DCS在国产高炉煤气余压透平发电装置自动控制中的应用.doc

DCS在国产高炉煤气余压透平发电装置自动控制中的应用
摘要：介绍Freelance2000系统在马钢第一套高炉煤气余压透平发电装置（TRT）上的具体使用和取得的经验，包括控制系统的结构及程序设计思想。
关键词：高炉煤气余压透平发电装置；转速；控制
Application of DCS in Automatic Control System  of Top Gas Pressure Recovery Turbine
CHEN Zhi-hu,ZHOU Hua-bin 
Abstract： The application of Freelance2000 in the TRT automatic control system is introduced, including the structure of control system and design idea of program.
 Key words： Top gas pressure recovery turbine； Rotate speed； Control
中图分类号：TP249    文献标识码：B    文章编号：1563－4795(2003)05－0043－03
1 引言
    TRT的全称是高炉煤气余压透平发电装置,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。从高炉送出的高压煤气经清洗除尘后,送到减压阀组和TRT装置。煤气在进入减压阀组之前转入TRT进口管,然后经由入口蝶阀、电液插板阀、紧急切断阀后,进入透平膨胀做功。在入口蝶阀处并联启动阀,用于机组启动时的转速调节。另外，在紧急切断阀前到透平出口后联有旁通快开阀，构成TRT紧急停机时的前馈调节,起疏导煤气流的作用,以保证炉顶压力的波动在允许的范围内,TRT装置减压阀组之间形成并联关系。
2 控制系统
2.1 系统构成
    马钢新1号高炉TRT装置的控制系统采用ABB公司的Freelance2000DCS（分散控制系统），系统硬件由PS机柜、工程师站、操作员站和通讯网络组成，如图1所示

                                     图1  Freelance 2000 DCS的硬件结构
    整个网络为星型结构，采用工业以太网，RS485接口。PS机柜内有3层机架，每层有10个槽位。第一层有1个机架间的通讯模件DLM、功能处理器PCU、各种专用的I/O模块,第二层类同，第三层有1个通讯模件DLM和各种专用的I/O模块。PS机柜上的冗余功能处理器通过RS485接口连接到高速通讯机架，工程师站和操作员站通过以太网卡连接到高速通讯机架，从而实现了过程控制单元和操作员站的通讯。
2.2 系统软件
    操作系统采用的是WindowsNT4.0,具有稳定性能好、操作方便、通用性强的优点。
    编程软件是Freelance2000系统自带的中文Digi-Tool,它提供指令表IL、功能块图FBD、顺序功能块SFC、逻辑控制PL4种编程方法，并可直接编程操作员站画面。综合应用这4种编程方法，可以方便地实现控制思想。监控软件是Freelance2000系统自带的中文DigiVis，用户可以利用它对整个生产过程的运行参数和设备状态进行集中监控。
3 功能实现
    在对高炉TRT装置的控制中，有2个与安全生产直接相关的重要因素：1个是并入电网前对转速的稳定控制，另1个是充分保证高炉炉顶压力的稳定。
3.1 转速控制
    在满足所有的启动条件下，TRT才允许按照一定的顺序步骤启动机组。TRT的自动升速过程由计算机控制启动阀的开度来实现。由于透平机组存在共振区，根据工艺要求，将转速控制分成3个阶段。第一阶段是启动升转速段。转速调节器的设定值按一定的速率上升到1500r/min，通过PID调节来控制启动阀。第二阶段是急升速段。增加调节速率，机组快速通过临界转速（1700r/min～2700r/min）。第三阶段是并网准备升速段。以缓慢的速率上升到3000r/min左右，防止出现超调现象。并发出信号、润滑倒泵、投励磁、升电压，自动准同期装置投运，转速调整到3000r/min时发电机并网。升转速控制回路PID的参数采用自动变比例系数调节，比例系数正比于转速设定值与测量值的偏差，当偏差大时，比例作用增强，通过PID调节作用，有利于转速测量值跟踪设定值。图2示出TRT的升速曲线。

                                           图2  TRT的升速曲线
3.2 顶压调节
    并网后，本系统不改动原有炉顶减压阀组控制回路，只在原系统上并1个调节回路来控制TRT系统的可调静叶，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。在升功率阶段，减压阀组和可调静叶同时参与炉顶压力调节。送入TRT炉顶压力调节回路的炉顶压力测量值与高炉原有炉顶减压阀组控制回路的测量值是同一信号：同时将高炉原有炉顶压力减压阀组控制回路的设定值加上负偏差（－2kPa）后，作为TRT炉顶压力调节回路的设定值。从而实现顶压控制逐渐由减压阀组转向可调静叶，减压阀组在顶压控制回路PID作用下逐渐关闭，然后完全可调节顶压。实践证明，通过对PID参数的优化可以保证顶压波动在±3kPa范围内，完全符合高炉控制要求,同时实现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，高炉操作工不改变任何操作习惯，只需和以往一样操作即可。
    图3为TRT启动后TRT控制顶压的控制框图。其主要控制思想是通过改变TRT侧的顶压设定值，达到顶压控制权从减压阀组转到TRT。由于采用了PID调节算法，是1个连续的过程，所以这种转换是平稳的、连续的，从而也保证了顶压的平稳过渡。

                                              图3  TRT的控制框图
    当TRT紧急停机时，透平入口前紧急切断阀在1s内完全关闭，切断通向透平的煤气，由于减压阀组是电动执行器，它的调节作用和机械特性都比较慢，煤气流量的突变会造成顶压的的急速上升，如果得不到有效的控制，将会造成顶压大的波动，甚至会危及高炉安全。因此，在紧急切断阀与透平出口之间并联1个旁通快开阀，其前馈控制的作用是在炉顶压力未上升前，在关闭切断阀的同时快速打开旁通快开阀，使原来从透平流过的的煤气改由旁通快开阀流过，从而避免高炉顶压出现大的波动。旁通快开阀的前馈开度由停机前的煤气流量、可调静叶开度或有功功率经过运算后确定，在达到这一初始开度后，开始通过PID控制回路参与顶压调节。将高炉顶压设定值加上一正偏差（＋2kPa）送入旁通快开阀的PID控制回路，作为顶压设定值，测量值仍取自高炉顶压实际值，在PID控制作用下实现顶压控制权由TRT转向减压阀组，旁通快开阀逐渐关闭。
4 结论
    本系统充分考虑了炉顶压力控制的特殊安全要求，在启机前，确保所有工艺条件得到满足，才可进入下一步。在升功率，转顶压过程和停机时都采用了PID控制，通过对PID参数的优化，可以将顶压波动范围控制在允许值以内，完全能够满足高炉生产的需要。马钢的TRT自2002年11月正式投运以来，每小时发电量在6300kW以上，以1年300天计算，1年的经济效益可达1200余万元，由于TRT靠回收高炉煤气能量发电，在发电过程中只消耗氮气和水，几乎没有什么成本，3年基本上可以收回投资，经济效益非常显著。