月投入使用后，能準(zhǔn)確及時地采集PLC的數(shù)據(jù)，并能實時地將歷史數(shù)據(jù)保存。操作人員能方便實時查看生產(chǎn)信息，進行操作設(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計算機控制系統(tǒng)具有如下特點：

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

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

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