母學(xué)東

(陜西龍門鋼鐵有限責(zé)任公司煉鐵廠)

摘要：本文論述了高爐頂壓在異常情況下，對(duì)控制系統(tǒng)優(yōu)化后取得效果的評(píng)估?？刂葡到y(tǒng)從軟硬件上均進(jìn)行了針對(duì)性改進(jìn)，提高了系統(tǒng)的可靠性，達(dá)到了預(yù)期目的。

關(guān)鍵詞：頂壓失控；事故擴(kuò)大；電網(wǎng)波動(dòng)；限流電抗器

1  前言

在高爐控制參數(shù)中，爐頂壓力是非常重要的參數(shù)之一,高爐冶煉生產(chǎn)中要求爐頂壓力必須穩(wěn)定。高精度頂壓穩(wěn)定控制在±3kPa左右，可提高爐頂壓力的調(diào)節(jié)品質(zhì)，強(qiáng)化高爐冶煉，達(dá)到節(jié)能、降噪、高產(chǎn)的目的。高爐頂壓不穩(wěn)定，會(huì)影響爐況順行，降低產(chǎn)量或影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致爐況失常，各種介質(zhì)（煤氣、蒸汽、氧氣、氮?dú)猓┹斔凸艿澜Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱的地方被吹開損壞、產(chǎn)生移位，氣密箱煤氣竄入，爐頂設(shè)備密封損壞，大量煤氣泄露，風(fēng)機(jī)喘振、TRT發(fā)電機(jī)組解列或高爐緊急休風(fēng)搶修等重大設(shè)備事故的產(chǎn)生。

2   TRT的概況、提高冶煉效率的原理

2.1TRT是英文“Blast Furnace Gas Top Pressure Recovery Turbine Unit”的縮寫，是指高爐煤氣余壓回收透平發(fā)電裝置。高爐煤氣余壓發(fā)電裝置是一種通過旋轉(zhuǎn)葉輪上的葉片與流體之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)機(jī)械與流體能量之間的相互轉(zhuǎn)變的機(jī)械。TRT是利用高爐爐頂?shù)挠鄩?，把煤氣?dǎo)入透平機(jī)膨脹做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的能量回收裝置。

2.2  特點(diǎn)：

不消耗任何燃料，不改變?cè)簹馄焚|(zhì)；無污染無公害的最經(jīng)濟(jì)設(shè)備；替代減壓閥組調(diào)節(jié)穩(wěn)定爐頂壓力。

2.3  優(yōu)點(diǎn)：

2.3.1節(jié)能：投產(chǎn)前高爐煤氣須經(jīng)比肖夫除塵系統(tǒng)或減壓閥組減壓，該能量白白浪費(fèi)。安裝TRT裝置后，該能量被用來驅(qū)動(dòng)透平機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電。回收了原來在比肖夫除塵系統(tǒng)或減壓閥組上損失的全部能量。經(jīng)統(tǒng)計(jì)可回收高爐鼓風(fēng)機(jī)所需能量的30-50%左右。這對(duì)解決目前鋼鐵企業(yè)電力不足，提高能源綜合利用，降低煉鐵成本具有重要意義。

2.3.2提高頂壓控制水平：TRT運(yùn)轉(zhuǎn)后，頂壓調(diào)節(jié)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制TRT可調(diào)靜葉調(diào)節(jié)。使高爐爐頂壓力更加穩(wěn)定，為高爐穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。

2.3.3提高煤氣質(zhì)量：TRT裝置可進(jìn)一步降低煤氣的含塵量，降低煤氣中的機(jī)械水含量，減少污染。該機(jī)組運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，較好地調(diào)節(jié)了高爐頂壓，成功地回收高爐煤氣余壓，可取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3.4減小噪聲污染：TRT代替了減壓閥組，消除了減壓閥組動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的巨大噪聲污染，改善了鋼鐵公司高爐區(qū)域的工作環(huán)境。

2.4TRT系統(tǒng)提高高爐冶煉效率的工作原理：TRT系統(tǒng)集成了STPC軟件包專利技術(shù)的高精度頂壓智能穩(wěn)定裝置。當(dāng)頂壓高精度穩(wěn)定控制時(shí)，在高爐順行時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)高壓操作，從而提高高爐的冶煉效率。高爐鼓風(fēng)機(jī)實(shí)行定流量送風(fēng)，因此增高頂壓值就意味著增大質(zhì)量流量，也就是增加了單位時(shí)間送入高爐的氧氣量，提高了高爐冶煉強(qiáng)度。同時(shí)，增高了頂壓可提高爐溫，加快氧化還原反應(yīng)速度，從而降低了高爐入爐焦比。

3  現(xiàn)狀分析

目前龍鋼的5座高爐，正常時(shí)頂壓均由TRT控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)。調(diào)壓閥組采用一組電動(dòng)（或液壓驅(qū)動(dòng)）調(diào)節(jié)蝶閥，作為非正常工況下的短時(shí)使用。

TRT通過自動(dòng)調(diào)節(jié)靜葉開度來調(diào)節(jié)頂壓，控制原理采用的是傳統(tǒng)的PID控制方式。自動(dòng)控制系統(tǒng)采用的是高可靠性的西門子S7-400H 冗余PLC，達(dá)到了通訊、電源、CPU的冗余熱備，具備很高的可靠性和適用性，平均無故障運(yùn)行時(shí)間充分滿足要求。

TRT接收來自高爐控制系統(tǒng)的頂壓設(shè)定值和實(shí)際值標(biāo)準(zhǔn)儀表信號(hào)，通過PID運(yùn)算，以增量方式輸出靜葉角度的實(shí)際控制值，取得了良好的控制精度，偏差可以控制在±3kPa以內(nèi)，能滿足高爐工藝的實(shí)際需求和高溫高壓煤氣的綜合利用。下圖1是龍鋼某高爐的頂壓實(shí)時(shí)曲線。（紅線為設(shè)定值，白線為實(shí)際值）

圖1：龍鋼某高爐頂壓實(shí)時(shí)曲線

TRT調(diào)壓工藝流程示意圖：

3.1　TRT管道閥門連接結(jié)構(gòu)圖

圖2：TRT調(diào)壓工藝流程

3.2動(dòng)作流程：減壓閥組自動(dòng)及手動(dòng)控制權(quán)限在高爐主控室，入口電動(dòng)插板閥，出口電動(dòng)插板閥供TRT檢修使用。1#、2#調(diào)節(jié)閥作為旁通閥，自動(dòng)手動(dòng)控制權(quán)限在TRT主控室，與減壓閥組、透平機(jī)靜葉具有相同的穩(wěn)定高爐頂壓的作用。TRT起機(jī)并網(wǎng)前，需征得高爐主控室同意，關(guān)閉透平機(jī)靜葉及1#、2#調(diào)節(jié)閥，其次打開入口出口電動(dòng)蝶閥、0#快切閥，然后調(diào)節(jié)透平機(jī)靜葉升速并網(wǎng)。再通知高爐主控室依次關(guān)閉減壓閥組，由透平機(jī)靜葉調(diào)節(jié)控制高爐頂壓穩(wěn)定。若TRT設(shè)置的任何保護(hù)之一動(dòng)作停機(jī)，0#快切閥關(guān)閉，發(fā)電機(jī)脫離電網(wǎng)，1#、2#調(diào)節(jié)閥自動(dòng)投入穩(wěn)定高爐頂壓，然后再把權(quán)限交給高爐主控室，通過減閥組二度來調(diào)節(jié)穩(wěn)定高爐頂壓。

4  存在問題及解決措施

高爐頂壓的連續(xù)穩(wěn)定可調(diào)，在現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中均能實(shí)現(xiàn)。但一個(gè)可靠的控制系統(tǒng)還應(yīng)能在異常突發(fā)情況下具有良好的響應(yīng)，能抑制事態(tài)向惡性發(fā)展，將危害降低到最小，這也是每個(gè)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和后期運(yùn)行時(shí)應(yīng)該關(guān)注的地方。龍鋼公司高爐在生產(chǎn)過程中，也曾發(fā)生過由于各種原因造成頂壓突然升高的現(xiàn)象。幅度較小時(shí)，TRT系統(tǒng)能夠積極響應(yīng)。但在由于各種原因引起的頂壓大幅升高時(shí)（大于3KP），TRT機(jī)組由于保護(hù)機(jī)制會(huì)自動(dòng)退出，由旁通閥來實(shí)施短時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)。理論上確實(shí)應(yīng)該如此，但實(shí)際上部分設(shè)備由于長期處于備用或待機(jī)狀態(tài)，其動(dòng)作可靠性不能及時(shí)掌握，曾造成了高爐憋壓，煤氣管道移位的險(xiǎn)肇事故。另外由于TRT發(fā)電機(jī)組解列后造成的直接經(jīng)濟(jì)損失也是非常巨大的。

單靠操作人員時(shí)刻監(jiān)測(cè)工況的變化，并不能有效解決存在的問題。“人防不如技防”，針對(duì)這些實(shí)際存在的問題，組織電儀及自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)人員，對(duì)頂壓控制可靠性進(jìn)行了專門的討論研究，提出了一系列改進(jìn)措施，也收到了良好的效果，具體有以下幾方面。

4.1  信號(hào)采集回路改進(jìn)

存在問題：高爐上升管處安裝了兩臺(tái)用來測(cè)量頂壓的壓力變送器，其中僅一臺(tái)變送器信號(hào)參與頂壓調(diào)節(jié)。當(dāng)該臺(tái)變送器故障、取壓管堵塞或控制電纜線路故障時(shí)，造成檢測(cè)值非正常降低或回零，此時(shí)TRT靜葉會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)以維持某個(gè)既定的頂壓設(shè)定值。而此時(shí)的實(shí)際頂壓肯定會(huì)向更高的方向發(fā)展，頂壓控制無疑會(huì)失控，存在明顯的安全隱患。

改進(jìn)方案：將原來的單回路信號(hào)傳輸改為兩路信號(hào)傳輸，并都送入高爐側(cè)PLC系統(tǒng)中，手動(dòng)選取其中的一個(gè)或自動(dòng)選取示值高的一個(gè)為頂壓測(cè)量值。在高爐PLC系統(tǒng)將被選擇的頂壓實(shí)際值一分為二，從兩個(gè)模塊分別送出到TRT主控室，主控室同時(shí)接收這兩個(gè)信號(hào)，也自動(dòng)選擇一個(gè)示值較高的壓力值作為頂壓的過程值來參與自動(dòng)調(diào)節(jié)，即PID調(diào)節(jié)中的PV值。這個(gè)好處是信號(hào)和傳輸均實(shí)現(xiàn)了硬件冗余。自動(dòng)選取示值較高的過程值，一定程度上避免了高爐由于信號(hào)采集缺陷引起的憋壓。

4.2  信號(hào)量程的差異化處理

高爐PLC對(duì)采集到的頂壓信號(hào)量程進(jìn)行差異化處理，如兩臺(tái)壓力變送器的量程均為0-600kPa，在程序中人為可將其中一臺(tái)設(shè)為0-602kPa等，使得兩臺(tái)變送器的示值略有偏差，方便自動(dòng)選取一個(gè)高值，而無需在兩個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)之間頻繁切換。保證了控制回路中電器元器件的使用壽命，同時(shí)儀表量程的微小偏差不會(huì)導(dǎo)致頂壓的控制效果變差。

經(jīng)過以上兩個(gè)改進(jìn)，在示值為自動(dòng)選擇方式時(shí)，維修人員周期性對(duì)任意一臺(tái)變送器進(jìn)行排污、疏通，甚至斷電更換元器件，均可在線進(jìn)行，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換，而不會(huì)對(duì)頂壓控制產(chǎn)生任何影響，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵設(shè)備可周期維護(hù)、保養(yǎng)的目標(biāo)，保證了在線設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)率，方便了維護(hù)。信號(hào)通過兩路控制電纜送給TRT主控室，如果任意一根控制電纜或變送器故障，系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)切換為正常的一路，同時(shí)崗位監(jiān)護(hù)人員在監(jiān)控畫面上能夠看到其中的一個(gè)信號(hào)處于明顯的不正常狀態(tài)，并迅速通知維修人員及時(shí)進(jìn)行恢復(fù)。若條件允許，可將信號(hào)傳輸控制電纜更換為光纜傳輸，增強(qiáng)了抗擠壓、抗拉、抗絕緣老化的性能，系統(tǒng)的可靠性得到了進(jìn)一步的提高。

4.3  優(yōu)化控制邏輯

采用多重措施保證高爐系統(tǒng)和管網(wǎng)不發(fā)生重大險(xiǎn)肇事件?？紤]到TRT故障或設(shè)備工藝原因，頂壓不能得到有效及時(shí)的控制，導(dǎo)致壓力大幅提高，造成高爐憋壓。在程序中通過TRT重故障信號(hào)或頂壓過高信號(hào)來自動(dòng)控制減壓閥組管道閥門打開到設(shè)定角度（該值可以在工長電腦上修改，并做了權(quán)限設(shè)置和上下限幅，以防出現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤），此功能在操作畫面上設(shè)有投入/切除按鈕，頂壓過高設(shè)定值及減壓閥開度均可在畫面設(shè)定，有助于高爐操作人員根據(jù)具體情況采取合適的控制參數(shù)。下圖3為基本控制流程

整個(gè)設(shè)備流程動(dòng)作均由控制系統(tǒng)自動(dòng)完成，無需人工干預(yù)。

從物、機(jī)、人，也就是自動(dòng)化設(shè)備冗余控制、儀表設(shè)備對(duì)比監(jiān)控、高爐異常情況下人為誤操作規(guī)避三個(gè)方面著手，安全、直觀、有效控制了系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行，達(dá)到防憋壓的目的。

4.4  TRT發(fā)電機(jī)組一次回路增加限流電抗器

4.4.1限流電抗器的工作原理：限流電抗器實(shí)際上是一個(gè)空心無導(dǎo)磁材料鐵心的線圈，直流電阻很小，感抗較大?？梢愿鶕?jù)需要布置為垂直、水平、品字形三種裝配形式。通常串接在兩個(gè)電源或電源與用電器之間，當(dāng)兩個(gè)電源壓差突然增大或用戶電氣設(shè)備、線路短路時(shí)，電抗器上壓降突然增大，利用其電感特性，限制了故障電流，增大了線路阻抗，把線路電壓維持在一定的水平。限制系統(tǒng)的短路電流，就保證了高壓綜合保護(hù)裝置不誤動(dòng)作，不會(huì)因?yàn)榫植抗收隙绊懻麄€(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

4.4.2限流電抗器在供配電系統(tǒng)中的作用：限流電抗器主要作用是當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，利用其電感特性，限制系統(tǒng)的短路電流，降低短路電流對(duì)系統(tǒng)的沖擊，同時(shí)降低斷路器選擇的額定開斷容量，節(jié)省投資費(fèi)用，同時(shí)提高系統(tǒng)的殘壓。具體到TRT發(fā)電機(jī)組應(yīng)用方面，限流電抗器串聯(lián)連接在系統(tǒng)母線上，用來限制系統(tǒng)的短路故障電流，使得短路電流降低到其后設(shè)備的允許值。

4.4.3  具體實(shí)施方案：

在1#2#高爐爐前高壓室正北方向，閥門平臺(tái)立柱以北與原電纜溝道之間，有9m*9m閑置空間可建房屋。電抗器直徑1700mm，含支架及絕緣子高度1560mm，三相電抗器采用一單兩重疊安裝；高壓電纜采用單根出高壓室沿橋架進(jìn)入電抗器室高位接線。

注：電抗器室凈高5000mm

4.4.4  直接經(jīng)濟(jì)效益

龍鋼公司煉鐵廠2017年4月15、20日電網(wǎng)連續(xù)兩次波動(dòng)導(dǎo)致TRT系統(tǒng)閃停，若日平均發(fā)電量25.3萬度，每次停機(jī)：過流Ⅰ段動(dòng)作、爐前高壓室檢查電纜絕緣；TRT本體部分檢測(cè)設(shè)備絕緣；分析停機(jī)原因；并網(wǎng)時(shí)高爐避開放鐵爐況調(diào)整等因素，每次因停機(jī)少發(fā)電5小時(shí)，按月影響2次，每度電按0.58元計(jì)算，每月少發(fā)電直接經(jīng)濟(jì)損失6.11萬元，年經(jīng)濟(jì)損失73.4萬元。

經(jīng)過3#-5#高爐TRT運(yùn)行工況的對(duì)比，3#-5#高爐TRT發(fā)電系統(tǒng)在規(guī)劃建設(shè)時(shí)，在爐前高壓室電源出線柜與發(fā)電機(jī)組之間，已串入限流電抗器，只有在公司供電系統(tǒng)大的事故時(shí)才能解列。由于各種原因，陜鼓建設(shè)1#2#TRT時(shí)未設(shè)計(jì)安裝限流電抗器，目前日發(fā)電量增大時(shí)，這個(gè)矛盾顯得很突出。1#2#TRT增加限流電抗器后，能有效地避免頂壓波動(dòng)和供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)導(dǎo)致的非正常解列。

4.5 合理的定值保護(hù)調(diào)整

發(fā)電機(jī)原設(shè)置的縱差保護(hù)、零序保護(hù)，過負(fù)荷保護(hù)，過電壓保護(hù)，轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地保護(hù)、失磁保護(hù)等基本正常，無需變更。隨著高爐冶強(qiáng)不斷提高，高爐頂壓、煤氣發(fā)生量相對(duì)應(yīng)的加大，發(fā)電量大幅度的增大，發(fā)電機(jī)的負(fù)載率已接近滿載，原設(shè)置的過流Ⅰ段定值參數(shù)已不能滿足機(jī)組正常運(yùn)行的需要。

1#2#TRT發(fā)電機(jī)組容量12000KW，額定電流824.5A，額定功率因素0.8，TRT聯(lián)絡(luò)柜電流互感器CT＝1250/5，高壓綜保過流Ⅰ段定值3.6A，折合一次電流900A，高爐10KV配電室TRT并網(wǎng)柜CT＝1500/5，過流Ⅰ段定值3.16A，折合一次電流948A。據(jù)統(tǒng)計(jì)1#、2#TRT最大日發(fā)電量25.6萬度，平均日發(fā)電量25.3萬度，經(jīng)計(jì)算：平均日電流769.8A，平均負(fù)載率93.4%，平均發(fā)電量時(shí)日平均電流760.8A，平均負(fù)載率92.3%?，F(xiàn)場實(shí)測(cè)，發(fā)電機(jī)最大短時(shí)輸出功率11.6MW，功率因素cosφ＝0.825，電流810A。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年3月15日綜保整組啟動(dòng)2次，電網(wǎng)波動(dòng)1次。4月20日綜保整組啟動(dòng)7次，發(fā)電機(jī)最大短時(shí)出力達(dá)到14MW，電流1062A，TRT解列。與能源檢計(jì)量中心進(jìn)行技術(shù)協(xié)商，TRT聯(lián)絡(luò)柜過流Ⅰ段變?yōu)?.4A，對(duì)應(yīng)一次電流1100A，高爐10KVTRT并網(wǎng)柜過流Ⅰ段變?yōu)?.67A，對(duì)應(yīng)一次電流1101A。調(diào)整后的定值參數(shù)可以滿足高爐生產(chǎn)需求。

5  結(jié)束語

需要強(qiáng)調(diào)的是，再完善的控制系統(tǒng)也需設(shè)備作支撐。針對(duì)該項(xiàng)隱患，提出了高爐單位應(yīng)定期對(duì)調(diào)壓閥組的電動(dòng)（液壓）蝶閥進(jìn)行檢查，并作小幅度的開啟、關(guān)閉試驗(yàn)，確保閥門動(dòng)作靈活、到位可靠，時(shí)刻處于可控狀態(tài)。

以上五項(xiàng)措施實(shí)施后，高爐因頂壓波動(dòng)失控而導(dǎo)致的重大生產(chǎn)工藝、設(shè)備事故未再發(fā)生，同時(shí)有效預(yù)防TRT因電網(wǎng)、爐況等不可控因素導(dǎo)致解列的現(xiàn)象。只有TRT穩(wěn)定運(yùn)行，才能增加發(fā)電量，提高經(jīng)濟(jì)效益，并且避免因TRT解列高爐緊急操作導(dǎo)致的工藝事故。

在后期運(yùn)行中曾發(fā)生供電系統(tǒng)閃絡(luò)引起的供電事故，限流電抗器有效地限制了故障電流，高壓綜合保護(hù)裝置未誤動(dòng)作，從而保證了TRT系統(tǒng)對(duì)高爐頂壓波動(dòng)的正常調(diào)節(jié)。

高壓綜保過流Ⅰ段定值的適當(dāng)增加，對(duì)供電事故情況下綜合保護(hù)裝置的誤動(dòng)作也起到一定的限制作用。

參考文獻(xiàn)

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