DCS在國產(chǎn)高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置自動控制中的應用.doc

DCS在國產(chǎn)高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置自動控制中的應用摘要：介紹Freelance2000系統(tǒng)在馬鋼第一套高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置（TRT）上的具體使用和取得的經(jīng)驗，包括控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及程序設(shè)計思想。關(guān)鍵詞：高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置；轉(zhuǎn)速；控制Application of DCS in Automatic Control System of Top Gas Pressure Recovery Turbine CHEN Zhi-hu,ZHOU Hua-binAbstract： 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中圖分類號：TP249 文獻標識碼：B 文章編號：15634795(2003)05004303 1 引言 TRT的全稱是高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置,它是將原來減壓閥組中損失的高爐煤氣能量，經(jīng)過透平膨脹做功帶動發(fā)電機發(fā)電。從高爐送出的高壓煤氣經(jīng)清洗除塵后,送到減壓閥組和TRT裝置。煤氣在進入減壓閥組之前轉(zhuǎn)入TRT進口管,然后經(jīng)由入口蝶閥、電液插板閥、緊急切斷閥后,進入透平膨脹做功。在入口蝶閥處并聯(lián)啟動閥,用于機組啟動時的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。另外，在緊急切斷閥前到透平出口后聯(lián)有旁通快開閥，構(gòu)成TRT緊急停機時的前饋調(diào)節(jié),起疏導煤氣流的作用,以保證爐頂壓力的波動在允許的范圍內(nèi),TRT裝置減壓閥組之間形成并聯(lián)關(guān)系。2 控制系統(tǒng)2.1 系統(tǒng)構(gòu)成 馬鋼新1號高爐TRT裝置的控制系統(tǒng)采用ABB公司的Freelance2000DCS（分散控制系統(tǒng)），系統(tǒng)硬件由PS機柜、工程師站、操作員站和通訊網(wǎng)絡組成，如圖1所示。 圖1 Freelance 2000 DCS的硬件結(jié)構(gòu) 整個網(wǎng)絡為星型結(jié)構(gòu)，采用工業(yè)以太網(wǎng)，RS485接口。PS機柜內(nèi)有3層機架，每層有10個槽位。第一層有1個機架間的通訊模件DLM、功能處理器PCU、各種專用的I/O模塊,第二層類同，第三層有1個通訊模件DLM和各種專用的I/O模塊。PS機柜上的冗余功能處理器通過RS485接口連接到高速通訊機架，工程師站和操作員站通過以太網(wǎng)卡連接到高速通訊機架，從而實現(xiàn)了過程控制單元和操作員站的通訊。2.2 系統(tǒng)軟件 操作系統(tǒng)采用的是WindowsNT4.0,具有穩(wěn)定性能好、操作方便、通用性強的優(yōu)點。 編程軟件是Freelance2000系統(tǒng)自帶的中文Digi-Tool,它提供指令表IL、功能塊圖FBD、順序功能塊SFC、邏輯控制PL4種編程方法，并可直接編程操作員站畫面。綜合應用這4種編程方法，可以方便地實現(xiàn)控制思想。監(jiān)控軟件是Freelance2000系統(tǒng)自帶的中文DigiVis，用戶可以利用它對整個生產(chǎn)過程的運行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進行集中監(jiān)控。3 功能實現(xiàn) 在對高爐TRT裝置的控制中，有2個與安全生產(chǎn)直接相關(guān)的重要因素：1個是并入電網(wǎng)前對轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制，另1個是充分保證高爐爐頂壓力的穩(wěn)定。3.1 轉(zhuǎn)速控制 在滿足所有的啟動條件下，TRT才允許按照一定的順序步驟啟動機組。TRT的自動升速過程由計算機控制啟動閥的開度來實現(xiàn)。由于透平機組存在共振區(qū)，根據(jù)工藝要求，將轉(zhuǎn)速控制分成3個階段。第一階段是啟動升轉(zhuǎn)速段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)定值按一定的速率上升到1500r/min，通過PID調(diào)節(jié)來控制啟動閥。第二階段是急升速段。增加調(diào)節(jié)速率，機組快速通過臨界轉(zhuǎn)速（1700r/min2700r/min）。第三階段是并網(wǎng)準備升速段。以緩慢的速率上升到3000r/min左右，防止出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。并發(fā)出信號、潤滑倒泵、投勵磁、升電壓，自動準同期裝置投運，轉(zhuǎn)速調(diào)整到3000r/min時發(fā)電機并網(wǎng)。升轉(zhuǎn)速控制回路PID的參數(shù)采用自動變比例系數(shù)調(diào)節(jié)，比例系數(shù)正比于轉(zhuǎn)速設(shè)定值與測量值的偏差，當偏差大時，比例作用增強，通過PID調(diào)節(jié)作用，有利于轉(zhuǎn)速測量值跟蹤設(shè)定值。圖2示出TRT的升速曲線。 圖2 TRT的升速曲線3.2 頂壓調(diào)節(jié) 并網(wǎng)后，本系統(tǒng)不改動原有爐頂減壓閥組控制回路，只在原系統(tǒng)上并1個調(diào)節(jié)回路來控制TRT系統(tǒng)的可調(diào)靜葉，在不改變高爐操作的情況下，利用可調(diào)靜葉實現(xiàn)自動控制爐頂壓力。在升功率階段，減壓閥組和可調(diào)靜葉同時參與爐頂壓力調(diào)節(jié)。送入TRT爐頂壓力調(diào)節(jié)回路的爐頂壓力測量值與高爐原有爐頂減壓閥組控制回路的測量值是同一信號：同時將高爐原有爐頂壓力減壓閥組控制回路的設(shè)定值加上負偏差（2kPa）后，作為TRT爐頂壓力調(diào)節(jié)回路的設(shè)定值。從而實現(xiàn)頂壓控制逐漸由減壓閥組轉(zhuǎn)向可調(diào)靜葉，減壓閥組在頂壓控制回路PID作用下逐漸關(guān)閉，然后完全可調(diào)節(jié)頂壓。實踐證明，通過對PID參數(shù)的優(yōu)化可以保證頂壓波動在3kPa范圍內(nèi)，完全符合高爐控制要求,同時實現(xiàn)TRT爐頂壓力調(diào)節(jié)回路能自動跟蹤高爐的設(shè)定值，高爐頂壓的設(shè)定權(quán)仍在高爐，高爐操作工不改變?nèi)魏尾僮髁晳T，只需和以往一樣操作即可。 圖3為TRT啟動后TRT控制頂壓的控制框圖。其主要控制思想是通過改變TRT側(cè)的頂壓設(shè)定值，達到頂壓控制權(quán)從減壓閥組轉(zhuǎn)到TRT。由于采用了PID調(diào)節(jié)算法，是1個連續(xù)的過程，所以這種轉(zhuǎn)換是平穩(wěn)的、連續(xù)的，從而也保證了頂壓的平穩(wěn)過渡。 圖3 TRT的控制框圖 當TRT緊急停機時，透平入口前緊急切斷閥在1s內(nèi)完全關(guān)閉，切斷通向透平的煤氣，由于減壓閥組是電動執(zhí)行器，它的調(diào)節(jié)作用和機械特性都比較慢，煤氣流量的突變會造成頂壓的的急速上升，如果得不到有效的控制，將會造成頂壓大的波動，甚至會危及高爐安全。因此，在緊急切斷閥與透平出口之間并聯(lián)1個旁通快開閥，其前饋控制的作用是在爐頂壓力未上升前，在關(guān)閉切斷閥的同時快速打開旁通快開閥，使原來從透平流過的的煤氣改由旁通快開閥流過，從而避免高爐頂壓出現(xiàn)大的波動。旁通快開閥的前饋開度由停機前的煤氣流量、可調(diào)靜葉開度或有功功率經(jīng)過運算后確定，在達到這一初始開度后，開始通過PID控制回路參與頂壓調(diào)節(jié)。將高爐頂壓設(shè)定值加上一正偏差（2kPa）送入旁通快開閥的PID控制回路，作為頂壓設(shè)定值，測量值仍取自高爐頂壓實際值，在PID控制作用下實現(xiàn)頂壓控制權(quán)由TRT轉(zhuǎn)向減壓閥組，旁通快開閥逐漸關(guān)閉。4 結(jié)論 本系統(tǒng)充分考慮了爐頂壓力控制的特殊安全要求，在啟機前，確保所有工藝條件得到滿足，才可進入下一步。在升功率，轉(zhuǎn)頂壓過程和停機時都采用了PID控制，通過對PID參數(shù)的優(yōu)化，可以將頂壓波動范圍控制在允