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。控制系統(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)挠鄩海衙簹鈱?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(zhǎng)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。考慮到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(zhǎng)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。可以根據(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%。現(xiàn)場(chǎng)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。
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