TRT發電機組旁通快開閥控制改進

許崇江 卜少杰

作者通聯：日照鋼鐵有限公司能源管控中心檢修車間 山東日照市沿海路600號 276806

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TRT發電機組（以下簡稱TRT）是煉鐵高爐煤氣余壓透平發電裝置，利用高爐冶煉的副產品——高爐爐頂煤氣具有的壓力能及熱能，使煤氣通過透平膨脹機做功，將其轉化為機械能，驅動發電機或其他裝置發電的一種二次能源回收裝置。旁通快開閥（以下簡稱快開閥）是TRT重要的自控設備，一旦故障對生產影響較大。

一、TRT快開閥系統

1.工作原理

日照鋼鐵有限公司目前有16座高爐，配套16臺TRT，每臺TRT有2個液壓伺服驅動的快開閥。TRT正常運行時，快開閥處于關閉狀態，并能夠輔助控制高爐頂壓。當機組發生重故障停機時，PLC發出停機指令，快速切斷閥立刻切斷進入透平機的煤氣。快開閥根據停機前進入透平機的煤氣量打開一定角度泄壓，確保高爐頂壓在設定值。重故障信號同時傳到高爐的PLC，按照高爐控制程序高爐減壓閥組參與頂壓調節，TRT操作人員關閉入口電動蝶閥，高爐頂壓逐漸轉入高爐控制，停機過程結束。

快開閥系統工作原理見圖1，伺服控制器將接收的主控室PLC發出的閥門開度指令信號（4～20mA）和快開閥傳感器反饋的實際位置信號進行轉換、比較后，經過一定控制運算，產生一個驅動電液伺服閥SV的電流信號。在SV控制下，動力油作用于伺服油缸SM，SM帶動快開閥達到預期位置，實現閥門位置調節。伺服控制器輸出一路4～20mA信號到控制室指示快開閥的實際位置。

2.存在的問題

快開閥近年多次發生誤開事故，原因多為快開閥位移傳感器故障（平均使用壽命僅在1年左右）。進一步分析主要原因是快開閥控制系統存在缺陷，沒有保護功能，伺服控制器未能判斷位移傳感器故障后輸入的異常信號。當TRT正常運行時，PLC輸出指令0%給伺服控制器，伺服控制器輸出開度指令也為0%，快開閥反饋信號也在正常范圍。一旦位移傳感器發生故障，快開閥反饋信號有可能變為負值，伺服控制器內部會將給定指令信號與快開閥反饋信號進行比較，若反饋信號小于指令信號，伺服控制器則會發出開閥指令，以保持指令與反饋的平衡，此時快開閥打開，導致高爐頂壓泄壓。

圖1 快開閥系統工作原理

二、快開閥系統改造

1.改造方案

咨詢伺服控制器廠家，得知伺服控制器對于傳感器的反饋信號故障無法實現智能判斷，更無法實現保護。經過調研，SMATIC S7-400 PLC配套STEP7 V5.4版編程軟件和WINCC 6.0（SP3）版監控軟件，可完全滿足和替代現場伺服控制器的控制功能。為此決定取消伺服控制器，利用PLC STEP7中的PID功能塊實現快開閥反饋信號的采集、比較以及控制信號的輸出（圖2）。

2.程序設計

（1）快開閥傳感器故障信號判斷程序（圖3）。①利用CMP＞R比較模塊，將快開閥反饋信號與標準信號（1%）進行比較，只有快開閥反饋信號（變量R1M5C2）＞1%時，程序判斷快開閥反饋信號在正常范圍。快開閥反饋信號作為有效信號，賦值給MD528。②當快開閥反饋信號≤1%時（允許反饋誤差在1%以內），MOVE賦值功能塊將快開閥反饋信號（MD528）置為0%。③當快開閥反饋信號＜0%時，比較功能塊直接輸出一個開關量報警，此時也符合②所述條件，MOVE賦值功能塊將快開閥反饋信號（MD528）置為0%，避免快開閥誤動作。同時在WINCC畫面上顯示“旁通快開閥反饋信號故障”報警，提醒運行人員及時聯系有關技術人員檢修。當位移傳感器反饋信號恢復到正常值時，報警信號自動消失。

圖3中Network10含義：快開閥反饋（變量R1M2C5）≤1%時，將0%賦值給MD528（PLC程序內部變量，作為下文PID模塊的“PV-IN過程變量輸入”）；Network11含義：快開閥反饋（變量R1M2C5）≤0%時，將變量M24.1置位為“1”，激活變量“旁通閥反饋信號報警”。

圖2 改造后快開閥系統工作原理

圖3 輸入信號判斷程序

（2）快開閥 PID功能塊（圖4）。功能塊輸入參數設置見表1，其中采用臨界比例法調試PID參數：①先切除PID控制器中的積分和微分作用，取比例增益Kc較小值，并投入閉環運行；②使Kc由小到大變化，對應于某一Kc值作小幅度的設定值階躍響應，直至產生等幅振蕩；③設等幅振蕩周期為Tcr（50s）、控制器增益Kcr（0.5），再根據控制器類型選擇PID參數。經反復試驗最終確定關鍵參數為 GAIN=0.5、TI=50s、LMN_HLM=60%、LMN_LLM =45%，未投入TD。

表1

圖4 PID功能圖

3.WINCC組態

（1）WINCC通信組態方式。該系統改造是一個基于PRO-FIBUS現場總線的分布控制系統，上位機人機界面軟件運行在WIN-2000環境下。利用WINCC6.0組態軟件提供的驅動程序，通過計算機自帶的網絡接口與下位S7-400PLC進行數據通信、數據采集和發送數據/指令。

圖5 具有報警功能的界面

（2）控制報警畫面組態。①在變量列表內增加“旁通閥反饋信號丟失”變量，選擇變量類型為二進制變量，地址為M24.1。②在主畫面快開閥附近處，增加“旁通閥反饋信號丟失報警”文本，點擊文本屬性→顯示→選擇變量“旁通閥反饋信號丟失報警”。③保存組態畫面，點擊運行按鈕，反饋信號丟失報警組態完成。圖5界面顯示7#TRT報出“旁通A閥反饋信號故障”，而閥門沒有誤動作。

4.傳感器改進

選用質量較好的西安康宇磁致位移傳感器，加強現場防雨、防塵、防腐蝕等措施，確保設備處于良好工作環境。利用WINCC曲線記錄功能加強查閱快開閥反饋信號曲線記錄，一旦發現曲線異常或有毛刺，則進行專門檢查處理。形成定期更換機制。

三、改造效果

TRT快開閥控制系統改造投用后，曾出現兩次現場位移傳感器故障，PLC畫面均及時準確發出“旁通快開閥反饋信號故障”報警信息，PLC未發出開閥指令，現場快開閥實際沒有動作。工藝人員發現報警后及時聯系儀控人員采用退出動力油路，將快開閥隔離的方法在線更換位移傳感器，沒有影響高爐頂壓，確保了TRT和高爐的安全穩定運行。此次改造充分開發和利用PLC系統自帶功能，減少了伺服控制器備件費用（每個伺服控制器約為8萬元），在同類機組中具有良好的推廣價值。

1 李方圓.西門子S7系列PLC電氣控制精解.北京：化學工業出版社，2010.6