高炉 TRT发电装置静叶伺服调节控制分析

・８４・　工业仪表与自动化装置　２０１３年第５期　高炉ＴＲＴ发电装置静叶伺服调节控制分析　程德辉，贾旭涛，安婷婷，邓继组　（西安陕鼓动力股份有限公司工程设计院，西安７１００７５）　摘要：以高炉ＴＲＴ发电装置静叶伺服控制系统故障失效分析为出发点，阐述了静叶伺服系统　各种故障现象，以及对高炉工艺生产的影响效果。并结合用户实际工程案例，提出了ＴＲＴ装置静　叶控制系统故障分析方法及解决方案。　关键词：伺服控制器；静叶关闭；顶压升高；静叶指令／反馈丢失；旁通阀　中图分类号：ＴＫ３２３　文献标志码：Ｂ　文章编号：１０００—０６８２（２０１３）０５—００８４—０３　Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｔａｔｏｒ　ｂｌａｄｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｌａｓｔ　ｆｕｒｎａｃｅ　ＴＲＴ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｓｅｔ　ＣＨＥＮＧ　Ｄｅｈｕｉ，ＪＩＡ　Ｘｕｔａｏ，ＡＮ　Ｔｉｎｇｔｉｎｇ，ＤＥＮＧ　Ｊｉｚｕ　（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ　Ｓｈａａｎｇｕ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉ’ａｎ　７１００７５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｅｘｐｌａｉｎｅｄ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｆａｕｌｔ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｏｆ　ｓｔａｔｏｒ　ｂｌａｄｅｓ　ｓｅＹｖｏ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂｌａｓｔ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｌａｓｔ　ｆｕｒｎａｃｅ　ＴＲＴ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｓｅｔ　ｓｔａｔｏｒ　ｂｌａｄｅｓ　ｓｅｒｖｏ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆａｉｌｕｒｅ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｕｓｅｒｓ’ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘａｍｐｌｅｓ，ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ＳＯ—　ｌｕｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ＴＲＴ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｓｅｔ　ｓｔａｔｏｒ　ｂｌａｄｅｓ　ｓｅｒｖｏ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｆａｕｌｔｓ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｅｒｖｏ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｓｔａｔｏｒ　ｂｌａｄｅｓ　ｃｌｏｓｉｎｇ；ｔｏｐ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　ＢＦ　ｉｎｃｒｅａｓｅ；ｓｔａｔｏｒ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ／　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｌｏｓｉｎｇ；ｂｙｐａｓｓ　ｖａｌｖｅ　０引言　１静叶开度控制　高炉煤气余压透平发电装置（ＴＲＴ）是利用高炉　众所周知，液压伺服系统是一种采用液压伺服　炉顶余压把煤气导入透平机膨胀做功从而驱动发电　机构，根据液压传动原理建立起来的自动控制系统。　机发电的能量回收装置。ＴＲＴ装置一般可回收高炉　在这种系统中，执行元件的运动随着控制机构的信　鼓风机能量的３０％～５０％，同时，还能稳定高炉顶　号变化而变化，因而伺服系统又称随动系统。由于　压，降低管网噪音污染，提高高炉利用系数。在ＴＲＴ　其具有结构紧凑、尺寸小、重量轻、出力大、刚性好、　控制中最为关键的就是对ＴＲＴ静叶开度的动态调　响应快及精度高等特点，在工业上获得了广泛的应　节控制。ＴＲＴ装置的启动、停机、升速、并网、升功率　用。而ＴＲＴ装置静叶液压伺服系统较一般的伺服　和调顶压等核心功能都是通过对ＴＲＴ装置静叶的　系统有着更高的安全可靠性需求。　开度控制实现的。而高精度、高安全性的静叶控制　ＴＲＴ装置静叶液压伺服控制功能主要由电液伺　主要通过静叶电液伺服控制器和ＰＬＣ系统共同作　服控制器、电液伺服阀、伺服油缸、静叶、位置传感　用完成，　ｒＲＴ静叶控制的精确安全与否，将直接影响　器、ＰＬＣ系统组成的闭环系统共同完成。控制流程　到高炉顶压的稳定，发电机的发电功率，升速（过临　如图１所示。ＰＬＣ系统发出控制指令，在电液伺服　界），并网等功能；甚至引起ＴＲＴ装置的重甩负荷，　控制器中与位置反馈信号进行比较放大，并将信号　引起高炉停产。所以，对ＴＲＴ静叶控制原理的研究　通过电液伺服阀将电信号转化为液压油流，带动静　是ＴＲＴ装置系统安全、高效控制的核心。该文结合　叶伺服油缸从而控制静叶的开度，完成对进入ＴＲＴ　国内某钢铁公司ＴＲＴ装置实际运行案例，对电液伺　机组内部高炉煤气量的控制，从而完成对ＴＲＴ转　服控制器的ＴＲＴ静叶控制功能进行全面的描述及　速、高炉顶压及发电机功率的控制。　分析。　从其控制流程图可以看出，电液伺服控制器在　收稿日期：２０１２—１０—１０　控制回路中起着最为关键的作用，它的安全可靠性　作者简介：程德辉（１９６７），男，陕西西安人，本科，高级工程师　决定了整个ＴＲＴ装置的运行效益及整个静叶开度　研究方向为透平膨胀机组及其应用工艺系统控制。　控制的效果。　２０１３年第５期　工业仪表与自动化装置　・８５・　器　指令信三墨查塑兰ｒＬ　●——————＿１　电ｌ嘏　ｌ　反馈信号丢失报警　于　晤储信　磊　旦　二　—　４－２０ＩＴＩＡ　◆ｒ［　１＿—ｌ一　｛Ｉ　／Ｖ　、Ｉｆｌ电液　伺服阀（ＳＶ）　动力油　图１　ＴＲＴ静叶控制原理示意图　２伺服控制原理　目前，冶金行业ＴＲＴ装置静叶伺服系统中使用　的主流伺服控制器虽然有三四家，但其控制原理相　同，下面就以其中一种伺服控制器为例，完成对此类　伺服控制器工作原理的分析，如图２所示。　信号丢失报警　图２伺服控制器工作原理不意图　实际工作中，静叶位置传感器（角位移传感器　或线位移传感器）用来测量实际位置信号，并将其　转换成对应的电信号送至伺服控制器作为反馈信　号。同时控制器还接收主控室位置指令信号（ＰＬＣ）　的４—２０　ｍＡＤＣ指令信号。伺服控制器在内部对这　２个信号加以比较。所得差值反映了指令预期位置　与实际位置之间的差距，差值经过运算处理和放大　后，最终产生一个可以驱动电液伺服阀ＳＶ的电流　信号４—２０　ｍＡＤＣ（ＭＯＯＧ６３４阀）或一６０～６０　ｍＡＤＣ（ＢＤ１５阀）。在伺服阀的控制下，动力油作用　于伺服油缸ＳＭ，带动阀门达到预期阀位，从而实现　伺服调节的目的。同时，伺服控制器还送出一路电　流信号（４～２０　ｍＡＤＣ）静叶位置指令信号、一路控　制指令丢失信号及一路反馈信号丢失报警信号去主　控制室（ＰＬＣ）。　３失效控制分析　参考ＴＲＴ装置静叶控制回路，以伺服控制器为　核心展开静叶控制失效分析，通过控制失效分析对　ＴＲＴ装置及其高炉顶压造成的影响进行详细剖析。　下面就以伺服控制器在ＴＲＴ装置正常发电及高炉　顶压调节状况下，对其内外部可能出现的故障引起　的静叶调节动作状态效果作以描述。信一令一指一　反一信一馈一　　１）伺服控制器工作电源失效。在其工作电源　断电或电源模块故障的状况下，控制器控制失效，伺　服控制器无控制输出，伺服阀控制信号及工作电源　失效，ＴＲＴ装置静叶即刻全关，高炉顶压升高，发电　机功率降至“零”，发出解列信号，ＴＲＴ装置旁通阀　快速动作，机组停机。透　墟　　２）伺服控制器控制指令丢失。当静叶开度指　令控制信号低于３．５　ｍＡ时，即当伺服控制器指令　控制部分出现故障时或ＰＬＣ系统调节指令信号因　物理原因突然消失，如信号线松动、ＰＬＣ　ＡＯ卡件输　出故障等，伺服控制器将控制信号自动切换到本地　进行控制，并发出指令信号丢失报警信号去ＰＬＣ系　统。伺服控制器进入固定保卫调节，指令值为故障　前记忆指令值，这时，伺服控制器将记忆指令值作为　ＴＲＴ静叶调节目标值，因为记忆指令值是一个固定　数值，所以伺服控制器不能够对高炉顶压的变化进　行正常顶压调节，如果出现高炉顶压剧烈变化，将严　重影响高炉正常生产，甚至引起高炉的重大事故；如　果伺服控制器未能自动切换到本地控制或无这项功　能，ＴＲＴ静叶将快速关闭，高炉顶压迅速升高。　３）伺服控制器反馈信号丢失。当静叶位置反　馈信号低于３．５　ｍＡ时，即当伺服控制器信号反馈　部分出现故障时或ＰＬＣ系统调节所用的反馈信号　因物理原因突然消失，如信号线松动，ＰＬＣ　ＡＩ卡件　输入故障，位置传感器供电失效等。因为静叶位置　反馈信号是用来作为伺服控制器内部静叶调节ＰＩＤ　的ＰＶ值，当静叶位置反馈信号丢失，伺服控制器输　出至伺服阀的信号将不断增大，静叶逐渐开大至静　叶全开。这样会造成高炉顶压突然降低，如果高炉　进风风量不变的话，会使高炉的上部压差急剧增加，　造成崩料事故，对炉顶设备的损害尤为严重，如炉顶　上下密封损坏，而且崩料后的生料会直达炉缸，会造　成炉凉，严重影响煤气流的合理分布。　４实例故障分析　国内某钢铁公司在运行的高炉ＴＲＴ装置发电　机组，其工艺流程如图３所示。该机组在运行过程　中，经常并多次出现静叶突然全关到零的现象，导致　高炉炉顶压力迅速升高，对高炉的安全稳定运行构　成了威胁。而且在正常运行过程中，偶尔也出现过　静叶突然关闭又打开的现象，对高炉的长期安全运　行造成了严重的威胁。　・８６・　工业仪表与自动化装置　２０１３年第５期　干式布袋除尘　图３　ＴＲＴ装置流程图　ＴＲＴ装置正常工作情况下，结合图１、图２可得　出导致ＴＲＴ机组静叶突然关闭或打开有以下几种　情况：１）ＰＬＣ系统硬件出现故障；２）供电系统出现　故障；３）信号受到干扰；４）动力油系统出现故障；５）　伺服控制器出现故障；６）ＰＬＣ软件控制问题。　通过对该机组计算机历史数据库数据分析，确　定该机组的ＰＬＣ系统正常，也未出现动力油油压故　障，供电未出现故障，ＴＲＴ装置附近没有强干扰源。　通过逐一排查，并将ＴＲＴ装置故障现象和伺服控制　器失效分析结合起来，就可以清楚的判断出问题出　在静叶伺服控制器或ＰＬＣ软件控制上。进一步对　系统静叶控制下位软件ＰＩＤ回路及上位ＨＭＩ软件　进行排查测试，最终确定静叶的故障动作是由伺服　控制器引起的。　５系统解决方案　解决此类问题，应该从伺服系统设备可靠性及　工艺系统安全控制２个方面着手。　１）提高静叶伺服控制器的安全可靠性。伺服　控制系统采用双电源供电；增加指令丢失及反馈丢　失记忆保位功能；提高伺服系统抗干扰能力。指令　丢失及反馈丢失记忆保位功能虽然可以避免静叶快　速的关闭或打开，但伺服控制器记忆功能将使静叶　失去自动调节高炉顶压功能，如果这时高炉进行出　铁、上料等工艺操作，高炉顶压仍不能得到调节保　护。另外，伺服控制器本身处在调节回路的中间位　置，还必须保证其关联设备以及链路的安全可靠性，　只有整个回路上各设备１００％的可靠，才能杜绝静　叶控制失效问题的发生，但在装置管理运行过程中，　很难保证整个静叶回路上不发生这种小概率故障，　所以从这个层面上即从设备本身为出发点解决问　题，是不能够保证ＴＲＴ装置静叶控制的安全可靠　性的。　２）着眼于整个ＴＲＴ装置工艺流程，就会发现解　决静叶问题可以通过与旁通阀互为补充，即旁通阀　作为高炉顶压调节保护的备用手段，从而解决静叶　调节系统小概率、重故障事故发生后的安保措施。　其控制思路是：ＴＲＴ装置在正常调节顶压的时候，旁　通阀跟踪调节高炉炉顶压力，当炉顶压力大于顶压　正常调节范围的一定余度或接收到指令丢失、反馈　丢失报警后，旁通阀投入顶压调节。当ＴＲＴ正常调　节顶压在正常范围内，旁通阀作为紧急备用，不参与　顶压调节。只要在ＰＬＣ下位软件组态中，将静叶伺　服控制回路的反馈信号和旁通阀控制放到一起整体　考虑控制逻辑，即便出现静叶伺服控制失效这个特　殊故障工况（出现概率很低），ＴＲＴ装置会自动进行　调节保护，不至于引起高炉系统安全事故。　３）将ＴＲＴ装置所使用的旁通阀中的一个阀，设　置成具有ＦＯ功能（故障开）的调节阀，通常也叫单　作用式旁通阀，当出现以上静叶伺服系统故障等功　能失效时，旁通阀不能正常打开并进行正常调节，　ＰＬＣ系统控制阀门所带的电磁阀失电，使旁通阀迅　速打开，从而保证高炉顶压安全，也可作为旁通阀系　统本身伺服系统故障的一个安全控制方式。　６　总结　在ＴＲＴ装置工程应用中，静叶伺服控制器作为　一个核心的控制设备，其安全可靠性是整个工艺系　统正常、安全运行的重要保证，在系统设计、工程投　运过程中，要充分考虑到其各类故障及其连锁效应，　在解决静叶系统故障问题上，除了采用高可靠性的　伺服设备外，更要将其纳入到整个装置工程流程中　整体考虑安全保护设计，才能保证ＴＲＴ装置长期安　全可靠的运行。　参考文献：　［１］贾旭涛，郭阿静，邓继祖，等．大型空分等温离心压缩　机组控制系统设计应用［Ｊ］．工业仪表与自动化装置，　２０１２（５）：６７—６９．　［２］　王占林．近代电气液压伺服控制［Ｍ］．北京：北京航空　航天大学出版社，２００５．　［３］杨逢瑜．电液伺服与电液比例控制技术［Ｍ］．北京：清　华大学出版社，２００９．　［４］杨征瑞，花克勤，徐轶．电液比例与伺服控制［Ｍ］．北　京：冶金工业出版社出版，２００９．　［５］　黄志坚．电液伺服与比例控制装置使用与维修［Ｍ］．　北京：电力出版社，２００９．