母學東
(陜西龍門鋼鐵有限責任公司煉鐵廠)
摘要：本文論述了高爐頂壓在異常情況下，對控制系統優化后取得效果的評估。控制系統從軟硬件上均進行了針對性改進，提高了系統的可靠性，達到了預期目的。
關鍵詞：頂壓失控；事故擴大；電網波動；限流電抗器
1 前言
在高爐控制參數中，爐頂壓力是非常重要的參數之一,高爐冶煉生產中要求爐頂壓力必須穩定。高精度頂壓穩定控制在±3kPa左右，可提高爐頂壓力的調節品質，強化高爐冶煉，達到節能、降噪、高產的目的。高爐頂壓不穩定，會影響爐況順行，降低產量或影響產品質量，嚴重時可導致爐況失常，各種介質（煤氣、蒸汽、氧氣、氮氣）輸送管道結構強度薄弱的地方被吹開損壞、產生移位，氣密箱煤氣竄入，爐頂設備密封損壞，大量煤氣泄露，風機喘振、TRT發電機組解列或高爐緊急休風搶修等重大設備事故的產生。
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電裝置。高爐煤氣余壓發電裝置是一種通過旋轉葉輪上的葉片與流體之間的相互作用，實現機械與流體能量之間的相互轉變的機械。TRT是利用高爐爐頂的余壓，把煤氣導入透平機膨脹做功，驅動發電機發電的能量回收裝置。
2.2 特點：
不消耗任何燃料，不改變原煤氣品質；無污染無公害的最經濟設備；替代減壓閥組調節穩定爐頂壓力。
2.3 優點：
2.3.1節能：投產前高爐煤氣須經比肖夫除塵系統或減壓閥組減壓，該能量白白浪費。安裝TRT裝置后，該能量被用來驅動透平機運轉發電。回收了原來在比肖夫除塵系統或減壓閥組上損失的全部能量。經統計可回收高爐鼓風機所需能量的30-50%左右。這對解決目前鋼鐵企業電力不足，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運轉后，頂壓調節采用計算機自動控制TRT可調靜葉調節。使高爐爐頂壓力更加穩定，為高爐穩產高產創造有利條件。
2.3.3提高煤氣質量：TRT裝置可進一步降低煤氣的含塵量，降低煤氣中的機械水含量，減少污染。該機組運行可靠、穩定，較好地調節了高爐頂壓，成功地回收高爐煤氣余壓，可取得顯著的經濟效益。
2.3.4減小噪聲污染：TRT代替了減壓閥組，消除了減壓閥組動作時產生的巨大噪聲污染，改善了鋼鐵公司高爐區域的工作環境。
2.4TRT系統提高高爐冶煉效率的工作原理：TRT系統集成了STPC軟件包專利技術的高精度頂壓智能穩定裝置。當頂壓高精度穩定控制時，在高爐順行時還可以實現高壓操作，從而提高高爐的冶煉效率。高爐鼓風機實行定流量送風，因此增高頂壓值就意味著增大質量流量，也就是增加了單位時間送入高爐的氧氣量，提高了高爐冶煉強度。同時，增高了頂壓可提高爐溫，加快氧化還原反應速度，從而降低了高爐入爐焦比。
3 現狀分析
目前龍鋼的5座高爐，正常時頂壓均由TRT控制系統來調節。調壓閥組采用一組電動（或液壓驅動）調節蝶閥，作為非正常工況下的短時使用。
TRT通過自動調節靜葉開度來調節頂壓，控制原理采用的是傳統的PID控制方式。自動控制系統采用的是高可靠性的西門子S7-400H 冗余PLC，達到了通訊、電源、CPU的冗余熱備，具備很高的可靠性和適用性，平均無故障運行時間充分滿足要求。
TRT接收來自高爐控制系統的頂壓設定值和實際值標準儀表信號，通過PID運算，以增量方式輸出靜葉角度的實際控制值，取得了良好的控制精度，偏差可以控制在±3kPa以內，能滿足高爐工藝的實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時曲線。（紅線為設定值，白線為實際值）
圖1：龍鋼某高爐頂壓實時曲線
TRT調壓工藝流程示意圖：
3.1 TRT管道閥門連接結構圖
圖2：TRT調壓工藝流程
3.2動作流程：減壓閥組自動及手動控制權限在高爐主控室，入口電動插板閥，出口電動插板閥供TRT檢修使用。1#、2#調節閥作為旁通閥，自動手動控制權限在TRT主控室，與減壓閥組、透平機靜葉具有相同的穩定高爐頂壓的作用。TRT起機并網前，需征得高爐主控室同意，關閉透平機靜葉及1#、2#調節閥，其次打開入口出口電動蝶閥、0#快切閥，然后調節透平機靜葉升速并網。再通知高爐主控室依次關閉減壓閥組，由透平機靜葉調節控制高爐頂壓穩定。若TRT設置的任何保護之一動作停機，0#快切閥關閉，發電機脫離電網，1#、2#調節閥自動投入穩定高爐頂壓，然后再把權限交給高爐主控室，通過減閥組二度來調節穩定高爐頂壓。
4 存在問題及解決措施
高爐頂壓的連續穩定可調，在現有的控制系統中均能實現。但一個可靠的控制系統還應能在異常突發情況下具有良好的響應，能抑制事態向惡性發展，將危害降低到最小，這也是每個控制系統在設計和后期運行時應該關注的地方。龍鋼公司高爐在生產過程中，也曾發生過由于各種原因造成頂壓突然升高的現象。幅度較小時，TRT系統能夠積極響應。但在由于各種原因引起的頂壓大幅升高時（大于3KP），TRT機組由于保護機制會自動退出，由旁通閥來實施短時自動調節。理論上確實應該如此，但實際上部分設備由于長期處于備用或待機狀態，其動作可靠性不能及時掌握，曾造成了高爐憋壓，煤氣管道移位的險肇事故。另外由于TRT發電機組解列后造成的直接經濟損失也是非常巨大的。
單靠操作人員時刻監測工況的變化，并不能有效解決存在的問題。“人防不如技防”，針對這些實際存在的問題，組織電儀及自動化專業技術人員，對頂壓控制可靠性進行了專門的討論研究，提出了一系列改進措施，也收到了良好的效果，具體有以下幾方面。
4.1 信號采集回路改進
存在問題：高爐上升管處安裝了兩臺用來測量頂壓的壓力變送器，其中僅一臺變送器信號參與頂壓調節。當該臺變送器故障、取壓管堵塞或控制電纜線路故障時，造成檢測值非正常降低或回零，此時TRT靜葉會自動調節以維持某個既定的頂壓設定值。而此時的實際頂壓肯定會向更高的方向發展，頂壓控制無疑會失控，存在明顯的安全隱患。
改進方案：將原來的單回路信號傳輸改為兩路信號傳輸，并都送入高爐側PLC系統中，手動選取其中的一個或自動選取示值高的一個為頂壓測量值。在高爐PLC系統將被選擇的頂壓實際值一分為二，從兩個模塊分別送出到TRT主控室，主控室同時接收這兩個信號，也自動選擇一個示值較高的壓力值作為頂壓的過程值來參與自動調節，即PID調節中的PV值。這個好處是信號和傳輸均實現了硬件冗余。自動選取示值較高的過程值，一定程度上避免了高爐由于信號采集缺陷引起的憋壓。
4.2 信號量程的差異化處理
高爐PLC對采集到的頂壓信號量程進行差異化處理，如兩臺壓力變送器的量程均為0-600kPa，在程序中人為可將其中一臺設為0-602kPa等，使得兩臺變送器的示值略有偏差，方便自動選取一個高值，而無需在兩個實時數據之間頻繁切換。保證了控制回路中電器元器件的使用壽命，同時儀表量程的微小偏差不會導致頂壓的控制效果變差。
經過以上兩個改進，在示值為自動選擇方式時，維修人員周期性對任意一臺變送器進行排污、疏通，甚至斷電更換元器件，均可在線進行，系統會自動切換，而不會對頂壓控制產生任何影響，實現了關鍵設備可周期維護、保養的目標，保證了在線設備的正常運轉率，方便了維護。信號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，系統也會自動切換為正常的一路，同時崗位監護人員在監控畫面上能夠看到其中的一個信號處于明顯的不正常狀態，并迅速通知維修人員及時進行恢復。若條件允許，可將信號傳輸控制電纜更換為光纜傳輸，增強了抗擠壓、抗拉、抗絕緣老化的性能，系統的可靠性得到了進一步的提高。
4.3 優化控制邏輯
采用多重措施保證高爐系統和管網不發生重大險肇事件。考慮到TRT故障或設備工藝原因，頂壓不能得到有效及時的控制，導致壓力大幅提高，造成高爐憋壓。在程序中通過TRT重故障信號或頂壓過高信號來自動控制減壓閥組管道閥門打開到設定角度（該值可以在工長電腦上修改，并做了權限設置和上下限幅，以防出現數據輸入錯誤），此功能在操作畫面上設有投入/切除按鈕，頂壓過高設定值及減壓閥開度均可在畫面設定，有助于高爐操作人員根據具體情況采取合適的控制參數。下圖3為基本控制流程
整個設備流程動作均由控制系統自動完成，無需人工干預。
從物、機、人，也就是自動化設備冗余控制、儀表設備對比監控、高爐異常情況下人為誤操作規避三個方面著手，安全、直觀、有效控制了系統的可靠性運行，達到防憋壓的目的。
4.4 TRT發電機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：限流電抗器實際上是一個空心無導磁材料鐵心的線圈，直流電阻很小，感抗較大。可以根據需要布置為垂直、水平、品字形三種裝配形式。通常串接在兩個電源或電源與用電器之間，當兩個電源壓差突然增大或用戶電氣設備、線路短路時，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。限制系統的短路電流，就保證了高壓綜合保護裝置不誤動作，不會因為局部故障而影響整個系統的平穩運行。
4.4.2限流電抗器在供配電系統中的作用：限流電抗器主要作用是當電力系統發生短路故障時，利用其電感特性，限制系統的短路電流，降低短路電流對系統的沖擊，同時降低斷路器選擇的額定開斷容量，節省投資費用，同時提高系統的殘壓。具體到TRT發電機組應用方面，限流電抗器串聯連接在系統母線上，用來限制系統的短路故障電流，使得短路電流降低到其后設備的允許值。
4.4.3 具體實施方案：
在1#2#高爐爐前高壓室正北方向，閥門平臺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入電抗器室高位接線。
注：電抗器室凈高5000mm
4.4.4 直接經濟效益
龍鋼公司煉鐵廠2017年4月15、20日電網連續兩次波動導致TRT系統閃停，若日平均發電量25.3萬度，每次停機：過流Ⅰ段動作、爐前高壓室檢查電纜絕緣；TRT本體部分檢測設備絕緣；分析停機原因；并網時高爐避開放鐵爐況調整等因素，每次因停機少發電5小時，按月影響2次，每度電按0.58元計算，每月少發電直接經濟損失6.11萬元，年經濟損失73.4萬元。
經過3#-5#高爐TRT運行工況的對比，3#-5#高爐TRT發電系統在規劃建設時，在爐前高壓室電源出線柜與發電機組之間，已串入限流電抗器，只有在公司供電系統大的事故時才能解列。由于各種原因，陜鼓建設1#2#TRT時未設計安裝限流電抗器，目前日發電量增大時，這個矛盾顯得很突出。1#2#TRT增加限流電抗器后，能有效地避免頂壓波動和供電系統網絡波動導致的非正常解列。
4.5 合理的定值保護調整
發電機原設置的縱差保護、零序保護，過負荷保護，過電壓保護，轉子繞組一點接地保護、失磁保護等基本正常，無需變更。隨著高爐冶強不斷提高，高爐頂壓、煤氣發生量相對應的加大，發電量大幅度的增大，發電機的負載率已接近滿載，原設置的過流Ⅰ段定值參數已不能滿足機組正常運行的需要。
1#2#TRT發電機組容量12000KW，額定電流824.5A，額定功率因素0.8，TRT聯絡柜電流互感器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并網柜CT＝1500/5，過流Ⅰ段定值3.16A，折合一次電流948A。據統計1#、2#TRT最大日發電量25.6萬度，平均日發電量25.3萬度，經計算：平均日電流769.8A，平均負載率93.4%，平均發電量時日平均電流760.8A，平均負載率92.3%。現場實測，發電機最大短時輸出功率11.6MW，功率因素cosφ＝0.825，電流810A。據統計，2017年3月15日綜保整組啟動2次，電網波動1次。4月20日綜保整組啟動7次，發電機最大短時出力達到14MW，電流1062A，TRT解列。與能源檢計量中心進行技術協商，TRT聯絡柜過流Ⅰ段變為4.4A，對應一次電流1100A，高爐10KVTRT并網柜過流Ⅰ段變為3.67A，對應一次電流1101A。調整后的定值參數可以滿足高爐生產需求。
5 結束語
需要強調的是，再完善的控制系統也需設備作支撐。針對該項隱患，提出了高爐單位應定期對調壓閥組的電動（液壓）蝶閥進行檢查，并作小幅度的開啟、關閉試驗，確保閥門動作靈活、到位可靠，時刻處于可控狀態。
以上五項措施實施后，高爐因頂壓波動失控而導致的重大生產工藝、設備事故未再發生，同時有效預防TRT因電網、爐況等不可控因素導致解列的現象。只有TRT穩定運行，才能增加發電量，提高經濟效益，并且避免因TRT解列高爐緊急操作導致的工藝事故。
在后期運行中曾發生供電系統閃絡引起的供電事故，限流電抗器有效地限制了故障電流，高壓綜合保護裝置未誤動作，從而保證了TRT系統對高爐頂壓波動的正常調節。
高壓綜保過流Ⅰ段定值的適當增加，對供電事故情況下綜合保護裝置的誤動作也起到一定的限制作用。
參考文獻
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[2] 《DECR-S01發電機微機勵磁調節器說明書》
[3] 《GEX-2000發電機微機勵磁調節器說明書》
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[5] 《能量回收透平裝置TRT知識問答》