利用PLC消除高炉煤气余压透平发电装置的安全生产隐患

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高炉煤气余压透平发电装置（Top Gas Pressure Recovery Turbine，简称 TRT），是把高炉煤气导入透平膨胀机，使压力能和热能转化为机械能，驱动发电机发电的一种能量回收装置。同时也是为了更好的控制高炉顶压，即通过TRT机组的静叶开度来调整高炉顶压，效果优于使用传统的高炉减压阀组控制。

图1 工艺流程



一
问题和隐患



TRT透平机组采用高炉炉顶煤气压力测量信号和高炉炉顶煤气压力设定信号经过信号线传送到 TRT自控系统的PLC，经运算后输出 PID 调节信号到透平机组静叶的电液伺服系统，从而控制高炉炉顶煤气压力稳定在设定值。


如测量高炉炉顶煤气压力的变送器突然失电，或者传输顶压信号的线路断开，又或者因为电气干扰导致PLC 模拟量信号接收模块故障等因素，会导致的高炉顶压信号不能准确及时地传输到 TRT自控系统，煤气透平机组顶压调节系统被迫停止运行，致使高炉憋压，有可能造成高炉炉顶煤气压力冲破防爆膜，高炉灌渣停产等重大损失。


测量高炉顶压信号所用的引压管一旦堵塞，所测量的顶压信号将会失真，导致TRT静叶开度不能正确调节，影响到高炉顶压大幅波动。因此，透平机组对顶压控制信号要求十分严格，维护好顶压控制信号对机组的安全运十分重要。


由于各钢铁厂在高炉设计时只采集一路顶压信号，在高炉连续运行的生产过程中，上述顶压失真情况多次发生，对生产造成一定的影响，也存在重大的安全隐患。

图2 透平机和发电机



二
改进措施



在高炉与TRT控制线路的高炉端采取一点接地措施，在 TRT端进隔离器前再加入一级 LC 滤波器，滤掉低次谐波。在高炉煤气上升管道上接入防堵头取压管及压力变送器，作为第二顶压信号源。在第一顶压测量系统出现异常时能利用TRT自控的PLC程序自动切换测量到的高炉煤气炉顶压力信号，保证生产连续性。

图3 TRT主监控画面
在 TRT 自控系统PLC上加入比较程序：

1、两个炉顶压力的压力差＞10 kPa 时报警，提示需要维护；
2、某一顶压信号断线自动切换另一顶压，即当两个顶压差＞20kPa 时自动输入顶压高的信号。
3、当 TRT 自控系统接收不到高炉的顶压测量与设定信号时，透平机组入口流量补偿压力作为备用顶压自动投入，而顶压设定信号自动保持异常前的设定值。在高炉恢复正常后又自动切换高炉顶压测量与控制信号。
4、为保证切换时无扰动，透平机组入口流量补偿压力还要加上管网损失才能作为高炉顶压测量信号来控制使用。
5、在TRT操作控制室监控平台上做高炉顶压测量信号与设定信号断线报警。
以下是施耐德电气Unity Quantum PLC 平台中，Unity Pro语言ST（结构化文本语言）程序代码：

图4 程序代码及注释
如果两个高炉顶压测量值都未断线，并且两个顶压测量值 的差值＞10 kPa，则参与 TRT 静叶开度 PID 调节的 tp_m 值采用两个顶压测量值中的较大值，alarm2 顶压设定信号异常报警。


当高炉生产中出现出铁、打水、悬料和塌料等工况时，高炉顶压会发生较大的瞬时异常波动，若波动过大，静叶无法调整，则TRT停机。为减少顶压短时异常波动造成的停机，保证在此顶压异常的情况下，TRT 仍能保持高炉顶压稳定调节，同时也为了保护透平机组安全，使用TRT旁通阀参与异常情况下的顶压调节，使TRT顺利地渡过异常工况下的顶压波动。工况正常时,顶压调节由静叶完成，并且设定顶压调节时的静叶开度上限（70%），以保证机组的安全；当判断炉况异常时，快开旁通阀的备阀进入参与顶压调节状态，打开一定角度卸压， 维持顶压稳定；待炉况恢复正常值，旁通阀逐步关闭，自动退出调节顶压状态，恢复静叶顶压调节。

图5 液压伺服系统
判断炉况异常的依据：

1、透平进气压力（PI103）＞195 kPa；
2、透平进气温度（TIA103）＞200 ℃；
3、透平入口煤气流量（flow_gas）＞4200 m3 /min。
判定炉况异常，旁通阀参与顶压调节的程序代码：

图6 程序代码及注释



三
改进效果



高炉顶压控制技术改进后，2# 高炉避免了一次因为第一顶压测量变送器故障而引发的高炉憋压事故。7# 高炉因为备用旁通快开阀参与了顶压调节作用，多次避免了因为炉况波动，煤气气流不稳定导致的TRT系统透平机组过度做功而损坏。高炉顶压控制技术的改进，消除了事故隐患，提高了高炉运行的安全稳定性，并有充足的时间来解决生产中遇到的突发问题。




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