關于TRT系統透平機靜葉控制頂壓的穩定性研究

摘 要：TRT——（BlastFurnaceTopGasRecoveryTurbineUnit）高爐煤氣余壓透平發電裝置，是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。包鋼萬騰煉鐵廠一號高爐配套使用的TRT系統近期出現靜葉波動大，頂壓難控，發電量嚴重受限的情況。

關鍵詞：TRT；靜葉；爐頂壓力；波動

高爐產生的煤氣經重力除塵、凈化除塵后，經過TRT的進口蝶閥、啟動閥、全封閉液壓入口插板閥、緊急切斷閥和可調靜葉進入透平膨脹做功，透平帶動發電機發電。膨脹后的煤氣經過全封閉液壓出口插板閥，送到減壓閥組后的煤氣主管道上。這樣，TRT與減壓閥組就形成并聯關系，實現對高爐頂壓的控制。在入口插板閥之后、出口插板閥之前，與TRT并聯的地方，有一旁通管及快開慢關旁通閥（簡稱旁通快開閥），作為TRT緊急停機時TRT與減壓閥之間的平穩過渡之用，以確保高爐爐頂壓力不產生大的波動，從TRT和減壓閥組出來的低壓煤氣再送到高爐煤氣柜和用戶。

這其中高爐頂壓的控制在TRT正常并網后就主要有透平機的靜葉開度來控制，而一旦高爐爐頂壓力不穩，會引起爐內反應的劇烈波動。爐壓高于額定值時，會使爐內煤氣氣流分布不均，引起崩料，嚴重時會損壞設備。而當爐內壓力低于額定值時，會引起爐內煤氣體積增大，氣流壓力損失增大，煤氣流速上升，使“爐喉”磨損嚴重，同時，也會嚴重影響TRT系統的發電量。因此，作為能量回收的TRT設備，投入運行的先決條件是在任何情況下均能保證爐壓穩定，即在TRT設備啟動、運行和緊急停車時都不能引起爐壓過大的波動。

自從我公司的TRT系統投入運行以來，靜葉對頂壓的控制一直不是處于最佳狀態，近一段時間以來隨著高爐的提產，頂壓、風量等全面提升，TRT靜葉控制突然開始劇烈波動，導致頂壓不穩等危險現象的產生，我廠暫時采取固定靜葉，采用單閥組來控制爐頂壓力，這樣頂壓雖然穩定，但是發電量有限，僅為原來的一半。

由于TRT的靜葉控制采用的是PID控制，頂壓值為高爐采集四點，TRT計算其中的兩個值，得出結果后進行計算加以控制，我們便開始對PID的參數進行優化，希望能夠得到一個最優控制，單反復試驗后，效果都不理想。

PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e（t）與輸出u（t）的關系為

u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD×de（t）/dt]式中積分的上下限分別是0和t。

因此它的傳遞函數為：G（s）=U（s）/E（s）=kp[1+1/（TI×s）+TD×s]

其中kp為比例系數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數。

比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差。

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。

根據以上的理論我們將比例相應放大，將積分拉長，微分降至最小，單純的調節PI，當曲線穩定后，逐步的增大微分值，使其達到最優的控制響應，但是效果都不甚理想。

再次分析曲線后，我們突然發現高爐的四個頂壓值隨頂壓的升高在不停地變化，這樣就勢必造成現場的頂壓最高值在不停的變化，而如果當TRT采集的頂壓值在某一時刻不是高爐四點頂壓的最大值時，由于PID時基于實際與設定的誤差來計算的，我們這時來看PID的比例環節：u（t）=kp×e（t），e（t）為誤差函數，這時由于根據高爐的實際值與TRT的設定值計算誤差結果就會大于（高爐采集值不會小于TRT的）根據TRT的實際值與TRT設定值計算誤差結果，而這時就勢必會出現TRT會利用一個小的誤差值來計算控制靜葉的輸出，而其實以高爐誤差計算出的實際輸出要大于TRT的，這就出現了控制上的不準確，繼而導致波動的出現。

解決方案：我們看圖紙之后發現，TRT的設計圖紙上標明的頂壓測量值是直接由儀表的一入兩出配電器取得（一路去高爐、一路去TRT），這就相當于直接從現場儀表上取值，這就導致了波動現象的發生，于是我們更改了線路，將TRT的頂壓取值引入AB系統，然后AB計算機系統經過多現場取值進行計算，將最大的頂壓測量值送入TRT，這樣就滿足了計算誤差的準確性，從而實現了對系統的穩定控制。

經過技術改造之后運行的一段時間來看，效果良好，頂壓穩定，而且發電量達到了最優的值。

結束語

通過PID的調節方式來控制具體的閥門開度從而控制某個模擬量的最優變化，如果有若干個過程控制對象，根據上述理論應選取最大值，已達到最優控制。

參考文獻

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